一种微压渗透仪及测试方法与流程

本发明涉及一种微压渗透仪及测试方法，属于渗透仪技术领域。

背景技术：

渗透仪是测试多孔介质渗透系数的最主要方法。常规渗透仪多利用水位控制装置对试样两端的水压进行控制，根据出水端监测的流量，利用达西定律计算其渗透系数。对渗透性低的粘性土等，由于常压下流量较小，常采取加大压力梯度的方式测得渗透系数。

由于粘性土等介质渗透性很差，常压渗透仪控制的压力梯度相对较小，单位时间内通过试样的水量很少，加之存在蒸发等外界因素影响，一般难以准确测量出水端的流量，因此通过该方法测得的渗透系数存在极大误差，甚至无法测量。

为了测量粘性土等低渗透介质的渗透系数，常使用高压渗透仪人为加大压力梯度，进而加快流量。但自然界中粘性土承受的压力梯度通常并不大，人为增加压力梯度不仅造成试验环境失真，而且容易破坏试验介质结构，影响测试结果的可靠性。

常压渗透仪通常使用水柱高度直接监测进水端与出水端水位变化，高压渗透仪常用压力表监测水压(即水位)变化。受分辨率的影响，这两种方法都难以精确测量毫米级以下的水压变化，更无法准确计算进水端与出水端微小的压力差，因此无法测量低压力梯度条件下的渗透系数。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种能解决低渗透介质水流流速慢、流量难以精确计量等问题的微压渗透仪及测试方法。

本发明的微压渗透仪包含四个模块，其中进水模块由微量注射泵和微量注射器组成，用于精确控制低速流量，试样仓由特制环刀和两个漏斗式砂芯组成，用于放置测试样品，压力梯度监测模块由第一微压差表和第二微压差表组成，用于监测压力变化，出水水位控制模块主要由蠕动泵、滤杯和锥形瓶组成，用于控制出水端水位，且本微压渗透仪还包含第一进水导管、第二进水管、第一进气管、第二进气管、第一出气管、第二出气管和若干止水夹，所述的微量注射泵与微量注射器的一端连接，且微量注射器的另一端通过第一进水导管与试样仓的前端连接，第一进水导管与试样仓的连接处安装有第一止水夹，试样仓内部中间位置设置有特制环刀，特制环刀的前后端均设置有漏斗式砂芯，所述的特制环刀的厚度为2mm，特制环刀直径有两种规格，分别为25mm和50mm，可满足不同介质的需求，试样仓的后端通过第二进水导管与出水水位控制模块中的滤杯的底部连接，第二进水导管与试样仓的后端连接处安装有第二止水夹，且第二进水导管中部安装有第三止水夹，滤杯的上部与蠕动泵的出口连接，蠕动泵的进口与锥形瓶连接，并且滤杯的中部与锥形瓶上部通过管道连接，所述的蠕动泵、滤杯和锥形瓶之间组成一个循环的管路系统，所述的第一进水导管上通过第一进气管和第二进气管连接有第一微压差表和第二微压差表，所述的第一压差表监测进水端压力与大气压的压差，第二压差表监测出水端压力与大气压的压差，两者压差相减再除以测试土样厚度即可计算出压力梯度，所述的第一压差表和第二压差表最小量程为30pa，分辨率为0.6pa，可分辨出0.06mm的水位变化，远高于常规渗透仪的分辨率，且第一微压差表与第一出气管连接，第一进气管上安装有第四止水夹，第二进气管上安装有第六止水夹和第七止水夹，第二微压差表的另一端通过第二出气管与第二进水导管连接，且第二出气管上安装有第八止水夹和第九止水夹。

本发明的有益效果：它突破先给定水位再监测流量的传统思维，首先给定通过介质的流量，再监测水位，可避免流量计量过程中出现的误差。采用精密微量注射泵将液体以一定速度稳定注入试样仓的进水导管，流量可利用注射泵的推进速度及不同规格的注射器进行精确控制，最小流速可低至0.001ul/min，完全可满足粘性土等低渗透介质水流慢速通过的需求，注射器到进水导管再到试样仓为一封闭系统，避免了蒸发等因素外在条件的影响。

本渗透仪采用微压差表监测进水端与出水端的微小压差，可分辨出0.06mm的水位变化，远高于常规渗透仪的分辨率。结合高精度的流量计量方法，可以测量极低压力梯度条件下的渗透系统。

本渗透仪专门定制了用来放置土样的薄型环刀，特制的环刀仅有2mm厚，大大缩减了试样厚度，同时将大幅度缩减渗透试验的稳定时间，提高测试效率。环刀直径有两种规格，可满足不同介质的需求。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明实施例中测试过程数据及渗透系数计算结果图；

图3为本发明实施例中计算的渗透系数随压力梯度的变化图。

附图标记：进水模块1、试样仓2、压力梯度监测模块3、出水水位控制模块4、微量注射泵101、微量注射器102、特制环刀201、漏斗式砂芯202、第一微压差表301、第二微压差表302、蠕动泵401、滤杯402、锥形瓶403；

具体实施方式：

如图1所示，本具体实施方式采用以下技术方案进一步详细说明：所述的微压渗透仪包含四个模块，其中进水模块1由微量注射泵101和微量注射器102组成，用于精确控制低速流量，试样仓2由特制环刀201和两个漏斗式砂芯202组成，用于放置测试样品，压力梯度监测模块3由第一微压差表301和第二微压差表302组成，用于监测压力变化，出水水位控制模块4主要由蠕动泵401、滤杯402和锥形瓶403组成，用于控制出水端水位，所述的微量注射泵101与微量注射器102的一端连接，且微量注射器102的另一端通过第一进水导管g1与试样仓2的前端连接，第一进水导管g1与试样仓2的连接处安装有第一止水夹z1，试样仓2内部中间位置设置有特制环刀201，特制环刀201的前后端均设置有漏斗式砂芯202，所述的特制环刀201的厚度为2mm，特制环刀201直径有两种规格，分别为25mm和50mm，可满足不同介质的需求，试样仓2的后端通过第二进水导管g2与出水水位控制模块4中的滤杯402的底部连接，第二进水导管g2与试样仓2的后端连接处安装有第二止水夹z2，且第二进水导管g2中部安装有第三止水夹z3，滤杯402的上部与蠕动泵401的出口连接，蠕动泵401的进口与锥形瓶403连接，并且滤杯402的中部与锥形瓶403上部通过管道连接，所述的蠕动泵401、滤杯402和锥形瓶403之间组成一个循环的管路系统，所述的第一进水导管g1上通过第一进气管g3和第二进气管g5连接有第一微压差表301和第二微压差表302，所述的第一压差表301监测进水端压力与大气压的压差，第二压差表302监测出水端压力与大气压的压差，两者压差相减再除以测试土样厚度即可计算出压力梯度，所述的第一压差表301和第二压差表302最小量程为30pa，分辨率为0.6pa，可分辨出0.06mm的水位变化，远高于常规渗透仪的分辨率，且第一微压差表301与第一出气管g4连接，第一进气管g3上安装有第四止水夹z4，第二进气管g5上安装有第六止水夹z6和第七止水夹z7，第二微压差表302的另一端通过第二出气管g6与第二进水导管g2连接，且第二出气管g6上安装有第八止水夹z8和第九止水夹z9。

本具体实施方式中所述的微压渗透仪的测试方法为：

步骤一、试样的制备，若为原状土，先用美工刀将其修整为比环刀略高的圆柱土样，后将特制环刀201压入土样，用美工刀削平上面，盖上漏斗式砂芯202；然后将土样连同漏斗式砂芯202垂直翻转180度，继续用美工刀削平环刀另一面，盖上另一个漏斗式砂芯202，最后用两个鸭嘴夹固定漏斗式砂芯202四周，若为重塑土，先将特制环刀201放置在漏斗式砂芯202之上，装填重塑土至特制环刀201上口，盖上另一个漏斗式砂芯202，最后用鸭嘴夹固定漏斗式砂芯四周；

步骤二、试样饱水，向锥形瓶403注入一定量的液体，纯净水或根据需要配制的溶液，第一进水导管g1进水端接入锥形瓶403，第二止水夹z2、第六止水夹z6打开，其它止水夹关闭，第二出气管g6接入真空泵，开始抽真空，待达到设定负压并稳定后，打开第一止水夹z1，开始缓慢放水，至试样完全饱和，将第一进水导管g1连接到已充满水的微量注射器102，关闭所有止水夹；

步骤三、水位调平，打开蠕动泵401，以恒定流速向滤杯402注水，待滤杯402水位稳定，将第三止水夹z3、第五止水夹z5和第六止水夹z6打开，其他止水夹关闭，待第二出气管g6水位与滤杯402水位持平后，关闭所有止水夹，将第三止水夹z3和第四止水夹z4打开，其它止水夹保持关闭状态，慢速推进微量注射器102注水，至第一进气管g3和第二进气管g6水位与滤杯402水位持平，停止推进，打开所有止水夹，静止24小时以上；

步骤四、流体注入，计算流量与微量注射泵推进速度的对应关系，将第三止水夹z3和第六止水夹z6关闭，其余止水夹打开，根据计算的微量注射泵101的推进速度，运行微量注射泵101，以恒定流速注入液体；

步骤五、压力梯度监测，流体注入过程中实时观测并记录第一压差表301和第二压差表302的读数，估读到0.1pa精度，根据压力差计算压力梯度，实时绘制压力梯度变化曲线，待压力梯度稳定后，停止注射泵101推进，停止后观察第一压差表301的压力变化，如果压力快速减小，则说明有可能存在漏气或漏水现象，需检查设备连接情况，重新进行测试，根据设计的流量大小，重复步骤四和步骤五；

步骤六、数据分析，根据监测的稳定阶段的压力差和设定的流速，根据达西定律计算不同压力梯度条件下的渗透系数(公式1)，利用回归分析方法建立描述低渗透介质渗流规律的数学方程；

式中：k-渗透系数(m/d)；

ρ-流体密度(kg/m³)；

g-重力加速度(m²/s)；

q-体积流速(m³/d)；

l-试样厚度(m)；

r-试样直径(m)；

p1-进水导管微压差表压力值(par)；

p2-出水导管微压差表压力值(par)。

实施例：原状土和重塑土的测试过程完全一样，只是制样过程略有区别。以下以某一原状土的测试数据说明如何实现渗透系数的计算及数学方程的建立。根据步骤一进行制样；根据步骤二对试样进行饱水；根据步骤三对进水端及出水端水位进行调平。根据步骤四，以图2中第1次实验设定的流量1.00e-08m³/d注入流体。根据步骤五，监测压差表数值变化，待数值稳定后，记录第二压差表读数至图2(4.4pa)，根据图2中设定的流量，重复步骤四和步骤五10次，同时记录下每次实验稳定后的压差。待10次实验完成后，依据步骤六，根据公式1计算每一次测试的渗透系数，如图2中最后一列，其中密度、重力加速度、试样厚度及直径均是恒定值，压力梯度由压差和试样厚度计算得出。可以看出随着压力梯度的变化，渗透系数并不是一定值，这证实了低渗透介质的非线性渗流特征。

根据计算的压力梯度和渗透系数的变化，利用回归分析的方法拟合出渗透系数与压力梯度间的关系，得出渗透系数随压力梯度的变化图，如图3所示，渗透系数的数学方程可表达为压力梯度的对数形式，数学方程为y＝8e-07ln(x)+4e-06，其中x表示压力梯度，y表示渗透系数。压力梯度较小时，渗透系数也较小，随着压力梯度的增加，渗透系数快速增加，但当压力梯度增加到一定程度后，渗透系数趋于稳定。不同岩性或者是不同的试验可拟合出不同的数学方程，但变化趋势是基本一致的。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。