一种测量渗流流速的实验装置及实验方法

1.本发明属于渗流流速测量技术领域，具体涉及一种测量渗流流速的实验装置及实验方法。


背景技术：

2.渗流流向和流速是岩土工程和水文地质领域非常重要的参数，对于污染物运移、油气开发、水土流失等相关问题的研究具有重大意义。传统示踪法，由于示踪剂多为染料或电解质溶液，需要设置专门的投药装置，且投药点与测量位置必须间隔较长距离才能进行测量，所以难以实现一体化连续监测；热示踪法通过测量温度场的变化确定渗流流速和流向，可以克服传统示踪法难以实现一体化连续监测的弊端，其中光纤式测温渗流监测系统属于该种类型的典型代表，但是光纤式测温渗流监测系统需要在监测范围内铺设光纤，然而铺设光纤具有成本较高的缺点，所以需要一种既能实现一体化连续监测，又能降低成本的实验装置。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种测量渗流流速的实验装置及实验方法，解决现有技术中传统示踪法难以实现一体化连续监测和光纤式测温渗流监测系统成本较高的技术问题。
4.本发明解决其技术问题所采用的方案是：
5.一种测量渗流流速的实验装置，包括壳体，壳体为一个柱状体，壳体的顶板能够打开或盖合壳体，壳体中设置有多个测温组件，每个测温组件包括多个测温探头和一个固定管；壳体底板上开设有和测温组件数量相同的第一通孔，多个第一通孔绕壳体底板的中心线沿周向均匀布置；多个固定管均沿竖直方向设置，每个固定管分别通过对应的一个第一通孔伸入壳体中，且每个固定管与对应的第一通孔密封连接；每个固定管的侧壁上沿竖直方向间隔开设有多个测温孔，每个测温探头通过相应的一个测温孔安装在固定管的内测壁上，每个测温探头均位于壳体中；将处于同一高度的多个测温探头作为同一个界面，得到多个界面；壳体的内壁和测温组件之间的空隙中填充有土壤；壳体中设有加热组件；加热组件用于加热土壤；壳体外侧设有供水组件和排水组件，供水组件能够将水流从壳体的上端注入壳体中，水流能够在土壤中向下渗流直至壳体的底板上，排水组件能够将渗流至底板上的水导出，通过测量进入排水组件的水流流量，并通过下述公式计算得出渗流流速：其中ν表示渗流流速，q表示排水组件排出水的流量，a表示壳体内部腔体的横截面积。
6.通过设置壳体，可以在壳体中设置土壤、测温组件和加热组件，通过设置多个测温探头，用于测量处于不同高度的土壤温度，多根固定管分别通过底板上对应的第一通孔伸入壳体中，通过设置固定管，为测温探头提供了一个安装位置，测温探头可以通过测温孔安装在固定管的内侧壁上，同时测温探头的导线可以放置在固定管的内部腔体中，并通过固定管的下端伸出壳体与壳体外侧的控制器电性连接；通过设置测温组件和排水组件，测温组件可以测量壳体中土壤的温度，排水组件可以将渗至底板上的水排出，排水组件排出水
的流量即为土壤的渗水流量，并利用渗水流量和流速计算公式求渗流流速，得出土壤在相应温度下，水流在土壤中的渗流流速，通过设置加热组件，用于加热壳体中的土壤，并结合测温组件和排水组件，测出土壤处于不同温度时土壤中水流的渗流流速。
7.进一步的是，壳体中间隔设置有两个固定板，将壳体的内部腔体分割为上中下三部分，土壤填充在固定板的上下两侧；每个固定板的外周均与壳体的内壁接触，固定板上开设有和固定管数量相同的第二通孔，每个固定管分别插设在对应的一个第二通孔中，每个固定板均能够沿壳体内壁和固定管滑动；每个固定板上均匀开设有多个第三通孔。
8.通过设置固定板，使固定管在固定板第二通孔的约束下，避免在填充土壤过程中，固定管被土壤挤压，使固定管偏离竖直方向。
9.进一步的是，加热组件包括加热棒，壳体侧壁的上部设有第四通孔，加热棒通过第四通孔伸入壳体中。
10.通过设置加热棒，使加热棒的加热端通过第四通孔伸入壳体中并可以加热土壤，加热棒的外壳和第四通孔密封连接。
11.进一步的是，供水组件包括供水管和集水箱，供水管的一端和壳体的顶板密封连接并与壳体内部连通，供水管的另一端通往集水箱中，供水管上设有水泵。
12.通过设置供水管、集水箱和水泵，使集水箱中的水通过水泵沿供水管流至壳体中，使水流从土壤的上端开始向下渗流。
13.进一步的是，排水组件包括排水管和量筒，排水管的进水口和底板密封连接并与壳体内部连通；底板的上表面上铺设有纱布，土壤位于纱布的上方，排水管的进水口位于纱布的下方，排水管的出水口通往量筒。
14.通过设置排水管，使渗流至底板的水通过排水管排出壳体，通过设置纱布，防止土壤进入排水管中，通过设置量筒，使量筒与计时工具配合，可以得出相应时间内排水管排至量筒中水的体积，然后通过相应公式可以得出排水流量和渗流流速。
15.进一步的是，排水管出水口的下方设有漏斗，漏斗设置在量筒的上方。
16.通过设置漏斗，可以减小水流的冲击力，使水流平稳的通过漏斗流至量筒中。
17.进一步的是，还包括支座，壳体设置在支座上，支座为一个管状体，支座的侧壁上设有第五通孔，排水管穿过第五通孔伸入支座的内部腔体中，并和壳体的底板连接。
18.通过设置支座，用于支撑壳体，使装置在工作时更加平稳，通过设置第五通孔，使排水管通过第五通孔伸入支座中，并和底板连接。
19.基于上述一种测量渗流流速的实验装置的实验方法，该方法包括如下步骤：
20.步骤1、首先打开顶板并取出两个固定板，然后向壳体中填充土壤，当土壤填充至壳体1/3高度时，将其中一个固定板放置在壳体中，然后继续向壳体中填充土壤，当土壤填充至壳体2/3高度时，将另一个固定板放置在壳体中，然后继续向壳体中填充土壤，当土壤填充至第四通孔附近时，安装加热组件，然后继续向壳体中填充土壤直至填充满整个壳体，然后盖合顶板；
21.步骤2、然后组装供水组件和排水组件；
22.步骤3、然后打开加热组件，对土壤加热t分钟，t为大于0的正数，当土壤加热t分钟后，关闭加热组件；
23.在进行重复实验时，由于土壤中还有余温，所以对土壤加热相同的时间后，土壤的
温度会高于上一次土壤加热后的温度。
24.步骤4、然后打开水泵向壳体中注水，并使排水管的出水口通往实验室排水装置，同时记录测温探头所测量的温度；
25.步骤5、待排水管排出水流的流速均匀后，使排水管的出水口通往漏斗，并通过计时工具测出相应时间内排水组件排至量筒中水的体积，并通过下述公式计算得出排水流量q：
[0026][0027]
其中q表示排水组件的排水流量，l表示一定时间内排水管排出水的体积，t表示排出一定体积的水所用的时间；
[0028]
计算得出排水流量后，通过下述公式计算得出渗流流速：
[0029][0030]
其中ν表示渗流流速，q表示排水组件的排水流量，a表示壳体内部腔体的横截面积；
[0031]
步骤6、关闭水泵，完成一组渗流流速和温度的测量；
[0032]
步骤7、在进行实验时，某一时刻同一个界面会测得多个温度值，以多个温度值的平均值作为相应界面在某一时刻的温度值；
[0033]
然后以时间为横坐标，以温度为纵坐标，建立直角坐标系，在本组的实验过程中，将同一界面所得的温度值和与之对应的时间值绘成一张显示温度与时间的数据散点图，然后拟合得到相应界面温度与时间的函数关系图；
[0034]
在每个函数关系图中，温度值最高的点记为a,本组实验结束时的时间在函数关系图中所对应的点记为b，求ab两点所在直线的斜率，该斜率即为相应界面在本组实验过程中所得到的温度梯度；
[0035]
步骤8、将量筒中的水倒至实验室排水装置，重复步骤3至步骤7，进行多组实验；
[0036]
步骤9、最后以温度梯度为横坐标，以渗流流速为纵坐标，建立直角坐标系，将同一界面在不同组次的实验中所得的温度梯度值和与之对应的渗流流速值绘成一张显示渗流流速与温度梯度的数据散点图，然后通过线性回归分析得出渗流流速与温度梯度的函数关系式。
[0037]
本发明的有益效果是：
[0038]
通过设置测温组件和排水组件，测温组件可以测量壳体中土壤的温度，排水组件可以将渗至底板上的水排出，排水组件排出水的流量即为土壤的渗水流量，并利用渗水流量和流速计算公式求渗流流速，得出水流在土壤中的渗流流速，通过设置加热组件，用于加热壳体中的土壤，并结合测温组件和排水组件，测出土壤处于不同温度时土壤中水流的渗流流速，所以通过设置测温组件和排水组件，使该装置可以对土壤进行一体化连续检测，同时该装置不需要铺设光纤，所以该装置具有成本相对较低的优点。
附图说明
[0039]
图1显示了本发明的整体结构示意图。
[0040]
图2显示了固定板的整体结构示意图。
[0041]
图3显示了测温组件的整体结构示意图。
[0042]
图4显示了界面一在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0043]
图5显示了界面二在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0044]
图6显示了界面三在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0045]
图7显示了界面四在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0046]
图8显示了界面五在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0047]
图9显示了界面六在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0048]
图10显示了界面七在不同组次的实验中所得的温度值和时间值的数据散点图。
[0049]
图11显示了在第一组实验中，界面一数据散点图拟合后所得的函数关系图。
[0050]
图12显示了在第二组实验中，界面一数据散点图拟合后所得的函数关系图。
[0051]
图13显示了在第三组实验中，界面一数据散点图拟合后所得的函数关系图。
[0052]
图14显示了在第四组实验中，界面一数据散点图拟合后所得的函数关系图。
[0053]
图15显示了在第五组实验中，界面一数据散点图拟合后所得的函数关系图。
[0054]
图16显示了界面二的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0055]
图17显示了界面三的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0056]
图18显示了界面四的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0057]
图19显示了界面五的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0058]
图20显示了界面六的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0059]
图21显示了界面七的温度梯度与渗流流速的函数关系图。
[0060]
图中零部件、部件及编号：壳体1、顶板2、测温组件3、测温探头31、固定管32、供水组件4、供水管41、水泵5、纱布6、加热组件7、排水组件8、排水管81、集水箱9、量筒10、固定板11、底板12、支座13、土壤14、显示系统15、加热棒控制系统16。
具体实施方式
[0061]
下面给出发明的具体实施方法，并结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，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的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。
[0062]
实施例一：
[0063]
如图1所示，一种测量渗流流速的实验装置，包括壳体1和支座13，壳体1为一个柱状体，壳体1的顶板2能够打开或盖合壳体1，壳体1中设置有7个测温组件3，每个测温组件3包括7个测温探头31和一个固定管32；壳体底板12上开设有和测温组件3数量相同的第一通孔，7个第一通孔绕壳体底板12的中心线沿周向均匀布置；7个固定管均沿竖直方向设置，每个固定管32分别通过对应的一个第一通孔伸入壳体1中，且每个固定管与对应的第一通孔密封连接；每个固定管32的侧壁上沿竖直方向间隔开设有7个测温孔，每个测温探头31通过相应的一个测温孔安装在固定管32的内测壁上，每个测温探头31均位于壳体1中；将处于同一高度的7个测温探头作为同一个界面，得到7个界面；壳体1的内壁和测温组件3之间的空隙中填充有土壤14；壳体1中设有加热组件7，加热组件7用于加热土壤14；壳体1外侧设有供水组件4和排水组件8，供水组件4能够将水流从壳体1的上端注入壳体中，水流能够在土壤
14中向下渗流直至壳体的底板12上，排水组件8能够将渗流至底板12上的水导出，通过测量进入排水组件8的水流流量，并通过下述公式计算得出渗流流速：其中ν表示渗流流速，q表示排水组件排出水的流量，a表示壳体内部腔体的横截面积。
[0064]
如图2和图3所示，壳体中间隔设置有两个固定板11，将壳体的内部腔体分割为上中下三部分，土壤填充在固定板11的上下两侧；每个固定板11的外周均与壳体的内壁接触，固定板11上开设有和固定管32数量相同的第二通孔，每个固定管32分别插设在对应的一个第二通孔中，每个固定板11均能够沿壳体1内壁和固定管32滑动；每个固定板11上均匀开设有多个第三通孔。
[0065]
如图1所示，加热组件7包括加热棒，壳体1侧壁的上部设有第四通孔，加热棒通过第四通孔伸入壳体1中，加热棒与加热棒控制系统16电性连接，加热棒控制系统16可以控制加热棒的通断。
[0066]
如图1所示，供水组件4包括供水管41和集水箱9，供水管41的一端和壳体的顶板2密封连接并与壳体内部连通，供水管41的另一端通往集水箱42中，供水管41上设有水泵5。
[0067]
如图1所示，排水组件8包括排水管81和量筒10，排水管81的进水口和底板12密封连接并与壳体1内部连通；底板12的上表面上铺设有纱布6，土壤14位于纱布6的上方，排水管81的进水口位于纱布6的下方，排水管81的出水口通往量筒10。
[0068]
如图1所示，排水管出水口的下方设有漏斗，漏斗设置在量筒的上方。
[0069]
如图1所示，壳体1设置在支座13上，支座13为一个管状体，支座13的侧壁上设有第五通孔，排水管81穿过第五通孔伸入支座13的内部腔体中，并和壳体的底板12连接。
[0070]
实施例二：
[0071]
基于一种测量渗流流速的实验装置的实验方法，包括如下步骤：
[0072]
步骤1、首先打开顶板2并取出两个固定板11，然后向壳体1中填充土壤14，当土壤填充至壳体1/3高度时，将其中一个固定板11放置在壳体1中，然后继续向壳体中填充土壤，当土壤填充至壳体2/3高度时，将另一个固定板放置在壳体中，然后继续向壳体中填充土壤，当土壤填充至第四通孔附近时，安装加热组件7，然后继续向壳体中填充土壤直至填充满整个壳体，然后盖合顶板；
[0073]
步骤2、然后组装供水组件4和排水组件8；
[0074]
步骤3、然后打开加热组件，对土壤14加热2分钟，当土壤加热t分钟后，关闭加热组件；
[0075]
步骤4、然后打开水泵5向壳体中注水，并使排水管81的出水口通往实验室排水装置，同时记录测温探头31所测量的温度；
[0076]
步骤5、待排水管81排出水流的流速均匀后，使排水管81的出水口通往漏斗，并通过计时工具测出相应时间内排水组件8排至量筒10中水的体积，并通过下述公式计算得出排水流量q：
[0077][0078]
其中q表示排水组件的排水流量，l表示一定时间内排水管排出水的体积，t表示排出一定体积的水所用的时间；
[0079]
计算得出排水流量后，通过下述公式计算得出渗流流速：
[0080][0081]
其中ν表示渗流流速，q表示排水组件的排水流量，a表示壳体内部腔体的横截面积；
[0082]
步骤6、关闭水泵，完成一组渗流流速和温度的测量；
[0083]
步骤7、在进行实验时，某一时刻同一个界面会测得多个温度值，以多个温度值的平均值作为相应界面在某一时刻的温度值；
[0084]
然后以时间为横坐标，以温度为纵坐标，建立直角坐标系，在本组的实验过程中，将同一界面所得的温度值和与之对应的时间值绘成一张显示温度与时间的数据散点图，然后拟合得到相应界面温度与时间的函数关系图；
[0085]
在每个函数关系图中，温度值最高的点记为a,本组实验结束时的时间在函数关系图中所对应的点记为b，求ab两点所在直线的斜率，该斜率即为相应界面在本组实验过程中所得到的温度梯度；
[0086]
步骤8、将量筒10中的水倒至实验室排水装置，重复步骤3至步骤7，进行5组实验；
[0087]
步骤9、最后以温度梯度为横坐标，以渗流流速为纵坐标，建立直角坐标系，将同一界面在不同组次的实验中所得的温度梯度值和与之对应的渗流流速值绘成一张显示渗流流速与温度梯度的数据散点图，然后通过线性回归分析得出渗流流速与温度梯度的函数关系式。
[0088]
(1)通过使用一种测量渗流流速的实验装置，进行上述实验步骤，将处于同一高度的7个测温探头作为同一个界面，得到7个界面，7个界面从上到下依次为界面1、界面2等，直至界面7；在进行实验时，每个界面在某一时刻会得到7个测温探头的温度值，以7个温度值的平均值作为相应界面在某一时刻的温度值。
[0089]
然后以时间为横坐标，以温度为纵坐标，建立直角坐标系；在5组实验后，将同一界面在不同组次的实验中所得的温度值和与之对应的时间值绘成一张显示时间与温度的数据散点图，共得七张数据散点图，如图4至图10所示。
[0090]
将相应界面所得数据散点图拟合，得出相应界面的温度与时间的函数关系图。
[0091]
如图11至图15所示，图11至图15只演示了界面一在五组实验中，数据散点图拟合成函数关系图的结果，其余界面可以依次拟合，得出相应的函数关系图。
[0092]
每张函数关系图中，温度值最高的点记为a,a点的横纵坐标表示加热组件完成加热时的时间和土壤的温度，相应组次实验结束时的时间在函数关系图中所对应的点记为b，b点的横纵坐标表示完成一组实验时的时间和土壤的温度，在本实施例中b点所对应的时间为8分钟，求ab两点所在直线的斜率，该斜率即为相应界面在相应组次的实验过程中所得到的温度梯度，通过上述方法可以得出35个温度梯度，如表1所示。
[0093]
表1温度梯度统计表(单位：℃/s)
[0094][0095]
(2)利用量筒和计时工具测量排水流量，并将测量所得的排水流量，通过流速计算公式求出渗流流速，得到每组实验的渗流流速，共求得5个渗流流速如表2所示。
[0096]
表2渗流流速统计表
[0097][0098]
(3)将温度梯度统计表与渗流流速统计表结合，得出温度梯度与渗流流速的统计表，如表3所示：
[0099]
表3温度梯度与渗流流速的统计表
[0100]
组号12345界面10.000970.000830.003520.002620.00485界面20.001390.001110.002560.001970.00356界面30.000540.000220.000370.000310.00382界面4-0.00114-0.00113-0.00210-0.003110.00316界面5-0.00026-0.00006-0.00028-0.000350.00211界面6-0.00024-0.00004-0.00017-0.000250.03184界面7-0.00021-0.00018-0.00020-0.00019-0.00077流速1.52e-034.51e-062.37e-061.11e-031.15e-02
[0101]
(4)以温度梯度为横坐标，以渗流流速为纵坐标，建立直角坐标系；将同一界面在不同组次的实验中所得的温度梯度值和与之对应的渗流流速值绘成一张显示渗流流速与温度梯度的数据散点图，然后通过线性回归分析得出渗流流速与温度梯度的函数关系式。共得出6个渗流流速与温度梯度的函数关系图，由于界面一和供水管的出水口距离较近，水流在该界面的渗流具有不均匀的现象所以不考虑界面一的函数关系，而水流在界面二至界面七的渗流基本是均匀的，所以得出6个函数关系式。
[0102]
如图16显示了界面二的渗流流速与温度梯度的函数关系图，界面二的函数关系式为：
[0103]
y＝0.003905x+0.002827
[0104]
如图17显示了界面三的渗流流速与温度梯度的函数关系图。界面三的函数关系式为：
[0105]
y＝0.004869x+0.002827
[0106]
如图18显示了界面四的渗流流速与温度梯度的函数关系图。界面四的函数关系式为：
[0107]
y＝0.004529x+0.002827
[0108]
如图19显示了界面五的渗流流速与温度梯度的函数关系图。界面五的函数关系式为：
[0109]
y＝0.004785x+0.002827
[0110]
如图20显示了界面六的渗流流速与温度梯度的函数关系图。界面六的函数关系式为：
[0111]
y＝0.004845x+0.002827
[0112]
如图21显示了界面七的渗流流速与温度梯度的函数关系图。界面七的函数关系式为：
[0113]
y＝-0.00486x+0.002827
[0114]
上述函数关系式中x表示温度梯度，y表示渗流流速。
[0115]
(5)最后通过使用一种测量渗流流速的实验装置，进行上述实验步骤，当进行至步骤7时，可以得出7个温度梯度，不考虑界面一的温度梯度，将6个温度梯度分别带入上述对应界面的函数关系式中，得到6个渗流流速，然后以6个渗流流速的平均值作为该组实验的渗流流速。
[0116]
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于发明的保护范围。