CN115078225A - 一种原位入渗测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种原位入渗测试系统及其测试方法，涉及原位入渗领域，解决了现有原位入渗测试系统测试结果干扰较多的问题。该系统中的储水装置包括储水桶，储水桶包括外壁和内胆，在外壁的底部和内胆的底部之间设置有第一压力传感器，第一压力传感器用于测量储水装置内部水的第一重量值，和第一预设时间段内储水装置内部水的第二重量值；蒸发测定装置包括蒸发皿，蒸发皿包括第二外壁和第二内胆，在第二外壁和第二内胆的底部之间设置有第二压力传感器，第二压力传感器用于获取蒸发测定装置中水的第三重量值，以及第二预设时间段内蒸发测定装置内剩余水的第四重量值；环刀装置位于固定支架下方，并且，环刀装置一端与储水装置连通，另一端插入土壤中。

Description

一种原位入渗测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及原位入渗测试技术领域，具体涉及一种原位入渗测试系统及其测试方法。

背景技术

在水利工程施工及地下水资源的计算中，多涉及原位渗透试验，需进行野外测定包气带非饱和松散岩层的渗透系数，试验的目的是为研究区域性水均衡、水库、灌区、渠道渗漏量、山前地区地表水渗入量。

目前，原位渗透多采用双环入渗法、人工降雨法、Guelph渗透仪法等的试验设备，国产设备以双环入渗为主，仪器相对较简单，通过供水瓶供水，而供水瓶本身没有刻度，无法确定渗水量，需要经过标识刻度和校准体积，且试验过程较为繁琐，人工影响因素较多；Guelph渗透仪法作为美国进口产品，在一定程度上改善了原位渗透试验的便捷性及速率，但未能考虑现场蒸发量影响。人工降雨入渗法受场地便捷性等限制。

因此，现行的测试设备在原位测试中影响试验精度和试验结果的因素依然存在。解决土料原位渗透试验精度和结果的问题在于试验过程中如何更多考虑温度、湿度、蒸发量等因素的影响，减少人为干扰因素。

发明内容

本发明的目的在于提供一种原位入渗测试系统及其测试方法，以解决现有的原位入渗测试系统测试结果干扰较多的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种原位入渗测试系统，所述原位入渗测试系统包括储水装置，所述储水装置包括储水桶，所述储水桶包括外壁和内胆，在所述外壁的底部和所述内胆的底部之间设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器用于测量所述储水装置内部水的第一重量值，以及第一预设时间段内所述储水装置内部水的第二重量值；蒸发测定装置，所述蒸发测定装置包括蒸发皿，所述蒸发皿包括第二外壁和第二内胆，在所述第二外壁和所述第二内胆的底部之间设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器用于获取所述蒸发测定装置中水的第三重量值，以及第二预设时间段内所述蒸发测定装置内剩余水的第四重量值；固定支架，所述固定支架用于支撑所述储水装置和所述蒸发测定装置；环刀装置，所述环刀装置位于所述固定支架下方，并且，所述环刀装置一端与所述储水装置连通，另一端插入土壤中；控制装置，所述控制装置内嵌于所述固定支架内部，所述控制装置同时连接所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，以用于获取所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，并根据所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，计算所述储水装置的入渗量。

可选择地，所述储水装置的底部开设有连接输水管的开口，所述固定支架内部设置有供所述输水管贯穿的通道，所述储水桶中的水通过所述输水管进入所述环刀装置中。

可选择地，所述开口处设置有自动阀门，所述自动阀门与所述控制装置电连接，以用于开启和/或关闭所述储水装置向所述环刀装置注水的通道。

可选择地，所述原位入渗测试系统还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述环刀装置上，以用于获取土壤中水的粘度。

可选择地，所述控制装置包括微电脑和微电脑开关，所述微电脑开关用于控制所述微电脑切换于工作状态和/或闲置状态。

可选择地，所述环刀装置包括环刀本体和关于所述环刀本体对称设置的两个环刀加力孔，所述环刀加力孔通过所述储水装置的自动阀门连接输水管。

可选择地，所述环刀装置内部还设置水位探测器，所述水位探测器连接所述控制装置，以用于获取所述环刀装置内部的第一水位信号，并将所述第一水位信号传输至所述控制装置。

可选择地，所述环刀装置内部还设置有水位浮球，所述水位浮球连接所述控制装置，以用于获取所述环刀装置内部的第二水位信号，并将所述第二水位信号传输至所述控制装置。

可选择地，所述控制装置还用于，根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置内部最终水位信号。

本发明还提供一种利用上述的原位入渗测试系统的原位入渗测试方法，所述原位入渗测试方法包括：

S1：将所述原位入渗测试系统的环刀装置插入土壤中；

S2：分别对所述原位入渗测试系统的储水桶和蒸发皿注水，并开启所述控制装置的微电脑；

S3：采集注水结束后所述储水桶中所述第一压力传感器的第一重量值，以及注水结束后所述蒸发皿中所述第二压力传感器的第三重量值；

S4：开启自动阀门，以将所述储水桶中的水注入所述环刀装置中；

S5：获取所述环刀装置内部水位探测器的第一水位信号和水位浮球的第二水位信号；

S6：根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置内部最终水位信号；

S7：判断所述最终水位信号是否为预设水位信号，若是，进入步骤S8，否则，返回步骤S4；

S8：关闭所述自动阀门并采集所述储水桶中的第二重量值、所述蒸发皿中的第四重量值以及温度传感器中的温度数据；

S9：根据所述第一重量值、第二重量值、第三重量值、第四重量值和所述温度数据，得到当前测试的入渗值。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的原位入渗测试系统采用收纳式设计，方便运输、储存。在试验过程中采用自动控制环刀装置加水、自动记录入渗、蒸发、温度数据并进行数据处理的方式，减少了传统原位入渗试验的人为加水不及时、水量计量不准确因素，增加了对温度及蒸发的考虑，在试验时可根据要求设置控制水位，达到计算时考虑水粘度、蒸发对入渗的影响性评价，从而使试验结果更加准确，同时该设备可单人无值守操作，减少人力消耗，提供经济效益。

附图说明

图1为本发明所提供的原位入渗测试系统的结构示意图；

图2为本发明所提供的原位入渗测试系统的主视图；

图3为本发明环刀装置的结构示意图；

图4为本发明所提供的原位入渗测试方法的流程图。

附图标记说明

1-储水桶；2-蒸发测定装置；3-固定支架；4-环刀装置；41-环刀本体；42-环刀加力孔；43-水位浮球；5-输水管；6-控制装置。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种原位入渗测试系统，参考图1-图3所示，所述原位入渗测试系统包括储水装置，所述储水装置包括储水桶1，所述储水桶1包括外壁和内胆，在所述外壁的底部和所述内胆的底部之间设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器用于测量所述储水装置内部水的第一重量值，以及第一预设时间段内所述储水装置内部水的第二重量值；蒸发测定装置2，所述蒸发测定装置2包括蒸发皿，所述蒸发皿包括第二外壁和第二内胆，在所述第二外壁和所述第二内胆的底部之间设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器用于获取所述蒸发测定装置2中水的第三重量值，以及第二预设时间段内所述蒸发测定装置2内剩余水的第四重量值；固定支架3，所述固定支架3用于支撑所述储水装置和所述蒸发测定装置2；环刀装置4，所述环刀装置4位于所述固定支架3下方，并且，所述环刀装置4一端与所述储水装置连通，另一端插入土壤中；控制装置6，所述控制装置6内嵌于所述固定支架3内部，所述控制装置6同时连接所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，以用于获取所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，并根据所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，计算所述储水装置的入渗量。

除此之外，为了确保本发明所提供的原位入渗测试系统的正常运行，本发明的原位入渗测试系统还包括电源装置，该电源装置分别与控制装置6、第一压力传感器、第二压力传感器和自动阀门连接，以用于给控制装置6、第一压力传感器、第二压力传感器和自动阀门供电。当然，本发明对于电源装置的具体形式不做限制，本领域技术人员可以采用电池供电，也可以采用电源供电。在本发明中，电源装置采用24V锂电池。

控制装置6主要根据程序命令下达测试指令以及数据的收集、整理、计算和导出。

这里，第一压力传感器和/或第二压力传感器采用双层不锈钢材质的进口ZEMIC系列传感器，用线缆与控制装置6交互信号。第一预设时间段和第二预设时间段可以是任意的时间范围，本领域技术人员可以根据实际需求对应进行设置，需要说明的是，由于储水桶1和蒸发皿的大小不一，因此第一预设时间段和第二预设时间段的时间长度可以做不同的设定，例如在一些实施例中，可以设定第二预设时间段大于第一预设时间段。

此外，本发明对于储水装置和蒸发皿在固定支架3上的固定形式不做具体限制，本领域技术人员可根据实际情况以及本发明对储水装置和蒸发皿进行固定。作为一种实施例，本发明采用固定卡槽的方式进行固定，当然，卡扣和卡槽可以以任意的方式进行组合，如在储水装置和蒸发皿上设置卡扣，那么相对应的在固定支架3上设置卡槽，否则反向设置即可。

可选择地，所述储水装置的底部开设有连接输水管5的开口，所述固定支架3内部设置有供所述输水管5贯穿的通道，所述储水桶1中的水通过所述输水管5进入所述环刀装置4中。

可选择地，所述开口处设置有自动阀门，所述自动阀门与所述控制装置6电连接，以用于开启和/或关闭所述储水装置向所述环刀装置4注水的通道。

可选择地，所述原位入渗测试系统还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述环刀装置4上，以用于获取土壤中水的粘度。

具体地，温度传感器采用K型电阻，在环刀内壁、固定支架3处采集温度数据，并根据控制装置6所限定的采集时间，提交温度信号，这里温度信号主要用于获取土壤中水的粘度信息。由于考虑了土壤中水的粘度信息，从而使得最终获取到的入渗值更加准确。

可选择地，所述控制装置6包括微电脑和微电脑开关，所述微电脑开关用于控制所述微电脑切换于工作状态和/或闲置状态。

可选择地，所述环刀装置4包括环刀本体41和关于所述环刀本体41对称设置的两个环刀加力孔42，所述环刀加力孔42通过所述储水装置的自动阀门连接输水管5。

其中，为了便于固定输水管5，本发明通过自动阀门连接输水管5和环刀加力孔42。当然，对称设置的环刀加力孔42能够便于插入便携的棍状物（如木棍、钢筋等），从而便于操作人员将环刀装置压入土壤中。基于此，本领域技术人员能够想到的是，输水管5可以设置于对称设置的环刀加力孔42的任何一侧，也可以两侧均设置，本发明不做具体限制。

为了获得环刀装置4内部更为准确的水位信号，因此，可选择地，所述环刀装置4内部还设置水位探测器，所述水位探测器连接所述控制装置6，以用于获取所述环刀装置4内部的第一水位信号，并将所述第一水位信号传输至所述控制装置6。以及水位浮球43，所述水位浮球43连接所述控制装置6，以用于获取所述环刀装置4内部的第二水位信号，并将所述第二水位信号传输至所述控制装置6。

因而，所述控制装置6还用于，根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置4内部最终水位信号。

为了确保环刀装置4内部最终水位信号的准确性，本发明设计第一水位信号和第二水位信号是两种不同的水位检测设备检测到的，因此，本领域技术人员可结合第一水位信号和第二水位信号确定最终水位信号，可选择地，取第一水位信号和第二水位信号的平均值。

本发明具有以下有益效果：

本发明所提供的原位入渗测试系统采用收纳式设计，方便运输、储存。在试验过程中采用自动控制环刀装置4加水、自动记录入渗、蒸发、温度数据并进行数据处理的方式，减少了传统原位入渗试验的人为加水不及时、水量计量不准确因素，增加了对温度及蒸发的考虑，在试验时可根据要求设置控制水位，达到计算时考虑水粘度、蒸发对入渗的影响性评价，从而使试验结果更加准确，同时该设备可单人无值守操作，减少人力消耗，提供经济效益。

本发明还提供一种利用上述的原位入渗测试系统的原位入渗测试方法，参考图4所示，所述原位入渗测试方法包括：

S1：将所述原位入渗测试系统的环刀装置4插入土壤中；

S2：分别对所述原位入渗测试系统的储水桶1和蒸发皿注水，并开启所述控制装置6的微电脑；

S3：采集注水结束后所述储水桶1中所述第一压力传感器的第一重量值，以及注水结束后所述蒸发皿中所述第二压力传感器的第三重量值；

S4：开启自动阀门，以将所述储水桶1中的水注入所述环刀装置4中；

S5：获取所述环刀装置4内部水位探测器的第一水位信号和水位浮球43的第二水位信号；

S6：根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置4内部最终水位信号；

S7：判断所述最终水位信号是否为预设水位信号，若是，进入步骤S8，否则，返回步骤S4；

S8：关闭所述自动阀门并采集所述储水桶1中的第二重量值、所述蒸发皿中的第四重量值以及温度传感器中的温度数据；

S9：根据所述第一重量值、第二重量值、第三重量值、第四重量值和所述温度数据，得到当前测试的入渗值。

由于蒸发是在任何温度下都能进行的，一般发生在液体表面的汽化现象。且蒸发的快慢与液体性质、液体温度、表面面积、表面污染物（如油斑等）和表面附近的气流速度有关。因此，在本发明中，将与储水桶1同高度设置的蒸发皿中与储水桶1同时注水，由于蒸发皿并没有与环刀装置4进行连接，因此没有产生入渗量，以及影响土壤粘度，因此在设定的第二时间段内蒸发皿中水量的减少高度便是蒸发掉的高度，第四重量值和第三重量值之差便是蒸发掉的水的重量差。基于此，储水装置中第一重量值与第二重量值之差既包括蒸发量，也包括影响土壤粘度的水分和入渗量。因此，计算方式具体如下：

其中，

为第

时段的入渗量（单位：mm）；

为储水桶在

时段内第

次向环刀装置内注水开始时的第一重量值，

为储水桶在

时段内第

次向环刀装置内注水结束时的第二重量值；

和

分别为蒸发皿在

时段内的起始重量值（第三重量值）和结束重量值（第四重量值），

分别表示

时段内任意时间点；

和

分别为环刀和蒸发皿的截面面积，

为水的密度，

为储水桶在

时段内向环刀装置内注水的次数，且每次注水间隔时间为第一预设时间段，

为第二预设时间段，

次注水的总间隔时间段与第二预设时间段相等。装置微电脑每时段（一般为1小时）测算一个

值。当该值保持不变时，说明进入稳定入渗阶段。此时，可以计算任何时段范围的入渗率，如日入渗率：

其中，

为日入渗率（mm/day）；

为小时入渗率（mm/h），即时段以小时计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种原位入渗测试系统，其特征在于，所述原位入渗测试系统包括

储水装置，所述储水装置包括储水桶，所述储水桶包括外壁和内胆，在所述外壁的底部和所述内胆的底部之间设置有第一压力传感器，所述第一压力传感器用于测量所述储水装置内部水的第一重量值，以及第一预设时间段内所述储水装置内部水的第二重量值；

蒸发测定装置，所述蒸发测定装置包括蒸发皿，所述蒸发皿包括第二外壁和第二内胆，在所述第二外壁和所述第二内胆的底部之间设置有第二压力传感器，所述第二压力传感器用于获取所述蒸发测定装置中水的第三重量值，以及第二预设时间段内所述蒸发测定装置内剩余水的第四重量值；

固定支架，所述固定支架用于支撑所述储水装置和所述蒸发测定装置；

环刀装置，所述环刀装置位于所述固定支架下方，并且，所述环刀装置一端与所述储水装置连通，另一端插入土壤中；

控制装置，所述控制装置内嵌于所述固定支架内部，所述控制装置同时连接所述第一压力传感器和所述第二压力传感器，以用于获取所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，并根据所述第一重量值、所述第二重量值、第三重量值和第四重量值，计算所述储水装置的入渗量；

其计算方式为：

其中，

为第

时段的入渗量；

为储水桶在

时段内第

次向环刀装置内注水开始时的第一重量值，

为储水桶在

时段内第

次向环刀装置内注水结束时的第二重量值；

和

分别为蒸发皿在

时段内的起始重量值和结束重量值；

和

分别为环刀和蒸发皿的截面面积，

为水的密度，

为储水桶在

时段内向环刀装置内注水的次数，且每次注水间隔时间为第一预设时间段，

为第二预设时间段；所述开口处设置有自动阀门，所述自动阀门与所述控制装置电连接，以用于开启和/或关闭所述储水装置向所述环刀装置注水的通道。

2.根据权利要求1所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述储水装置的底部开设有连接输水管的开口，所述固定支架内部设置有供所述输水管贯穿的通道，所述储水桶中的水通过所述输水管进入所述环刀装置中。

3.根据权利要求1所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述原位入渗测试系统还包括温度传感器，所述温度传感器设置于所述环刀装置上，以用于测试环刀中水温从而获取土壤中水的运动粘度。

4.根据权利要求1所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述控制装置包括微电脑和微电脑开关，所述微电脑开关用于控制所述微电脑切换于工作状态和/或闲置状态。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述环刀装置包括环刀本体和关于所述环刀本体对称设置的两个环刀加力孔，所述环刀加力孔通过所述储水装置的自动阀门连接输水管。

6.根据权利要求5所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述环刀装置内部还设置水位探测器，所述水位探测器连接所述控制装置，以用于获取所述环刀装置内部的第一水位信号，并将所述第一水位信号传输至所述控制装置。

7.根据权利要求6所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述环刀装置内部还设置有水位浮球，所述水位浮球连接所述控制装置，以用于获取所述环刀装置内部的第二水位信号，并将所述第二水位信号传输至所述控制装置。

8.根据权利要求7所述的原位入渗测试系统，其特征在于，所述控制装置还用于，根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置内部最终水位信号。

9.一种利用权利要求1-8中任意一项所述的原位入渗测试系统的原位入渗测试方法，其特征在于，所述原位入渗测试方法包括：

S1：将所述原位入渗测试系统的环刀装置插入土壤中；

S2：分别对所述原位入渗测试系统的储水桶和蒸发皿注水，并开启所述控制装置的微电脑；

S3：采集注水结束后所述储水桶中所述第一压力传感器的第一重量值，以及注水结束后所述蒸发皿中所述第二压力传感器的第三重量值；

S4：开启自动阀门，以将所述储水桶中的水注入所述环刀装置中；

S5：获取所述环刀装置内部水位探测器的第一水位信号和水位浮球的第二水位信号；

S6：根据所述第一水位信号和所述第二水位信号，得到所述环刀装置内部最终水位信号；

S7：判断所述最终水位信号是否为预设水位信号，若是，进入步骤S8，否则，返回步骤S4；

S8：关闭所述自动阀门并采集所述储水桶中的第二重量值、所述蒸发皿中的第四重量值以及温度传感器中的温度数据；

S9：根据所述第一重量值、第二重量值、第三重量值、第四重量值和所述温度数据，得到当前测试的入渗值。

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