CN115541476A - 一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置和测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置和测试方法，包括供水机构和泥浆渗透机构；供水机构用于泥浆渗透机构中的地层饱和及泥浆渗透系数校验时的供水，包括供水瓶、水泵、水桶、回水管和第一供水管；泥浆渗透机构用于进行泥浆渗透成膜，包括第二～四供水管，三通接头，第一～四阀门，第一～五TDR传感器，三根螺纹杆，有机玻璃柱，测距传感器，第一、第二孔压计，底座，法兰盘，电子秤，出水管，渗滤液收集容器，第一～三供气管，控制监测仪，空气压缩机和计算机。本发明操作简单，成本低，且适用性广泛。
Description
技术领域
本发明属于泥水盾构隧道技术领域。
背景技术
新世纪以来，泥水盾构施工因其具有环境友好、防洪安全、航运干扰小等优势被广泛运用在越江海隧道的建设中。当盾构机穿越复杂地层时，由于地层条件多变，地层中的石英、砾石等可能会导致盾构机刀盘的磨损，需要停机进行带压开舱，以完成刀具的更换、刀盘的维修和清理。带压开舱主要通过在开挖面形成致密泥膜，将开挖面处的支护力转化成平衡开挖面后土水压力的有效压力，然后下降泥浆液位，采用压缩空气对开挖面进行支护，工作人员进入压力舱进行一系列的操作。考虑到泥膜质量在带压开舱过程中起到至关重要的作用。与此同时，膨润土泥浆浆液具有明显的碱性，泥浆中的碱性液体在成膜过程中渗透进地层中并在地层中扩散，对地下水环境产生一定的影响，故在带压开舱前需要进行室内试验，验证泥膜的质量，主要的验证指标为泥膜的渗透系数，同时监测碱性浆液在地层中的扩散行为。
目前关于泥膜的生成主要通过滤失试验进行模拟，加压泥浆在滤纸上形成致密的泥膜，但由于滤纸具有固定规格，无法体现出实际地层的情况。因此，需要更加能够体现出实际工况的仪器对泥浆渗透成膜进行评价。泥浆渗透过程中需要对渗透流量和地表孔压进行监测，并追踪泥浆中碱性液体扩散范围；由于传统的渗透柱试验无法为地层提供压力，不符合实际开挖条件，且传统试验需要将泥膜取出后测量泥膜厚度进行泥膜渗透系数测量，导致模拟泥膜形成过程的模拟操作麻烦且监测量巨大，且渗滤液为透明液体，无法追踪其踪迹。
发明内容
发明目的：为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提出了一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置和测试方法。
技术方案：本发明提供了一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置，包括供水机构和泥浆渗透机构；所述供水机构包括供水瓶、水泵、水桶、回水管、第一供水管；所述水桶置于地面并装入自来水，供水瓶置于一定高度，水泵设置在水桶内，水泵将水桶里的自来水通过第一供水管输入到供水瓶，当供水瓶中的水达到预设的高度后，通过回水管流入水桶；
所述泥浆渗透机构包括第二～四供水管，三通接头，第一～四阀门，第一～五TDR传感器，三根螺纹杆，有机玻璃柱，测距传感器，第一、第二孔压计，底座，法兰盘，电子秤，出水管，渗滤液收集容器，第一～三供气管，控制监测仪，空气压缩机和计算机；所述控制监测仪上集成有第一、第二气压控制显示装置；所述第一阀门为双向阀门；所述有机玻璃柱设置在底座上，所述底座上设有相对的第一、第二通孔，该两个通孔均为L型通孔，L型通孔的一端在底座的表面，另外一端在底座的侧面；第一通孔位于底座侧面的一端与第二阀门连接，所述第二阀门通过第三供水管与三通接头的第一端口连接，三通接头的第二端口通过第二供水管与供水瓶底部连接；第二通孔位于底座侧面的一端与第三阀门连接，第三阀门通过出水管与渗滤液收集容器连接，用于将有机玻璃内的渗滤液传送到渗滤液收集容器内；所述法兰盘的边缘和底座边缘上设有相应的三个孔洞，三根螺纹杆的顶部均设有螺母，三根螺纹杆的底部分别固定设置在底座的孔洞上，三根螺纹杆的顶部分别穿过法兰盘上的孔洞，通过拧紧螺母能够使得法兰盘密封有机玻璃柱；第一阀门设置在法兰盘的中心，第一阀门的一个阀门为供水端，另外一个阀门为供气端，三通接头的第三端口通过第四供水管与供水端连接，用于向有机玻璃柱内供水；供气端通过第二供气管与第一气压控制显示装置连接；所述渗滤液收集容器设置在电子秤上，电子秤与计算机连接；渗滤液收集容器顶部设有第四阀门，第四阀门通过第三供气管与第二气压控制显示装置连接，所述控制监测仪通过第一供气管与空气压缩机连接；所述测距传感器设置在法兰盘底部的，位于有机玻璃柱内；所述第一～五TDR传感器从上往下等间距的设置在有机玻璃柱的侧面；所述第一、第二孔压计设置在有机玻璃柱的侧面，且第一孔压计的高度与第一TDR传感器的高度一致，第二孔压计的高度与第五TDR传感器的高度一致；所述测距传感器、五个TDR传感器和两个孔压计均与控制监测仪连接，所述控制监测仪将收到的数据传送至计算机显示。
进一步的，所述测距传感器为超声波测距传感器。
进一步的，还包括第一～五数据线；所述测距传感器通过第一数据线与控制监测仪连接，五个TDR传感器通过第二数据线与控制监测仪连接，两个孔压计通过第三数据线与控制监测仪连接，所述控制监测仪通过第四数据与计算机连接；所述电子秤通过第五数据线与计算机连接。
一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在有机玻璃柱内制备地层，并进行常水头试验，通过两个空压计之间的渗透系数判断地层制备是否合格，如果合格则转步骤2，否则重新制备地层直至合格；
步骤2：关闭四个阀门，采用引流法沿有机玻璃柱内壁缓慢加入泥浆，封闭法兰盘；控制监测仪将测距传感器测得的数据传送至计算机；打开空气压缩机，打开第一阀门的供气端和第四阀门，第一气压控制显示装置将空气压缩机提供的压力调整至预设的值，然后传送至有机玻璃柱内为泥浆提供渗透压力；第二气压控制显示装置将空气压缩机提供的压力调整至预设的值，然后传送至渗滤液收集容器内；当两个孔压计读数稳定后，打开第三阀门，此时传送至渗滤液收集容器内的压力为地层提供孔隙水压力；泥浆在渗透压力的作用下开始渗透；
步骤3：以打开第三阀门作为实验开始时间，实验结束时间为人为预设，记整个实验时间为X，将时间X分成n个时间段，将第x个时间段内的最后一个时刻作为渗透系数计算节点，记为Tx；x＝1,2,…,n；取Tx前y个时间段和后y个时间段，作为计算渗透系数的时间段，将该渗透系数的时间段的长度记为t；实验结束后，得到泥膜，取适量泥膜测量泥膜的含水率，得到泥膜的密度；根据泥膜的密度，时间节点Tx时电子秤称量的渗滤液的质量ΔM以及从实验开始到时间节点Tx时测距传感器测量的泥浆液位变化量Δh1，计算泥膜的厚度H；
步骤4：根据孔压计测量的地层孔压以及泥膜的厚度H计算时间长度t对应的泥膜渗透系数。
进一步的，所述步骤1具体为：在有机玻璃柱底部铺设一层土工布；在土工布上方铺设一层粗砂作为滤层；在滤层上方铺设地层，地层上表面与第一TDR传感器齐平；关闭第一阀门和第三阀门，保持第四阀门打开并设置第二气压控制显示装置显示的气压为0，打开水泵和第二阀门，使地层自下而上饱和；饱和完成后关闭第二阀门，采用引流法沿有机玻璃柱内壁注水至有机玻璃柱顶部；拧紧螺纹杆使得法兰盘封闭有机玻璃柱，打开第三阀门和第一阀门的供水端，进行常水头试验，记录两个孔压计读数和渗滤液质量；根据达西定律计算两个孔压计之间地层的渗透系数，如果计算得到的渗透系数在预设的范围内，则表明地层制备合格。
进一步的，所述步骤3中根据如下公式计算泥膜的厚度H：
A为有机玻璃柱内截面面积，ρ'为泥浆密度，ρ1为泥膜密度。
进一步的，根据如下公式计算时间长度t内的泥膜渗透系数k：
其中，Δm为时间长度t内的渗滤液的质量变化，g为万有引力常数，P1为第一空压计测得地表孔压力，P2第一气压控制显示装置输入至有机玻璃柱内的空气压力，h为泥浆渗透前泥浆高度。
进一步的，该方法还包括重复步骤1～步骤4若干次后，得到碱液的扩散随时间的变化规律和泥膜渗透系数随时间的变化规律；所述得到碱性液体的扩散随时间的变化规律具体为：泥浆渗透之后，地层中的水逐渐变为碱性液体，通过五个TDR传感器测量地层中液体的电导率，得到碱性液体的扩散随时间的变化规律。
有益效果：
1、本发明通过供水管将水自固定高度流入有机玻璃柱，可以解决传统人工饱和费时费力的缺点，同时可以通过调节供水瓶高度调整供水速度，相较于直接采用水泵供水，其供水速度缓慢，在保证地层中气泡完全排出的前提下，又可以防止下部水压过大，导致地层上浮。另一方面，对于地层渗透系数的验证也可以更好地证明试验结果在实际施工地层中的适用性。
2、本发明通过电子秤和孔压计自动读数系统及时地将数据传输至电脑，实现试验过程自动化，在保证读数精确的同时，能够明显提高读数频率，从而更深入地捕捉到试验过程中的相关数据变化。
3、本发明通过为地层提供压力，可以保障室内试验的地层孔压条件与实际相符合，使得试验结果更加接近实际条件。
4、本发明采用室内试验模拟泥浆渗透成膜，基于体系质量守恒动态测试泥浆渗透成膜各时刻的泥膜渗透系数，对泥膜的渗透性能进行评价，从而对泥浆配比和成膜条件有一个初步的预判，并对方案的可行性有一个初步的认知，方案操作简单，且成本低，适用性强。
5、本发明采用TDR传感器，通过监测不同地层土体电导率的变化，从而间接追踪泥浆碱液在地层中的扩散规律，综合评价泥浆渗透成膜对地下水环境的影响。
附图说明
图1为本发明的整体装置图；
图2为本发明底座的俯视图；
图3为第一孔压计所在高度截面图。
附图标记说明：1、第一阀门；2、第二阀门；3、第三阀门；4、TDR传感器；5、螺纹杆；6、有机玻璃柱；7、测距传感器；8、泥浆；9、泥膜；10、第一孔压计；11、地层；12、第二孔压计；13、滤层；14、土工布；15、底座；16、法兰盘；17、供水瓶；18、水泵；19、水桶；20、回水管；21、第一供水管；22、第二供水管；23、三通接头；24：电子秤；25、出水管；26、渗滤液收集容器；27、第四阀门；28、第一供气管；29、第二供气管；30、第三供气管；31、控制监测仪；32、第一气压控制显示装置；33、第二气压控制显示装置；34、第一数据线；35、第二数据线；36、第三数据线；37、第四数据线；38、第五数据线；39、空气压缩机；40、计算机。
具体实施方式
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
如图1和图2所示，本发明提供一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置和测试方法，该装置包括供水机构和泥浆渗透机构。
供水机构包括供水瓶17、水泵18、水桶19、回水管20、第一供水管21；水桶19置于地面并装入适量自来水，供水瓶17置于一定高度，分别了连接回水管20和第一供水管21；水泵18连接第一供水管21，将水桶中的水输入供水瓶17；供水瓶17中的水到达回水管19接口高度后从回水管回流至水桶19中。
泥浆渗透机构包括第一阀门1、第二阀门2、第三阀门3、五个TDR传感器4、三根螺纹杆5、有机玻璃柱6、测距传感器7(本实施例中测距传感器采用超声波测距传感器)、泥浆8、泥膜9、第一孔压计10、地层11、第一孔压计12、滤层13、土工布14、底座15、法兰盘16、第二供水管22、三通接头23、电子秤24、出水管25、渗滤液收集容器26、第四阀门27、第一供气管28、第二供气管29、第三供气管30、控制监测仪31、第一数据线34、第二数据线35、第三数据线36、第四数据线37、第五数据线38、空气压缩机39和计算机40；所述控制监测仪31上集成有第一气压控制显示装置32和第二气压控制显示装置33。
有机玻璃柱6设置在底座15上面，所述底座上设有相对的第一、第二通孔，该两个通孔均为L型通孔，L型通孔的一端在底座的表面，另外一端设置底座的侧面，第一通孔位于底座侧面的一端设有第二阀门2，第二通孔位于底座侧面的一端设有第三阀门3；第三阀门3与出水管25连接以收集渗滤液至渗滤液收集容器26中；所述第二阀门通过第三供水管与三通接头23的第一端口连接，三通接头的第二端口通过第二供水管22与供水瓶底部连接，水瓶17中的水因重力流入第二供水管22，从而流入有机玻璃柱内；五个TDR传感器4由上往下等间距的设置在有机玻璃柱6的侧壁上，第一孔压计10和第二孔压计12也设置在有机玻璃柱6的侧壁上，如图3所示，第一孔压计的高度与最上方的TDR传感器齐平，第二孔压计的高度与最下方的TDR传感器齐平；在进行测试时，在有机玻璃柱自下而上分别设置土工布14、滤层13、地层10、泥膜9和泥浆8；有机玻璃柱6上方为法兰盘16，所述法兰盘的边缘和底座边缘上设有相应的三个孔洞，三根螺纹杆的顶部均设有螺母，三根螺纹杆的底部分别固定设置在底座的孔洞上，三根螺纹杆的顶部分别穿过法兰盘上的孔洞，通过拧紧螺母能够使得法兰盘密封有机玻璃柱，测距传感器设置在法兰盘底部的，位于有机玻璃柱内；法兰盘上部设有第一阀门1，所述第一阀门为双向阀门，第一阀门的一个阀门为供水端，另外一个阀门为供气端，供水端通过第四供水管与三通接头的第三端口连接，从而使得第二供水管中的水能够流入第四供水管；供气端通过第二供气管29与控制监测仪31上的第一气压控制显示装置32连接；测距传感器7通过第一数据线34连接控制监测仪31；五个TDR传感器4通过第二数据线35连接控制监测仪31；第一孔压计10和第二孔压计12通过第三数据线36连接控制监测仪31，空气压缩机39通过第一供气管28连接控制监测仪31，计算机40通过第四数据线37连接控制监测仪31，通过第五数据线38连接电子秤24，电子秤24上放置可密封的渗滤液收集容器26，其下部与出水管25连接，上部设有第四阀门27控制反压输入，第四阀门通过第三供气管30连接控制监测仪31上的第二气压控制显示装置33。
本实施实例中，有机玻璃柱6的内部直径为15cm，五个TDR传感器4之间间距10cm；最下方孔压计距底座15为15cm，滤层13高度为10cm，地层11高度为45cm。
一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，具体为：
步骤一，地层制备：在有机玻璃柱地层铺设一层土工布防止土颗粒堵塞出水口；在土工布上方铺设一层粗砂作为滤层；结合实际施工地层土体密度，在滤层上方铺设相同密度的地层；地层上表面与最上方TDR传感器及第一孔压计高度一致；打开水泵和第二阀门，关闭第一阀门和第三阀门，保持第四阀门打开并设置第二气压控制显示装置显示的气压为0，使地层自下而上饱和；饱和完成后关闭第二阀门，采用引流法沿有机玻璃柱内壁注水至有机玻璃柱顶部；拧紧螺纹杆使得法兰盘封闭有机玻璃柱，将第一阀门的供水端和第三阀门打开，进行常水头试验，记录第一孔压计读数和渗滤液质量；根据达西定律计算两个孔压计之间地层的渗透系数，若计算值与实际地层相近，则地层制备合格，否则重复步骤一重新制备地层直到合格为止。
提取两个孔压计读数之间的差值ΔP，孔压计之间的距离为L，两个孔压计之间地层的渗透系数k1如下所示：
式中，k1为渗透系数，单位cm/s；t1为测量时间段,单位s；Q为t1内的渗滤液体积，单位cm3；Δh表示孔压计之间地层的总水头差，单位cm；A为有机玻璃柱内截面面积，单位cm2；Δm为t1内渗滤液质量变化，即电子秤读数变化；ρ为渗滤液密度，单位g/cm3；L为两个孔压计之间的距离，单位cm；g为万有引力常数，单位N/g。
步骤二，泥浆渗透成膜：常水头试验结束后将地层以上的水排出，关闭四个阀门；采用引流法沿有机玻璃柱内壁缓慢加入泥浆，注意避免对地层的扰动并控制泥浆液位在20cm左右，透过有机玻璃柱测量泥浆实际高度；封闭法兰盘；接通超声波测距传感器通道并将数据实时传输至电脑；打开空气压缩机；打开第一阀门的供气端和第四阀门，第一气压控制显示装置将空气压缩机的压力调整至预设的值，然后传送至有机玻璃柱内；第二气压控制显示装置将空气压缩机的压力调整至预设的值，然后传送至有渗滤液收集容器内，待两个孔压计读数稳定后接通五个TDR传感器通道，将其初始读数记为地层初始值；打开第三阀门，第三阀门打开后，传送有机玻璃柱内的压力使得泥浆开始渗透，传送至渗滤液收集容器内的压力对地层的施加孔隙水压力，通过电子秤称量渗滤液的质量，通过孔压计测量地层孔压，TDR传感器测量不同地层电导率，超声波测距传感器测量泥浆液位变化，并传输至电脑。本实施例中以打开第三阀门作为实验开始时间，实验结束时间为人为预设；整个实验过程所用时间为X；将时间X分成n个时间段，将第x个时间段内的最后一个时刻作为渗透系数计算节点记为Tx；x＝1,2,…,n；取Tx前y个时间段和后y个时间段(y为人为预设的值)，作为计算渗透系数的时间段，该渗透系数的时间段的长度记为t；实验结束后，得到泥膜，取适量泥膜测量含泥膜的含水率，得到泥膜的密度；根据泥膜的密度，时间节点Tx时电子秤称量的渗滤液的质量ΔM以及Δh1，计算泥膜的厚度H；
步骤4：根据孔压计测量的地层孔压以及泥膜的厚度H计算时间长度t对应的泥膜渗透系数。
步骤三：结束试验，取适量泥膜测量含水率。
步骤四，泥膜某一时刻的渗透系数计算：由于饱和粉细砂地层孔隙结构较小，泥浆中的水穿越地层进入渗滤液收集容器中，而膨润土颗粒留在地层表面形成泥膜，因此经过渗滤的泥浆组分以泥膜和渗滤液的形式存在。根据体系质量守恒计算泥膜厚度。
A(Δh1+H)ρ'＝ΔM+ρ1AH
式中，A为有机玻璃柱内截面面积，单位cm2，Δh1为从实验开始到时间节点Tx时测距传感器测量的泥浆液位总变化量，单位cm；H为泥膜厚度，单位cm；ΔM为时间节点Tx时电子秤称量的渗滤液的质量，即电子秤读数变化，单位g；ρ1为泥膜密度，单位g/cm3；ρ’为泥浆密度，单位g/cm3，w为泥膜含水率，单位％；ds为膨润土比重。等式左边分别表示消耗泥浆的质量，等式右边表示泥膜和渗滤液的总质量。
进一步简化后可得:
根据如下公式计算时间段t内的泥膜渗透系数k：
P3＝ρ'g(h-Δh1-H)
式中，k为泥膜渗透系数，单位cm/s；Q为t内的渗滤液体积，单位cm3；Δh表示泥膜两边的总水头差，单位cm；A为有机玻璃柱内截面面积，单位cm2；Δm为t内渗滤液质量变化，即电子秤读数变化，单位g；ρ为渗滤液密度，单位g/cm3；P1为第一孔压计的读数(如果在时间段t内第一空压计的读数没有变化，则P1为第一孔压计的读数，如果产生了变化，则P1为第一孔压计读数的均值)，单位Pa；P2为空气压力，也即第一气压控制显示装置输入至有机玻璃柱内的空气压力，单位Pa；P3为泥浆自重压力，单位Pa；H为泥膜厚度，单位cm；g为万有引力常数，单位N/g；ρ’为泥浆密度。
综合上述公式，泥膜渗透系数最终确定为：
本实施例重复步骤1～步骤4若干次后，还能够得到碱液随时间的变化规律和泥膜渗透系数随时间的变化规律；所述得到碱性液体的扩散随时间的变化规律具体为：泥浆渗透之后，地层中的水逐渐变为碱性液体，通过五个TDR传感器测量地层中液体的电导率，得到碱性液体的扩散随时间的变化规律。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (8)
1.一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置，其特征在于，包括供水机构和泥浆渗透机构；所述供水机构包括供水瓶、水泵、水桶、回水管、第一供水管；所述水桶置于地面并装入自来水，供水瓶置于一定高度，水泵设置在水桶内，水泵将水桶里的自来水通过第一供水管输入到供水瓶，当供水瓶中的水达到预设的高度后，通过回水管流入水桶；
所述泥浆渗透机构包括第二～四供水管，三通接头，第一～四阀门，第一～五TDR传感器，三根螺纹杆，有机玻璃柱，测距传感器，第一、第二孔压计，底座，法兰盘，电子秤，出水管，渗滤液收集容器，第一～三供气管，控制监测仪，空气压缩机和计算机；所述控制监测仪上集成有第一、第二气压控制显示装置；所述第一阀门为双向阀门；所述有机玻璃柱设置在底座上，所述底座上设有相对的第一、第二通孔，该两个通孔均为L型通孔，L型通孔的一端在底座的表面，另外一端在底座的侧面；第一通孔位于底座侧面的一端与第二阀门连接，所述第二阀门通过第三供水管与三通接头的第一端口连接，三通接头的第二端口通过第二供水管与供水瓶底部连接；第二通孔位于底座侧面的一端与第三阀门连接，第三阀门通过出水管与渗滤液收集容器连接，用于将有机玻璃内的渗滤液传送到渗滤液收集容器内；所述法兰盘的边缘和底座边缘上设有相应的三个孔洞，三根螺纹杆的顶部均设有螺母，三根螺纹杆的底部分别固定设置在底座的孔洞上，三根螺纹杆的顶部分别穿过法兰盘上的孔洞，通过拧紧螺母能够使得法兰盘密封有机玻璃柱；第一阀门设置在法兰盘的中心，第一阀门的一个阀门为供水端，另外一个阀门为供气端，三通接头的第三端口通过第四供水管与供水端连接，用于向有机玻璃柱内供水；供气端通过第二供气管与第一气压控制显示装置连接；所述渗滤液收集容器设置在电子秤上，电子秤与计算机连接；渗滤液收集容器顶部设有第四阀门，第四阀门通过第三供气管与第二气压控制显示装置连接，所述控制监测仪通过第一供气管与空气压缩机连接；所述测距传感器设置在法兰盘底部的，位于有机玻璃柱内；所述第一～五TDR传感器从上往下等间距的设置在有机玻璃柱的侧面；所述第一、第二孔压计设置在有机玻璃柱的侧面，且第一孔压计的高度与第一TDR传感器的高度一致，第二孔压计的高度与第五TDR传感器的高度一致；所述测距传感器、五个TDR传感器和两个孔压计均与控制监测仪连接，所述控制监测仪将收到的数据传送至计算机显示。
2.根据权利要求1所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置，其特征在于，所述测距传感器为超声波测距传感器。
3.根据权利要求1所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置，其特征在于，还包括第一～五数据线；所述测距传感器通过第一数据线与控制监测仪连接，五个TDR传感器通过第二数据线与控制监测仪连接，两个孔压计通过第三数据线与控制监测仪连接，所述控制监测仪通过第四数据与计算机连接；所述电子秤通过第五数据线与计算机连接。
4.基于权利要求1所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1：在有机玻璃柱内制备地层，并进行常水头试验，通过两个空压计之间的渗透系数判断地层制备是否合格，如果合格则转步骤2，否则重新制备地层直至合格；
步骤2：关闭四个阀门，采用引流法沿有机玻璃柱内壁缓慢加入泥浆，封闭法兰盘；控制监测仪将测距传感器测得的数据传送至计算机；打开空气压缩机，打开第一阀门的供气端和第四阀门，第一气压控制显示装置将空气压缩机提供的压力调整至预设的值，然后传送至有机玻璃柱内为泥浆提供渗透压力；第二气压控制显示装置将空气压缩机提供的压力调整至预设的值，然后传送至渗滤液收集容器内；当两个孔压计读数稳定后，打开第三阀门，此时传送至渗滤液收集容器内的压力为地层提供孔隙水压力；泥浆在渗透压力的作用下开始渗透；
步骤3：以打开第三阀门作为实验开始时间，实验结束时间为人为预设，记整个实验时间为X，将时间X分成n个时间段，将第x个时间段内的最后一个时刻作为渗透系数计算节点，记为Tx；x＝1,2,…,n；取Tx前y个时间段和后y个时间段，作为计算渗透系数的时间段，将该渗透系数的时间段的长度记为t；实验结束后，得到泥膜，取适量泥膜测量泥膜的含水率，得到泥膜的密度；根据泥膜的密度，时间节点Tx时电子秤称量的渗滤液的质量ΔM以及从实验开始到时间节点Tx时测距传感器测量的泥浆液位变化量Δh1，计算泥膜的厚度H；
步骤4：根据孔压计测量的地层孔压以及泥膜的厚度H计算时间长度t对应的泥膜渗透系数。
5.根据权利要求4所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤1具体为：在有机玻璃柱底部铺设一层土工布；在土工布上方铺设一层粗砂作为滤层；在滤层上方铺设地层，地层上表面与第一TDR传感器齐平；关闭第一阀门和第三阀门，保持第四阀门打开并设置第二气压控制显示装置显示的气压为0，打开水泵和第二阀门，使地层自下而上饱和；饱和完成后关闭第二阀门，采用引流法沿有机玻璃柱内壁注水至有机玻璃柱顶部；拧紧螺纹杆使得法兰盘封闭有机玻璃柱，打开第三阀门和第一阀门的供水端，进行常水头试验，记录两个孔压计读数和渗滤液质量；根据达西定律计算两个孔压计之间地层的渗透系数，如果计算得到的渗透系数在预设的范围内，则表明地层制备合格。
6.根据权利要求4所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，所述步骤3中根据如下公式计算泥膜的厚度H：
A为有机玻璃柱内截面面积，ρ'为泥浆密度，ρ1为泥膜密度。
7.根据权利要求6所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，根据如下公式计算时间长度t内的泥膜渗透系数k：
其中，Δm为时间长度t内的渗滤液的质量变化，g为万有引力常数，P1为第一空压计测得地表孔压力，P2第一气压控制显示装置输入至有机玻璃柱内的空气压力，h为泥浆渗透前泥浆高度。
8.根据权利要求4所述的一种饱和粉细砂地层中泥膜渗透系数测试装置的测试方法，其特征在于，该方法还包括重复步骤1～步骤4若干次后，得到碱液的扩散随时间的变化规律和泥膜渗透系数随时间的变化规律；所述得到碱性液体的扩散随时间的变化规律具体为：泥浆渗透之后，地层中的水逐渐变为碱性液体，通过五个TDR传感器测量地层中液体的电导率，得到碱性液体的扩散随时间的变化规律。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116124676A (zh) * | 2023-04-17 | 2023-05-16 | 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院有限公司 | 一种测定土体渗透系数的原位测试装置及测定方法 |
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2022
- 2022-11-01 CN CN202211356897.2A patent/CN115541476A/zh active Pending
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