固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置

本发明涉及一种固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，属于岩土工程。

背景技术：

1、雨水入渗是导致边坡失稳的一个主要外在因素。降雨过程中，边坡表层土体含水率增加，同时地下水位线抬升，导致土体基质吸力增大且抗剪强度降低，因而诱发滑坡等地质灾害。由于传统的工程边坡防护方法存在生态环保以及耐久性方面的问题，因此，阻止雨水下渗性能优良的毛细阻滞覆层备受关注。近年来，许多学者已对毛细阻滞覆层应用于垃圾填埋场(坡度＜20°)的效果进行深入研究，随后部分学者尝试将其应用于边坡防护。

2、据发明人调研，毛细阻滞覆层可以较好地解决传统固废填埋场、路堑边坡等抗渗破坏问题，但目前仍有一些问题需要解决，例如覆盖层需要铺设大量天然土壤、沙石等非可再生资源，而砂、砾石、碎石等材料成本大幅提升，导致工程成本大幅增加。另一方面，随着我国经济的高速发展，产生了大量工业固废，据统计我国的固废年产生量超过33亿吨，主要包括尾矿、钢渣、煤矸石等。为消纳这些固废，同时符合绿色低碳政策，大量工业固废被用于生产轻质、高吸水率、高强陶粒等高附加值产品，并广泛应用于建筑建造、路基填埋、边坡防护等工程领域替代天然骨料。因此，综合利用大宗固废制备轻集料以替代毛细阻滞覆层中砾石、碎石等粗粒土是可行的思路。

3、模型试验可以通过收集侧向导排水量和底部渗漏水量，量化评估毛细阻滞覆层的蓄水防渗性能。然而，模型试验中大多只进行短时持续的降雨模拟，忽略长期降雨作用下毛细阻滞覆层内细颗粒运移导致其蓄水防渗效果减弱的问题，缺少对毛细阻滞覆层的长期性能的评估。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是：毛细阻滞覆层中应用的天然骨料和土体等非可再生资源，成本高，表层易开裂等问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供了一种固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其包括淋溶试验装置、模型箱试验装置及用于对土样进行喷淋的降雨模拟装置；所述淋溶试验装置包括多个串联或并联联接的柱形容器，柱形容器下方设有收集斗，每个柱形容器的上部为用于填充土样的试样室，试样室的顶部设有淋浴系统，底部设有不锈钢网，每个柱形容器的下方为粗粒料室，粗粒料室内填充有粗粒料，底部同样设有不锈钢网；所述模型箱试验装置包括伸缩框架，伸缩框架内设有用于填充固废基毛细阻滞覆层系统和坡体土的模型箱，模型箱左侧的底部设有至少一根可伸缩支架，右侧的底部设有底部集水装置，右侧的侧壁设有坡脚集水装置，模型箱设有用于监测固废基毛细阻滞覆层系统的传感器探头，传感器探头与数据采集分析系统连接。

3、优选地，所述降雨模拟装置包括与水箱连通的抽水泵，抽水泵的出口端依次连通稳压阀、流量计、喷头，喷头位于试样室或模型箱上方。

4、更优选地，所述的抽水泵设有定时开关。

5、优选地，所述试样室与粗粒料室之间通过不锈钢卡箍连接。

6、优选地，所述粗粒料由工业固废通过添加硬脂酸钙和硅氧烷类疏水剂通过圆盘造粒法制成，所述圆盘造粒法造粒所得的粗粒料经24小时陈化后再恒温养护或水养后使用。

7、更优选地，所述工业固废为钢渣、矿粉、磷石膏中的至少一种；所述圆盘造粒法的工艺参数为：设定角度60°，转速60-70r/min；造粒时加水量不超过原料总质量的20％；所述恒温养护或水养的时间为7～28天。

8、优选地，所述试样室内的土样压实后外围乳胶膜，以免在移动时破坏土样状态。

9、优选地，所述底部集水装置包括多根底部给水管，底部给水管与一集水箱连通，集水箱底部设有投入式液位计；所述坡脚集水装置包括与模型箱侧壁不同高度的液位连通的坡脚集水管，模型箱与坡脚集水管之间设有孔径小于固废基毛细阻滞覆层系统和坡体土中颗粒最小粒径的过滤铁丝网；每根坡脚集水管与一集水箱连通，每个该集水箱底部同样设有投入式液位计，具有测控和报警功能，投入式液位计实时显示集水桶中的水量，在高于设置水量时发出警报。实时监测装置，其安装于模型箱侧面，用于监测模型箱工作。

10、优选地，所述伸缩框架的长宽高三个方向上均为可伸缩结构；所述模型箱在液压杆的作用下与地面的角度为0～45°范围内可调节。

11、优选地，所述传感器探头包括张力计、水分传感器、倾角传感器中的至少一种，用于测量孔隙水压力和含水率，数据采集分析系统一般每隔2分钟自动记录数据；所述模型箱的外侧设有实时监测装置。

12、本发明所研发的固废基毛细阻滞覆层为“导渗层-储水层-止水层”三层结构，利用磷石膏、钢渣、电石渣等不同固废成分的互补性制备粒径可控的粗粒料，利用淋溶装置优选覆层材料及其级配，最后通过模型箱试验测试毛细阻滞覆层系统的蓄水阻渗性能。其中，粗粒料的制备综合利用工业固废，选用钢渣、矿粉、磷石膏等不同固废，制备粒径可控、免烧制的固废粗粒料，替换传统覆层中砾石、碎石等粗粒土，利用淋溶装置和模型箱测试获取固废基毛细阻滞覆层系统考虑细粒下移的长期服役性能。本发明研发的测试装置和方法，设计全面，功能完善，适应各类工况，节约试验时间。该固废基毛细阻滞覆层对多类工业固废回收利用，绿色环保；该测试装置及方法实现固废基毛细阻滞覆层的长期性能评估，通过空间换时间的方式缩短模型试验时长。

13、本发明提供了一种固废基毛细阻滞覆层蓄水阻渗性能测试装置与方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

14、在本发明中，提出“导渗层-储水层-止水层”固废基毛细阻滞覆层系统。其中粗粒料的制备综合利用工业固废，选用钢渣、矿粉、磷石膏等不同固废，制备粒径可控、免煅烧的固废粗粒料，替换传统覆层中砾石、碎石等粗粒土，降低成本，利用淋溶装置和模型箱测试获取固废基毛细阻滞覆层系统考虑细粒下移的长期服役性能。

15、在本发明中，淋溶装置可用于优选覆层材料及其粒径、级配，可获得不同时间下对应的覆层颗粒级配，通过空间换时间的方法实现模拟毛细阻滞覆层长期服役情况；柱形容器可分离组合的设计，用于分层击实土样后组合土层，同时便于试验结束后对土样进行水-力特性测试。

16、在本发明中，可伸缩支架与液压装置共同作用于模型箱，可调节模型箱尺寸和坡度，用于测试不同坡度下毛细阻滞覆层的侧向导排长度；模型箱上安装倾角传感器，用于指示模型箱相对于地面的角度，即毛细阻滞覆层的坡度，其具有角度监测功能，监测液压装置的工作状态，以保证试验精度和安全性；降雨模拟装置，用于模拟不同形式的降水，由定时开关控制降雨时间，稳压阀调节水压用于控制流速，数显流量计显示实时示流速和总流量，同时可监测降雨模拟装置工作状态；坡脚集水装置和坡底集水装置分别连通模型箱侧面和底面，用于收集毛细阻滞覆层各层和底面的排水量，以量化毛细阻滞覆层的侧向排水量和底部渗水量，以此作为毛细阻滞覆层的评价指标之一。

技术特征：

1.一种固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，包括淋溶试验装置、模型箱试验装置及用于对土样进行喷淋的降雨模拟装置；所述淋溶试验装置包括多个串联或并联联接的柱形容器，柱形容器下方设有收集斗(1-5)，每个柱形容器的上部为用于填充土样的试样室(1-1)，试样室(1-1)的顶部设有淋浴系统，底部设有不锈钢网(1-4)，每个柱形容器的下方为粗粒料室，粗粒料室内填充有粗粒料，底部同样设有不锈钢网(1-4)；所述模型箱试验装置包括伸缩框架(2-1)，伸缩框架(2-1)内设有用于填充固废基毛细阻滞覆层系统和坡体土的模型箱(2-2)，模型箱(2-2)左侧的底部设有至少一根液压杆(2-3)，右侧的底部设有底部集水装置，右侧的侧壁设有坡脚集水装置，模型箱(2-2)设有用于监测固废基毛细阻滞覆层系统的传感器探头，传感器探头与数据采集分析系统(2-5)连接。

2.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述降雨模拟装置包括与水箱(3-1)连通的抽水泵(3-2)，抽水泵(3-2)的出口端依次连通稳压阀(3-3)、流量计(3-4)、喷头(3-5)，喷头(3-5)位于试样室(1-1)或模型箱(2-1)上方。

3.如权利要求2所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述的抽水泵(3-2)设有定时开关(3-6)。

4.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述试样室(1-1)与粗粒料室之间通过不锈钢卡箍(1-2)连接。

5.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述粗粒料由工业固废通过添加硬脂酸钙和硅氧烷类疏水剂通过圆盘造粒法制成，所述圆盘造粒法造粒所得的粗粒料经24小时陈化后再恒温养护或水养后使用。

6.如权利要求5所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述工业固废为钢渣、矿粉、磷石膏中的至少一种；所述圆盘造粒法的工艺参数为：设定角度60°，转速60-70r/min；造粒时加水量不超过原料总质量的20％；所述恒温养护或水养的时间为7～28天。

7.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述试样室(1-1)内的土样压实后外围乳胶膜(1-3)。

8.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述底部集水装置包括多根底部给水管(2-4)，底部给水管(2-4)与一集水箱(2-7)连通，集水箱(2-7)底部设有投入式液位计(2-8)；所述坡脚集水装置包括与模型箱(2-2)侧壁不同高度的液位连通的坡脚集水管(2-6)，模型箱(2-2)与坡脚集水管(2-6)之间设有孔径小于固废基毛细阻滞覆层系统和坡体土中颗粒最小粒径的过滤铁丝网；每根坡脚集水管(2-6)与一集水箱(2-7)连通，每个该集水箱(2-7)底部同样设有投入式液位计(2-8)。

9.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述伸缩框架的长宽高三个方向上均为可伸缩结构；所述模型箱(2-2)在液压杆的作用下与地面的角度为0～45°范围内可调节。

10.如权利要求1所述的固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其特征在于，所述传感器探头包括张力计(2-9)、水分传感器(2-10)、倾角传感器(2-11)中的至少一种；所述模型箱(2-2)的外侧设有实时监测装置(2-12)。

技术总结
本发明公开了一种固废基毛细阻滞覆层系统蓄水阻渗性能测试装置，其包括淋溶试验装置、模型箱试验装置及用于对土样进行喷淋的降雨模拟装置；所述淋溶试验装置包括柱形容器，每个柱形容器的上部为用于填充土样的试样室，试样室的顶部设有淋浴系统，每个柱形容器的下方为粗粒料室，粗粒料室内填充有粗粒料；所述模型箱试验装置包括伸缩框架，伸缩框架内设有模型箱，模型箱左侧的底部设有可伸缩支架，右侧的底部设有底部集水装置，右侧的侧壁设有坡脚集水装置，模型箱设有传感器探头。该固废基毛细阻滞覆层对多类工业固废回收利用，绿色环保；该测试装置及方法实现固废基毛细阻滞覆层的长期性能评估，通过空间换时间的方式缩短模型试验时长。

技术研发人员：孙文静,孙高格,谢洪璋,肖宇
受保护的技术使用者：东华大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13