CN206020226U - 一种多功能渗透仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出一种多功能渗透仪，属于岩土力学技术领域，该渗透仪包括加压部分、控制部分、支架部分和实验实施部分；其中，加压部分设置于实验实施部分上端，支架部分通过喉箍与实验实施部分固定，控制部分与加压部分和实验实施部分相连；本实用新型更加简便地实现常、变水头的转换；实现了用气压替代水压以便减小实验误差；方便研究水流在土壤中的渗流路径、在不同压力条件下渗透的特性、在横向渗透和纵向渗透时的渗透特性、观测渗透时土粒的微观变化；实验结果由流量计转化为电信号传送到计算机，直接得到结果，方便准确；流量计下水流流出后由量筒盛接可以进一步保证结果的准确性。
Description
技术领域
本实用新型属于岩土力学技术领域，具体涉及一种多功能渗透仪。
背景技术
液体在土壤中的渗流是自然界中、和工业中十分普遍的现象；土壤中的渗流会引起土体松动，长期过后甚至会引发泥石流；泥石流最常见的危害之一，是冲进乡村、城镇，摧毁房屋、工厂、企事业单位及其他场所设施；泥石流可直接埋没车站，铁路、公路，摧毁路基、桥涵等设施，致使交通中断，还可引起正在运行的火车、汽车颠覆，造成重大的人身伤亡事故；有时泥石流汇入河道，引起河道大幅度变迁，间接毁坏公路、铁路及其它构筑物，甚至迫使道路改线，造成巨大的经济损失；在工业中矿山尾矿坝的存在也会涉及水流的渗透，随着坝体的增高，对底部的压力不断增大，会产生不同的渗流效果；渗流的路径和快慢对坝体的稳定性都有一定的影响；溃坝会对周围的环境和人身安全造成极大威胁；所以更全面深入地研究土体中的渗透，会对泥石流及尾矿坝溃坝等灾害的防治起到积极作用。
传统的渗透仪功能单一，而且对于渗透系数不同的土体需要采用适用于常水头和变水头的不同渗透仪，不能实现简单的转换；现有渗透仪内壁均为光滑内壁，实验时会产生较为严重的边界效应从而影响实验结果，实验精度和实际会有很大差别；采用更高端的试验装置时操作复杂而且对试验人员要求较高；前人对渗透系数研究过于笼统不能研究纵向渗流与横向渗流的关系，无法得到水流在土体里的渗流路径，无法观察土体的细微变化。
实用新型内容
针对现有技术的不足，本实用新型提出一种多功能渗透仪，以达到实现常、变水头的转换，提高实验便捷性和精准度的目的。
一种多功能渗透仪，包括加压部分、控制部分、支架部分和实验实施部分；其中，加压部分设置于实验实施部分上端，支架部分通过喉箍与实验实施部分固定，控制部分与加压部分和实验实施部分相连；
所述的加压部分包括：油压泵、压力室、第一密封盖、自平衡活塞、轴压传感器和连接杆；
其中，油压泵设置于压力室的上端，油压泵的输出口连接压力室内部；所述的自平衡活塞一端设置于压力室内部，另一端依次穿过压力室的下端和第一密封盖，且该端下端设置有轴压传感器；所述的压力室与第一密封盖之间通过连接杆连接；
所述的实验实施部分包括：充气泵、供水槽、第二密封盖、气压传感器、盛土柱体、软质橡胶网、透水板、钢化玻璃视窗、法兰、围压传感器、测压管、流量计、量筒、止水夹和接头；
其中，所述的充气泵通过导管与供水槽相连接，所述的供水槽上端设置有第二密封盖，第二密封盖下端设置有气压传感器，供水槽通过导管连接盛土柱体的上端，盛土柱体由上至下均匀设置有多个钢化玻璃视窗；盛土柱体内壁设置有软质橡胶网，在软质橡胶网与盛土柱体内壁之间设置有围压传感器，且围压传感器位于钢化玻璃视窗下端；盛土柱体内部的上端设置有透水板，在透水板与盛土柱体底端之间设置有测量土体；盛土柱体的上半部分与下半部分通过法兰连接，盛土柱体的下端设置有流量计，流量计设置有止水夹，流量计的下端放置有量筒；盛土柱体的侧壁设置有多个测压管，测压管连接接头；
加压部分的自平衡活塞下端与实验实施部分的透水板上表面接触放置。
所述的控制部分包括计算机和控制器，其中，控制器与计算机相连接，且控制器的输入端分别连接轴压传感器的输出端、气压传感器的输出端和围压传感器的输出端，控制器的输出端连接充气泵的输入端和油压泵的输入端。
所述的支架部分，包括：第一支架、第二支架、第一扣件、第二扣件、第一带轴直杆、第二带轴直杆、第一喉箍、第二喉箍和底座；其中，所述的底座设置有第一支架和第二支架，当纵向渗透时，第一支架上端通过第一扣件连接第一带轴直杆的一端，第一带轴直杆的另一端连接第一喉箍，第一支架下端通过第二扣件连接第二带轴直杆的一端，第二带轴直杆的另一端连接第二喉箍，且第一喉箍和第二喉箍水平放置；当横向渗透时，第一支架通过第一扣件连接第一带轴直杆的一端，第一带轴直杆的另一端连接第一喉箍，第二支架通过第二扣件连接第二带轴直杆的一端，第二带轴直杆的另一端连接第二喉箍，且第一喉箍和第二喉箍竖直放置。
本实用新型优点：
1.本实用新型可以更加简便地实现常、变水头的转换；
2.本实用新型实现了用气压替代水压以便减小实验误差；
3.本实用新型可以研究水流在土壤中的渗流路径；
4.本实用新型可以研究在不同压力条件下渗透的特性；
5.本实用新型可以研究在横向渗透和纵向渗透时的渗透特性；
6.本实用新型可以观测渗透时土粒的微观变化；
7.本实用新型的实验结果由流量计转化为电信号传送到计算机，计算机经编程后可直接得到结果，方便准确；
8.本实用新型流量计下水流流出后由量筒盛接可以进一步保证结果的准确性。
附图说明
图1为本实用新型一种实施方式的多功能渗透仪整体结构示意图；
图2为本实用新型一种实施方式的加压部分结构示意图；
图3为本实用新型一种实施方式的实验实施部分示意图；
图4为本实用新型一种实施方式的支架部分示意图；
图5为本实用新型一种实施方式的横向渗透时支架部分与盛土柱体位置关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型一种实施例做进一步说明。
本实用新型实施例中，如图1所示，多功能渗透仪包括加压部分II、控制部分IV、支架部分I和实验实施部分III；其中，加压部分II通过螺纹与实验实施部分III上端固定连接，支架部分I通过喉箍与实验实施部分III固定，控制部分IV与加压部分II和实验实施部分III相连；本实用新型实施例中，如图2所示，所述的加压部分II包括：油压泵II-1、压力室II-2、第一密封盖II-3、自平衡活塞II-4、轴压传感器II-5和连接杆II-6；其中，油压泵II-1设置于压力室II-2的上端，油压泵II-1的输出口连接压力室II-2内部；所述的自平衡活塞II-4一端设置于压力室II-2内部，另一端依次穿过压力室II-2的下端和第一密封盖II-3，且该端下端设置有轴压传感器II-5；所述的压力室II-2与第一密封盖II-3之间通过连接杆II-6连接；本实用新型实施例中，油压泵II-1为压力室II-2充、减油来实现自平衡活塞II-4的上下运动来为土体增减压力，自平衡活塞II-4下设置有轴压传感器II-5来反映对土体施加的轴向压力；
本实用新型实施例中，如图3所示，所述的实验实施部分III包括：充气泵III-1、供水槽III-3、第二密封盖III-4、气压传感器III-5、盛土柱体III-16、软质橡胶网III-7、透水板III-8、钢化玻璃视窗III-9、法兰III-11、围压传感器III-10、测压管III-12、流量计III-13、量筒III-14、止水夹和接头III-15；其中，所述的充气泵III-1通过导管III-2与供水槽III-3相连接，所述的供水槽III-3上端设置有第二密封盖III-4，第二密封盖III-4下端设置有气压传感器III-5，第二密封盖III-4设置有排气阀III-6，供水槽III-3通过导管连接盛土柱体III-16的上端，盛土柱体III-16由上至下均匀设置有多个钢化玻璃视窗III-9；盛土柱体III-16内壁设置有软质橡胶网III-7，在软质橡胶网III-7与盛土柱体III-16内壁之间设置有围压传感器III-10，且围压传感器III-10位于钢化玻璃视窗III-9下端；盛土柱体III-16内部的上端设置有透水板III-8，在透水板III-8与盛土柱体III-16底端之间设置有测量土体；盛土柱体III-16的上半部分与下半部分通过法兰III-11连接，法兰III-11之间设置有密封垫，盛土柱体III-16的下端设置有流量计III-13，流量计III-13设置有止水夹，流量计III-13的下端放置有量筒III-14，量筒III-14用于盛接流水，进而对实验结果进行校验；盛土柱体III-16的侧壁设置有多个可连接径直或弯曲接头的测压管III-12，测压管III-12连接三个接头III-15；将第二密封盖III-4上的III-6排气阀打开就实现了由常水头到变水头的转换；
本实用新型实施例中，导管III-2均为内径为0.8cm，测压管III-12为内径为0.8cm透明玻璃管；盛土柱体III-16总长度为500mm，钢化玻璃视窗III-9距离盛土柱体III-16最底部的距离分别为50mm、150mm、350mm、450mm，围压传感器III-10设置在每个玻璃视窗下10mm处，法兰III-11距离盛土柱体III-16最底部的距离为250mm，测压管III-12之间的距离为100mm且距离底部的距离分别为200mm、300mm、400mm；盛土柱体III-16中的软质橡胶网III-7质软，在盛土时会与土粒紧密结合，会防止或减小边界效应的产生，从而使实验数据更加准确；加压部分的自平衡活塞II-4下端与实验实施部分III的透水板III-8上表面接触放置；
本实用新型实施例中，如图1所示，所述的控制部分IV包括计算机和控制器，本实用新型实施例中，控制器采用PM554-R可编程控制器；其中，控制器与计算机相连接，且控制器的输入端分别连接轴压传感器II-5的输出端、气压传感器III-5的输出端和围压传感器III-10的输出端，控制器的输出端连接充气泵III-1的输入端和油压泵II-1的输入端；
本实用新型实施例中，如图4所示，所述的支架部分I，包括：第一支架I-1a、第二支架I-1b、第一扣件I-2a、第二扣件I-2b、第一带轴直杆I-3a、第二带轴直杆I-3b、第一喉箍I-4a、第二喉箍I-4b和底座I-5；其中，所述的底座I-5设置有第一支架I-1a和第二支架I-1b，当纵向渗透时，第一支架I-1a上端通过第一扣件I-2a连接第一带轴直杆I-3a的一端，第一带轴直杆I-3a的另一端连接第一喉箍I-4a，第一支架I-1a下端通过第二扣件I-2b连接第二带轴直杆I-3b的一端，第二带轴直杆I-3b的另一端连接第二喉箍I-4b，且第一喉箍I-4a和第二喉箍I-4b水平放置；
本实用新型实施例中，盛土柱体III-16由第一喉箍I-4a和第二喉箍I-4b固定，且第一喉箍I-4a和第二喉箍I-4b与第一带轴直杆I-3a和第二带轴直杆I-3b固连连接处可绕轴向转动，直杆尾部与支架钢管由扣件相连且可拆卸，支架部分I能将盛土柱体III-16竖直固定并且通过拆卸第二扣件I-2b转动盛土柱体III-16使之旋转至水平，再将第二扣件I-2b固定于第二支架I-1b，盛土柱体III-16横向固定好以后将测压管III-12处接头III-15接头由弯曲接头换为径直接头；图5展示了横向渗透时支架部分与盛土柱体III-16的位置关系，第一支架I-1a通过第一扣件I-2a连接第一带轴直杆I-3a的一端，第一带轴直杆I-3a的另一端连接第一喉箍I-4a，第二支架I-1b通过第二扣件I-2b连接第二带轴直杆I-3b的一端，第二带轴直杆I-3b的另一端连接第二喉箍I-4b，且第一喉箍I-4a和第二喉箍I-4b竖直放置。
本实用新型实施例中，采用多功能渗透仪进行的实验过程如下：
首先将各线路、电缆正确连接，检查装置各部分是否漏气确保装置气密性；将盛土柱体安装于支架部分上，且处于纵向渗透状态；将盛土柱体在支架上竖向固定好，向柱体中分层加入土体并击实大约高度为35～45cm，记录土样高度、质量，输入计算机；在测量土体上端设置透水板，密封第一密封盖，此时自平衡活塞未对测量土体施压；从流量计处注入配置好的氯化钠溶液使土体完全浸润，浸润后关闭流量计上止水夹；将供水槽中注入氯化钠溶液，密封第二密封盖，打开止水夹；当供水槽水位下降时，压力传感器传出电信号至控制器启动充气泵为供水槽充气，维持供水槽中气压不变，待测压管水位稳定后，记录测压管水位h1、h2、h3，获得各测压管间的水位差值Δh1、Δh2和水位平均值h，输入至计算机中；测量供水槽的进水水温与流量计的出水水温，取平均值，输入至计算机中；当流量计中流量达到设定数值200ml或者500ml时，停止测量，根据达西定律获得渗透系数；拆取法兰，取出测量土体轴心直径3cm处试样，利用HPLC-MS法获得试样水流运移路径，通过钢化玻璃视窗采用电子显微镜观察土体结构；包括表面孔隙度、最大孔隙直径和最小孔隙直径；启动控制器使油泵为压力室充油，自平衡活塞向下伸长对测量土体施压，当轴压传感器检测的压力值到达设定值时，停止施压，采用围压传感器收集柱体内围压数值输入至计算机中，反复上述过程，获得纵向渗透状态下不同压力下对应渗透系数；调整支架部分I，使盛土柱体由纵向渗透状态变换为横向渗透状态，用控制变量法以横纵方向为控制变量对土体施加同等压力，获得横向渗透状态下不同压力下对应渗透系数；拟合获得参数之间的关系，包括拟合出渗透系数与横向渗透的关系、渗透系数与纵向渗透的关系、渗透系数与轴向压力的关系、渗透系数与围压的关系、围压与轴压在横向渗透下的关系，围压与轴压在纵向渗透下的关系、总结测量土体结构与各变量间关系；
本实用新型实施例中，获得渗透系数与轴压和围压均成反比关系，土体渗透系数具有方向性，纵向渗透系数大于横向渗透系数；
本实用新型实施例中，实验用水为10000mg/L的氯化钠溶液用于标记水流运移路径，且采用氯化钠对环境不会产生污染；通过设置不同压力，得到不同压力下对应渗透系数，使实验构成对照组，压力分别为0KP、1KP、2KP、3KP、4KP、5KP、6KP、7KP、8KP、9KP、10KP：
本实用新型实施例中，进行常水头试验时采用对供水槽一次性注水的方式，当供水槽中水位下降时，气压降低，此时气压传感器感受到气压的变化将信号传递给计算机，计算机向控制器输出信号控制充气泵使其启动为供水槽充气，当气压维持与原气压相等时气压传感器将传出信号使充气泵停止工作。其原理在于：用压力恒定等效替代水头不变；
本实用新型实施例中，当测量土体纵向渗透系数时第一扣件I-2a、第二扣件I-2b都与第一支架I-1a相连；当测量横向渗透系数时，将第二扣件I-2b拆下同时旋转上转轴使柱体水平，再将扣件I-2b扣件b连接在I-1b支架b上；实验体横向固定好以后将III-12测压管处接头III-15接头由弯曲接头换为径直接头。
Claims (3)
1.一种多功能渗透仪，其特征在于，包括加压部分、控制部分、支架部分和实验实施部分；其中，加压部分设置于实验实施部分上端，支架部分通过喉箍与实验实施部分固定，控制部分与加压部分和实验实施部分相连；
所述的加压部分包括：油压泵、压力室、第一密封盖、自平衡活塞、轴压传感器和连接杆；
其中，油压泵设置于压力室的上端，油压泵的输出口连接压力室内部；所述的自平衡活塞一端设置于压力室内部，另一端依次穿过压力室的下端和第一密封盖，自平衡活塞另一端的下端设置有轴压传感器；所述的压力室与第一密封盖之间通过连接杆连接；
所述的实验实施部分包括：充气泵、供水槽、第二密封盖、气压传感器、盛土柱体、软质橡胶网、透水板、钢化玻璃视窗、法兰、围压传感器、测压管、流量计、量筒、止水夹和接头；
其中，所述的充气泵通过导管与供水槽相连接，所述的供水槽上端设置有第二密封盖，第二密封盖下端设置有气压传感器，供水槽通过导管连接盛土柱体的上端，盛土柱体由上至下均匀设置有多个钢化玻璃视窗；盛土柱体内壁设置有软质橡胶网，在软质橡胶网与盛土柱体内壁之间设置有围压传感器，且围压传感器位于钢化玻璃视窗下端；盛土柱体内部的上端设置有透水板，在透水板与盛土柱体底端之间设置有测量土体；盛土柱体的上半部分与下半部分通过法兰连接，盛土柱体的下端设置有流量计，流量计设置有止水夹，流量计的下端放置有量筒；盛土柱体的侧壁设置有多个测压管，测压管连接接头；
加压部分的自平衡活塞下端与实验实施部分的透水板上表面接触放置。
2.根据权利要求1所述的多功能渗透仪，其特征在于，所述的控制部分包括计算机和控制器，其中，控制器与计算机相连接，且控制器的输入端分别连接轴压传感器的输出端、气压传感器的输出端和围压传感器的输出端，控制器的输出端连接充气泵的输入端和油压泵的输入端。
3.根据权利要求1所述的多功能渗透仪，其特征在于，所述的支架部分，包括：第一支架、第二支架、第一扣件、第二扣件、第一带轴直杆、第二带轴直杆、第一喉箍、第二喉箍和底座；其中，所述的底座设置有第一支架和第二支架，当纵向渗透时，第一支架上端通过第一扣件连接第一带轴直杆的一端，第一带轴直杆的另一端连接第一喉箍，第一支架下端通过第二扣件连接第二带轴直杆的一端，第二带轴直杆的另一端连接第二喉箍，且第一喉箍和第二喉箍水平放置；当横向渗透时，第一支架通过第一扣件连接第一带轴直杆的一端，第一带轴直杆的另一端连接第一喉箍，第二支架通过第二扣件连接第二带轴直杆的一端，第二带 轴直杆的另一端连接第二喉箍，且第一喉箍和第二喉箍竖直放置。
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