不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置及方法与流程

本发明涉及一种氯离子垂直扩散系数的测定装置及方法，尤其是涉及一种不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置及方法。

背景技术：

随着社会的发展，越来越多的越江海盾构隧道投入建设、使用，如上海长江隧道、渤海湾跨海通道、琼州海峡海底隧道等等。

隧道上覆土层冲刷、隧道渗漏等不利因素，都会使氯离子随着高压渗流水渗透到管片迎水土面，导致盾构隧道接头螺栓锈蚀、弹性密封垫及衬砌混凝土腐蚀等多种病害产生，严重影响隧道的使用性能，使隧道结构未达设计基准期即需大修，既浪费了大量资金，又影响隧道的正常使用，缩短了维护周期和使用寿命，严重时还会威胁隧道内行车安全。如果对隧道的病害不及时进行治理，会使衬砌结构造成进一步损坏，甚至使隧道报废。因此在设计和施工新建隧道时，如能掌握上覆土层中氯离子的运移规律，则能采取相应的防范措施，可减少此类病害的发生，提高结构安全性，减少维修费用。

区别于一般水底隧道，越江海隧道所处环境表现为高水压侵蚀环境，以琼州海峡为例，最大水深达到200m，当海底隧道埋深为10m，水力梯度达到20:1。根据达西定律，渗流水速率与水力梯度成正比，高水力梯度加速了氯离子运移，因此针对高水力梯度环境下盾构隧道上覆土层的氯离子运移规律研究迫在眉睫。

模型试验是解决复杂工程问题和研究科学理论问题必不可少的手段，通过对不同水力梯度下的氯离子运移规律进行研究，建立水力梯度与氯离子垂直弥散度的关系，为实际工程中不同工况条件下的氯离子运移规律提供参考依据。氯离子垂直扩散系数的测定是研究氯离子垂直运移规律的最有效方法之一。传统的氯离子垂直扩散装置截面和高度固定，溶液用量较大，且试验过程中水分易挥发，导致溶液溶度上升，从而对试验造成误差；同时装置侧壁与土样孔隙较大，易存在“短流”现象，溶液从侧壁孔隙处渗流与正常渗滤液混合，造成试验误差甚至试验失败。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置，该装置包括用于盛放试验土样的测定装置主体箱以及盛放氯离子溶液的供液箱，所述的测定装置主体箱底部设有集液口，该装置还包括伸缩支架，所述的测定装置主体箱顶部设置密封顶盖，所述的供液箱设置在伸缩支架上，所述的供液箱通过软管连通所述的测定装置主体箱，所述的软管穿过所述的密封顶盖设置；

首先，在测定装置主体箱中填入试验土样并采用自来水淋滤，试验土样饱和后，在测定装置主体箱上盖上密封顶盖，将氯离子溶液注入供液箱，调节伸缩支架高度，从而达到设定的水力梯度，然后，通过软管向试验土样注入氯离子溶液，最后收集集液口的滤液进行分析确定该水利梯度下的氯离子垂直扩散系数。

所述的测定装置主体箱为圆柱形筒体，所述的圆柱形筒体底部为双层腔体结构，其内腔为顺流槽，外腔为分流槽，所述的分流槽底部通过环状密封底盖进行密封，所述的分流槽侧壁设置分流口，所述的顺流槽底部设置多孔底盖，集液口设置在所述的顺流槽下方并与所述的顺流槽密封设置。

所述的集液口为漏斗状，集液口大口径端与所述的顺流槽密封连接。

所述的顺流槽和分流槽均填满石英砂，所述的试验土样设置在石英砂上方并通过土工织物将石英砂和试验土样分隔。

所述的密封顶盖上设有排气阀门。

所述的密封顶盖通过法兰接口与所述的测定装置主体箱连接。

所述的供液箱上设有用于保持供液箱中溶液水头高度的排液阀门。

所述的供液箱中盛放的氯离子溶液上有一层油层。

一种采用上述不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置的测定方法，该方法包括如下步骤：

(1)在测定装置主体箱底部的顺流槽和分流槽内填满石英砂，在石英砂上铺设土工织物；

(2)将试验土样填入测定装置主体箱中的土工织物上方，用自来水进行淋滤，确定试验土样饱和；

(3)将密封顶盖与测定装置主体箱密封连接，软管连接测定装置主体箱和供液箱，向供液箱中注入氯离子溶液，打开密封顶盖上的排气阀门，进而通过软管向供液箱中注入氯离子溶液，同时排气阀门将空气排出；

(4)测定装置主体箱中空气排出后关闭排气阀门，调节伸缩支架高度至设定值，在供液箱中氯离子溶液上覆盖一层油层，打开排液阀门并及时向供液箱中补充氯离子溶液，使得供液箱中氯离子溶液水头高度保持恒定；

(5)收集集液口的滤液，对滤液进行分析确定该水利梯度下的氯离子垂直扩散系数；

重复步骤(1)～(5)，且步骤(4)中伸缩支架高度调节为不同数值，从而得到不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明通过软管将供液箱和测定装置主体箱连通，从而通过软管向试验土样中注入氯离子溶液，利用水流特性，减少氯离子溶液的用量，节约了资源；

(2)本发明设置伸缩支架，可以通过调节伸缩支架的高度来改变供液箱的高度，从而方便对不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定；

(3)本发明在测定装置主体箱底部设置分流槽和顺流槽，将分流槽与顺流槽内的渗滤液隔离，通过顺溜槽中的滤液进行氯离子垂直扩散系数的分析确定，从而消除了侧壁短流现象对测定结果的影响，测量结果准确可靠；

(4)本发明在在供液箱中氯离子溶液上覆盖一层油层，消除了试验过程中由于水分挥发，导致溶液溶度上升，从而对试验造成误差的问题；

(5)本发明设置的排液阀门使得供液箱中的溶液高度始终保持为恒定高度，从而在某一水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定过程中水力梯度保持恒定，保证测定结果的可靠性。

附图说明

图1为本发明不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置的结构示意图；

图2为本发明测定装置主体箱底部顺溜槽和分流槽部位水平方向剖视图；

图3为实施例中氯离子穿透曲线。

图中，1为供液箱，2为软管，3为测定装置主体箱，4为试验土样，5为土工织物，6为顺流槽，7为分流槽，8为石英砂，9为多孔底盖，10为密封底盖，11为集液口，12为分流口，13为排气阀门，14为密封顶盖，15为法兰接口，16为伸缩支架，17为油层，18为排液阀门。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置，该装置包括用于盛放试验土样4的测定装置主体箱3以及盛放氯离子溶液的供液箱1，供液箱1中盛放的氯离子溶液上有一层油层17，测定装置主体箱3底部设有集液口11，该装置还包括伸缩支架16，测定装置主体箱3顶部设置密封顶盖14，密封顶盖14上设有排气阀门13，密封顶盖14通过法兰接口15与测定装置主体箱3连接，测定装置主体箱3设置在伸缩支架16上，供液箱1通过软管2连通测定装置主体箱3，软管2穿过密封顶盖14设置；首先，在测定装置主体箱3中填入试验土样4并采用自来水淋滤，试验土样4饱和后，在测定装置主体箱3上盖上密封顶盖14，将氯离子溶液注入供液箱1，调节伸缩支架16高度，从而达到设定的水力梯度，然后，通过软管2向试验土样4注入氯离子溶液，最后收集集液口11的滤液进行分析确定该水利梯度下的氯离子垂直扩散系数。

测定装置主体箱3为圆柱形筒体，圆柱形筒体底部为双层腔体结构，其内腔为顺流槽6，外腔为分流槽7，分流槽7底部通过环状密封底盖10进行密封，分流槽7侧壁设置分流口12，顺流槽6底部设置多孔底盖9，集液口11设置在所述的顺流槽6下方并与所述的顺流槽6密封设置。集液口11为漏斗状，集液口11大口径端与顺流槽6密封连接。顺流槽6和分流槽7均填满石英砂8，试验土样4设置在石英砂8上方并通过土工织物5将石英砂8和试验土样4分隔。如图2所示为测定装置主体箱3底部顺溜槽6和分流槽7部位水平方向剖视图，从图中可以看出分流槽7水平方向剖面为环形，顺流槽6水平方向剖面均为圆形，且环形的中心点和圆形的圆心相互重叠。

另外，供液箱1上设有用于保持供液箱1中溶液水头高度的排液阀门18，当供液箱1中的溶液高度到达排液阀门18高度时，溶液从排液阀门18排出，进而液箱中氯离子溶液保持在设定高度，同时及时向供液箱1中补入氯离子溶液，在实际测定过程中，由于供液箱1中流入测定装置主体箱3中的溶液的速度很慢，因此溶液高度下降速度很慢，通常情况下可以忽略不计，因此每隔一定时间，观察到供液箱1通液高度有明显下降时，及时补给供液箱1内溶液即可。

供液箱1和测定装置主体箱3采用高强度有机玻璃制作，在试验中可以清晰地观察试验状态。

一种采用上述不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数的测定装置的测定方法，该方法包括如下步骤：

(1)在测定装置主体箱3底部的顺流槽6和分流槽7内填满石英砂8，在石英砂8上铺设土工织物5；

(2)将试验土样4填入测定装置主体箱3中的土工织物5上方，用自来水进行淋滤，确定试验土样4壤饱和；

(3)将密封顶盖14与测定装置主体箱3密封连接，软管2连接测定装置主体箱3和供液箱1，向供液箱1中注入氯离子溶液，打开密封顶盖14上的排气阀门13，进而通过软管2向供液箱1中注入氯离子溶液，同时排气阀门13将空气排出；

(4)测定装置主体箱3中空气排出后关闭排气阀门13，调节伸缩支架16高度至设定值，在供液箱1中氯离子溶液上覆盖一层油层17，打开排液阀门18并及时向供液箱1中补充氯离子溶液，使得供液箱1中氯离子溶液水头高度保持恒定；

(5)收集集液口11的滤液，对滤液进行分析确定该水利梯度下的氯离子垂直扩散系数，用ICS-1000型离子色谱仪对滤液进行水质化验，测出水样中氯离子的浓度，利用实验数据，通过对溶质穿透曲线(Breakthrough curve,BTC)进行拟合，得到氯离子垂直扩散系数。一个半无限土柱实验的解析见下式：

式中：β_m为的正根，C为收集的集液口的滤液的氯离子溶度，g/mL；C₀为试验土样中氯离子溶度，g/mL；C_s为供液箱中的氯离子溶液的氯离子溶度，g/mL；L为试验土样4总高度，cm；D为氯离子垂直扩散系数，cm²/s；v为平均孔隙水流速，cm/s；t为测量时间，s；R_d为阻滞系数。

重复步骤(1)～(5)，且步骤(4)中伸缩支架16高度调节为不同数值，从而得到不同水力梯度下的氯离子垂直扩散系数。

测试土样为上海松江区④层淤泥质粘土，干密度为1.86g/cm³，孔隙率为0.512。在顺流槽6和分流槽7中放入石英砂8，压实整平，随后铺上土工织物5，分层放置上述待测的土壤试样放入本发明的试验土样4箱3中，并保证土柱内部密实，随后用自来水进行淋滤，确定试验土壤饱和，底部顺流槽6直径29cm，土壤试样尺寸为Φ45cm×5cm，随后通过法兰接口15将溶液箱与密封顶盖14连接固定，并保证密封性，通过软管2连接供液箱1和溶液箱，往供液箱1中输入3％NaCl溶液，打开排气阀门13，待溶液箱充满溶液，同时将溶液箱内空气全部排出，关闭排气阀门13，将供液箱1放置在可伸缩支架16上，调节可伸缩支架16调整供液箱1高度，在供液箱1溶液上方添加一层油层17，打开排液阀门18，将液面保持在固定高度，水头高度为0.75m，水力梯度为15:1，45天后氯离子穿透曲线(BTC)如图3所示，采用CXTFIT软件拟合得到水力梯度为15条件下的上海松江区④层淤泥质粘土的氯离子垂直扩散系数为5.023×10^-6cm²/s。