用于测量低渗透土壤渗透系数的夹持装置及系统的制作方法

1.本发明涉及一种用于测量低渗透土壤渗透系数的夹持装置，还涉及一种用于测量土壤渗透系数的系统。


背景技术：

2.准确测定以粘性土为代表的松散孔隙介质的渗透性，对我国广大冲积平原区地下水资源的区域水资源均衡分析、地下水水质保护、地面沉降等领域的科学研究和生产实践等方面具有十分重要的意义。由于粘性土渗透性低，例如粘性土的渗透系数低于10-5-10-7
cm/s，因此，在常压条件下进行低渗透的松散孔隙介质的渗透性测试需要较长时间。
3.为了缩短测试时间，目前通用的实验室测试方法为加压渗透法，通常采用的水力梯度值为数百甚至几千。水力梯度是指沿水流方向上单位渗透途径上的水头损失。地下水在运动过程中要克服摩擦阻力，不断消耗机械能，从而产生水头损失。水力梯度也可理解为任意两点的水位差与该两点间的距离之比。
4.采用大水力梯度的方法虽然大大缩短了实验时长，但这样的实验方法将导致不期望的结果，例如在大水力梯度作用下，实验土样很容易发生力学变形，甚至被水力击穿。在这种实验土样变形或者被水流击穿的情况下，实验的结果将出现较大误差，从而影响分析的准确性。另外，大水力梯度计算的实验结果由于非达西流的影响，不能够客观代表实际天然渗流状态的土体的渗透性能。
5.另外，当前自动化技术被广泛应用于粘土渗透性测试的出口流量监测，其中自动化的监测需要采用传感器进行渗透过程的监测，虽然测试过程中仪器的测量精度较高，但对于粘土的渗透流动来说，出口处的每一次渗透流动的流量可能只有几毫升，因此即使仪器的测量误差很小，也会对测试结果带来很大的影响。某些实验通过采用高精度天平称量出流量的方法进行渗透流量监测，但由于渗透流量小，该方法出流的水分很容易受蒸发影响，进而造成结果的波动和不稳定。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本技术提供了一种用于测量低渗透土壤渗透系数的夹持装置，该夹持装置包括：底座，其中设置有流体入口和第一通道；环刀，其被底座支撑；环刀座，其被底座支撑，并且环刀座的内表面紧靠环刀的外表面，同时环刀座的底表面高于环刀的底表面；堵头，其能够与环刀座的内表面配合，并且流体出口和第二通道设置在堵头中；和顶板，其通过导向柱连接到底座，其中底座、环刀、环刀座和与环刀座的内表面配合的堵头共同限定一腔室。
7.在某个实施例中，堵头的外侧设置有压帽。
8.在某个实施例中，顶板还设置有压紧螺栓。
9.在某个实施例中，该夹持装置还包括多个密封件。
10.本技术还提供了一种用于测量低渗透土壤渗透系数的系统，该系统包括：水罐；真
空泵，其能够流体连通至水罐；第一检测组件，其包括前述用于测量土壤渗透系数的夹持装置；和流量测量管，其具有小孔径，其中第一检测组件的夹持装置的流体入口与水罐连通，并且第一检测组件的夹持装置的流体出口与流量测量管连通。
11.在某个实施例中，第一检测组件还包括第一流动控制阀、第二流动控制阀和第三流动控制阀，水罐通过第四阀和第一流动控制阀流体连通至夹持装置，并且夹持装置中的气体能够流动穿过第二流动控制阀、第一流动控制阀和第三阀到达真空泵。
12.在某个实施例中，第一检测组件还包括位移表，该位移表设置在夹持装置上。
13.进一步地，流量测量管的孔径小于1mm，例如0.8mm和0.6mm。
14.进一步地，流量测量管是软管。
15.在某个实施例中，该系统还包括一个或多个第二检测组件，第二检测组件与第一检测组件具有相同的配置。
16.本发明避免了因采用大水力梯度而造成的土壤试样变形甚至被击穿的问题，同时采用防蒸发效应的微管流量测量方法，提高了实验测试精度和实验效率。
17.本发明提出了针对低渗透松散孔隙介质的多路并行的高精度渗透实验系统，该系统可以在小水力梯度(数值在10以内)条件下，利用较短时间，高精度地完成批量的粘土渗透能力的测试。
附图说明
18.本发明将在图中示例性实施例的基础上进行更详细的讨论，其中：
19.图1示出了根据实施例的的用于测量土壤渗透系数的系统。
20.图2示出了根据实施例的夹持装置。
21.图3示出了夹持装置的底座的俯视图。
22.图4示出了夹持装置的底座沿图3中a-a线的剖视图。
具体实施方式
23.图1示出了本发明的用于测量土壤渗透系数的系统的实施例。如图1所示，该系统可包括水罐31，水罐31流体连通至供水入口311使得用于实验测试的水可以引入该系统。水罐31设置有第一阀21，第一阀21配置为调节系统的气压，并将经由供水入口311进入水罐31的过量的水从水罐31排出。
24.水罐31可通过串联连接的第二阀22和第三阀23流体连通至真空泵11，真空泵11用于对整个系统抽真空，以使夹持装置中的土样充分脱气。水罐31还可通过串联连接的第四阀24和第一流动控制阀41流体连通至夹持装置60。可选地，连通至水罐31的第五阀25与第四阀24并联连接。
25.水罐31中的水可依次流动穿过第四阀24和第一流动控制阀41到达夹持装置60，夹持装置60中的气体也可依次流动穿过第二流动控制阀51、第一流动控制阀41和第四阀24到达真空泵11。
26.夹持装置60是用于容纳土壤试样的装置，其细节将在后文描述。夹持装置60上可设置有位移表71，位移表71用于检测土壤试样是否变形或被水流击穿。夹持装置60和位移表71被容纳在恒温箱100中。
27.夹持装置60可经由流体出口(如图2所示)流体连通至流量测量管9，并且第三流动控制阀81设置在夹持装置60和流量测量管9之间。
28.本系统的第一检测组件可包括第一流动控制阀41、第二流动控制阀51、夹持装置60、位移表71、第三流动控制阀81以及恒温箱100。为进一步提高测量精度，还可设置与第一检测组件配置类似或相同的一个或多个第二检测组件，第一检测组件和一个或多个第二检测组件的组合能够有效地减小因检测组件中的部件损坏导致的误差。
29.参考图1示出的本发明的用于测量土壤渗透系数的系统，本发明还公开了一种用于测量土壤渗透系数的方法。
30.在测试之前，所有的阀都处于关闭状态。
31.将土壤试样布置在夹持装置60中，并通过多个密封件使夹持装置60的各个部件紧密密封，然后将夹持装置60介入到管路中。打开供水入口311和第一阀21，将适量的水引入水罐31中，然后关闭供水入口311和第一阀21。在水罐31中具有适量的水后，开始对土壤试样和管路抽真空。具体地，打开第二阀22、第三阀23、第一流动控制阀41和第二流动控制阀51(此时，系统中的其它阀是关闭的)，并启动真空泵11，真空泵11在单次测试中可开启例如2小时，以使布置在夹持装置60中的土壤试样充分脱气。在该抽真空步骤结束后，关闭第二阀22和第三阀23，从而使水罐31和真空泵11之间的管路封闭或堵塞。此后，需要进行使土壤试样饱和的步骤，在该步骤中打开第一阀21和第四阀24(此时，第一流动控制阀41和第二流动控制阀51仍是打开的)，使得水罐31中的水流动进入管路和夹持装置60中的土壤试样中。为使岩样充分饱和，该使土壤试样饱和的步骤的持续时间应为至少2小时。在使土壤试样饱和的步骤完成后，关闭第二流动控制阀51，使得水罐31中的水仅能穿过第四阀24和第一流动控制阀41到达夹持装置60。
32.在上述各项步骤依次完成后，开始对土壤渗透系数进行测量的步骤。在该步骤中，打开第三流动控制阀81，使得穿过夹持装置60中的土壤试样的水可以经由第三流动控制阀81流动至流量测量管9中。流量测量管9可以是软管并具有较小的孔径(优选小于1mm，例如0.8mm、0.6mm、和0.5mm等)，使得预定的水的渗透流量能够在流量测量管9内流动/位移较长距离，例如，水的1ml的渗透流量可以在孔径为1mm的流量测量管9内流动/位移约50cm的距离，利用这种方法可以有效监测出土壤试样的渗透系数。
33.根据多次实验，本技术的系统可以在10以内的水力梯度范围中有效测试出10-7
cm/s-10-6
cm/s的渗透系数。用于测量土壤渗透系数的系统使用小孔径管以提高流量变化的可视化程度，从而提高了实验精度且缩短了实验周期。
34.现在对本技术的夹持装置60进行详细描述。参考图2，夹持装置60包括底座610和顶板612，底座610和顶板612通过导向柱614相连，顶板612上设置有压紧螺栓616。
35.图3示出了夹持装置60的底座610的俯视图。图3中可以看出底座610具有两个相对的孔6110，孔6110用于安装导向柱614。图4示出了底座沿图3中a-a线的剖视图，可以看出底座中设置有流体入口641以及相应的流体通道。
36.底座610支撑环刀630和环刀座631，其中在夹持装置60装配完成后，环刀座631的内表面紧靠环刀630的外表面，同时环刀座631的底表面高于环刀630的底表面。夹持装置60还包括堵头620，堵头620可被穿过顶板612的压紧螺栓616施加向下的力。堵头620可与环刀座631的内表面配合。环刀座631的内表面由直径不同的两个圆柱形面组成。环刀座631的外
侧还安装有具有螺纹部分的压帽632(压帽632的螺纹部分用于与底座610进行螺纹配合)，压帽632用于在夹持装置60装配完成后径向固定环刀座631和环刀630。
37.在夹持装置60装配完成后，底座610、环刀630、环刀座631和堵头620共同限定一腔室，该腔室用于容纳土壤试样(土壤试样被环刀630径向固定)和缓冲装置，在图2示出的实施例中，腔室中容纳有两个缓冲装置621和夹在两个缓冲装置之间的土壤试样。缓冲装置621可以是石头、砂砾和沙子等用于储存水分并使水压均匀的物体。环刀630的尺寸设计成容纳预定体积的土壤试样。
38.底座610还设置有用于水流入夹持装置60的流体入口641，水可经由流体入口641以及一个或多个第一通道(图2中仅示出一个第一通道)流入腔室。在某实施例中，流入腔室的水可按顺序穿过第一缓冲装置、土壤试样和第二缓冲装置，其中第一缓冲装置和第一缓冲装置可以分别地设置为石头、砂砾、沙子和其混合物中之一。堵头620还设置有用于水流出夹持装置60的流体出口642，水可经由一个或多个第二通道(图2中仅示出一个第二通道)以及流体出口642流出夹持装置6。
39.夹持装置60还可包括多个密封件。第一密封件6810布置在底座610、环刀630和第一缓冲装置的交界处以密封流体，第二密封件6820布置在底座610、环刀630和环刀座631的交界处以密封流体，第三密封件6830布置在环刀630、环刀座631和第二缓冲装置的交界处以密封流体，第四密封件6840布置在堵头620的槽中。所有的密封件均为环形并用于防止水流发生渗透，从而能够避免土壤试样在渗透压力的作用下变形甚至击穿。
40.结合附图2-4，夹持装置60的使用方法如下:：
41.s1：将第一缓冲装置(例如石头)放入底座中；
42.s2：在底座中的第一缓冲装置的上端外侧装配第一密封件6810；
43.s3：将装有土壤试样的环刀布置在第一缓冲装置上；
44.s4：在环刀的外侧装配第二密封件6820；
45.s5：在环刀的上端面上放置第二缓冲装置；
46.s6：在第二缓冲装置的外侧装配第三密封件6830；
47.s7：将环刀座套装在环刀和第二缓冲装置的外侧；
48.s8：在环刀座的外侧套装上压帽，并旋紧压帽；
49.s9：将第四密封件6840套装在堵头的槽内；
50.s10：使堵头的装有第四密封件6840的一端伸入环刀座中，并压在第二缓冲装置上；
51.s11：将顶板套到相对于底座固定的两个导向柱上，并将顶板固定；
52.s12：使压紧螺栓616通过顶板的中间螺孔压紧堵头的上端。