样品池尺寸可调的岩土介质水平渗流模拟装置的制作方法

本发明涉及一种样品池尺寸可调的岩土介质水平渗流模拟装置，广泛适用于气体、液体介质在岩土介质中的渗流行为研究以及溶质在岩土介质中的迁移行为研究等领域。

背景技术：

气体和液体在岩土介质中的渗流是自然界中的常见现象。除此之外，通常溶液中的溶质还会随着液体的渗流在岩土中运移。因此，无论是岩土介质中的渗流还是溶质在岩土介质中的运移都是人们普遍关注的基础性研究课题。许多科研工作者希望通过实验模拟来弄清岩土介质中的渗流发生机制和溶质运移机制，以便控制岩土介质中的渗流行为和溶质运移行为，更好地满足人们生产生活需求。

传统上对于岩土介质中的渗流研究采用的实验装置是刚性壁或柔性壁渗透仪。采用刚性壁渗透仪时样品池大小固定且需要防止岩土样品与仪器器壁之间优先流的发生，然而当气体或液体进样端渗透压力较大时这一过程往往难以避免，造成实验结果与实际情况相差较大。柔性壁渗透仪克服了刚性壁渗透仪的这一缺点，它采用柔性膜将岩土样品外围包裹，实验时用气体或者液体围压将柔性膜紧紧地贴合在岩土样品外壁，避免了优先流的发生。通常在柔性壁渗透仪中岩土样品竖直放置于渗透室内，渗流可垂直于样品自上向下进行或者自下向上进行。一般情况下，不管渗流方向如何，重力对渗流的影响都可以忽略。然而，根据文献研究，当溶质随水流在饱和多孔岩土介质中垂直运移时，由于重力的影响，水流渗流方向不同，溶质运移行为不同，而且渗流速度越小，重力对溶质运移行为的影响越大。由此可见，采用这种装置时，重力本身对实验过程的影响不可忽略，增加了实验结果的不确定性。另一方面，对于柔性壁渗透仪，为保证其中实验的顺利进行，要求在制作岩土介质样品时必须保证样品两段齐整，以便岩土样品两端与渗透仪上下两端的进样端口和流出端口严密贴合，因此对于岩土样品的制作要求较高，尤其对于花岗岩等硬度较大的岩土样品来说实验室加工难度较大。

因此，需要对传统的岩土样品渗流实验装置进行改进，减小重力对渗流及溶质运移行为的影响，同时降低制样要求，操作方便。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的是建立一种样品池尺寸可调的岩土介质水平渗流模拟装置，使用方便，结果可靠。

技术方案：包括聚四氟乙烯基座、聚四氟乙烯夹具、有机玻璃筒体、不锈钢底盘和不锈钢密封帽五个主体结构；装置两端各设有一个样品基座；基座呈t形圆柱状，基座柱体下部外围刻有外螺纹且穿过装置底板上的第一螺纹孔固定在装置底盘上；基座中心也刻有一定深度的第二螺纹孔，通过旋塞接头将气体或液体进样管固定在基座中心内；基座采用聚四氟乙烯材质；装置分别有前、后两个不锈钢材质底座；底座中心设有第三螺纹孔，第三螺纹孔与基座柱体下部相匹配而共同固定基座，底座上表面中心设有的第四螺纹孔周围刻有的第一凹槽及均匀分布的四个第五螺纹孔共同固定密封帽，底座下表面刻有第二凹槽，第二凹槽安放有机玻璃筒体，底座中心附近设有进气管接口，筒体内部通过进气管接口与气体钢瓶；在底座边缘附近的圆周上均匀刻有六个直径为1cm的圆孔；六根直径为1cm的螺杆分别穿过一个圆孔将底座和筒体紧密固定；装置前、后两端各有一个不锈钢密封帽，其顶部设有气体或液体进样管，帽檐底部内侧加工有与第一凹槽相匹配的轴肩，帽檐上均匀刻有四个第六螺纹孔；密封帽套在基座外围并紧密固定于底座上。

本发明整个装置包括聚四氟乙烯基座、聚四氟乙烯夹具、有机玻璃筒体、不锈钢底盘和不锈钢密封帽五个主体结构。

(1)基座设计：装置两端各设有一个样品基座。基座呈“t”形圆柱设计，其柱体上部直径与岩土样品直径大小一致。基座柱体下部外围刻有螺纹，可穿过装置底板上的螺纹孔，固定在装置底盘上。基座中心也刻有一定深度的螺纹孔，通过旋塞接头可将气体或液体进样管固定在基座中心内。为保证该装置在用于研究溶质运移行为时实验结果的可靠性，基座采用聚四氟乙烯材质，其对溶质吸附能力较低，可以有效避免具有强烈吸附能力的溶质首先吸附在基座上而对其在岩土介质中的运移行为造成显著影响。

(2)底座设计：装置分别有前后两个不锈钢材质底座。底座中心为螺纹孔，该螺纹孔与基座柱体下部相匹配，用于固定基座。底座上表面中心螺纹孔周围还刻有凹槽以及均匀分布的4个m4螺纹孔，用于固定密封帽。底座下表面刻有凹槽，用以安放有机玻璃筒体。底座中心附近设有进气管接口，进气管接口与气体钢瓶连接，用于向筒体内部供气。同时，在距离底座边缘1cm处的圆周上均匀刻有6个直径为1cm的圆孔。实验时，需用6根直径为1cm的螺杆穿过圆孔将底座和筒体紧密固定，以保证装置整体的稳定性和密封性。

(3)密封帽设计：装置前后两端各有一个不锈钢密封帽，其顶部设有气体或液体进样管，帽檐底部内侧加工有与底座上表面凹槽相匹配的轴肩，同时帽檐上均匀刻有4个m4的螺纹孔。实验时，需将密封帽套在基座外围并紧密固定于底座上，以防止筒体内气体从基座外壁与底座之间的缝隙泄漏出来，保证装置良好的密封性。

(4)装置样品池尺寸可调：样品池由装置两端的基座、样品夹具和柔性膜构成。岩土样品外围包裹有柔性膜，通过夹具水平固定在基座上。实验时，通过旋转调节装置基座伸进筒体内部的长度，可调节样品池尺寸，从而满足对不同尺寸岩土样品水平渗流进行模拟研究的需求。另一方面，当本装置用于研究岩石裂隙渗流问题时，可通过调节夹具上的固定螺母对裂隙的关键参数——隙宽进行定量调节，丰富实验研究内容。同时，在岩土样品外壁的柔性膜外围施加围压，让其与岩土样品外壁紧紧贴合，防止优先流的发生。同时，

有益效果：本发明研制了一套样品池尺寸可调的岩土介质水平渗流模拟装置，该装置中样品水平放置、样品池尺寸可调，减小了重力对实验结果的影响，同时降低了岩土介质样品的制样要求，使用方便，结果可靠，应用范围较广，既可用于研究气体、液体介质在岩土介质中的渗流行为，又可用于研究溶质在岩土介质中的运移机制等。

附图说明

图1a为岩土介质水平渗流模拟装置剖视图；

在图1a中：1-底座，2-螺杆固定螺母，3-螺杆，4-密封帽固定螺母，5-密封帽，6-进样管接口，7-围压气体进气管，8-筒体；9-样品夹具，10-样品示例，11-透水板，12-旋塞接头，13-进样管固定孔，14-基座；

图1b-1为底座第一向视三维结构图；

图1b-2为底座第二向视三维结构图；

在图1b中：7-围压气体进气管，15-基座固定孔，16-密封帽固定孔，17-密封帽安装槽，18-螺杆固定孔，19-筒体安装槽；

图1c-1为密封帽第一向视三维结构图；

图1c-2为密封帽第二向视三维结构图；

在图1c中：6-进样管接口，19-密封帽轴肩，20-密封帽固定孔；

图1d-1为基座第一向视三维结构图；

图1d-2为基座第二向视三维结构图；

在图1d中：21-旋塞接头固定孔，22-柔性膜固定槽，23-进样孔；

图1e为旋塞接头三维结构图；

在图1e中：13-进样管固定孔；

图2为样品夹具夹板三维结构图；

图3为岩土介质水平渗流模拟装置三维效果图。

下面结合图1和图2详细说明岩土介质水平渗流模拟装置的操作方法。

具体实施方式

岩土介质水平渗流模拟装置结构见图1，其各主要配件三维结构见图2。岩土介质水平渗流模拟装置包括底座1、螺杆3、密封帽5、筒体8、样品夹具9、透水板11、旋塞接头12和基座14等。

①基座及旋塞接头的固定：基座14通过底座1上的基座固定孔15固定；旋塞接头12通过基座14上的旋塞接头固定孔21固定。

②密封帽及进样管的固定：首先将密封帽5上的轴肩19插入底座1上的密封帽安装槽17中，然后通过4个密封帽固定螺母4将密封帽5固定在底座1上表面密封帽固定孔16上；气体/液体进样管首先穿过进样管接口6进入密封帽5内，并通过旋塞接头12上的进样管固定孔13固定在基座14内，然后适当调节进样管伸进密封帽内长度，通过螺母及卡套将进样管固定在进样管接口6上。

③底座与筒体的固定：首先将筒体8插入底座1下表面筒体安装槽19内，然后将六根固定螺杆3穿过底座1上的螺杆固定孔18，并适当调节底座1与筒体8位置，利用螺杆固定螺母2将底座1和筒体8牢牢固定。

④岩土样品的固定：首先在岩土样品10外围套一层与其直径大小一致的柔性膜，然后将岩土样品10通过样品夹具9水平固定在基座14上，并用橡胶圈将岩土样品10外围柔性膜固定在基座14上的柔性膜固定槽上22。此时可根据岩土样品10和筒体8尺寸大小，适当调节基座14伸进筒体8内长度，以实现岩土样品10与基座14的紧密贴合。为保证进样的均一性和防止土质样品流出后堵塞基座14上的进样孔23，岩土样品10与基座14之间垫有孔径为200目的透水板11。

⑤气体围压的加载：压缩空气或氮气等可通过底座1上的围压气体进气管7进入筒体8内，筒体8内气体提供围压，将岩土样品10外围的柔性膜紧紧压在岩土样品10和基座14外壁上，以避免实验过程中优先流的发生。