分立式量程可调式双环入渗装置的制作方法

本实用新型属于水文地质参数测定设备技术领域，具体涉及一种针对原位土壤入渗系数/渗透系数实现监测的改进型分立式量程可调式双环入渗装置。

背景技术：

地表土壤的原位渗透系数测试是水文地质调查中基本的物性参数之一，是研究地表水-地下水转换、地下水流动及溶质运移规律必不可少的关键参数。地表土壤的降雨入渗系数不仅与土壤侵蚀、地表产流、农田灌溉、水诱发地质灾害等传统农田水利问题密切，亦是水文过程研究、区域性水资源量评价、水文地质调查、环境地质防污性能评估、及海绵城市建设等重大资源环境问题的关键指标，关乎国民经济发展与资源环境的开发/保护。

因此，地表土壤的原位渗透系数是一项基本而重要的测试内容，涉及农田水利工程、水文地质、工程地质、环境地质、海绵城市建设、多要素综合城市地质等多个专业领域。现普遍采用的原位测试方法有：单环入渗、双环入渗、抽水试验、注水试验、微水试验、张力入渗仪、压力脉冲法原位测试仪等。针对土壤的渗透系数原位测试，测试简单、相对精度高、应用最广的技术为双环入渗。

双环入渗装置的基本工作原理为：在一定水文地质边界内，向地表松散岩层进行注水，使渗入的水量达到稳定，即单位时间的渗入水量近似相等时利用达西定律求解一维稳定入渗条件下的渗透系数。双环入渗设备组成包括：双环、内马氏瓶、外马氏瓶、橡皮管等。具体通过外环渗透场的约束作用使内环的水只能自上而下垂直入渗，从而排除了侧向渗流的干扰，形成了内环一维稳定垂直入渗的有利条件，因此具有比试坑法、单环法等更高的精度。

但传统的双环入渗原位测试技术尚存如下诸多问题：1、观测马氏瓶水位时需要俯视，导致对水位变化的观测存在较显著的人为读数误差；2、马氏瓶通过水位下降测量土壤入渗量的测量精度较差，存在双重的人工读数误差和较大的时间累积误差，严重影响原始监测数据的质量；3、针对低渗介质时，长时间无间断地关注测试过程进行人工读数，造成了极大地人力物力的消耗及不必要的野外作业安全隐患；4、马氏瓶供水体积有限，试验过程中马氏瓶加水会带来误差；5、一般的双环入渗装置未考虑蒸发的影响；6、仪器现场安装过程对土面的破坏引起的边界效应，使内环外环可能发生接触渗流，影响测量精度。

针对上述问题，技术人员进行了不懈的研发与改进：针对马氏瓶读数误差、供水体积有限、携带不方便等问题，通过浮球阀或定液面排水的原理实现恒压供水，来替换马氏瓶，如实用新型专利(CN 200420008646.6)“自动供水双环入渗装置”，但也带来设备过复杂的缺点。针对蒸发影响及内环外环安装对土面破坏的问题，实用新型专利(CN 201510304528.2)提供一种“易于安装和固定的防蒸发型双环入渗装置”。

上述诸多改进仅部分解决了如前所述的技术问题，一定程度提高了双环入渗装置的适用性、可操作性和测量精度，但仍然没能实现原位测试精度实质性的提升，尤其是从可操作性和场地适用性方面影响制约双环入渗技术应用的问题3-4。即，未能解决原位测试时间过长耗时耗力的主要缺陷(问题3)，马氏瓶换水对试验带来的误差有待进一步改进(问题4)。

技术实现要素：

为解决现有技术的不足，本实用新型结合工作需要和已有技术积累，提供了一种分立式量程可调式双环入渗装置，适用于表层土壤渗透系数的原位高精度测试，渗透系数测试量程可调节从而适用性更广，为农田灌溉补给等水利工程、地表降雨入渗系数等水文地质问题、海绵城市建设等工程地质问题、地表土层防污性能评价等环境地质问题提供重要的现场指标参数。

本实用新型所提供的技术方案如下：

一种分立式量程可调式双环入渗装置，至少包括：

内马氏瓶，在所述内马氏瓶内设置有活塞，所述活塞将所述内马氏瓶隔断成左右两个独立空间，两个所述的独立空间分别为调整空间和工作空间；

外马氏瓶；

双环，所述双环包括内环与外环，所述工作空间连通所述内环内的区域，所述外马氏瓶连通所述内环与所述外环之间的区域，按规范要求，内环直径一般设置为25cm，外环直径为50cm，高约50cm，为常规技术；

以及调节机构，所述调节机构可控制所述活塞移动以调整所述调整空间和所述工作空间的横截面积。

具体的，在所述内马氏瓶的下部设置有内马氏瓶供水口和内马氏瓶吸气口，所述内马氏瓶供水口和所述内马氏瓶吸气口分别通过管道连通所述内环内的区域。

进一步的：

所述内马氏瓶供水口连接有第一三通，所述第一三通连接有第一球阀，所述第一球阀连接有内马氏瓶供水管，所述内马氏瓶供水管连通所述内环内的区域，所述第一三通还连接有手动泵；

所述内马氏瓶吸气口连接有第一流量式调节阀，所述第一流量式调节阀连接有内马氏瓶吸气管，所述内马氏瓶吸气管连通所述内环内的区域；

所述内马氏瓶供水管出水口的高度低于所述内马氏瓶吸气管进气口的高度。

具体的，在所述外马氏瓶的下部设置有外马氏瓶供水口和外马氏瓶吸气口，所述外马氏瓶供水口和所述外马氏瓶吸气口分别通过管道连通所述内环与所述外环之间的区域。

进一步的：

所述外马氏瓶供水口连接有第二三通，所述第二三通连接有第二球阀，所述第二球阀连接有外马氏瓶供水管，所述外马氏瓶供水管连通所述内环与所述外环之间的区域，所述第二三通还连接所述手动泵，用于原位试验过程中马氏瓶的补水；

所述外马氏瓶吸气口连接有第二流量式调节阀，所述第二流量式调节阀连接有外马氏瓶吸气管，所述外马氏瓶吸气管连通所述内环与所述外环之间的区域；

所述外马氏瓶供水管出水口的高度低于所述外马氏瓶吸气管进气口的高度。

具体来说，所述手动泵可拆卸，分别连接所述第一三通或所述第二三通，即所述手动泵为所述第一三通和所述第二三通公用。

进一步的，所述内马氏瓶设置有横向测距标尺和纵向测距标尺。

具体的，所述的活塞，其功能在于，通过左右运动实现调节内马氏瓶横截面积大小，其特征在于，活塞优异的流体密封性能保证了内马氏瓶工作空间和调整空间的相互隔断，无水力联系且避免了压力联动效应。所述的调节机构，其连接方式在于，以螺旋构型设计，设置在内马氏瓶外部，与内部的活塞连接，其功能在于，通过所述的调节机构的螺旋操作精确控制活塞的横向移动，并通过设置的横向测距标尺读数得到内马氏瓶的横截面积，从而实现双环入渗装置的量程调节功能。

该分立式量程可调式双环入渗装置能实现地表土壤渗透系数的原位监测，适用于入渗较慢、稳定渗流时间较长的情况，提高了工作效率和设备的量程适用范围，值得推广。

测试量程由内马氏瓶的横截面积A_马调节。传统的双环入渗方法采用固定体积的马氏瓶恒压供水，其量程适用于渗透系数稍大的亚砂土、亚粘土，不适合低渗的粘土。若将恒压供水的马氏瓶横截面积变化，其对应的渗透系数测试量程呈线性变化，从而实现对渗透系数量程的调节。

测试时间可通过选择内马氏瓶的适宜的横截面积而有效缩短。传统的双环入渗方法不仅测试精度差，而且存在极大的人力消耗。单组双环入渗原位测试实验针对不同的介质其稳定时间不同，如砂土约2h，亚粘土约4h，而针对渗透系数稍差的粘土，其稳定时间往往超过8h。规范要求判定渗透系数测试是否稳定至少需5个离散点，且稳定后还需持续观察2h以上。这意味着，按要求采用双环入渗法完成一组质量合格的测试数据，测试时间往往超过6h，且测试全过程需要技术人员轮班值守，不得不长时间无间断地关注测试过程，适时进行人工读数，由此造成了极大的人力物力消耗及不必要的安全隐患。值得进一步注意的是，在野外原位测试时技术人员出于可操作性和野外作业安全的角度考虑，整个测试过程超过10h，或马氏瓶2个离散数据点之间的等待时间超过1h时，即认为该处不适宜采用双环入渗法。

综上所述，造成传统双环入渗方法在实际应用中受限(不适宜低渗场地)的另一根本原因是人工读数持续时间过长，本实用新型所提供的装置通过调节内马氏瓶的横截面积实现原位测试入渗系数的量程可调(能较好地适应低渗场地)、有效缩短了测试时间(省时省力)。

总体上，本实用新型所提供的一种分立式量程可调式双环入渗装置。各元件尺寸、材质、连接方式可在满足功能设计要求的前提下依实际情况变更选择；量程可调的设计能适用渗透系数不同数量级的砂土、亚砂土、亚粘土、粘土、淤泥质土、基岩风化残积层等岩土介质；适用于区域性水利工程、水文地质、工程地质、环境地质调查，如海绵城市、市政工程、水利工程涉及的渗漏量计算，小流域降雨入渗系数计算，暴雨等极端气候条件下工程场地的力学稳定性评估，污染场地入渗系数评价与防污性能评估，等等。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果和优点在于：

本实用新型所提供的一种分立式量程可调式双环入渗装置兼具测试量程更广和测试总时间有效缩短等优越功能，重点解决了传统的量程适用性稍差、马氏瓶换水误差大、原位测试时间过长耗时耗力等缺点，能适应不同渗透系数量级的各种场地，在传统技术基础上亦能一定程度适应低渗地区。较同类技术装置在量程范围、测试时间等两方面有较大提升，具有较好的市场应用前景。

1)测试量程更广，依据不同介质调节选取合适的量程。通过调节内马氏瓶的有效横截面积来实现双环入渗法不同渗透系数测试的量程可选，尤其适用于传统双环入渗不适宜测量的低渗粘土、淤泥质土区域；同时，测试量程可调的结构设计使得其适用范围进一步变广；

2)测试总时间缩短，通过调节等效内马氏瓶的有效横截面积来缩短测试总时间；

3)通过马氏瓶的吸气管处设置流量式调节阀，在原马氏瓶恒压供水功能的基础上实现了供水流量可调，配合内马氏瓶横截面积可调，更好地实现渗透系数测试量程可调；

4)通过设置手动泵和三通，马氏瓶可实现原位补水功能，一定程度解决了马氏瓶供水体积有限，原位测试过程中换水带来的较大误差问题。

附图说明

图1是本实用新型所提供的分立式量程可调式双环入渗装置的结构及工作原理图。

图2是本实用新型所提供的分立式量程可调式双环入渗装置中内马氏瓶的细节结构图。

图3是本实用新型所提供的分立式量程可调式双环入渗装置中调节机构部分的细节结构图。

图4是本实用新型所提供的分立式量程可调式双环入渗装置中内外马氏瓶原位测试过程中补水的工作原理图。

附图1、2、3、4中，各标号所代表的部件列表如下：

1a、内马氏瓶，1.1a、内马氏瓶外壳，1.2a、纵向测距标尺，1.3a、调节机构，1.4a、活塞，1.5a、水，1.6a、横向测距标尺，1b、外马氏瓶，2a、内环，2b、外环，3、砾石，4a、第一流量式调节阀，4b、第二流量式调节阀，5a、第一三通，5b、第二三通，6a、第一球阀，6b、第二球阀，7、手动泵，8a、内马氏瓶供水管，8b、外马氏瓶供水管，9a、内马氏瓶吸气管，9b、外马氏瓶吸气管，11、旋柄，12、旋杆，13、螺纹，14、限位环，15、限位套管。

具体实施方式

以下对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实施例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。

在一个具体实施方式中，如图1所示，一种量程可调式自动化双环入渗装置，主要包括内马氏瓶1a、外马氏瓶1b和双环，双环包括内环2a和外环2b。内马氏瓶1a内设置有活塞1.4a，其横截面积可调节，从而使该双环入渗装置可适用于不同渗透系数量级如高渗透率的沙土、超低渗的亚粘土、粘土、淤泥质土等的原位测试现场。

双环为本领域人员公知的渗水双环，如加工尺寸为内环直径25cm，外环直径50cm，高50cm。

如图1、4所示，其工作原理在于：内马氏瓶功能为双环中的内环恒压供水，右侧承载的外马氏瓶功能为双环中的外环恒压供水，双环的内外液面因大气压平衡而始终保持一致，由此形成了一维稳定入渗条件。

如图2所示，其具体连接方式在于：内马氏瓶1.1矩形框架通过移动式矩形活塞1.9隔断为左侧的调整空间和右侧的工作空间，调节机构1.3可左右调节可移动式的矩形的活塞1.9的位置，其精确位置可通过横向测距标尺1.6读数得到，故通过改变工作空间的横截面积实现渗透系数测量量程的可调节性。实验中可通过纵向测距标尺1.7读数得到内马氏瓶液面下降值，校正真空压力传感器换算的内环供水量。

如图2、3所示，内马氏瓶1a的矩形框架通过移动式的矩形的活塞1.9隔断为工作空间和调整空间，调节机构1.3可左右调节移动式矩形活塞1.9的位置，其精确位置可通过横向测距标尺1.6读数得到，故通过改变内马氏瓶的横截面积实现渗透系数测量量程的可调节性。

在内马氏瓶1a的下部设置有内马氏瓶供水口和内马氏瓶吸气口。内马氏瓶供水口连接有第一三通5a，第一三通5a连接有第一球阀6a，第一球阀6a连接有内马氏瓶供水管8a，内马氏瓶供水管8a连通内环2a内的区域，第一三通5a还连接有手动泵7。内马氏瓶吸气口连接有第一流量式调节阀4a，第一流量式调节阀4a连接有内马氏瓶吸气管9a，内马氏瓶吸气管9a连通内环2a内的区域。述内马氏瓶供水管8a出水口的高度低于内马氏瓶吸气管9a进气口的高度。

如图1、3所示，在外马氏瓶1b的下部设置有外马氏瓶供水口和外马氏瓶吸气口。外马氏瓶供水口连接有第二三通5b，第二三通5b连接有第二球阀6b，第二球阀6b连接有外马氏瓶供水管8b，外马氏瓶供水管8b连通内环2a与外环2b之间的区域，第二三通5b还连接有手动泵7。外马氏瓶吸气口连接有第二流量式调节阀4b，第二流量式调节阀4b连接有外马氏瓶吸气管9b，外马氏瓶吸气管9b连通内环2a与外环2b之间的区域。外马氏瓶供水管8b出水口的高度低于外马氏瓶吸气管9b进气口的高度。

在一个具体的实施方式中，如图4所示，调节机构包括旋柄11，旋柄11设置有旋杆12，旋杆12穿过外马氏瓶的瓶壁并与移动式矩形活塞1.9转动连接，在旋杆12的中间设置有螺纹13。在旋杆12与矩形活塞1.9的连接处设置有限位环14，限制旋杆12的轴向位移。在旋杆12靠近外马氏瓶的瓶内壁的一端的外侧设置有限位套管15，限位套管15靠近螺纹的一侧设置有匹配的内螺纹。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型。本实用新型中，为了方便阐述，材料、尺寸、数量等的变化不超过本实用新型的表述范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。