咸淡水交替式变水头渗透装置及其方法与流程

本发明涉及海水入侵、水资源监测和岩土工程等领域中的变水头渗透技术，尤其涉及一种咸淡水交替式变水头渗透装置及其方法。

背景技术：

以往对渗透系数的测定往往采用单一渗透液进行试验，在沿海地区由于淡水的过度开采导致了不同程度的海水入侵；由于潮汐和波浪的拍击作用，海水以周期作用的形式侵蚀着地下水资源，降雨作为地下淡水的补充以非周期的形式影响着地下水资源。通过室内试验模拟上述两种情况，为科学界提供一种科学合理的试验装置意义重大。在渗透试验过程中，咸淡水循环作用下渗透液切换致使气泡进入渗透装置，致使试验中断时有发生，如何在试验过程中避免这一问题，已经成为困扰众多试验者获得准确数据的一项重要问题；同时也是出于对淡水资源的保护。此外，由于常水头渗透仪适用范围有限，难以满足细颗粒土的渗透试验需求，发明一种用于咸淡水交替式变水头渗透试验的装置意义重大，已经成为水质监测和评价领域一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点与不足，提供一种咸淡水交替式变水头渗透装置及其方法，从而方便、快捷地获取不同渗透液作用下试样的渗透系数。本发明操作简单，拆装方便，便于携带，成本低廉，易批量生产和推广应用，具有广阔的市场前景，适用于各种复杂的咸淡水环境下的渗透试验。

本发明的目的是这样实现的：

一、咸淡水交替式变水头渗透装置(简称装置)

本装置包括从左到右依次连接的咸淡水源供给模块、试样承装模块和变水头量测模块；

咸淡水源供给模块给试样承装模块提供咸淡水源，变水头量测模块对试样承装模块的水头进行量测。

本装置的工作原理：

本装置用于测定咸淡水交替作用下的渗透系数，水源可以是任意类别水源，也可以是相同的溶液，测量过程中水源的高度可通过升降装置进行调节，通过后置的刻度板精度获得水头差，根据试验者自身的试验需求，通过升降装置摇动升降手柄，试验者就可以获得满足试验方案的理想水源高度。水源类别的切换只需要关闭或者打开不同的放水阀，就可以简单方便的完成水源类别的切换工作。

二、咸淡水交替作用下变水头渗透系数测量方法

本方法包括下列步骤：

①按土工试验规程的步骤进行试样的填装；

②检查咸淡水源供给模块中放水阀是否处于关闭状态，是则进行下一步骤，否则关闭；

③根据试验设定盐浓度的大小，选择一定量的溶质，配置两种及以上不同盐浓度的水源，以备进行后续的变水头渗透试验；

④根据试验者的实际需求选择任意水源，将乳胶管和接入管以及接出管和玻璃管处的导管相连，通过自粘防水胶带进行密闭性处理，根据试验者的需求，通过升降手柄调节升降装置，获得符合实际要求的咸淡水载水箱高度，打开该咸淡水载水箱对应的放水阀，给试样承装模块供水，打开排气装置，将渗透容器侧立，对试样进行排气泡处理，直至溢出水中无气泡，关闭排气装置，放平渗透容器，完成饱和进行下一步工作，否则重复本项工作；

⑤将变水头量测模块处的渗流开关关闭；根据试验者最大水流速度的设定，再次通过升降手柄，调动升降装，获得符合试验要求的水头；根据咸淡水侵蚀试样的作用周期(反复作用次数)，再次打开咸淡水载水箱下方的放水阀，让水流侵蚀试样t分钟；采用秒表进行计时，到达设定时间t，关闭该咸淡水载水箱下方的放水阀，打开另一侧的咸淡水载水箱下方的放水阀，重复侵蚀试样t分钟，采用秒表进行计时，到达设定时间，关闭该咸淡水载水箱下方的放水阀；重复以上步骤n次；

⑥将玻璃管充水至需要的高度，通过刻度板，侧记试样两端在t＝t1时刻的起始水头差△h1；之后打开变水头量测模块的渗流开关，同时开动秒表，经过时间△t后，再通过刻度板侧记试样两端在t＝t2时刻的起始水头差△h2；

⑦重复上述步骤⑤和⑥，满足试验设定的最大次数或者渗透系数的数值不发生变化，结束试验；

⑧试验完成，清洗仪器，收拾试验台，打扫试验室。

本发明具有下列优点和积极效果：

①高效便捷地实现渗透试验过程中渗透液的任意切换；

②通过升降装置控制咸淡水载水箱高度，良好的控制水源到溢流孔处的水位差；

③试样承装模块采用法兰连接，试样高度可以随着法兰的个数不断增减；

④采用双刻度板的模式，易于记录位置，特别是咸淡水源供给模块中的升降装置；

⑤试验仪器的三个模块可以独立拆装和拼接，各个模块各子部件多可制作成标准件进行替换使用。

总之，本发明高效便捷地实现变水头渗透试验过程中渗透液的任意切换，具有良好的水位控制功能，其次采用双刻度板的模式参与试验，试验数据记录快捷高效，此外，整套装置各部件独立拆卸组装更换，结构简单，经久耐用，经济效益显著，易于推广。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是咸淡水源供给模块10的主视图；

图3是咸淡水源供给模块10的俯视图；

图4是咸淡水源供给模块10的侧视图，

图5是咸淡水源供给模块10的刻度板12与底板14连接大样图；

图6是咸淡水源供给模块10的咸淡水载水箱11大样图；

图7是咸淡水源供给模块10的升降装置13大样图；

图8是试样承装模块20的主视图；

图9是试样承装模块20的俯视图；

图10是试样承装模块20与咸淡水源供给模块10连接处大样图；

图11是试样承装模块20中试样存放装置23与接出管26搭接大样图；

图12是试样承装模块20底部大样图；

图13是试样承装模块20法兰安装示意图；

图14是变水头量测模块30的正视图；

图15是变水头量测模块30侧视图；

图16是变水头量测模块30俯视图；

图17是变水头量测模块30断面图；

图18是变水头量测模块30与试样承装模块20连接处大样图；

图19是本装置的结构示意图。

图中：

10—咸淡水源供给模块，

11—咸淡水载水箱，

12—刻度板，

13—升降装置，

13-1—上部托件，13-2—螺纹套丝，13-3—升降手柄，

13-4—升降转轮，

14—底板，

15—放水阀，

16—乳胶管，

17—连接装置，

18—配重稳固装置；

20—试样承装模块，

21—接入管，

22—渗出液存放装置，

23—试样存放装置，

23-1—上法兰，23-2—中法兰，23-3—下法兰，

24—移动滚轮装置，

25—防浮堵装置，

25-1—过水纱布，25-2—过水板；

26—接出管，

27—排气装置，

28—过水装置，

29—自粘防水胶带；

30—变水头量测模块，

31—刻度板，

32—玻璃管，

33—槽型底板，

34—支架，

35—平衡自重板，

36—锚地钉，

37—渗流开关。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、19，本装置包括从左到右依次连接的咸淡水源供给模块10、试样承装模块20和变水头量测模块30。

咸淡水源供给模块10给试样承装模块20提供咸淡水源，变水头量测模块30对试样承装模块20的水头进行量测。

2、功能部件

1)咸淡水源供给模块10

如图2、3、4、5、6、7，咸淡水源供给模块10包括咸淡水载水箱11、刻度板12、升降装置13、底板14、放水阀15、乳胶管16、连接装置17及配重稳固装置18。

其连接关系是：

底板14和配重稳固装置18上下连接构成一个整体供支撑用；

在底板14上通过连接装置17连接有升降装置13；

在升降装置13的顶部设置有咸淡水载水箱11，在咸淡水载水箱11的底部连接有乳胶管16，再连接试样承装模块20；

在乳胶管16上设置有放水阀15；

刻度板12置于底板14和连接装置17之间。

其工作机理是：

通过升降装置13的升降手柄13-3达到咸淡水载水箱11升降的目的，通过置于咸淡水载水箱11下方的放水阀15为试样承装模块20提供满足试验需求的咸淡水源。

(1)咸淡水载水箱11

如图3、6，咸淡水载水箱11包括多个水箱，可独立替换；

水箱是一种带盖的方形容器，材质采用有机玻璃，盖板中部设置有手柄，便于提携，手柄两侧具有透气孔，下部与放水阀15相连接。

(2)刻度板12

如图5，刻度板12呈“l”型，垂直部分设置有刻度尺，刻度尺以标刻粘贴方式，水平部分呈“下凹”型，与底板14镶嵌，底部带有圆形孔洞，用于穿插固定螺栓；刻度板12材质采用铝合金，质地较轻，便于拆卸，可以制作成通用件。

(3)升降装置13

如图4、7，升降装置13是一种螺栓顶杆机构，包括上部托件13-1、螺纹套丝13-2、升降手柄13-3和升降转轮13-4；在上部托件13-1内设置有螺纹套丝13-2，在上部托件13-1右侧设置有升降转轮13-4，升降手柄13-3与升降转轮13-4连接；材质选用低碳钢。

升降装置13受力以压为主，通过升降手柄13-3和升降转轮13-4完成上部结构的升降；升降装置13上部与咸淡水载水箱11相连，下部与连接装置17相连。

(3-1)上部托件13-1

上部托件13-1是由上方筒和下圆筒组成，上方筒和咸淡水载水箱11适配，起支撑作用；下圆筒和螺纹套丝13-2适配，起滑道的作用。

(3-2)螺纹套丝13-2

螺纹套丝13-2是一种侧面设置有螺纹的圆柱体，起升降作用。

(3-3)升降手柄13-3

升降手柄13-3是一种通用的摇杆，其前端设置有和升降转轮13-4适配的转轮。

(3-4)升降转轮13-4

升降转轮13-4是一种和螺纹套丝13-2适配的转轮。

(4)底板14

如图5，底板14是一种与刻度板12镶嵌的平板，呈“上凸”型；避免晃动。

底板14材质上选用低碳钢，具有上承下连的作用；底板14与刻度板12互相嵌套，两者都存在上下相对的圆孔，用于螺栓的固定，使得结构有较强的整体性，该部件可以制作成标准件进行替换使用。

(5)放水阀15

放水阀15是一种软管夹，起开关供水的作用。

(6)乳胶管16

乳胶管16是一种柔软的管子，起连接试样承装模块20的作用。

(7)连接装置17

如图5，连接装置17是一种平板，设置有左右对称的螺纹槽和通孔，螺纹槽和螺纹套丝13-2适配，通孔供螺栓固定用。

(8)配重稳固装置18

如图2、4，配重稳固装置18是一种底部有两个圆锥体的支撑架。

2)试样承装模块20

如图8、9、10、11、12、13，所述的试样承装模块20包括接入管21、渗出液存放装置22、试样存放装置23、移动滚轮装置24、防浮堵装置25、接出管26、排气装置27、过水装置28和自粘防水胶带29；

其位置和连接关系是：

试样存放装置23和移动滚轮装置24上下连接构成一个整体；

试样存放装置23包括上、中、下法兰23-1、23-2、23-3，分别内置有上玻璃珠a、试样00和下玻璃珠b；

接入管21与下法兰23-3连接，渗出液存放装置22与上法兰23-1连接，防浮堵装置25设置于上、中、下法兰23-1、23-2、23-3的连接处，接出管26与中法兰23-2连接，排气装置27和过水装置28分别与下法兰23-3连接，自粘防水胶带29设置于乳胶管16和接入管21的连接处。

工作机理：由接入管28接入咸淡水，对试样00进行饱和，溢流液通过渗出液存放装置22进行存放；通过升降装置13调节咸淡水载水箱11的高度，切换咸淡水源供给模块10的放水阀15对试样承装模块20进行周期作用，周期作用后关闭放水阀15，之后将玻璃管中充水，侧记水头变化情况和历时，计算渗透系数。

(1)接入管21

如图8、10,接入管21是一种乳胶管，起连接咸淡水源供给模块10和试样承装模块20的作用。

(2)渗出液存放装置22

如图8，渗出液存放装置22是一个烧杯，起到盛放渗出液的作用。

(3)试样存放装置23

如图8、13，试样存放装置23包括上法兰23-1、中法兰23-2和下法兰23-3，均为通用件，起到连接作用。

(4)移动滚轮装置24

如图12，移动滚轮装置24是一种包括四个滚轮和支架的底部装置，起到支撑和移动作用；支架上部设置有套丝与下法兰23-3连接。

(5)防浮堵装置25

如图13，防浮堵装置25包括上下连接的透水纱布25-1和过水板25-2，分别置于上、中、下法兰23-1、23-2、23-3之间，起到过滤和防止冲蚀的作用。

(6)接出管26

如图8，接出管26是乳胶管，起连接变水头量测模块30的作用。

(7)排气装置27

如图8，排气装置27是一种带有止水阀的玻璃管，顶部带有套丝与下法兰23-3连接，起到排出试样00中气泡的作用。

(8)过水装置28

如图8，过水装置28是一种带有止水阀的玻璃管，顶部带有套丝与下法兰23-3连接，起到控制进出水的作用。

(8)自粘防水胶带29

如图10、11，自粘防水胶带29是一种通用件，市面上易于采购，起到防漏液的作用。

3)变水头量测模块30

如图14，变水头量测模块30包括刻度板31、玻璃管32、槽型底板33、支架34、平衡自重板35、锚地钉36和渗流开关37；

其位置和连接关系是：

从下到上，锚地钉36、平衡自重板35、支架34和槽型底板33依次连接，构成一个整体，在槽型底板33上内嵌有刻度板31，玻璃管32置于刻度板31前方。

(1)刻度板31

如图14、18，刻度板31是一种矩形板，其后部贴有以毫米为最小刻度的刻度条，该件呈倒“t”字型，镶嵌于槽型底板33之中。

(2)玻璃管32

如图16、17，玻璃管32是一种通用件，置于刻度板31之前。

(3)槽型底板33

如图14、18，槽型底板33是一种一侧带有倒“t”形中空口的板体，下部与支架34相连，在“t”形中空口处镶嵌刻度板31。

(4)支架34

如图14，支架34是一种铁质支架，上部与槽型底板33相连，下部与平衡自重板35相连。

(5)平衡自重板35

如图14、图15和图18，平衡自重板35是一种矩形平板，两边分别设置有螺栓穿过孔，通过锚地钉36与地面固定，上部与支架34连接。

(6)锚地钉36

如图15，锚地钉36呈“t”型，是一种通用件，用于与地面连接。

二、本装置的组装

①咸淡水源供给模块10的组装

如图5、19，将刻度板12与底板14按照锯齿进行贴合，将刻度板12上部放置连接装置17，注意凸面向上，此时三个部件已经密切接触，取来贯穿上述三个部件的长螺栓，再与刻度板12、底板14接触处增加垫片，用螺丝贯穿预留孔，用扳手固定螺母，完成局部安装；取配重稳固装置18与上述组合部件进行适配，完成下部结构的安装；取升降装置13，通过下部螺纹与下部结构进行适配；

如图6，将放水阀15与咸淡水载水箱11通过螺纹进行适配，关闭放水阀15，将咸淡水载水箱11的盖板覆于咸淡水载水箱11的开口处，将盖板两端绳索系在咸淡水载水箱11之上；通过盖板上提手将咸淡水载水箱11提起，放置于升降装置13的开口型托盘之上；完成咸淡水源供给模块10的组装。

②试样承装模块20的组装

如图2、5，将移动滚轮装置24通过旋丝机械连接于下法兰23-3之上，将排气装置27与过水装置28以同样的方式固定于下法兰23-3之上。

如图13，拼接上、中、下法兰23-1、23-2、23-3，将带有溢流孔的上法兰23-1固定在法兰组合体上部，同时将中法兰23-2预留孔放置在一侧，以便后续连接玻璃管32和渗出液存放装置22。

③变水头量测模块30的组装

如图14，将槽型底板33、支架34以及平衡自重板35进行适配，使用强磁水平尺检验水平；取来锚地钉36使用小锤将锚地钉36通过平衡自重板35的圆孔钉入地面；如图18，将刻度板31与槽型底板33相连接,在刻度板31上固定玻璃管32，完成组装。

④咸淡水源供给模块10、试样承装模块20及变水头量测模块30的连接

如图9、10，通过乳胶管16进行连接，采用试样承装模块20中提到的自粘防水胶带29进行密封，完成各个模块的连接。

三、本装置的创新点

1、立意创新

1)本装置拟用于沿海地区或岛屿地区受潮汐和降雨等影响下存在咸淡水交替作用下的岩土体，尤其适应于近年来南海人工吹填岛礁的地下珊瑚砂渗透性研究；

2)与常规渗透试验不同，本试验将渗透系数作为一个与时间、咸淡水作用周期和咸淡水作用强度有关的变量进行研究。

2、结构创新

1)本装置将渗透装置整体上划分为三个模块，各个模块以及模块子部件可以独立拆装；

2)本装置第1个模块由两个渗透水源组成，第2个模块提供两种不同的水源；

3)本装置第1个模块具有记录水位实时变化刻度板，可以记录实时水位变化；

4)本装置第2个模块，容器采用法兰连接，特别适用于模拟南海吹填岛礁不同压实度分层珊瑚砂渗透性研究；

5)本装置第3个模块，采用防风的栅栏型刻度版，既可以防止风吹而倾斜，又可以与下部地板镶嵌组装。

3、功能创新

1)本装置用于潮汐(或降雨)影响下的咸淡水周期作用(或非周期作用)下的岩土体渗透系数的研究；

2)本装置通过第1模块后的刻度板，可以精确记录由渗透引发流土水源的水头高度；

3)咸淡水对试样的作用强度，可以通过咸淡水载水箱后侧的刻度板精确获得，因此，本装置可以用来研究咸淡水作用强度对渗透系数的影响。