一种原状土有效孔隙度测定仪的制作方法

本发明涉及一种岩土参数测定仪，具体涉及一种原状土有效孔隙度测定仪，属于水文地质学实验装置技术领域。

背景技术：

在地下水渗流、人工回灌地下水、不同含水层之间相互补给、浅层地下水可开采量计算、农田灌溉与排水计算、地下水原位修复、海水入侵等关于地下水运动研究过程中需要对地下水滞留、释出和传输能力进行测量，而地下水滞留、释出和传输能力主要受到岩土有效孔隙度的影响，因此有效孔隙度不仅直接影响到计算与研究成果的准确性，还能够对其他水文地质参数进行预测估算。随着地下水资源的不断开发与利用，人们开始探究测定有效孔隙度及其与地下水运移速率之间的定量关系。

岩土的有效孔隙度为重力水流动的孔隙体积(不包括不连通的死孔隙和不流动的结合水所占据的空间)与岩石体积(包括孔隙体积)之比。岩土有效孔隙度用n_e表示，是重要的水文地质参数。目前测定有效孔隙度的装置只能够在低渗透性岩石和酒槽槽醅等试样，例如中国专利公布的CN103674804A和CN102141502A，它们分别针对低渗透性岩石和酒槽槽醅测定有效孔隙度，不适用于松散岩土的有效孔隙度的测定。

综上所述，当前的有效孔隙度测定装置只能够测定低渗透性岩石、蓬松物质如酒槽槽醅，缺少一种能够测定松散岩土的有效孔隙度测定仪。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，并提供一种能够测定松散岩土的有效孔隙度的测定仪。

实现本发明目的所采用的技术方案为，一种原状土有效孔隙度测定仪，至少包括供水单元、渗流单元和检测单元，供水单元与渗流单元连通，所述供水单元包括供水箱和水头调节组件，所述水头调节组件为高度调节组件，供水箱固定于水头调节组件上，供水箱中设有低于供水箱高度的溢水板，供水箱通过溢水板分隔为供水腔和溢流腔，供水箱上设有与供水腔连通的供水口和进水口以及与溢流腔连通的排水口，供水箱通过安装于供水口上的供水管与渗流单元连通；供水管的出水端设有液体均分单元，液体均分单元位于渗流单元上，所述液体均分单元包括相互连通的溢水管和液体分流器，供水管的出水口位于液体分流器上部的中心，所述液体分流器由原样柱渗流板、固定管和1块以 上筛板构成，原样柱渗流板和各筛板从下至上顺序分布于固定管中，原样柱渗流板和筛板均为孔板，原样柱渗流板与筛板的孔径和孔分布密度均不相同，溢水管连通于原样柱渗流板与位于底部的筛板之间；所述渗流单元包括原状柱、密封座、底部滤板和支撑组件，液体分流器位于原状柱的顶端并且与原状柱连通，原状柱固定于支撑组件中，密封座与原状柱下端连接，封闭原状柱，底部滤板位于原状柱的下方并且固定于密封座中，底部滤板与密封座构成检测腔，所述原状柱由1个以上空心柱拼接构成，空心柱的端部为楔形凸边或与楔形凸边相匹配的楔形凹槽，位于顶部的空心柱顶面为平面，密封座的上端为楔形凹槽或楔形凸边，密封座与原状柱通过楔形凹槽与楔形凸边扣合连接；所述检测单元包括显示器、流量计和1个以上电阻率传感器，流量计通过密封座固定并且与检测腔连通，电阻率传感器位于检测腔中，显示器位于检测腔外并且通过导线与电阻率传感器电性连接。

所述高度调节组件包括底座、滑动柱、水箱支座和滑动调节器，滑动柱固定于底座上，滑动柱上沿轴向设有卡扣，滑动调节器套于滑动柱上并且通过卡扣限位，水箱支座固定于滑动调节器上。

所述卡扣为限位凸起，滑动调节器由升降摇手、滑动套和固定套筒构成，固定套筒与滑动套的下部螺纹连接，所述滑动套的上部中设有销轴，升降摇手的其中一端为圆管，圆管套于销轴上并且与销轴间隙配合，升降摇手的另一端突出于滑动套外，圆管的外表面以及滑动套下部的内表面上均设有限位凸起。

所述供水箱的中部设有分隔板，供水箱通过分隔板分隔为两个完全相同的内腔，两个内腔中均设有溢水板，两个内腔的供水口上均设有供水管，两根供水管的另一端均连接有液体均分单元，其中一个液体均分单元与原状柱连通，两个内腔的进水口上均设有进水管、排水口上均设有排水管，排水管通过三通接口连通进水管，进水管位于三通接口与进水口之间的管段上安装有水泵。

所述液体分流器由固定管以及从上至下顺序固定于固定管中的第一筛板、第二筛板、第三筛板和原样柱渗流板构成，第一筛板和第二筛板的渗水区中均设有挡水区，所述挡水区位于所在筛板的中心或边缘。

第三筛板与原样柱渗流板之间的竖直间距为1cm，溢水管连通于原样柱渗流板上方0.5cm处。

所述支撑组件包括支撑板、支撑柱、固定环和支撑固定器，支撑柱安装于支撑板上，固定环套于原状柱上并且位于空心柱的拼接处，支撑固定器套于支撑柱上，固定环和支 撑固定器通过螺纹紧固件连接。

所述固定环和支撑固定器均由两个耳状半圆环通过螺纹紧固件连接构成，螺纹紧固件位于耳状半圆环的耳部。

所述密封座的底部设有与检测腔连通的流量测定管，流量计固定于流量测定管中。

所述检测腔中固定有3个电阻率传感器，3个电阻率传感器沿密封座圆周方向均布。

由上述技术方案可知，本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪，主体包括供水单元、渗流单元、液体均分单元和检测单元，其中1、供水单元，用于提供渗流水，供水单元包括供水箱和水头调节组件，通过水头调节组件可调节供水箱中水的位置水头，供水箱中设置溢水板，供水箱通过溢水板分隔为供水腔和溢流腔，从而实现定水头控制；2、渗流单元，包括原状柱、密封座、底部滤板和支撑组件，原状柱为原状土试样取样和渗流场所，原状柱由1个以上空心柱拼接构成，空心柱的端部为楔形凸边或与楔形凸边相匹配的楔形凹槽，取样时将空心柱的楔形凸边插入土壤，使用打击物用力锤击该空心柱的楔形凹槽端，当取样点土样最高点达到楔形凹槽端后，将空心柱整体取出，若需要的原状土试样长度较长，当取样点土样最高点达到楔形凹槽端后，将下一个空心柱的楔形凸边插入上一个空心柱的楔形凹槽中，重复锤击，依次所有空心柱插入并整体取出，现场取样不会破坏原状土原有的内部空隙结构，保证测试结果的有效性，原样柱同时为原状土试样的渗流场所，密封座与原状柱下端连接封闭原状柱，底部滤板固定于密封座中构成检测腔，原状土试样的渗流水经底部滤板过滤后汇聚于检测腔中；3、液体均分单元，用于将水体均分，包括相互连通的溢水管和液体分流器，液体分流器由原样柱渗流板、固定管和1块以上筛板构成，原样柱渗流板和各筛板从下至上水平安装于固定管中，通过设置原样柱渗流板与筛板的孔径和孔分布密度均不相同，使得水流在原样柱渗流板和各筛板之间流速改变，通过密布的孔均分水流，保证了水体呈面状下渗进入原状柱，模拟地下水与原状土面状接触，未及时入渗的水体通过溢水管排出；4、检测单元，用于检测渗流水的流速和离子浓度。

本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪中，水头调节组件采用摇动上升和卡扣限位的结构，高度调节组件包括底座、滑动柱、水箱支座和滑动调节器，滑动柱上卡扣，滑动调节器套于滑动柱上并且通过卡扣限位，滑动调节器由升降摇手、滑动套和固定套筒构成，升降摇手可相对于滑动套上下摇动，由于升降摇手靠近滑动柱的端部表面同样设置卡扣，升降摇手摇动上升的过程相当于卡扣啮合的过程，调节到合适位置后通过固定套筒锁紧滑动套，该机构结构简单、调节方便并且限位稳固。

供水箱设置为左右对称结构，内部通过分隔板分隔为两个完全相同的内腔，其中一个用于渗流供水，另一个为备用腔，两个内腔均连接有供水管，供水管的另一端连接液体均分单元，当需要更换渗流液体时，直接将原液体均分单元拿下，将另一个液体均分单元放置于原样柱顶端，通过密封胶密封后即可继续进行渗流；每个内腔通过溢水板分隔为供水腔和溢流腔，排水管通过三通接口连通进水管，将排水管排出的水通过水泵再次泵入供水腔中。

为进一步优化液体分流效果，设计液体分流器由固定管以及从上至下水平安装于固定管中的第一筛板、第二筛板、第三筛板和原样柱渗流板构成，第一筛板和第二筛板均设计为具有渗水区和挡水区，挡水区位于所在筛板的中心或边缘，第一筛板和第二筛板的挡水区位置不相同，用于改变水流流向，减弱水流流速，当水体进入时，经第一筛板渗水区均匀分流，在第一筛板与第二筛板之间充满水体，液体均匀通过小圆孔后流进第二筛板与第三筛板之间空隙，之后通过第三筛板将水体再次均分，通过原样柱渗流板致密小圆孔使水体均匀下渗，通过第一筛板、第二筛板、第三筛板、原样柱渗流板将水体均分，保证了水体呈面状下渗进入原样柱，第三筛板与原样柱渗流板间隔1cm，溢水管连通于原样柱渗流板上方0.5cm处，在原样柱渗流板上部维持0.5cm薄水层入渗试样。

由于本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪中，原样柱为可拆卸结构，因此需要原样柱的支撑组件适应可拆卸结构，支撑组件包括支撑板、支撑柱、固定环和支撑固定器，支撑柱安装于支撑板上构成整体支撑依托，固定环套于原状柱上，支撑固定器套于支撑柱上，固定环和支撑固定器通过螺纹紧固件连接实现原样柱的固定，为便于原样柱的拆装，固定环和支撑固定器均设计为由两个耳状半圆环通过螺纹紧固件连接构成的结构，支撑固定器位于空心柱的拼接处，同时起到辅助密封的效果。

本发明的测定仪的结构简单，测定过程简便，有效孔隙度测定精度较高，具备良好的应用潜力，在水文地质研究中，可作为实验室教学仪器帮助学生理解有效孔隙度与总孔隙度的区别；在实际生产中可以用于测定试样的有效孔隙度，为溶质运移的进一步研究如海水入渗、越流补给、潜水运移、地下水原位修复等提供参数测定实验装置。

与现有技术相比，本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪具有如下优点：

(1)能够实现松散原状岩土的有效孔隙度测定，简单便捷；

(2)能够快速替换驱替液体，并保持出水水头、入渗水头相同；

(3)利用传感器，能够准确得出浓度与时间变化关系，保证实验精度。

附图说明

图1为本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪的结构示意图。

图2为滑动调节器的结构示意图。

图3为液体分流器的结构示意图。

图4为支撑组件的结构示意图。

其中，1-底座，2-加强板，3-供水箱，4-滑动柱，5-卡扣，6-进水管，7-三通接口，8-排水管，9-微型水泵，10-水箱支座，11-供水口，12-滑动调节器，13-溢水板，14-分隔板，15-进水口，16-排水口，17-供水管，18-密封座，19-液体分流器，20-溢水管，21-原样柱，22-支撑固定器，23-流量测定管，24-固定环，25-螺纹紧固件，26-支撑柱，27-底部滤板，28-电阻率传感器，29-支撑板，30-导线，31-显示器，32-玻璃转子流量计，33-升降摇手，34-滑动套，35-固定套筒，36-销轴，37-固定管，38-第一筛板，39-第二筛板，40-原样柱渗流板，41-第三筛板，42-渗水区，43-挡水区，44-耳状半圆环。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细具体说明，本发明的内容不局限于以下实施例。

本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪，其结构如图1所示，包括供水单元、渗流单元、液体均分单元和检测单元，供水单元通过液体均分单元与渗流单元连通；

所述供水单元包括供水箱3和水头调节组件，供水箱固定于水头调节组件上，供水箱由3mm厚有机玻璃板粘接而成，规格为22cm*20cm*10cm，所述供水箱的中部设有分隔板14，供水箱通过分隔板分隔为两个完全相同的内腔，两个内腔中均设有低于供水箱高度的溢水板13，两个内腔均通过溢水板分隔为供水腔和溢流腔，供水箱上设有与供水腔连通的供水口11和进水口15以及与溢流腔连通的排水口16，供水箱通过安装于供水口上的供水管17与液体均分单元连通，两个内腔的进水口15中均设有进水管6、排水口16中均设有排水管8，排水管通过三通接口7连通进水管，位于三通接口与进水口之间的进水管6上安装有微型水泵9，微型水泵9将水体抽入供水腔，当供水腔水位高度高于溢水板13时，多余的水流进溢流腔，通过排水口16和与供水箱相连的排水管8排出，排水管8通过三通接口7与进水管6连接，使排出的水流进进水管6以再次利用；

所述水头调节组件为高度调节组件，所述高度调节组件包括底座1、加强板2、滑动柱4、水箱支座10和滑动调节器12，底座1为边长15cm的正方形铁板，正方形中心开有直径3cm圆孔，铁质圆形滑动柱4插入底座1圆孔，两个铁质长条状加强板2一端 铰接在底座上、另一端相互铰接在滑动柱4底部，滑动柱上沿轴向设有卡扣5，卡扣为延伸长度0.2cm的限位凸起，卡扣5间距为1cm，滑动调节器12套于滑动柱上并且通过卡扣限位，水箱支座10固定于滑动调节器上，水箱支座10材质为有机玻璃板，规格为22cm*20cm*1cm，参见图2，滑动调节器12由升降摇手33、滑动套34和固定套筒35构成，滑动套34材质为塑料，上部为8*8*3cm长方体，长方体中部开有直径3.2cm圆孔，以便套入滑动柱4，上部粘接水箱支座10，滑动套的长方体中焊接有直径为0.5cm的销轴36，升降摇手33的其中一端为直径0.6cm的圆管，圆管套于销轴上，圆管的外表面上同样设置间距为1cm、延伸长度0.2cm的限位凸起(卡扣)，升降摇手33插入滑动套34长方体中，并能够围绕销轴36进行上下摇动，卡扣5带动滑动套34升降，滑动套34进而带动水箱支座10升降，滑动套34下部为上直径4cm、下直径3.5cm的空心圆台，空心圆台焊接在长方体下部，空心圆台的内壁同样设置卡扣5、外壁具有螺纹，空心圆台的侧臂上开设2条以上竖向裂隙；固定套筒35为内直径3.6cm、外直径4.0cm、高1cm的圆环，内壁具有与空心圆台外壁相同螺距的螺纹，当滑动套34带动水箱支座10升降到一定高度处，将固定套筒35旋紧在滑动套34下部空心圆台外部，空心圆台内壁卡扣5与滑动柱4外壁卡扣5相互卡接，达到固定效果；

液体均分单元为两套，便于转换液体，在转换液体时能够保证供水箱3至液体分流器19进水水头不变；所述液体均分单元与供水管17的出水端连接，所述液体均分单元包括相互连通的溢水管20和液体分流器19，供水管17的出水口位于液体分流器上部的中心，液体分流器19呈圆柱状，整体由有机玻璃管粘接而成，液体分流器19可以放置在渗流单元上，不需加固，便于两个液体分流器19快速进行替换，参见图3，所述液体分流器19由固定管37以及从上至下水平安装于固定管中的第一筛板38、第二筛板39、第三筛板41和原样柱渗流板40构成，第一筛板38和第二筛板39均为直径22cm的圆形有机玻璃板，通过直径为22cm、高度为0.5cm圆柱状有机玻璃管(固定管37上部)相连，第三筛板41和原样柱渗流板40的直径均为20cm，通过直径为20cm、高度为3cm圆柱状有机玻璃管(固定管37下部)相连，相邻两筛板小圆孔相错排列，第三筛板与原样柱渗流板之间的间隔为1cm，溢水管20连通于原样柱渗流板上方0.5cm处，溢水管20将未及时入渗的水体导出，在原样柱渗流板40上部维持0.5cm薄水层入渗试样，第一筛板38中心直径有1cm不透水小圆板(即挡水区43)，小圆板至液体分流器19边缘1cm处(第一筛板38边缘1cm处同样为挡水区)充满直径为0.4cm小圆孔，该区域即为渗水区42，每个小圆孔圆心相隔0.8cm，每列小圆孔相错排列；第二筛板39边 缘2cm(第二筛板39边缘2cm处同样为挡水区)以内整体开有直径为0.4cm小圆孔，每个小圆孔圆心相隔0.8cm，每列小圆孔相错排列；第三筛板41整体开有直径为0.3cm小圆孔，每个小圆孔圆心相隔0.6cm，每列小圆孔相错排列；原样柱渗流板40整体开有0.3cm小圆孔，每个小圆孔圆心相隔0.45cm，每列小圆孔相错排列；

所述渗流单元包括原状柱21、密封座18、底部滤板27和支撑组件，液体分流器19位于原状柱的顶端并且与原状柱连通，原状柱固定于支撑组件中，密封座18由高2cm的铁质圆环和直径20cm、厚度1cm的圆形铁板焊接构成，密封座18与原状柱下端连接封闭原状柱，密封座底部的圆形铁板中设有与检测腔连通的流量测定管23，流量计固定于流量测定管中，底部滤板27为直径20cm铁质筛板，其筛孔孔径为0.4cm，每个筛孔圆心相隔0.8cm，底部滤板27焊接固定于密封座中构成检测腔，所述原状柱由3个内直径20cm、外直径22cm、高30cm的铁质空心柱拼接构成，上空心柱顶面为平面、底端为纵截面呈三角形的楔形凸边，楔形凸边尖角角度为45°，中空心柱和下空心柱的顶端为与楔形凸边相匹配的楔形凹槽、底端为楔形凸边，密封座的上端为楔形凹槽，连接时楔形凸边插入楔形凹槽中并且在相接处涂抹密封胶以防漏水；

所述支撑组件包括支撑板29、支撑柱26、固定环24和支撑固定器22，支撑板29为20cm*5cm*1cm的长条形铁板，支撑柱26为长70cm、直径3cm圆铁柱，支撑柱26下部焊接在支撑板29上，固定环24固定在空心原样柱21相接处，参见图4，固定环24由两个耳状半圆环44通过螺纹紧固件25连接构成，耳状半圆环44半径为11cm、高3cm，可将空心原样柱21紧紧固定，耳状半圆环44两侧开有依次开有直径1cm、0.5cm的螺孔，其中直径1cm螺孔一侧一个，0.5cm螺孔一侧两个，在原样柱21两侧的耳部通过螺纹紧固件25将固定环24与原样柱21固定，支撑固定器22由两个半径为1.5cm、高3cm的耳状半圆环组成，两侧耳部分别开有两个直径0.5cm的螺孔，支撑固定器22与固定环24之间通过靠近原样柱21的两个0.5cm螺孔旋紧螺钉固定；

所述检测单元包括显示器31、玻璃转子流量计32和3个电阻率传感器28，玻璃转子流量计32固定于流量测定管23中并且与检测腔连通，3个电阻率传感器28位于检测腔中并且沿密封座圆周方向均布，显示器位于检测腔外并且通过导线30与电阻率传感器电性连接。

本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪的工作原理如下：

由电阻率传感器测定的电阻率R，根据电阻率R与驱替液浓度C关系曲线得出驱替液浓度C与时间T关系变化曲线，利用C-T曲线，得出砂土、黏土有效孔隙度(Φ)计 算公式。

(1)测定原状土(吸附性)有效孔隙度：

$\mathrm{\Φ}=\frac{V}{L}{T}_{0.5}$

式中：Φ——试样有效孔隙度，％；

V——驱替液达西流速，cm/min；

L——试样高度，同时也是驱替液驱替途径，cm；

T_0.5——驱替液流出时浓度为其原浓度一半的时间，min；

根据达西定律，有：

$V=\frac{Q}{S}$

式中：Q——驱替液流量，cm³/min；

S——试样断面面积，cm²；

(2)测定原状土(吸附性)有效孔隙度：

由驱替液达西流速与孔隙流速之间关系：

$U=\frac{V}{\mathrm{\Φ}}$

式中：U——孔隙流速，cm/min；

由一维流动-弥散模型可知：

$D_j=\frac{1}{8}{\[\frac{x-V_{t_{0.159}}}{\sqrt{t_{0.159}}}-\frac{x-V_{t_{0.841}}}{\sqrt{t_{0.841}}}\]}^2$

$\mathrm{\Φ}\frac{\∂C_j}{{\∂}_t}=D_j\frac{{\∂}^2|{\mathrm{\ΦC}}_j}{\∂x^2}-U\frac{\∂C_j}{\∂x}+{\mathrm{\ΦR}}_j$

式中：D_j——一维弥散系数；

C_j——出水口处离子浓度，mol/L；

R_j——离子减少浓度，mol/L；

x——驱替液驱替距离，cm；

t——驱替时间，min；

t_0.841、t_0.159——驱替液浓度为0.841C₀、0.159C₀对应时间。

本发明提供的原状土有效孔隙度测定仪的工作步骤如下：

1、采集试样

1.1、竖直取样

将所需测量有效孔隙度土样地点上部进行清理，然后将下空心柱下端尖部插入土壤，使用打击物用力锤击下空心柱顶端，当取样点土样最高点达到下空心柱顶端后，将中空心柱下端尖部插入下空心柱顶端内凹三角形，依次将上空心柱插入，当原样柱完全没入土样中，停止锤击，将原样柱周围土样挖开，露出整体原样柱，在原样柱相接处涂抹密封胶，将固定环固定在原样柱上，将原样柱一次性取出；

1.2、水平取样

将所需测量有效孔隙度土样做出竖直剖面，将下空心柱下端尖端水平插入土样中，使用打击物用力锤击下空心柱顶端，当取样点土样最高点达到下空心柱顶端后，将中空心柱下端尖部插入下空心柱顶端内凹三角形，依次将上空心柱插入，当原样柱完全没入土样中，停止锤击，将原样柱周围土样挖开，露出整体原样柱，在原样柱相接处涂抹密封胶，将固定环固定在原样柱上，将原样柱一次性取出；

1.3、组合装置

将原样柱安装在底座上，固定连接，原样柱上部放置液体分流器，液体分流器与原样柱相接处涂抹密封胶，防止漏水，检查装置密封性，调整供水装置高度，使渗透水体渗入原样土柱；

1.4、测定规格

测定原样柱试样断面面积S、试样高度L；0.2mol/L氯化钠、0.1mol/L氯化钠所对应的电阻率R；

1.5、测试过程

打开进水管，使供水箱的左内腔抽入去离子水体、右内腔抽入浓度为0.2mol/L的NaCl溶液，将与左内腔连接的液体分流器与原样柱连接，使去离子水体下渗至原样柱，当下部流量、电阻率读数稳定后，迅速将右内腔连接的液体分流器替换左内腔连接的液体分流器进行入渗，同时开始实时记录入渗时间T、电阻率R、流量Q；当达到0.1mol/L氯化钠所对应的电阻率R时，记录流量Q、累计时间T_0.5；当达到0.2mol/L氯化钠所对应的电阻率R停止测定，记录累计时间T。