土体渗流试验装置的制作方法

本发明涉及岩土工程监测专用仪器技术领域，尤其是涉及一种土体渗流试验装置。

背景技术：

现在对土体的土水势、含水率、温度、盐分等方面的监测采用原型感测方法，通过对所要进行观测的区域内，埋设土水势、含水率、温度、盐分等方面的检测装置，对相关数据开展实时或定时检测和采集。

原型观测的影响因素多，无法对降雨强度及地下水位的变化进行控制，同时由于原型观测对仪器设备要求高，可用于原型观测的仪器设备少，致使原型观测很难取得全面且准确的数据。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种土体渗流试验装置，以缓解现有技术中存在的原型观测不易取得全面且准确的数据的技术问题。

为解决上述问题，本发明提供以下技术方案：

一种土体渗流试验装置，包括试验桶、供水机构、采集机构；

所述试验桶内设置有镂空隔板，所述试验桶具有排水管，所述排水管位于所述镂空隔板与所述试验桶的底侧之间，且所述排水管上设置排水阀；

所述供水机构具有水箱、第一进水管和第二进水管；

所述水箱能够沿竖直方向运动；

所述第一进水管的一端与所述水箱连通，另一端自所述试验桶的开口伸入所述试验桶的内腔，且所述第一进水管上设置第一进水阀；

所述第二进水管的一端与所述水箱连通，另一端连接于所述试验桶的侧壁并与所述试验桶的内腔连通，位于所述镂空隔板与所述试验桶的底板之间，且所述第二进水管上设置第二进水阀；

所述采集机构伸入所述试验桶的内腔，用于采集土壤含水率、温度、含盐量和土水势。

进一步地，所述采集机构包括第一传感器组件、第二传感器组件和数据处理单元；

多个所述第一传感器组件沿竖直方向间隔设置于所述试验桶内，且均与所述数据处理单元电连接，用于采集土壤含水率、温度、电导率；

多个所述第二传感器组件沿竖直方向间隔设置于所述试验桶内，用于采集土壤土水势。

进一步地，相邻所述第一传感器组件之间的距离相等，相邻所述第二传感器组件之间的距离相等，且多个所述第一传感器组件的高度与多个所述第二传感器组件的高度一一对应。

进一步地，所述供水机构还包括竖直设置的立柱，且所述立柱设置有刻度；

所述水箱与所述立柱连接，并能够沿所述立柱滑动，且所述水箱设置有竖直方向的刻度。

进一步地，所述镂空隔板与试验桶底侧之间设置碎石垫层。

进一步地，所述第一进水管的伸入所述试验桶的端头安装有喷淋头，且所述第一进水管上设置第一进水阀。

进一步地，所述土体渗流试验装置还包括两个恒温板，两个所述恒温板内均设置有冷凝液循环管；

其中一所述恒温板设置于所述试验桶的开口，将所述试验桶的开口封堵，另一所述恒温板设置于所述试验桶的底侧。

进一步地，设置于所述试验桶的开口处的恒温板上具有排气管，所述排气管一端伸入所述试验桶。

进一步地，所述试验桶的外侧面包裹保温隔热层。

进一步地，所述试验桶内还设置有镂空桶盖，所述镂空桶盖位于所述镂空隔板上方，用于覆盖于土壤上侧。

结合以上技术方案，本发明带来的有益效果分析如下：

本发明提供了一种土体渗流试验装置，该土体渗流试验装置包括试验桶、供水机构、采集机构；试验桶内设置有镂空隔板，试验桶具有排水管，且排水管位于镂空隔板与试验桶的底侧之间；供水机构具有水箱、第一进水管和第二进水管；水箱能够沿竖直方向运动；第一进水管的一端与水箱连通，另一端自试验桶的开口伸入试验桶的内腔，且第一进水管上设置第一进水阀；第二进水管的一端与水箱连通，另一端连接于试验桶的侧壁并与试验桶的内腔连通，且位于镂空隔板与试验桶的底板之间；采集机构伸入试验桶的内腔，用于采集土壤含水率、温度、含盐量和土水势。

利用该土体渗流试验装置模拟不同降雨强度对土体的土水势、含水率、温度分布和含盐量的影响及地下水位升降情况，研究排水和不排水情况下不同降雨强度下土体的渗流、水盐迁移规律。首先关闭排水管、第一进水管和第二进水管，将土样分层填入试验桶内，并逐层压实，使试验桶内的土样的孔隙率与原状土相同。然后调整水箱高度并对高度进行记录，打开第一进水管模拟降雨，可以通过调节第一进水阀来模拟不同的降雨强度，当降雨产生的水位完全超过试验用填土的顶面，使土体浸水达到饱和后，关闭第一进水管，打开排水管，使土体中的水自然流出。使用采集机构每隔3分钟记录一次含水率，连续记录3次，含水率相同或十分接近时，即认为该状态为降雨入渗的初始状态，随后关闭排水管。若要模拟不透水地基，打开第一进水管，调节第一进水阀来模拟不同降雨强度，每隔2分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。若要模拟透水地基，打开第一进水管和排水管，调节第一进水阀来模拟不同降雨强度，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。

利用该土体渗流试验装置模拟水库蓄水或放水、地下水开采或回灌等引起的地下水位升降对土体的土水势、含水率、温度和含盐量的影响，以及研究地下水位升降速率对土水势、含水率大小、温度分布及水盐迁移的影响。首先关闭排水管、第一进水管和第二进水管，将土样分层填入试验桶内，并逐层压实，使试验桶内的土样的孔隙率与原状土相同。然后调整水箱高度并对高度进行记录，打开第二进水管，当水位完全超过试验用填土的顶面，使土体浸水达到饱和后，关闭第二进水管，打开排水管，使土体中的水自然流出。使用采集机构每隔3分钟记录一次含水率，连续记录3次，含水率相同或十分接近时，即认为该状态为降雨入渗的初始状态，随后关闭排水管。模拟不透水地基时，调节水箱的高度模拟水库水位的升降，记录水箱高度及水箱内液面高度，打开第二进水管，每隔2分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势，固定水箱位置并记录水箱高度和水箱内液面高度，调节第二进水阀，控制水位的变化速率，模拟地下水位升降的变化速率，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。模拟透水地基时，固定水箱位置并记录水箱高度和水箱内液面高度，打开排水管，调节排水阀，模拟不同排水速率下土体的渗流过程，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。

该土体渗流试验装置能够在实验室环境下模拟不同降雨强度对土体的土水势、含水率、温度分布和含盐量大小的影响及和水位升降情况，研究排水和不排水情况下不同降雨强度下土体的渗流、水盐迁移规律。该土体渗流试验装置能够在实验室环境下模拟水库蓄水或放水、地下水开采或回灌等引起的地下水位升降情况，以及不同地下水位变化速率和排水速率工况，测定不同高度处土的土水势、含水率、温度、含盐量的大小，研究地下水位升降速率对土水势、含水率大小、温度分布及水盐迁移的影响。

相较于原型观测，该土体渗流试验装置由于在实验室环境下对土体进行观测，受外界的影响因素少，能够取得土体全面且准确的数据。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的土体渗流试验装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的镂空隔板的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的镂空桶盖的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的多层土体的结构示意图。

图标：100－试验桶；110－镂空隔板；120－碎石垫层；130－排水管；131－排水阀；140－镂空桶盖；200－供水机构；210－水箱；220－立柱；230－第一进水管；231－第一进水阀；232－喷淋头；240－第二进水管；241－第二进水阀；300－采集机构；310－第一传感器组件；320－第二传感器组件；330－数据处理单元；400－恒温板；410－冷凝循环管；420－排气管；500－保温隔热层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对实施例进行详细描述：图1为本发明实施例提供的土体渗流试验装置的结构示意图；图2为本发明实施例提供的镂空隔板110的结构示意图；图3为本发明实施例提供的镂空桶盖140的结构示意图；图4为本发明实施例提供的多层土体的结构示意图。

实施例1

本实施例提供了一种土体渗流试验装置，请一并参照说明书附图中图1至图4。

如图1所示，该土体渗流试验装置包括试验桶100、供水机构200、采集机构300。

试验桶100内设置有图2所示的镂空隔板110，试验桶100具有排水管130，排水管130位于镂空隔板110与试验桶100的底侧之间，且排水管130上设置排水阀131。

供水机构200具有水箱210、第一进水管230和第二进水管240；水箱210能够沿竖直方向运动；第一进水管230的一端与水箱210连通，另一端自试验桶100的开口伸入试验桶100的内腔，且第一进水管230上设置第一进水阀231；第二进水管240的一端与水箱210连通，另一端连接于试验桶100的侧壁并与试验桶100的内腔连通，位于镂空隔板110与试验桶100的底板之间，且第二进水管240上设置第二进水阀241。

采集机构300伸入试验桶100的内腔，用于采集土壤含水率、温度、含盐量和土水势。

利用该土体渗流试验装置模拟不同降雨强度对土体的土水势、含水率、温度分布和含盐量的影响及地下水位升降情况，研究排水和不排水情况下不同降雨强度下土体的渗流、水盐迁移规律。首先关闭排水管130、第一进水管230和第二进水管240，将土样分层填入试验桶100内，并逐层压实，使试验桶100内的土样的孔隙率与原状土相同。然后调整水箱210高度并对高度进行记录，打开第一进水管230模拟降雨，可以通过调节第一进水阀231来模拟不同的降雨强度，当降雨产生的水位完全超过试验用填土的顶面，使土体浸水达到饱和后，关闭第一进水管230，打开排水管130，使土体中的水自然流出。使用采集机构300每隔3分钟记录一次含水率，连续记录3次，含水率相同或十分接近时，即认为该状态为降雨入渗的初始状态，随后关闭排水管130。若要模拟不透水地基，打开第一进水管230，调节第一进水阀231来模拟不同降雨强度，每隔2分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。若要模拟透水地基，打开第一进水管230和排水管130，调节第一进水阀231来模拟不同降雨强度，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。

利用该土体渗流试验装置模拟水库蓄水或放水、地下水开采或回灌等引起的地下水位升降对土体的土水势、含水率、温度和含盐量的影响，以及研究地下水位升降速率对土水势、含水率大小、温度分布及水盐迁移的影响。首先关闭排水管130、第一进水管230和第二进水管240，将土样分层填入试验桶100内，并逐层压实，使试验桶100内的土样的孔隙率与原状土相同。然后调整水箱210高度并对高度进行记录，打开第二进水管240，当水位完全超过试验用填土的顶面，使土体浸水达到饱和后，关闭第二进水管240，打开排水管130，使土体中的水自然流出。使用采集机构300每隔3分钟记录一次含水率，连续记录3次，含水率相同或十分接近时，即认为该状态为降雨入渗的初始状态，随后关闭排水管130。模拟不透水地基时，调节水箱210的高度模拟水库水位的升降，记录水箱210高度及水箱210内液面高度，打开第二进水管240，每隔2分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势，固定水箱210位置并记录水箱210高度和水箱210内液面高度，调节第二进水阀241，控制水位的变化速率，模拟地下水位升降的变化速率，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。模拟透水地基时，固定水箱210位置并记录水箱210高度和水箱210内液面高度，打开排水管130，调节排水阀131，模拟不同排水速率下土体的渗流过程，每隔1分钟采集一次填土不同高度处的含水率、温度、含盐量和土水势。

该土体渗流试验装置能够在实验室环境下模拟不同降雨强度对土体的土水势、含水率、温度分布和含盐量大小的影响及和水位升降情况，研究排水和不排水情况下不同降雨强度下土体的渗流、水盐迁移规律。该土体渗流试验装置能够在实验室环境下模拟水库蓄水或放水、地下水开采或回灌等引起的地下水位升降情况，以及不同地下水位变化速率和排水速率工况，测定不同高度处土的土水势、含水率、温度、含盐量的大小，研究地下水位升降速率对土水势、含水率大小、温度分布及水盐迁移的影响。

相较于原型观测，该土体渗流试验装置由于在实验室环境下对土体进行观测，受外界的影响因素少，能够取得土体全面且准确的数据。

进一步地，如图1所示，采集机构300包括第一传感器组件310、第二传感器组件320和数据处理单元330；多个第一传感器组件310沿竖直方向间隔设置于试验桶100内，且均与数据处理单元330电连接，用于采集土壤含水率、温度、电导率；多个第二传感器组件320沿竖直方向间隔设置于试验桶100内，用于采集土壤土水势。

第一传感器组件310为包括含水率传感器、温度传感器和电导率传感器的传感器组。含水率传感器采集自身所处位置的土壤含水率并将采集结果传输到处理单元，温度传感器采集自身所处位置的土壤温度并将采集结果传输的到处理单元，电导率传感器采集自身所处位置的土壤电导率并将采集结果传输到处理单元。

第二传感器组件320优选为张力计，也可以为其他能够测量土壤土水势的装置。

处理单元能够根据电导率传感器测得的土壤电导率计算得出土壤的含盐量，同时将土壤含水率、温度、含盐量传递至接收设备。处理单元可以为单片机、plc等能够进行数据计算的部件，接收设备可以为显示器、个人电脑、手机等，可以为有线传输，也可以为无线传输。当进行无线传输时，处理单元还包括蓝牙模块、wifi模块或其他无线传输模块。

进一步地，如图1所示，相邻第一传感器组件310之间的距离相等，相邻第二传感器组件320之间的距离相等，且多个第一传感器组件310的高度与多个第二传感器组件320的高度一一对应。

优选地，相邻第一传感器组件310之间的距离为10cm，相邻第二传感器组件320之间的距离为10cm；最上方的第一传感器组件310与土体顶面距离为10cm，最下方的第一传感器组件310与土体底面距离为10cm；最上方的第二传感器组件320与土体顶面距离为10cm，最下方的第二传感器组件320与土体底面距离为10cm。

相邻第一传感器组件310之间的距离相等使多个第一传感器组件310采集到的数据能够反映随土壤深度匀速增加土壤含水率、温度、含盐量的变化，数据结果更加具有参考价值。相邻第二传感器组件320之间的距离相等使得多个第二传感器组件320采集到的数据能够反映随土壤深度匀速增加土壤土水势的变化，数据结果更具有参考价值。

多个第一传感器组件310的高度与多个第二传感器组件320的高度一一对应能够使采集到的土水势与含水率、温度、电导率一一对应，数据更加准确，参考价值更高。

进一步地，如图1所示，供水机构200还包括竖直设置的立柱220，且立柱220设置有刻度；水箱210与立柱220连接，并能够沿立柱220滑动，且水箱210设置有竖直方向的刻度。

具体地，立柱220下端设置立柱220底座，立柱220底座放置于地面，立柱220上沿自身长度方向设置有表示高度的刻度线。水箱210设置于水箱210底座上，水箱210底座与所述立柱220滑动连接，从水箱210底座与立柱220的连接位置可以读出水箱210此时的高度。水箱210的外侧面或者内壁设置有竖直方向的刻度线，从水箱210上的刻度线能够读出水箱210中水面高度。

进一步地，如图1所示，镂空隔板110与试验桶100底侧之间设置碎石垫层120。

该碎石垫层120为直径20cm左右的碎石，以使第二进水管240流出的水流均匀分散，防止水流对底层土体产生冲刷。镂空隔板110位于碎石垫层120，并在镂空隔板110上铺设一层纱布，防止渗流和排水过程中的细小土颗粒被水流带走或填充到碎石垫层120中，同时也可以进一步分散第二进水管240的水流。

进一步地，如图1所示，第一进水管230的伸入试验桶100的端头安装有喷淋头232。

在第一进水管230的端头安装喷淋头232，使第一进水管230流出的水流更加分散，对降水的模拟更加真实。优选地，喷淋头232与试验桶100中的填土表面具有一定距离，喷淋头232喷出的水流的在填土表面处的直径与试验桶100的内径相等，使试验桶100中的填土能够均匀地接收降水，使采集的数据更加准确。

进一步地，如图1所示，土体渗流试验装置还包括两个恒温板400，两个恒温板400内均设置有冷凝液循环管；其中一恒温板400设置于试验桶100的开口，将试验桶100的开口封堵，另一恒温板400设置于试验桶100的底侧。

在该土体渗流试验装置设置上述两个恒温板400后，能够在实验室环境下模拟不同位置的土层在不同冻结温度下，降雨入渗或地下水位波动对土体的土水势、含水率、温度和含盐量大小的影响，研究单向冻结、双向冻结、单向融化和冻融循环等情况下，土体的渗流和水盐迁移规律。

不同位置的土层在单向冻结、双向冻结、单向融化和冻融循环等情况的实现方法如下：

如图4所示，ⅰ、ⅱ、iii和ⅳ分别表示4层土层的编号，每层土层厚度为1.2m，土层温度从上到下分别为t1、t2、t3、t4和t5。

如果对寒区冬季第一层土体i的渗流和水盐迁移问题开展试验，可以将图1所示装置中的位于试验桶100的开口的恒温板400的温度设置为t1，将于试验桶100的底侧的恒温板400的温度设置为t2。在该温度下测定土柱不同高度处的土水势、含水率、温度和含盐量等参数。其他土层的试验与上述方法类似。

单向冻结、双向冻结、单向融化和冻融循环等情况也可以根据试验需要调整两个恒温板400的温度来实现。

进一步地，如图1所示，设置于试验桶100的开口处的恒温板400上具有排气管420，排气管420一端伸入试验桶100。

排气管420将试验桶100的内腔与外界连通，使试验桶100内的气压与外界的气压平衡，避免气压对试验结果的影响，保证试验数据的准确性。

进一步地，如图1所示，试验桶100的外侧面包裹保温隔热层500。

在试验桶100的外侧面包裹保温隔热层500能够减少试验桶100外界的温度对试验桶100内的填土的影响，进一步保证温度数据的准确性。

进一步地，试验桶100内还设置有图3所示的镂空桶盖140，镂空桶盖140位于镂空隔板110上方，用于覆盖于土壤上侧。

在各个试验过程中，当土样分层填入试验桶100并逐层压实后，将镂空铜牌盖在土样上，防止土顶面产生蒸发损失，同时镂空桶盖140能够保证试验桶100内与大气连通，使试验桶100的气压不会受镂空桶盖140影响。