CN115598040A - 一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 - Google Patents
一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN115598040A CN115598040A CN202211611713.2A CN202211611713A CN115598040A CN 115598040 A CN115598040 A CN 115598040A CN 202211611713 A CN202211611713 A CN 202211611713A CN 115598040 A CN115598040 A CN 115598040A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- water
- vertical
- horizontal
- permeation
- permeability coefficient
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000035699 permeability Effects 0.000 title claims abstract description 95
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 380
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims abstract description 47
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 claims description 30
- 239000010959 steel Substances 0.000 claims description 30
- 230000008595 infiltration Effects 0.000 claims description 26
- 238000001764 infiltration Methods 0.000 claims description 26
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 claims description 20
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 claims description 19
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 16
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 13
- 238000005192 partition Methods 0.000 claims description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 8
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 claims description 5
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000012780 transparent material Substances 0.000 claims description 4
- 238000003825 pressing Methods 0.000 claims description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 claims description 3
- 238000011160 research Methods 0.000 abstract description 13
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 11
- 239000003673 groundwater Substances 0.000 abstract description 10
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 abstract description 9
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 abstract description 6
- 238000013508 migration Methods 0.000 abstract description 6
- 230000005012 migration Effects 0.000 abstract description 6
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 abstract description 6
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 230000003204 osmotic effect Effects 0.000 description 14
- 235000017166 Bambusa arundinacea Nutrition 0.000 description 13
- 235000017491 Bambusa tulda Nutrition 0.000 description 13
- 241001330002 Bambuseae Species 0.000 description 13
- 235000015334 Phyllostachys viridis Nutrition 0.000 description 13
- 239000011425 bamboo Substances 0.000 description 13
- 239000012466 permeate Substances 0.000 description 9
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 6
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 4
- 238000011161 development Methods 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 2
- 244000151018 Maranta arundinacea Species 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 239000004576 sand Substances 0.000 description 1
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000008400 supply water Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 239000002352 surface water Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/08—Investigating permeability, pore-volume, or surface area of porous materials
- G01N15/082—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample
- G01N15/0826—Investigating permeability by forcing a fluid through a sample and measuring fluid flow rate, i.e. permeation rate or pressure change
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Fluid Mechanics (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本申请实施例提供一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法，涉及渗透系数测定领域。孔隙介质两向渗透系数测定装置包括：水平渗透柱、垂直渗透柱、稳定流供水系统、流量测定系统、水力坡度测定系统和储水系统。该孔隙介质两向渗透系数测定装置可以同时测定同一稳定水头下，水平渗透柱和垂直渗透柱中试样的渗透系数。由于水平方向代表自然界中含水层中的地下水近水平运动，而垂直方向代表自然界中的地下水向上或向下的近垂直渗流。为研究地下水的补径排提供有效手段，可大大降低研究成本。同时，为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种有效的途径。
Description
技术领域
本申请涉及渗透系数测定技术领域，具体而言，涉及一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法。
背景技术
渗透系数是自然界孔隙、裂隙等介质的重要水文地质参数之一。在评价含水层或透水层的透水性能时，渗透系数是最为直接的评价依据。在一定水动力条件下，地质体发生的地下水渗流，其渗流特征是评价水文地质条件的重要基础，渗透量、渗透流速、水力梯度、有效过水断面面积的确定是重要工作，在确定这些参数后，可采用经典的达西渗流定律计算渗透系数。渗透系数的测定方法很多，依据不同的地质条件、实验条件及工程实际需求，可选用经济、合理可行的方法确定渗透系数。如评价表层松散介质的渗透系数时，野外工作中可采用试坑法、单环入渗、双环入渗等方法进行测试。当确定坝基岩体的渗透性能时，可结合已有的勘探孔开展抽水试验和压水试验，掌握在水头差作用下地表水渗漏转换为地下水后沿渗透通道的渗流特征，从而根据计算获取渗透系数，从而估算坝基下伏岩体的裂隙发育、分布特征。而更多时候，为了确定工程区不同位置的松散岩土体的透水性能时，可现场取样，在室内开展饱和渗透系数测定试验或变水头渗透系数测定试验，从而获取试样的渗透系数，用于工程水文地质计算和评价。
按照岩土透水性在空间上是否变化分为均质岩土体和非均质岩土体，如若空间上各点同方向上渗透系数相同，则为均质岩土体，否则为非均质岩土体。自然界中根据岩土的结构特征，可大致分为：（1）均质各向同性岩土，如均质砂或砾石土；（2）均质各向异性岩土，如均质并发育垂向大孔隙的黄土层（马兰黄土）；（3）非均质各向同性岩土，如双层结构的土层；（4）非均质各向异性，如裂隙、岩溶含水介质等。地下水渗流可用达西定律来描述：
式中，s是沿流线方向的渗透途径，v为渗流速度，
为单位渗流速度，K为渗透系数，k为单位渗透系数，H为水头差。在地下水渗流中，其渗流方向绝大多数情况下是未知的，通常流场内不同点处具有不同的流向，而流向本身是个待确定的问题。因此速度矢量
写成
（水平方向），
（垂直方向）两个方向上的分量是更为准确的表示方法，也是研究松散岩土体的渗透性的发展趋势。可表示成
式中
代表水力坡度，本发明中在X，Z两个个方向上的水力坡度相同，而
分别代表同一松散孔隙介质在水平方向渗流、垂直方向渗流的渗透系数，
分别代表同一松散孔隙介质在水平方向和垂直方向的渗透流速。
过去，人们对孔隙介质渗透系数的学习和研究，往往考虑的是某一个方向上的渗透性能（一般为垂向一维渗透柱），获取的渗透系数值仅能代表地下水在某地下水在垂直方向上的透水性能，具有明显的片面性和误差。
发明内容
本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法，所述孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法能够更为精确地对松散介质渗透系数进行确定，解决以往对渗透系数的认识、测定和计算的不足，为研究在不同水动力条件下渗透系数确定提供一种有效的技术手段。
第一方面，根据本申请实施例提供的孔隙介质两向渗透系数测定装置，包括：水平渗透柱、垂直渗透柱、稳定流供水系统、流量测定系统、水力坡度测定系统和储水系统。
所述水平渗透柱水平设置，所述垂直渗透柱垂直设置，所述垂直渗透柱侧端进水口和所述水平渗透柱下端的进水口连通于所述稳定流供水系统，所述流量测定系统设置于所述水平渗透柱侧端的出水口和所述垂直渗透柱顶端的出水口，所述水力坡度测定系统设置于所述水平渗透柱侧壁的两侧端和所述垂直渗透柱侧壁的上下端，所述稳定流供水系统连通于所述储水系统。
根据本申请的一些实施例，所述水平渗透柱包括水平渗透筒、圆板、纱布、砾石层和待测试样，所述水平渗透筒由透明材料构成，且沿水平方向放置，所述圆板设置于所述水平渗透筒左右两端，且所述圆板上开设有透水孔，所述圆板内侧分别装填所述砾石层，所述纱布贴置在所述砾石层内侧，所述待测试样填充于所述纱布内侧，所述水平渗透筒一侧的侧端预留第一进水口，所述水平渗透筒另一侧的侧端的上部设置第一出水口。
根据本申请的一些实施例，所述垂直渗透柱包括垂直渗透筒，所述垂直渗透筒由透明材料构成，且沿垂直方向放置，所述垂直渗透筒上下两端内设置有所述圆板，且所述圆板上也开设有透水孔，所述垂直渗透筒内的所述圆板内侧分别装填有所述砾石层，所述垂直渗透筒内的所述砾石层内侧贴置有所述纱布，所述垂直渗透筒内的所述纱布内侧填充有所述待测试样，所述垂直渗透筒下端预留第二进水口，所述垂直渗透筒上端设置第二出水口，所述第一进水口和所述第二进水口通过三通硬管相连，所述三通硬管连通于所述稳定流供水系统。
根据本申请的一些实施例，所述稳定流供水系统包括钢架、供水溢流箱、隔板、进水管和供水管，所述钢架中央内置有环形孔，所述供水溢流箱通过设置在所述钢架背侧的两个可旋转的螺母压紧固定于所述钢架，所述隔板将所述供水溢流箱分成第一水箱和第二水箱，所述第一水箱底部开设有进水口和供水口，所述进水口通过所述进水管连通于所述储水系统，所述供水口通过所述供水管连通于所述三通硬管，所述第二水箱底部开设有溢流口，所述溢流口连通于所述储水系统，所述进水管上设置有进水阀，所述供水管上设置有供水阀。
根据本申请的一些实施例，所述储水系统包括储水箱、水泵和溢流管，所述水泵设置于所述储水箱中，所述水泵的出水口通过进水管连通于所述进水口，所述溢流管一端连通于所述溢流口，所述溢流管另一端直接伸入所述储水箱中。
根据本申请的一些实施例，所述水力坡度测定系统包括第一测压管和第二测压管，所述第一测压管设置于所述水平渗透筒内所述待测试样的两端，所述第二测压管设置于所述垂直渗透筒内所述待测试样的两端。
根据本申请的一些实施例，所述流量测定系统包括水平积水罩、垂直积水罩、积水管和量筒，所述水平积水罩设置于所述水平渗透柱侧端的出水口，所述垂直积水罩设置于所述垂直渗透柱顶端的出水口，所述积水管连通于所述水平积水罩和所述垂直积水罩底端，所述量筒放置于所述积水管下侧。
第二方面，根据本申请实施例提供的孔隙介质两向渗透系数测定方法，利用所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置进行测定，包括以下步骤：
工作时，待孔隙介质两向渗透系数测定装置完毕后，检查仪器是否正常；
将供水阀开启，通过外接水源将储水箱中水注入至储水箱体积的2/3，并接通水泵电源，直至水平渗透筒和垂直渗透筒的待测试样中充满水；
调节供水溢流箱在钢架上的高度，至需要位置，并通过可旋转的螺母压紧固定于所述钢架；
开启供水阀，接通水泵电源，水泵抽水直接注入供水溢流箱中的第一水箱中，第一水箱满水后，经过隔板溢流至第二水箱中，第二水箱中的水通过溢流管回流至储水箱中，使供水溢流箱中第一水箱的水位保持稳定在隔板的顶端相应高程上，第一水箱中的水底部的供水口再经供水管注入水平渗透筒和垂直渗透筒中，等待渗流趋于稳定，能够观察到两个第一测压管和两个第二测压管的水头逐渐稳定，利用标尺将两个第一测压管和两个第二测压管水头量测并记录在相应的数据记录表中，通过量测两个第一测压管和两个第二测压管的垂直距离，利用两个第一测压管和两个第二测压管水头差与垂直距离之比来计算水力坡度I，同时，利用量筒和秒表分别对水平渗透柱和垂直渗透柱的渗透水量和对应时间测定，获取稳定条件下的渗透流量Q，同时根据水平和垂直渗透柱的内径d1、d2计算渗透面积；
改变供水溢流箱在钢架上的高度，并固定在钢架上新的高度，供水溢流箱的水位改变后，实验用水在进入水平渗透柱和垂直渗透柱后，由于水压改变，在渗透柱中的渗透流速、水力坡度、渗透流量均发生变化，渗透面积不变；
数据整理、水平方向和垂直方向渗透系数分量的计算；
采用达西公式计算待测试样的渗透系数分量，公式为K=4QL/(h1-h2)πd2，式中，Q为流量（m3/s），L为渗透途径（m），K为待测试样渗透系数（m/s），d为水平渗透柱或垂直渗透柱的内径，h1为上游断面测压管水头值（cm），h2为下游断面测压管水头值（cm）；
在分别获取水平渗透柱、垂直渗透柱中试样的渗透系数分量
后，可用
来计算松散孔隙介质的渗透系数；
关闭供水管上的进水阀后，切断水泵电源，结束试验。
根据本申请的一些实施例，所述水平渗透筒和垂直渗透筒的待测试样中充满水后，关闭电源，关闭水阀，静待24h，以便试样完全饱水，确保试样中仅有水和松散介质的两相，无气相。
根据本申请的一些实施例，所述供水溢流箱在钢架上的高度调节进行试验的次数不少于三次。
本申请的有益效果是：该孔隙介质两向渗透系数测定装置可以同时测定同一稳定水头下，水平渗透柱和垂直渗透柱中试样的渗透系数。由于水平方向代表自然界中含水层中的地下水近水平运动，而垂直方向代表自然界中的地下水向上或向下的近垂直渗流。通过获取
，可求出松散孔隙介质的渗透系数
。该孔隙介质两向渗透系数测定装置提供全新的、可直接在室内测定松散孔隙介质两向渗透系数的实验装置，为研究地下水的补径排提供有效手段，可大大降低研究成本。同时，为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种有效的途径，在地质工程、环境地质等领域及工程建设中具有重要的价值。
本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1是根据本申请实施例的孔隙介质两向渗透系数测定装置的立体结构示意图；
图2是根据本申请实施例的水平渗透柱的立体结构示意图；
图3是根据本申请实施例的垂直渗透柱的立体结构示意图；
图4是根据本申请实施例的稳定流供水系统的立体结构示意图；
图5是根据本申请实施例的储水系统的立体结构示意图。
图标：100-水平渗透柱；110-水平渗透筒；120-圆板；130-纱布；140-砾石层；150-待测试样；160-第一出水口；200-垂直渗透柱；210-垂直渗透筒；220-第二出水口；300-稳定流供水系统；310-钢架；320-供水溢流箱；330-隔板；340-进水管；350-供水管；360-环形孔；400-流量测定系统；410-水平积水罩；420-垂直积水罩；430-积水管；440-量筒；500-水力坡度测定系统；510-第一测压管；520-第二测压管；600-储水系统；610-储水箱；620-水泵；630-溢流管。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
为使本申请实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施方式中的附图，对本申请实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。
下面参考附图描述根据本申请实施例的孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法。
请参阅图1至图5，本申请实施例提供孔隙介质两向渗透系数测定装置，包括：水平渗透柱100、垂直渗透柱200、稳定流供水系统300、流量测定系统400、水力坡度测定系统500和储水系统600。
请参阅图2，水平渗透柱100：在水平方向上设置长50cm，内径为10cm的水平渗透筒110，圆板120设置于水平渗透筒110左右两端，圆板120内侧分别装填砾石层140，纱布130贴置在砾石层140内侧，待测试样150填充于纱布130内侧。具体的，在水平渗透筒110左右两端设置带有透水孔（孔径为3mm）的、直径为10cm圆板120封口，并用渗透性好的纱布130贴置在左右两端内侧，并在左右两端内侧分别预留砾石层140装填段，左右两端的砾石层140装填段长度均为5cm，则待测试样150的装填段长为40cm。水平渗透筒110为透明的厚为5mm的有机玻璃材料制作，水平渗透筒110一侧的侧端预留第一进水口，水平渗透筒110另一侧的侧端的上部设置第一出水口160。
请参阅图3，垂直渗透柱200：在垂直方向上设置长50cm，内径为10cm的垂直渗透筒210，在垂直渗透筒210上下两端设置带有透水孔（孔径为3mm）的、直径为10cm圆板封口，并用渗透性好的纱布130贴置在上下两端内侧，并在上下两端内侧分别预留砾石层140装填段，上下两端的砾石层140装填段长度均为5cm，则待测试样150的装填段长为40cm。垂直渗透筒210为透明的厚为5mm的有机玻璃材料制作。垂直渗透筒210下端预留第二进水口，垂直渗透筒210上端设置第二出水口220，第一进水口和第二进水口通过三通硬管相连，三通硬管连通于稳定流供水系统300。具体的，水平渗透柱100进水口与垂直渗透柱200进水口通过一个三通硬管相连，其中一根管通向水平渗透柱100进水口，另一根管通向垂向进水口，第三根管与稳定流供水系统300底部相连。
请参阅图4，稳定流供水系统300：在水平渗透柱100和垂直渗透柱200的左侧设置稳定流供水系统300。稳定流供水系统300包括钢架310、供水溢流箱320、隔板330、进水管340和供水管350。供水溢流箱320采用全透明有机玻璃材料制作，供水溢流箱320中部设置有低于供水溢流箱320四周的隔板330，隔板330将供水溢流箱320分成第一水箱和第二水箱。第一水箱底部开设有进水口和供水口，进水口通过进水管340连通于储水系统600，供水口通过供水管350连通于三通硬管，第二水箱底部开设有溢流口，溢流口连通于储水系统600，进水管340上设置有进水阀，供水管350上设置有供水阀。
具体的，第一水箱底部打有2个直径为20mm的圆孔，其中一个圆孔通过进水管340与底部储水箱610中的水泵620相连，另一个圆孔通过供水管350与前三通硬管的第三根管相连，以供实验用水，三通硬管的第三根管上设置有进水阀，以根据需要控制水泵进水量。第二水箱底部打有一个直径为20mm的圆孔，并在底部与溢流管630的一端相接，溢流管630另一端直接伸入储水箱610中，用于排泄供水溢流箱的多余实验用水。供水溢流箱320固定在可升降的钢架310上，钢架310高1m，宽40cm，厚2mm。钢架310中央内置有高80cm，宽2mm的环形孔360，供水溢流箱320可通过设置在钢架310背侧的两个可旋转的螺母固定在钢架310上的任意高度。这样便实现供水溢流箱320的任意高度调节。
在本实施例中，流量测定系统400：在水平渗透柱100和垂直渗透柱200的出水口，设置体积法测流系统，具体的，水平积水罩410设置于水平渗透柱100侧端的出水口，垂直积水罩420设置于垂直渗透柱200顶端的出水口，积水管430连通于水平积水罩410和垂直积水罩420底端，量筒440放置于积水管430下侧。采用100ml、250ml、500ml三种规格的量筒440和秒表。按稳定渗流标准进行测定一定水力坡度下的渗透流量。
具体设置时，水力坡度测定系统500：第一测压管510和第二测压管520，第一测压管510设置于水平渗透筒110内待测试样150的两端，第二测压管520设置于垂直渗透筒210内待测试样150的两端。具体的，分别在水平渗透筒110和垂直渗透筒210的装填待测试样150段均设置2根测压管，测压管的垂直高度为10cm≤L≤30cm，用于测定试验过程中经过上游断面、下游断面的测压管水头，通过测压管的水头差与垂直距离L之比即可求得某一次稳定渗流条件下的水力坡度I。水平渗透柱的水力坡度记为Ix，垂直渗透柱的水力坡度记为Iz。
请参阅图4，储水系统600：储水系统600包括储水箱610、水泵620和溢流管630，在水平渗透柱100和垂直渗透柱200的底部设置有储水箱610，储水箱610尺寸：0.5m×0.5m×0.6m，厚10mm的PVC材料制作，并用厚50mm的角钢包边。储水箱610中设置有水泵620，水泵620一端通电源，另一端为扬水端。
该孔隙介质两向渗透系数测定装置可以同时测定同一稳定水头下，水平渗透柱100和垂直渗透柱200中试样的渗透系数。由于水平方向代表自然界中含水层中的地下水近水平运动，而垂直方向代表自然界中的地下水向上或向下的近垂直渗流。通过获取
，可求出松散孔隙介质的渗透系数
。该孔隙介质两向渗透系数测定装置提供全新的、可直接在室内测定松散孔隙介质两向渗透系数的实验装置，为研究地下水的补径排提供有效手段，可大大降低研究成本。同时，为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种有效的途径，在地质工程、环境地质等领域及工程建设中具有重要的价值。
请参阅图1至图5，本申请实施例提供孔隙介质两向渗透系数测定方法，利用所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置进行测定，包括以下步骤：
工作时，待孔隙介质两向渗透系数测定装置完毕后，检查仪器是否正常；
将供水阀开启，通过外接水源将储水箱610中水注入至储水箱610体积的2/3，并接通水泵620电源，直至水平渗透筒110和垂直渗透筒210的待测试样150中充满水，水平渗透筒110和垂直渗透筒210的待测试样150中充满水后，关闭电源，关闭水阀，静待24h，以便试样完全饱水，确保试样中仅有水和松散介质的两相，无气相；
调节供水溢流箱320在钢架310上的高度，至需要位置，并通过可旋转的螺母压紧固定于钢架310；
开启供水阀，接通水泵620电源，水泵620抽水直接注入供水溢流箱320中的第一水箱中，第一水箱满水后，经过隔板330溢流至第二水箱中，第二水箱中的水通过溢流管630回流至储水箱610中，使供水溢流箱320中第一水箱的水位保持稳定在隔板330的顶端相应高程上，第一水箱中的水底部的供水口再经供水管350注入水平渗透筒110和垂直渗透筒210中，等待渗流趋于稳定，能够观察到两个第一测压管510和两个第二测压管520的水头逐渐稳定，利用标尺将两个第一测压管510和两个第二测压管520水头量测并记录在相应的数据记录表中，通过量测两个第一测压管510和两个第二测压管520的垂直距离，利用两个第一测压管510和两个第二测压管520水头差与垂直距离之比来计算水力坡度I，同时，利用量筒440和秒表分别对水平渗透柱100和垂直渗透柱200的渗透水量和对应时间测定，获取稳定条件下的渗透流量Q，同时根据水平和垂直渗透柱的内径d1、d2计算渗透面积；
改变供水溢流箱320在钢架310上的高度，并固定在钢架310上新的高度，供水溢流箱320的水位改变后，实验用水在进入水平渗透柱100和垂直渗透柱200后，由于水压改变，在渗透柱中的渗透流速、水力坡度、渗透流量均发生变化，渗透面积不变，供水溢流箱320在钢架310上的高度调节次数不少于三次，既供水溢流箱320的水位改变不少于三次进行试验；
数据整理、水平方向和垂直方向渗透系数分量的计算；
采用达西公式计算待测试样的渗透系数分量，公式为K=4QL/(h1-h2)πd2，式中，Q为流量（m3/s），L为渗透途径（m），K为待测试样渗透系数（m/s），d为水平渗透柱或垂直渗透柱的内径，h1为上游断面测压管水头值（cm），h2为下游断面测压管水头值（cm）；
在分别获取水平渗透柱、垂直渗透柱中试样的渗透系数分量
后，可用
来计算松散孔隙介质的渗透系数；
关闭供水管上的进水阀后，切断水泵620电源，结束试验。
通过测定野外取回的待测试样150的渗透系数，有助于了解该野外岩土层的透水性能，孔隙连通性及有效孔隙度，为分析水文地质问题提供重要依据，也为评价污染物在地下水中的渗流特征及迁移规律。更为重要的是，提供全新的可靠的室内确定松散岩土试样渗透系数方法，为水文地质工作者获取工程场地的重要水文地质参数提供测试平台。也为研究水文地质体、地质灾害体如边坡、滑坡、泥石流、松散大型堆积体稳定性等提供技术支撑，在工程地质、水文地质、环境地质等领域的应用都有重要价值。由于本发明可实验现象直观、水流路径清晰、也极有利于高校地质类工科专业的理论和实验教学，为水文地质初学者了解和研究地下水渗流特征和岩土介质中的结构特征、水理性质等的研究开展打下良好的理论基础。
具体的，该孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法的工作原理：改变供水溢流箱320在钢架310上的高度，并固定在钢架310上新的高度，供水溢流箱320的水位改变后，实验用水在进入水平渗透柱100和垂直渗透柱200后，由于水压改变，在渗透柱中的渗透流速、水力坡度、渗透流量均发生变化，渗透面积不变，所述供水溢流箱在钢架上的高度调节进行试验的次数不少于三次。数据整理、水平方向和垂直方向渗透系数分量的计算。采用达西公式计算待测试样的渗透系数分量，公式为K=4QL/(h1-h2)πd2，式中，Q为流量（m3/s），L为渗透途径（m），K为待测试样渗透系数（m/s），d为水平渗透柱或垂直渗透柱的内径，h1为上游断面测压管水头值（cm），h2为下游断面测压管水头值（cm）。在分别获取水平渗透柱、垂直渗透柱中试样的渗透系数分量
后，松散孔隙介质的渗透系数计算公式为：
，为水平渗透柱的试样渗透系数分量，为垂直渗透柱的试样渗透系数分量。关闭供水管上的进水阀后，切断水泵620电源，结束试验。该孔隙介质两向渗透系数测定装置提供全新的、可直接在室内测定松散孔隙介质两向渗透系数的实验装置，为研究地下水的补径排提供有效手段，可大大降低研究成本。同时，为环境水文地质领域研究人员研究污染物在地下水的径流特征和迁移规律提供一种有效的途径，在地质工程、环境地质等领域及工程建设中具有重要的价值。通过测定野外取回的待测试样150的渗透系数，有助于了解该野外岩土层的透水性能，孔隙连通性及有效孔隙度，为分析水文地质问题提供重要依据，也为评价污染物在地下水中的渗流特征及迁移规律。更为重要的是，提供全新的可靠的室内确定松散岩土试样渗透系数方法，为水文地质工作者获取工程场地的重要水文地质参数提供测试平台。也为研究水文地质体、地质灾害体（如边坡、滑坡、泥石流、松散大型堆积体）稳定性等提供技术支撑，在工程地质、水文地质、环境地质等领域的应用都有重要价值。由于本发明可实验现象直观、水流路径清晰、也极有利于高校地质类工科专业的理论和实验教学，为水文地质初学者了解和研究地下水渗流特征和岩土介质中的结构特征、水理性质等的研究开展打下良好的理论基础。
需要说明的是，水泵620具体的型号规格需根据该装置的实际规格等进行选型确定，具体选型计算方法采用本领域现有技术，故不再详细赘。
水泵620的供电及其原理对本领域技术人员来说是清楚的，在此不予详细说明。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
Claims (10)
1.一种孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，包括：
水平渗透柱，所述水平渗透柱水平设置；
垂直渗透柱，所述垂直渗透柱垂直设置；
稳定流供水系统，所述垂直渗透柱侧端进水口和所述水平渗透柱下端的进水口连通于所述稳定流供水系统；
流量测定系统，所述流量测定系统设置于所述水平渗透柱侧端的出水口和所述垂直渗透柱顶端的出水口；
水力坡度测定系统，所述水力坡度测定系统设置于所述水平渗透柱侧壁的两侧端和所述垂直渗透柱侧壁的上下端；
储水系统，所述稳定流供水系统连通于所述储水系统。
2.根据权利要求1所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述水平渗透柱包括水平渗透筒、圆板、纱布、砾石层和待测试样，所述水平渗透筒由透明材料构成，且沿水平方向放置，所述圆板设置于所述水平渗透筒左右两端，且所述圆板上开设有透水孔，所述圆板内侧分别装填所述砾石层，所述纱布贴置在所述砾石层内侧，所述待测试样填充于所述纱布内侧，所述水平渗透筒一侧的侧端预留第一进水口，所述水平渗透筒另一侧的侧端的上部设置第一出水口。
3.根据权利要求2所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述垂直渗透柱包括垂直渗透筒，所述垂直渗透筒由透明材料构成，且沿垂直方向放置，所述垂直渗透筒上下两端内设置有所述圆板，且所述圆板上也开设有透水孔，所述垂直渗透筒内的所述圆板内侧分别装填有所述砾石层，所述垂直渗透筒内的所述砾石层内侧贴置有所述纱布，所述垂直渗透筒内的所述纱布内侧填充有所述待测试样，所述垂直渗透筒下端预留第二进水口，所述垂直渗透筒上端设置第二出水口，所述第一进水口和所述第二进水口通过三通硬管相连，所述三通硬管连通于所述稳定流供水系统。
4.根据权利要求3所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述稳定流供水系统包括钢架、供水溢流箱、隔板、进水管和供水管，所述钢架中央内置有环形孔，所述供水溢流箱通过设置在所述钢架背侧的两个旋转的螺母压紧固定于所述钢架，所述隔板将所述供水溢流箱分成第一水箱和第二水箱，所述第一水箱底部开设有进水口和供水口，所述进水口通过所述进水管连通于所述储水系统，所述供水口通过所述供水管连通于所述三通硬管，所述第二水箱底部开设有溢流口，所述溢流口连通于所述储水系统，所述进水管上设置有进水阀，所述供水管上设置有供水阀。
5.根据权利要求4所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述储水系统包括储水箱、水泵和溢流管，所述水泵设置于所述储水箱中，所述水泵的出水口通过进水管连通于所述进水口，所述溢流管一端连通于所述溢流口，所述溢流管另一端直接伸入所述储水箱中。
6.根据权利要求5所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述水力坡度测定系统包括第一测压管和第二测压管，所述第一测压管设置于所述水平渗透筒内所述待测试样的两端，所述第二测压管设置于所述垂直渗透筒内所述待测试样的两端。
7.根据权利要求6所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置，其特征在于，所述流量测定系统包括水平积水罩、垂直积水罩、积水管和量筒，所述水平积水罩设置于所述水平渗透柱侧端的出水口，所述垂直积水罩设置于所述垂直渗透柱顶端的出水口，所述积水管连通于所述水平积水罩和所述垂直积水罩底端，所述量筒放置于所述积水管下侧。
8.孔隙介质两向渗透系数测定方法，利用权利要求7所述的孔隙介质两向渗透系数测定装置进行测定，其特征在于，包括以下步骤：
工作时，待孔隙介质两向渗透系数测定装置完毕后，检查仪器是否正常；
将供水阀开启，通过外接水源将储水箱中水注入至储水箱体积的2/3，并接通水泵电源，直至水平渗透筒和垂直渗透筒的待测试样中充满水；
调节供水溢流箱在钢架上的高度，至需要位置，并通过旋转的螺母压紧固定于所述钢架；
开启供水阀，接通水泵电源，水泵抽水直接注入供水溢流箱中的第一水箱中，第一水箱满水后，经过隔板溢流至第二水箱中，第二水箱中的水通过溢流管回流至储水箱中，使供水溢流箱中第一水箱的水位保持稳定在隔板的顶端相应高程上，第一水箱中的水底部的供水口再经供水管注入水平渗透筒和垂直渗透筒中，等待渗流趋于稳定，能够观察到两个第一测压管和两个第二测压管的水头逐渐稳定，利用标尺将两个第一测压管和两个第二测压管水头量测并记录在相应的数据记录表中，通过量测两个第一测压管和两个第二测压管的垂直距离，利用两个第一测压管和两个第二测压管水头差与垂直距离之比来计算水力坡度I，同时，利用量筒和秒表分别对水平渗透柱和垂直渗透柱的渗透水量和对应时间测定，获取稳定条件下的渗透流量Q，同时根据水平和垂直渗透柱的内径d1、d2计算渗透面积；
改变供水溢流箱在钢架上的高度，并固定在钢架上新的高度，供水溢流箱的水位改变后，实验用水在进入水平渗透柱和垂直渗透柱后，由于水压改变，在渗透柱中的渗透流速、水力坡度、渗透流量均发生变化，渗透面积不变；
数据整理、水平方向和垂直方向渗透系数分量的计算；
采用达西公示计算待测试样的渗透系数分量，公式为K=4QL/(h1-h2)πd2，式中，Q为流量，单位为m3/s，L为渗透途径，单位为m，K为待测试样渗透系数，单位为m/s，d为水平渗透柱或垂直渗透柱的内径，h1为上游断面测压管水头值，单位为cm，h2为下游断面测压管水头值，单位为cm；
在分别获取水平渗透柱、垂直渗透柱中试样的渗透系数分量
后，松散孔隙介质的渗透系数计算公式为： 
；
关闭供水管上的进水阀后，切断水泵电源，结束试验。
9.根据权利要求8所述的孔隙介质两向渗透系数测定方法，其特征在于，所述水平渗透筒和垂直渗透筒的待测试样中充满水后，关闭电源，关闭水阀，静待24h，以便试样完全饱水，确保试样中仅有水和松散介质的两相，无气相。
10.根据权利要求8所述的孔隙介质两向渗透系数测定方法，其特征在于，所述供水溢流箱在钢架上的高度调节进行试验的次数不少于三次。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211611713.2A CN115598040B (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202211611713.2A CN115598040B (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN115598040A true CN115598040A (zh) | 2023-01-13 |
| CN115598040B CN115598040B (zh) | 2023-04-07 |
Family
ID=84853805
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202211611713.2A Active CN115598040B (zh) | 2022-12-15 | 2022-12-15 | 一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN115598040B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116499934A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 湖南大学 | 土体颗粒损失和渗气性能试验装置及试验方法 |
| CN118583752A (zh) * | 2024-08-07 | 2024-09-03 | 陕西工程勘察研究院有限公司 | 对黄土粘性阻力的测试方法及装置 |
Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1260765A1 (ru) * | 1985-06-10 | 1986-09-30 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Способ определени водопроницаемости грунта |
| US5283125A (en) * | 1990-05-24 | 1994-02-01 | Takenaka Corporation | Dew condensation preventing structure |
| EP1916544A1 (de) * | 2005-06-16 | 2008-04-30 | Evgenij Dmitrievich Lisitsyn | Verfahren zur elektrischen meereserkundung nach öl- und gasfeldern und vorrichtung zur durchführung des verfahrens |
| CN101344515A (zh) * | 2008-08-29 | 2009-01-14 | 成都理工大学 | 渗透系数测定仪 |
| CN102033034A (zh) * | 2010-10-29 | 2011-04-27 | 四川大学 | 土体水平向渗透系数测量仪 |
| CN102478494A (zh) * | 2010-11-23 | 2012-05-30 | 中国农业大学 | 线源布水器 |
| CN204315152U (zh) * | 2014-11-18 | 2015-05-06 | 成都理工大学 | 潜水井注水试验装置 |
| CN104880396A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-09-02 | 上海大学 | 外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法 |
| CN105699269A (zh) * | 2016-02-24 | 2016-06-22 | 哈尔滨工业大学 | 沥青混合料多向恒压渗流测试装置 |
| CN207366406U (zh) * | 2017-10-19 | 2018-05-15 | 吉林省林业科学研究院 | 一种土壤水分渗透检测装置 |
| CN110470817A (zh) * | 2019-09-02 | 2019-11-19 | 成都理工大学 | 填埋场地下水污染物的二维迁移实验装置 |
| KR20200042230A (ko) * | 2018-10-15 | 2020-04-23 | 강대욱 | 비탈면 녹화 구조 |
| AU2021104053A4 (en) * | 2021-07-12 | 2021-09-09 | Tongji University | Visual simulator for the progressive destruction of a shield tunnel excavation face under seepage conditions |
| CN114088603A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-02-25 | 成都东华卓越科技有限公司 | 一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法 |
-
2022
- 2022-12-15 CN CN202211611713.2A patent/CN115598040B/zh active Active
Patent Citations (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1260765A1 (ru) * | 1985-06-10 | 1986-09-30 | Каунасский Политехнический Институт Им.Антанаса Снечкуса | Способ определени водопроницаемости грунта |
| US5283125A (en) * | 1990-05-24 | 1994-02-01 | Takenaka Corporation | Dew condensation preventing structure |
| EP1916544A1 (de) * | 2005-06-16 | 2008-04-30 | Evgenij Dmitrievich Lisitsyn | Verfahren zur elektrischen meereserkundung nach öl- und gasfeldern und vorrichtung zur durchführung des verfahrens |
| CN101344515A (zh) * | 2008-08-29 | 2009-01-14 | 成都理工大学 | 渗透系数测定仪 |
| CN102033034A (zh) * | 2010-10-29 | 2011-04-27 | 四川大学 | 土体水平向渗透系数测量仪 |
| CN102478494A (zh) * | 2010-11-23 | 2012-05-30 | 中国农业大学 | 线源布水器 |
| CN204315152U (zh) * | 2014-11-18 | 2015-05-06 | 成都理工大学 | 潜水井注水试验装置 |
| CN104880396A (zh) * | 2015-05-26 | 2015-09-02 | 上海大学 | 外荷作用下土体二向渗流模型装置及测试方法 |
| CN105699269A (zh) * | 2016-02-24 | 2016-06-22 | 哈尔滨工业大学 | 沥青混合料多向恒压渗流测试装置 |
| CN207366406U (zh) * | 2017-10-19 | 2018-05-15 | 吉林省林业科学研究院 | 一种土壤水分渗透检测装置 |
| KR20200042230A (ko) * | 2018-10-15 | 2020-04-23 | 강대욱 | 비탈면 녹화 구조 |
| CN110470817A (zh) * | 2019-09-02 | 2019-11-19 | 成都理工大学 | 填埋场地下水污染物的二维迁移实验装置 |
| AU2021104053A4 (en) * | 2021-07-12 | 2021-09-09 | Tongji University | Visual simulator for the progressive destruction of a shield tunnel excavation face under seepage conditions |
| CN114088603A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-02-25 | 成都东华卓越科技有限公司 | 一种超大型大流量渗透仪系统及其自动测量方法 |
Non-Patent Citations (9)
| Title |
|---|
| A. C. LIAKOPOULOS DR. ENG: "DARCY\"S COEFFICIENT OF PERMEABILITY AS SYMMETRIC TENSOR OF SECOND RANK", 《INTERNATIONAL ASSOCIATION OF SCIENTIFIC HYDROLOGY. BULLETIN》 * |
| AMY L. ADAMS 等: "Stress induced permeability anisotropy of Resedimented Boston Blue Clay", 《WATER RESOURCES RESEARCH》 * |
| KAI WANG 等: "A numerical investigation of hydraulic fracturing on coal seam permeability based on PFC-COMSOL coupling method", 《INTERNATIONAL JOURNAL OF COAL SCIENCE & TECHNOLOGY》 * |
| WEIWANG 等: "Spatial variation of saturated hydraulic conductivity of a loess slope in the South Jingyang Plateau, China", 《ENGINEERING GEOLOGY》 * |
| 刘沣元: "高山拦河闸坝枢纽及其建筑物的设计理论与实践", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技Ⅱ辑》 * |
| 杜锋: "破碎岩体水沙两相渗透特性试验研究", 《中国博士学位论文全文数据库基础科学辑》 * |
| 王忠亮: "烟台万华地下水封（液化气）洞库裂隙岩体渗透场特征 —各向异性、空间变异性及顺序指示模拟", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 * |
| 陈明征: "关于渗透系数K值经验公式的讨论", 《北京地质学院学报》 * |
| 高敏: "半干旱地区河床渗透系数空间变异性研究", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库基础科学辑》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116499934A (zh) * | 2023-06-25 | 2023-07-28 | 湖南大学 | 土体颗粒损失和渗气性能试验装置及试验方法 |
| CN116499934B (zh) * | 2023-06-25 | 2023-09-22 | 湖南大学 | 土体颗粒损失和渗气性能试验装置及试验方法 |
| CN118583752A (zh) * | 2024-08-07 | 2024-09-03 | 陕西工程勘察研究院有限公司 | 对黄土粘性阻力的测试方法及装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115598040B (zh) | 2023-04-07 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN115598040B (zh) | 一种孔隙介质两向渗透系数测定装置及方法 | |
| Post et al. | Hydraulic head measurements-new technologies, classic pitfalls | |
| CN206756653U (zh) | 定水头和变水头土壤渗透系数测定组合装置 | |
| Youngs | Hydraulic conductivity of saturated soils | |
| CN107038268B (zh) | 一种确定非均质储层五点井网水驱波及系数的方法 | |
| CN204315152U (zh) | 潜水井注水试验装置 | |
| CN105651677B (zh) | 一种可同时测定给水度及渗透系数的岩土参数性质测定仪 | |
| CN108226008B (zh) | 自循环变水头达西渗透实验仪 | |
| CN105547967A (zh) | 裂隙介质系统渗透张量室内测定装置 | |
| Tang et al. | Groundwater engineering | |
| CN205538580U (zh) | 裂隙介质系统渗透张量室内测定装置 | |
| CN113431537B (zh) | 一种非稳态变流速大尺度岩心水驱气相对渗透率测试方法 | |
| CN110672491B (zh) | 深厚湿陷性土层浸水量的研究方法 | |
| CN106644890A (zh) | 一种室内土工试验中用于测量土样渗透系数的装置 | |
| CN109085323A (zh) | 一种可分层控制水位的分层沉降模型试验装置及试验方法 | |
| CN204649589U (zh) | 一种原状土样渗透系数测定装置 | |
| CN104318843B (zh) | 承压井注水试验装置 | |
| CN108877451A (zh) | 上透下阻型盖层塌陷成因实验装置 | |
| CN108986624A (zh) | 上阻下透型盖层塌陷成因实验装置 | |
| CN115165702A (zh) | 一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置及方法 | |
| CN115754248B (zh) | 基于氡同位素的冰冻条件下潜水-土壤水分运动示踪实验装置及方法 | |
| CN107389532A (zh) | 一种用于测试多孔工程材料空隙分布特征的试验装置及方法 | |
| CN110164280B (zh) | 潜水等水头线观测仪及观测方法 | |
| CN217466602U (zh) | 基于流速流向测量求取孔隙含水层渗透系数的实验装置 | |
| CN206920294U (zh) | 一种透水混凝土透水系数测定装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |