一种研究松散土介质给水度特性的试验装置及方法与流程

1.本发明属于海洋水文地质及岩土工程技术领域，涉及一种试验装置及方法。


背景技术：

2.珊瑚岛礁地层呈现二元结构，由上伏松散或次固结钙质土层和钙质土层下部的礁灰岩层组成。受降雨淡化作用，珊瑚岛礁地下一般存在淡化水体，该水体呈现两边薄中间厚的形状，故称淡水透镜体，钙质土层是珊瑚岛礁上淡水透镜体的唯一载体。因此，为弄清淡水透镜体的形成与演化机理，研究钙质土的水文物理性质是十分必要的。钙质土是一种分布在海洋区域的特殊土，其碳酸钙含量90％以上，又名钙质砂或珊瑚砂，其物质来源主要有藻类、贝壳和珊瑚等生物碎屑，颗粒形状不规则，易破碎。
3.淡水透镜体的形成与演化通常需要十年至几十年，因其时间跨度较大，常规物理模型试验或水文观测方法很难对其形成机理进行系统研究。因此数值模拟是研究淡水透镜体的常用手段。为保证数值模拟结果的准确性与可靠性的前提，需合理输入地层分层信息和水文地质参数，地层分层数据通常根据水文钻孔取芯即可获取，水文地质参数常用水位演算法和抽水试验进行确定。
4.但是由于岛礁地下水系统较内陆相对脆弱，所以抽水试验在岛礁上不推荐使用，而水位演算法需要大量的水位观测数据，不易获取，且计算结果为地层整体渗透性，准确性欠佳。因此依据目前的方法并不能得到准确的岛礁水文地质参数。在众多水文地质参数中，给水度是一个与地下水位密切相关的水文地质参数。给水度是指当潜水位下降一个单位时，从单位底面积且高等于含水层厚度的柱体中释放的水体积，常用小数表示，无量纲，在数值上它等于孔隙度减去持水度。目前关于给水度的测试仪器和方法主要应用于陆源砂土，且功能单一效率低下。


技术实现要素：

5.为解决背景技术中所述的问题，本发明提出了一种研究松散土介质给水度特性的试验装置及方法。
6.本发明的试验装置设置有测试单元和采集单元；所述测试单元包括试验槽组件、集水桶和电子秤；所述采集单元由电脑、数据采集器和三参数传感器组成。
7.其位置和连接关系是：
8.试验槽组件放置在水平地面上，包括底部的底板和设置在底板上的多组叠放固定的试验槽，试验槽的顶部和底部贯通，试验槽的内部通过隔砂板划分为竖向的三格，隔砂板的目数小于钙质土最小粒径，试验槽的中间格用于填装钙质土，试验槽的两侧格子用于充填渗流液，试验槽的侧面间隔设置有多个可控制开关和开度的出水管；试验槽组件的两侧均设置有集水桶和电子秤，集水桶放置在电子秤上，电子秤放置在水平地面上；试验槽两侧的出水管通过排水管与集水桶相连通。
9.电脑和数据采集器连接，三参数传感器与数据采集器连接并插入试验槽内的钙质
土中，监测电导率、体积含水率和温度实时数据。
10.进一步地，所述试验槽中间格所在的槽壁上间隔设置有多个固定板，所述固定板上设置有与三参数传感器的探针配合的固定孔。
11.更进一步地，所述试验槽的顶部和底部的外侧均向外设置有裙边，所述裙边上设置有装配螺丝孔，所述底板上设置有与裙边的螺丝孔位置相同的螺丝孔，所述底板与试验槽之间、相邻的试验槽与试验槽之间设置有与裙边形状和螺丝孔位置相同的橡胶垫并通过螺丝螺母实现固定。
12.更进一步地，所述集水桶的顶部设置有进水管和通气孔，所述集水桶的下部侧面设置废液管。
13.一种研究松散土介质给水度特性的试验方法，包括以下步骤：
14.步骤一、根据实验方案的需求确定安装的试验槽的层数，将试验槽组件装配好；
15.步骤二、在试验槽的中间格内填装配置好的钙质土，分层压实；
16.步骤三、将三参数传感器插入试验槽内的钙质土中，关闭试验槽两侧的出水管；
17.步骤四、在试验槽的两侧格子内缓缓注入配置好的渗流液至试验槽组件的顶端，静置一段时间使钙质土彻底饱和；
18.步骤五、将三参数传感器与数据采集器和电脑依次连接，开始数据监测；
19.步骤六、将两台电子秤分别放置在试验槽组件两侧的水平地面上并启动，将集水桶放置于电子秤上，将试验槽两侧的出水管通过排水管与集水桶相连通，最后将电子秤归零；
20.步骤七、电脑显示数据平稳后，打开试验槽组件最顶部两侧的出水管的开关，待试验槽组件两侧电子秤数据稳定，电脑显示的数据也平稳后，记录电子秤的数据，然后打开试验槽组件两侧下一层出水管的开关；
21.步骤八、重复步骤七，通过电子秤的记录数据，获取不同初始水位埋深情况下的渗流液排出的重量数据；
22.步骤九、计算给水度：
[0023][0024]
其中μ表示给水度，无量纲；m表示渗流液排出的重量，单位g；ρ表示渗流液的密度，单位g/cm3；a表示试验槽中间格的截面面积，单位cm2；l表示渗流液液面在试验槽组件中的降低高度，单位cm。
[0025]
进一步地，若研究水位埋深对给水度的影响，则在步骤四中对渗流液的初始注入高度进行调整；若研究水位降深对给水度的影响，则在步骤七中一次性打开所需埋深高度以上的全部出水管的开关；若研究流速对给水度的影响，则在步骤七中控制出水管的开度；若研究松散土性质对给水度的影响，则在步骤二中填装配置好的土样；若研究渗流液性质对给水度的影响，则在步骤四中注入不同的渗流液。
[0026]
本发明的试验装置结构简单，试验操作简单，试验装置一体多功能化，数据采集自动化，极大提高了试验装置的功能性及试验的工作效率；试验中通过电子秤读数和三参数传感器的数据趋势曲线可以判断释水过程是否结束，通过电子秤读数和试验槽内钙质土体
积可以计算出给水度数值；另外，试验中通过对操作步骤的调整，可以实现松散土介质给水度在不同土层物理性质、不同初始水位埋深、不同水位降深、不同水位降速、不同渗流液种类条件下的给水度测试研究。该试验装置和试验方法也可适用于除钙质土以外的其他介质的给水度研究试验。
附图说明
[0027]
图1是本试验装置的结构方框图。
[0028]
图2是本试验装置的结构示意图。
[0029]
图3是测试单元的结构示意图。
[0030]
图4是采集单元的结构示意图。
[0031]
图5是试验槽的结构示意图。
[0032]
图6是集水桶的结构示意图。
[0033]
其中：00—钙质土；10—测试单元；11—试验槽；111—隔砂板；112—固定板；113—出水管；114—橡胶垫；115—底板；116—螺丝孔；12—集水桶；121—进水管；122—通气孔；123—废液管；13—电子秤；14—排水管；20—采集单元；21—电脑；22—数据采集器；23—三参数传感器。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅做举例而已，同时通过说明，将更加清楚地理解本发明的优点。本领域的普通的技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。实施例中所述的位置关系均与附图所示一致，实施例中其他未详细说明的部分均为现有技术。
[0035]
一、试验装置
[0036]
1.总体
[0037]
如图1和图2所示，研究松散土介质给水度特性的试验装置设置有测试单元10和采集单元20。
[0038]
测试单元10由试验槽组件、集水桶12和电子秤13组成。采集单元20由电脑21、数据采集器22和三参数传感器23组成。
[0039]
试验槽组件放置在水平地面上，由底部的底板115和设置在底板115上的多组叠放固定的试验槽11组成，试验槽11的顶部和底部贯通，试验槽11的内部通过隔砂板111划分为竖向的三格，隔砂板111的目数小于钙质土00最小粒径，试验槽11的中间格用于填装钙质土00，试验槽11的两侧格子用于充填渗流液，试验槽11的侧面间隔设置有多个可控制开关和开度的出水管113；试验槽组件的两侧均设置有集水桶12和电子秤13，集水桶12放置在电子秤13上，电子秤13放置在水平地面上；试验槽11两侧的出水管113通过排水管14与集水桶12相连通。
[0040]
电脑21和数据采集器22连接，三参数传感器23与数据采集器22连接并插入试验槽11内的钙质土00中，监测电导率、体积含水率和温度实时数据。
[0041]
工作原理：给水度(specific yield)是指当潜水位下降一个单位时，从单位底面积且高等于含水层厚度的柱体中释放的水体积。试验中通过对操作步骤的调整，可以实现
多孔介质给水度在不同土层物理性质、不同初始水位埋深、不同水位降深、不同水位降速、不同渗透液种类条件下的给水度测试研究。通过电子秤13的读数和三参数传感器23的数据趋势曲线可以判断释水过程是否结束，通过电子秤11的读数和试验槽内钙质土00的体积可以计算给水度数值。
[0042]
2.功能单元
[0043]
(1)测试单元
[0044]
①
试验槽组件
[0045]
如图3和图5所示，试验槽组件的主体部分由多个试验槽11叠放而成，试验槽11的顶部和底部贯通，试验槽11的内部通过隔砂板111划分为竖向的三格，隔砂板111上开孔并设置尼龙网，尼龙网目数小于钙质土00最小粒径；试验槽11中间格所在的槽壁上间隔均匀设置有多个固定板112，所述固定板112上设置有与三参数传感器23的探针配合的固定孔；试验槽11的侧面间隔均匀设置有多个可控制开关和开度的出水管113；试验槽11的顶部和底部的外侧均向外设置有裙边，裙边上设置有装配螺丝孔116。
[0046]
底板115设置于试验槽组件的最底部，底板115开设有与裙边螺丝孔位置相同的螺丝孔。底板115与试验槽11之间、相邻的试验槽11与试验槽11之间设置有与裙边形状和螺丝孔位置相同的橡胶垫114。
[0047]
从而底板115、橡胶垫114、试验槽11、橡胶垫114和试验槽11依次叠放，通过螺钉螺栓进行固定，构成了试验槽组件。其中试验槽11的层数即装配个数依试验方案的需求而定。试验槽11材质可选用亚克力钢化玻璃或其他防腐材料。
[0048]
试验槽组件的功能是：试验槽11内部的中间格可填装钙质土00，采集单元的三参数传感器23可固定于试验槽11上插入钙质土00中，试验槽组件可控制水位高度及降低深度，是介质孔隙释水场所。
[0049]
②
集水桶12
[0050]
如图3和图6所示，集水桶12为桶状容器，材质为亚克力钢化玻璃或其他防腐材料，集水桶12的顶部设置进水管121和通气孔122，集水桶12的下部侧面设置废液管123。
[0051]
其功能是：承接试验槽11内排出的渗透液。
[0052]
③
电子秤13
[0053]
如图2和图3，电子秤13选用试验用百分之一精度电子秤。
[0054]
其功能是：记录排出的渗透液的重量和用于判断介质释水过程是否结束。
[0055]
④
排水管14
[0056]
如图2和图3，排水管14为乳胶管材质，排水管14的管内内径需与试验槽11的出水管113及集水桶12顶部进水管121配合，以起到稳定和不渗漏的效果。
[0057]
其功能是：导流作用。
[0058]
(2)采集单元20
[0059]
如图2和图4，采集单元20由电脑21、数据采集器22和三参数传感器23组成。
[0060]
三参数传感器23的探针通过试验槽11的固定板112插入钙质土00中，测量钙质砂00的电导率、温度和体积含水率数据。
[0061]
数据采集器22对三参数传感器23测到的数据进行采集并传送到电脑21；电脑21实时显示采集的数据并储存。
[0062]
二、试验方法
[0063]
采用上述的试验装置进行试验的方法如下所述：
[0064]
步骤一、根据实验方案的需求确定安装的试验槽11的层数，将试验槽组件装配好；
[0065]
步骤二、在试验槽11的中间格内填装配置好的钙质土00，分层压实；
[0066]
步骤三、将三参数传感器23的探针通过试验槽11的固定板112插入钙质土00中，关闭试验槽11两侧的出水管113；
[0067]
步骤四、在试验槽11的两侧格子内缓缓注入配置好的渗流液至试验槽组件的顶端，静置一段时间使钙质土00彻底饱和；
[0068]
步骤五、将三参数传感器23与数据采集器22和电脑21依次连接，开始数据监测；
[0069]
步骤六、将两台电子秤13分别放置在试验槽组件两侧的水平地面上并启动，将集水桶12放置于电子秤13上，将试验槽11两侧的出水管113通过排水管14与集水桶12相连通，最后将电子秤13归零；
[0070]
步骤七、电脑21显示数据平稳后，打开试验槽组件最顶部两侧的出水管113的开关，待试验槽组件两侧电子秤13数据稳定，电脑21显示的数据也平稳后，记录电子秤13的数据，然后打开试验槽组件两侧下一层出水管113的开关；
[0071]
步骤八、重复重复步骤七，通过电子秤13的记录数据，获取不同初始水位埋深情况下的渗流液排出的重量数据。
[0072]
步骤九、计算给水度：
[0073][0074]
其中μ表示给水度，无量纲；m表示渗流液排出的重量，单位g；ρ表示渗流液的密度，单位g/cm3；a表示试验槽11中间格的截面面积，即渗流液渗流路径的截面积，单位cm2；l表示渗流液液面在试验槽组件中的降低高度，单位cm。
[0075]
上述试验方法中，若研究水位埋深对给水度的影响，则在步骤四中对渗流液的初始注入高度进行调整；若研究水位降深对给水度的影响，则在步骤七中一次性打开所需埋深高度以上的全部出水管113的开关；若研究流速对给水度的影响，则在步骤七中控制出水管113的开度；若研究松散土性质对给水度的影响，则在步骤二中填装配置好的土样；若研究渗流液性质对给水度的影响，则在步骤四中注入不同的渗流液。
[0076]
以上结合附图及具体实施例详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。