一种原位测定沉积物垂向渗透系数的实验装置的制作方法

本实用新型涉及测量沉淀物渗透参数的技术领域，尤其涉及一种适用于土壤、海水等测量技术领域的原位测定沉积物垂向渗透系数的实验装置。

背景技术：

渗透系数是土壤及海水的基本特性参数之一，目前，已有的渗透实验主要有室内试验和野外原位实验(又称之为现场实验)两种形式，室内主要有定水头/变水头实验、粒度分析法，野外原位实验主要有抽水实验、单环压渗仪、渗流仪、双环法等。显然地，室内实验不可避免地会扰动沉积物，测得的渗透系数是经压实或晃动后的沉积物的。而上述野外原位实验方法也存在诸多不足：钻井耗时耗力、抽水耗电、成本高、操作不便、读数误差较大等。

因此，为提高渗透系数测量的准确性，需要不断改进和更新现有测量技术手段和测量方法。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足提供一种用于气相包覆的装置，并同时提出了一种新的气相包覆方法，采用该装置和该方法能够实现快速、定量且高度安全可控的使用液相或气液复合前驱体的气相包覆。

第一方面，本实用新型提供了一种原位测定沉积物垂向渗透系数的实验装置，包括：蓄水竖管1、连接法兰4、密封垫5、钢沙网6以及沉积物容腔7；其中，所述蓄水竖管1，位于地表以上部分，用于实验时蓄水；所述连接法兰4，包括蓄水竖管法兰和沉积物容器法兰，用于连接所述蓄水竖管1和所述沉积物容腔7；所述密封垫5，位于两个所述连接法兰4之间，用于密封所述蓄水竖管1和所述沉积物容腔7的连接处，防止漏水；所述说沉积物容腔7，位于地表以下，用于渗透和排出实验段过水。

优选地，所述实验装置还包括压力传感器2，位于与所述蓄水竖管1底部联通的传感器腔室内，用于记录实验过程中所述蓄水竖管1中水位随时间的变化。

优选地，所述实验装置还包括阀门3，位于所述蓄水竖管1的底部，用于控制实验开始和结束。

优选地，所述密封垫5共两个。

进一步优选地，所述实验装置还包括所述钢沙网6，位于两个所述密封垫5的中间，用于缓冲水流。

优选地，所述沉积物容腔7的底部边缘具有切削刃开口。

优选地，所述沉积物容腔7具有上下两段，上半段用于渗透实验过水部分；下半段设置有孔隙，用于排水。

相对于现有技术，本实用新型的优点在于：(1)整套装置拆卸、运移、安装便捷。(2)原位实验，避免扰动沉积物，实验结果准确。(3)适用范围广：可测定渗透系数范围10^-7-10^-2m/s，粗砂到粉粘土均可用。(4)实验时间较短，1min<t<1h时间内即可完成。(5)不仅适用于外围定水头的情况；而且也适用于海岸带地区，外围水位随时间变动的情况(海潮)。(6)可根据沉积物渗透系数的大小(经验值)预先选择适当的竖管直径。当水头降低过快时，应选择较小的竖管直径，反之亦然。(7)实验采用压力传感器进行竖管水位和时间的记录，数据较肉眼读取更准确。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本实用新型的实施方案，其中：

图1为本实用新型实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数的实验装置立体示意图；

图2为本实用新型实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数实验时的立体剖面图；

图3为本实用新型实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数流程示意图。

具体实施方式

下面通过附图和具体的实施例，对本实用新型进行进一步的说明，但应当理解为这些实施例仅仅是用于更详细说明之用，而不应理解为用以任何形式限制本实用新型，即并不意于限制本实用新型的保护范围。

本部分对本实用新型实验中所使用到的材料以及试验方法进行一般性的描述。虽然为实现本实用新型目的所使用的许多材料和操作方法是本领域公知的，但是本实用新型仍然在此作尽可能详细描述。本领域技术人员清楚，在上下文中，如果未特别说明，本实用新型所用材料和操作方法是本领域公知的。

图1示出了本实用新型一实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数的实验装置立体示意图；图2为本实用新型一实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数实验时的立体剖面图。由图1和图2所示，该实验装置(又称为竖管实验装置)，包括：蓄水竖管(1)、连接法兰(4)、密封垫(5)、钢沙网(6)以及沉积物容腔(7)；其中，

蓄水竖管(1)，位于地表以上部分，用于实验时蓄水，其基准面为蓄水竖管(1)底端与连接法兰(4)的交界处。优选地，蓄水竖管(1)选择有机玻璃材质，直径介于0.01米-0.1米，根据实验场地的实际情况进行选择，即可根据沉积物渗透系数的大小(经验值)预先选择适当的竖管直径。当水头降低过快时，应选择较小的竖管直径，反之亦然。竖管优选为1.5米，为方便查看或记录管内水下降的情况，竖管外侧标注有刻度值。在一个示例中，在蓄水竖管(1)的底部还设置有阀门(3)，用于控制实验开始和结束，除此之外，阀门(3)还可以避免实验时向蓄水竖管(1)内注水时，过高的水流冲击沉积物，扰动孔隙结构影响渗透性。

在另一个示例中，为方便实验过程中，蓄水竖管(1)内水位和实验时间记录的准确性，实验装置还包括压力传感器(2)，位于与所述蓄水竖管(1)底部联通的传感器腔室内，用于记录实验过程中所述蓄水竖管(1)中水位随时间的变化。应用传感器软件设置其预设启动时间和数据采集频率，若不具备传感器，以可直接读取蓄水竖管(1)外壁上标注的刻度值，并配合记录蓄水竖管(1)内水柱凹液面对应的刻度值。需要说明的是，实验之前，需要应用压力传感器(2)的软件设置压力传感器(2)的预设启动时间和数据采样频率。然后根据压力传感器预启动时刻，打开竖管阀门，开始实验，蓄水竖管(1)中的水位先快后慢地逐渐下降，不断补给沉积物孔隙水。压力传感器(2)可按照预定的时间间隔记录竖管水位变化的时间序列数据。同时，记录外围水位(如：海潮)变化的时间序列数据，为保证数据记录的准确性，可在竖管外围设置其他压力传感器，进行记录。

连接法兰(4)，包括蓄水竖管法兰和沉积物容器法兰，用于连接所述蓄水竖管(1)和所述沉积物容腔(7)，两个法兰与蓄水竖管(1)和沉积物容腔(7)中心轴线垂直，且法兰相对应位置有轴向排列的螺丝孔，可用螺丝螺母组合固定蓄水竖管(1)和沉积物容腔(7)两部分。

密封垫(5)，位于蓄水竖管(1)法兰和沉积物容腔(7)法兰之间，其为环形结构，同样排布有与法兰对应的螺丝孔，拧紧螺丝螺母后，可将整套竖管装置的连接处进行良好密封，防止漏水影响实验数据准确性。为保证密封的良好性，密封垫(5)具有一点的弹塑性，优选为硅胶或橡胶材质。

在又一个示例中，密封垫(5)共两个。为缓冲水流，起到避免水流过快，冲击沉积物扰动孔隙结构的作用，实验装置还包括钢沙网(6)，位于两个密封垫(5)的中间，除具有缓冲水流作用之外，还可以避免水中的异物堵塞沉积物表层。

沉积物容腔(7)，位于地表以下，分为上下两段，上半段为渗流工作部分，用于渗透实验过水部分，下半段设置有均匀孔隙，其作为为排除实验过水，并增加安装竖管实验装置的稳定性，在一个示例中，为方便竖管实验装置的安装，所述沉积物容腔(7)的底部边缘具有切削刃开口。

需要说明的是，优选地，沉积物容腔(7)为有机玻璃材质，其直径优选为0.1米，一般情况下选择大于蓄水竖管(1)的直径，考虑到实验操作的便捷性，蓄水竖管(1)与沉积物容腔(7)的直径比以0.1至1.0直径为宜。沉积物容腔(7)的长度优选为0.4米，均分为上下两段，上段0.2米为渗流工作部分，下段0.2米均布有2毫米直径的孔隙，共有20行，36列，整个沉积物容腔(7)与周围沉积物相连通，起到排水、稳定实验装置的作用。

需要说明的是，在实际实验过程中，当选择的实验场地的沉积物较松软时，将沉积物容腔垂直插/楔入实验场地(如海滩、河滩、湖心等)；当沉积物较密实时，配合周围挖掘环形沟槽(如：深0.22米)，有助于沉积物容腔逐渐向下插入，直到容腔法兰平面与沉积物表面相平齐为止。另外，环形沟槽可保证蓄水竖管中的水与海水直接相通，使容腔底部的水头与周围水位(如：海潮)保持一致。

本实用新型实施例提供的竖管实验装置拆卸、运移、安装简单；操作方便、可直接在现场进行原位实验、能快速、准确测定沉积物垂向渗透系数；不但粗砂到粉粘土均可用，且测定渗透系数范围广：10^-7-10^-2m/s；除此之外，该实验装置适用范围广：不仅适用于外围定水头的情况；而且也适用于海岸带地区，外围水位随时间变动的情况。

图3为本实用新型实施例提供的原位测定沉积物垂向渗透系数流程示意图。如图3所示，以测定海滩沉积物垂向渗透系数为例，应用本实用新型提供的实验装置，进行沉积物垂向渗透系数测定的方法包括以下步骤：

S101，选择测点，将沉积物容腔垂直插入/楔入实验场地的沉积物中，直到沉积物容腔法兰与沉积物表面齐平。

具体地，选择较为平整未被扰动的实验场地，并根据对海滩沉积物渗透系数的经验估计，选择合适的蓄水竖管直径。如果水位降低过慢，可改用较小直径的竖管。反之亦然。考虑实验操作的便捷性，蓄水竖管与沉积物容腔的直径比以0.1至1.0之间为宜。

当沉积物较松软时，将沉积物容腔垂直插/楔入实验场地；当沉积物较密实时，配合周围挖掘环形沟槽(如：深0.22米)，有助于沉积物容腔逐渐向下插入，直到容腔法兰平面与沉积物表面相平齐为止。另外，环形沟槽可保证蓄水竖管中的水与海水直接相通，使容腔底部的水头与周围水位(如：海潮)保持一致。

S102，在沉积物容腔法兰上依次叠加密封垫、钢沙网、密封垫，然后将蓄水竖管对准，用螺丝螺母紧固整套装置。

S103，设置压力传感器的预设启动时间和数据采样频率，首先，打开传感器腔室，将压力传感器放入传感器腔室内，然后，关闭蓄水竖管的阀门，并向其内加满水，最后关闭传感器腔室。

S104，向蓄水竖管中加入原位水至预设高度。

具体地，向蓄水竖管中灌入清洁原位水至一定高度，应与外围水位相差尽可能地大，起始水头差以1.2米左右为宜；初始水柱高度以开启阀门后水位下降速度不过快为宜，整个实验时间最好保持在60至3600秒之间。整个实验过程水头降低以0.2至1.2米为宜。

需要说明的是，围定水头实验时，向环形沟槽内灌入原位水，使沉积物容腔周围保持一定水头，并记录下外围水位，此时采用外围定水头情况下的公式计算；当受到海潮影响，或原位渗透性好，沟槽水位变化(降低)较快时，采用外围变水头情况下的公式计算。

S105，根据压力传感器的预设启动时间，打开蓄水竖管阀门，开始试验，压力传感器根据预设数据采用频率记录蓄水竖管水位变化的时间序列数据，以及记录外围水位变化的时间序列数据。

具体地，根据压力传感器预启动时刻，打开竖管阀门，开始实验，蓄水竖管中的水位先快后慢地逐渐下降，不断补给沉积物孔隙水。压力传感器可按照预定的时间间隔记录竖管水位变化的时间序列数据。同时，记录外围水位(如：海潮)变化的时间序列数据，为保证数据记录的准确性，可在竖管外围设置其他压力传感器，进行记录。

S106，实验结束，将压力传感器中的数据导出，并根据所得数据，计算出实验场地原位沉积物的垂向渗透系数。

具体地，每组实验结束，打开传感器腔室顶盖，取出压力传感器，导出蓄水竖管水位随时间变化的实验数据，并停止传感器工作。结合外围水位定水头或水位变化的时间序列数据，代入公式(4-6)，利用最小二乘法，求得不同组次实验场地原位沉积物的垂向渗透系数。

有关公式推导如下：

蓄水竖管中水体积的减少量：

沉积物容腔中水体积通过量：(时间间隔为[t,t+Δt])

由质量守恒定律：ΔV_P＝ΔV_L，有

得到外围水头线性变化情况下，任意时刻蓄水竖管水位的公式：

当外围水头保持一定时(a＝0，b＝0)，上式化简得到外围定水头情况下的公式：

对于(3)式有，沉积物垂向渗透系数：

物理量：

K为沉积物垂向渗透系数；d_U为蓄水竖管内径；d_L为沉积物容腔内径；

H_P为蓄水竖管水位高度；初始水头高度(t＝0)：H_P(0)＝h₀；

H_T为海潮高度，由于实验观测时间较短，海潮被近似于线性变化，且计算精度足够；即：H_T(t)＝at+b，其中a和b为常数；

L_V为沉积物容腔工作段长度，定值0.2m；

R_d为蓄水竖管与沉积物容腔的直径比；即：

当进行定水头实验时，根据(5)和(6)的公式计算出实验场地原位沉积物的垂向渗透系数。

当进行变水头实验时，根据(4)和(6)公式计算出实验场地原位沉积物的垂向渗透系数。

S107，在同一位置重复实验S101-S106，再进行至少九组实验。

为减小偶然误差，在同一位置如此反复操作步骤S101-S106，实验次数以不低于10次为宜。

S108,剔除最大值及最小值，取上述实验的平均值，即得最终的沉积物垂向渗透系数。

实验完毕，将蓄水竖管与沉积物容腔拆开，把沉积物容腔从泥土中轻轻拔出，回填沟槽；清洗干净装置的各组成部分，擦干后收好备用。

相对于现有技术，采用本实用新型中的实验装置进行渗透系数的测定，适用范围广，装置安装简单、操作方便、可直接在现场进行原位实验、能快速、准确测量沉积物垂向渗透系数。

尽管本实用新型已进行了一定程度的描述，明显地，在不脱离本实用新型的精神和范围的条件下，可进行各个条件的适当变化。可以理解，本实用新型不限于所述实施方案，而归于权利要求的范围，其包括所述每个因素的等同替换。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。