一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法及装置

1.本发明地质监测技术领域，尤其涉及一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法及装置。


背景技术：

2.冰碛土滑坡—泥石流—堰塞湖灾害是指分布在高寒山区的冰碛土受到降雨、埋入土内冰体消融等因素诱发滑坡，且在重力作用下，迅速碎裂解体并与水流掺混形成泥石流，进而铲刮侵蚀沿程碎屑物质堵塞河道形成堰塞坝，最终在坝体溃决后产生洪水灾害的链式过程。由此看出，在高寒山区激发滑坡、泥石流等地质灾害的因素众多，主要受降雨和温度的共同影响，形成机制也十分复杂，预测预警十分困难。在温度场和水分场的共同作用下，除了会直接影响到岩土体的物理力学性质外，地下冰体的消融过程也会受很大的影响，为冰崩、泥石流等地质灾害提供有利条件；许多研究已表明冰雪融水、埋藏冰体融化等也是导致冰碛湖漫顶溃决、管涌溃决的主要诱发因素之一。因此，在高寒山区针对埋入岩土体内的冰体消融过程的监测也是十分有必要的。
3.目前野外地下冰体探测及室内未冻含水量测量技术均在不断发展完善，如野外探测技术有探底雷达、直流电阻率测深法、地震波法、高频电磁法、机载电磁法和瞬变电磁测深法等，室内未冻含水量测量技术有核磁共振仪法(nmr)、时域反射仪法(tdr)和计算机层析识别技术法(ct)等，但是野外冰体探测技术仅是主要用于大范围的地下冰体探测寻找的，而室内未冻含水量测量所用的设备均比较昂贵，且不能在实验过程中进行连续探测，很难在实验中对冰体的消融进行持续有效的监控，故此急需一种可以对岩土体内冰体的消融进行持久有效监测的实验方法。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的实施例提供了一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法及装置。
5.本发明的实施例提供的一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法，包括以下步骤：
6.s1、配置实验溶液，并测量记录所述实验溶液的初始电导率或初始灰度值；
7.s2、将所述实验溶液放入冰箱以形成冰体，并测量记录所述冰体的初始质量，随后将所述冰体埋入岩土样内形成实验样品；
8.s3、以设定流速向所述实验样品内注入蒸馏水，并收集从所述实验样品中流出的渗流液，随后测量记录所述渗透液的质量，以及导电率或灰度值；
9.s4、根据同种溶质溶剂下溶液的浓度与其电导率或灰度值的函数关系，分别计算得到所述实验溶液的初始电导率或初始灰度值对应的初始浓度，以及所述渗流液的电导率或灰度值对应的浓度；其中浓度与电导率的函数关系为：n＝k1·
g，式中n为浓度，g为电导率，k1为比例系数；浓度与灰度值的函数关系为：n＝k2·
pb，式中p为灰度值，k2为比例系数，
b为常数；
10.s5、根据所述实验溶液的初始浓度和所述渗流液的浓度，计算所述冰体的融化比，其中所述冰体的融化比计算公式为：
[0011][0012]
式中，l为融化比，n1为所述实验溶液的初始浓度，n2为所述渗流液的浓度，m1为所述冰体的初始质量，m2为所述渗流液的质量。
[0013]
进一步地，在步骤s4中所述同种溶质溶剂下溶液的浓度与其电导率或灰度值的函数关系通过浓度标定获取，所述浓度标定具体包括以下步骤：
[0014]
s4a、获取标定溶剂和标定溶质，并测量记录二者的质量，其中所述标定溶剂和所述标定溶质分别与所述实验溶液的溶剂溶质相同；
[0015]
s4b、混合所述标定溶剂和所述标定溶质以形成标定溶液，随后计算得到所述标定溶液的浓度，以及测得所述标定溶液的电导率或或灰度值；
[0016]
s4c、逐次向所述标定溶液中增加等质量的所述标定溶质，并重复步骤s4b，以获得多组所述标定溶液的浓度和对应的电导率或灰度值；
[0017]
s4d、根据不同浓度的所述标定溶液的电导率或灰度值，拟合计算得到溶液浓度与电导率或灰度值的函数关系。
[0018]
进一步地，所述实验溶液为氯化钠溶液或胭脂红溶液。
[0019]
进一步地，当所述实验溶液为氯化钠溶液时，在步骤s1和步骤s3中测量记录对应的电导率，在步骤s5中所述冰体的融化比计算公式为：
[0020][0021]
式中，l
氯化钠溶液
为氯化钠实验溶液对应的所述冰体的融化比，g1为氯化钠溶液的初始电导率，g2为对应的渗流液的电导率；
[0022]
当所述实验溶液为胭脂红溶液时，在步骤s1和步骤s3中测量记录对应的灰度值，在步骤s5中所述冰体的融化比计算公式为：
[0023][0024]
式中，l
胭脂红溶液
为氯化钠实验溶液对应的所述冰体的融化比，p1为胭脂红溶液的初始灰度值，p2为对应的渗流液的灰度值。
[0025]
进一步地，提供一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验装置，用于实现上述的一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法，该装置包括：样品盒、注水泵、称重件和测量仪，其中所述样品盒的上端设有可拆卸连接的端盖，所述实验样品容置在所述样品盒内，在所述实验样品下方于所述样品盒底面上铺设有透水石，所述端盖上设有出水口，所述样品盒的底部设有进水口，所述进水口通过导管与注水泵连接，所述称重件上放置有烧杯，所述出水口通过导管与所述烧杯连通以收集所述渗流液，所述测量仪用以测量所述烧杯内的所述渗流液的电导率或灰度值。
[0026]
进一步地，该装置还包括水槽，所述水槽内装填有蒸馏水，所述注水泵通过导管与所述水槽连通，以将蒸馏水注入所述实验样品内。
[0027]
进一步地，所述样品盒由透明塑料制成。
[0028]
进一步地，所述测量仪为电导率测试仪或灰度测试仪。
[0029]
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法及装置，通过标定得到溶液浓度与电导率或灰度值的函数关系，进而以便在实验监测过程中通过连续获得的电导率或灰度值来计算冰体的连续融化比，以此达到连续监测的目的；并且本方法操作容易，本装置结构简单、成本低。
附图说明
[0030]
图1是本发明一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验装置的结构示意图。
[0031]
图2是图1中样品盒2的结构示意图。
[0032]
图3是本发明一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法的流程图。
[0033]
图中：1-注水泵、2-样品盒、3-实验样品、4-称重件、5-烧杯、6-测量仪、7-水槽、8-底座、9-筒体、10-冰块、11-岩土样、12-端盖、13-进水口、14-出水口、15-透水石。
具体实施方式
[0034]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
[0035]
请参考图1，本发明的实施例提供了一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验装置，该装置包括样品盒、注水泵、称重件和测量仪。
[0036]
所述样品盒用以容置实验样品，所述样品盒的上端设有可拆卸连接的端盖，所述端盖与所述样品盒上端外壁通过螺纹连接且密封处理，所述样品盒的底面铺设有透水石，所述实验样品位于所述透水石上。
[0037]
所述样品盒包括筒体和底座，其中所述底座的上端面设有圆形凹槽，所述筒体的外径与所述圆形凹槽的内径相适配，且所述筒体的下端容置在所述圆形凹槽内且密封固定连接，所述透水石位于所述圆形凹槽的底面上，所述底座内设有进水口，所述进水口与所述筒体连通，所述端盖上设有出水口，所述出水口与所述筒体连通，在本实施例中，所述筒体和所述底座均是由透明的塑料制成。
[0038]
所述进水口通过导管与所述注水泵连通，本实施例中的装置还包括水槽，所述水槽内装填有蒸馏水，所述注水泵还通过导管与所述水槽连通，这样就可以在实验需要的时候将所述水槽内的蒸馏水注入到所述实验样品内。
[0039]
所述称重件上放置有烧杯，在本实施例中，所述称重件为电子秤，所述出水口通过导管与所述烧杯连通，所述烧杯用以容置从所述实验样品中渗流出来的渗流液，所述称重件用以实时称取所述烧杯内的所述渗流液的质量。
[0040]
所述测量仪用以测量所述烧杯内的所述渗流液的电导率或灰度值，在本实施中，所述测量仪为电导率测试仪或灰度测试仪。
[0041]
实施例1
[0042]
本实施例还提供一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法，该方法包括以下步骤：
[0043]
s1、配置实验溶液，并测量记录所述实验溶液的初始电导率。
[0044]
具体地，在实施例1中，所述实验溶液为氯化钠溶液，其中溶质为氯化钠，溶剂为水，并且在实施例1所述测量仪为电导率测量仪，利用所述电导率测量仪测量并记录氯化钠实验溶液的初始电导率，为了确保所测得的初始电导率的准确性，可测量多次取平均值。
[0045]
在这里需要说明的是，在标准大气压下，当水加入可溶物质后，其凝固点会有所降低；同时在相同条件下，含有一定可溶物质的冰块，其硬度会比正常冰块要低，且其融化速率也会比正常冰块的速率稍快，并且在随着可溶物质的增加相对融化速率也会变的更快，故此在实施例1中，氯化钠实验溶液在配置时控制其浓度在0.3％至0.5％之间。
[0046]
s2、将所述实验溶液放入冰箱以形成冰体，并测量记录所述冰体的初始质量，随后将所述冰体埋入岩土样内形成实验样品。
[0047]
具体地，在实施例1中，将氯化钠实验溶液倒入模具中以形成对应的所述冰体，在实施例1中，所述冰体外形呈矩形，待所述冰体形成后称取其初始质量，随后将所述冰体埋入岩土体内以形成所述实验样品，在实施例1中，所述实验样品由所述冰体和所述岩土体交替铺设制成，之后将所述实验样品放入所述样品盒内，并根据实验需求对所述样品盒内的所述实验样品施压以减小颗粒间隙。
[0048]
s3、以设定流速向所述实验样品内注入蒸馏水，并收集从所述实验样品中流出的渗流液，随后测量记录所述渗透液的质量，以及导电率。
[0049]
具体地，利用所述注水泵将所述水槽内的蒸馏水以设定流速注入到所述实验样品内，所述设定流速可根据实验需求设定，随后通过所述烧杯收集从所述实验样品渗流出来的渗流液，并利用所述称重件实时称取所述渗流液的质量，以及利用所述电导率测量仪测量实时测量所述渗流液的电导率，在这里需要说明的是，在实施例1中的渗流液为氯化钠的渗流液。
[0050]
s4、根据同种溶质溶剂下溶液的浓度与其电导率的函数关系，分别计算得到所述实验溶液的初始电导率对应的初始浓度，以及所述渗流液的电导率对应的浓度；其中浓度与电导率的函数关系为：n＝k1·
g，式中n为浓度，g为电导率，k1为比例系数。
[0051]
具体地，在实施例1中的步骤s4中，所述同种溶质溶剂下溶液的浓度与其电导率或灰度值的函数关系通过浓度标定获取，所述浓度标定具体包括以下步骤：
[0052]
s4a、获取标定溶剂和标定溶质，并测量记录二者的质量，其中所述标定溶剂和所述标定溶质分别与所述实验溶液的溶剂溶质相同。
[0053]
具体地，在实施例1中，所述标定溶剂为水，所述标定溶质为氯化钠。
[0054]
s4b、混合所述标定溶剂和所述标定溶质以形成标定溶液，随后计算得到所述标定溶液的浓度，以及测得所述标定溶液的电导率。
[0055]
具体地，在实施例1中，将所述标定溶剂和所述标定溶质充分混合得到所述标定溶液，并测量记录所述标定溶液的体积和质量，随后利用物理学中的浓度计算公式计算得到所述标定溶液的浓度，之后再通过所述电导率测量仪测量所述标定溶液的电导率。
[0056]
s4c、逐次向所述标定溶液中增加等质量的所述标定溶质，并重复步骤s4b，以获得多组所述标定溶液的浓度和对应的电导率。
[0057]
s4d、根据不同浓度的所述标定溶液的电导率，拟合计算得到溶液浓度与电导率的函数关系，其函数关系为：n＝k1·
g。
[0058]
s5、根据所述实验溶液的初始浓度和所述渗流液的浓度，计算所述冰体的融化比，
其中所述冰体的融化比计算公式为：
[0059][0060]
式中，n1为所述实验溶液的初始浓度，n2为所述渗流液的浓度，m1为所述冰体的初始质量，m2为所述渗流液的质量。
[0061]
具体地，根据浓度与电导率的函数关系、以及氯化钠实验溶液的初始电导率，计算得到氯化钠实验溶液的初始浓度n
1-氯化钠
＝k1·
g1，n
1-氯化钠
为氯化钠实验溶液的初始浓度，g1为氯化钠实验溶液的初始电导率；根据浓度与电导率的函数关系、以及实施例1中所述渗流液的电导率，计算得到所述渗流液的浓度n
2-氯化钠
＝k1·
g2，n
2-氯化钠
为实施例1中的所述渗流液的浓度，g2为实施例1中的所述渗流液的电导率。
[0062]
进一步地，根据融化比计算公式就可以得到实施例1中的所述冰体的融化比：
[0063][0064]
式中，m
1-氯化钠
为氯化钠实验溶液对应的冰体的初始质量，m
2-氯化钠
为实施例1中渗流液的质量，这样就可以通过融化比达到实时监测实施例1中所述冰体的消融情况。
[0065]
实施例2
[0066]
本实施例还提供另一种渗流作用下岩土体内冰体消融监测实验方法，该方法包括以下步骤：
[0067]
s1、配置实验溶液，并测量记录所述实验溶液的初始灰度值。
[0068]
具体地，在实施例2中，所述实验溶液为胭脂红溶液，其中溶质为胭脂红，溶剂为水，并且在实施例2所述测量仪为灰度测试仪，利用所述灰度测试仪测量并记录胭脂红实验溶液的初始灰度值，为了确保所测得的初始灰度值的准确性，可测量多次取平均值，在实施例2中，胭脂红实验溶液在配置时控制其浓度在0.3％至0.5％之间。
[0069]
s2、将所述实验溶液放入冰箱以形成冰体，并测量记录所述冰体的初始质量，随后将所述冰体埋入岩土样内形成实验样品。
[0070]
具体地，将胭脂红实验溶液倒入模具中以形成所述冰体，待所述冰体形成后称取其初始质量，随后将所述冰体埋入岩土体内以形成所述实验样品，在实施例2中的所述实验样品与实施例1中的相同均是交替铺层设计，之后将实施例2中的所述实验样品放入所述样品盒内，并根据实验需求对所述样品盒内的所述实验样品施压以减小颗粒间隙。
[0071]
s3、以设定流速向所述实验样品内注入蒸馏水，并收集从所述实验样品中流出的渗流液，随后测量记录所述渗透液的质量，以及灰度值。
[0072]
具体地，利用所述注水泵将所述水槽内的蒸馏水以设定流速注入到实施例2中的所述实验样品内，所述设定流速可根据实验需求设定，随后通过所述烧杯收集从实施例2中的所述实验样品渗流出来的渗流液，并利用所述称重件实时称取所述渗流液的质量，以及利用所述灰度测试仪实时测量所述渗流液的灰度值。
[0073]
s4、根据同种溶质溶剂下溶液的浓度与其灰度值的函数关系，分别计算得到所述实验溶液的初始灰度值对应的初始浓度，以及所述渗流液的灰度值对应的浓度；其中浓度与灰度值的函数关系为：n＝k2·
pb，式中p为灰度值，k2为比例系数，b为常数。
[0074]
具体地，在实施例2中的步骤s4中，所述同种溶质溶剂下溶液的浓度与其灰度值的
函数关系通过浓度标定获取，所述浓度标定具体包括以下步骤：
[0075]
s4a、获取标定溶剂和标定溶质，其中所述标定溶剂和所述标定溶质分别与所述实验溶液的溶剂溶质相同。
[0076]
具体地，在实施例2中，所述标定溶剂为水，所述标定溶质为胭脂红。
[0077]
s4b、混合所述标定溶剂和所述标定溶质以形成标定溶液，随后计算得到所述标定溶液的浓度，以及测得所述标定溶液的灰度值。
[0078]
具体地，在实施例2中，将所述标定溶剂和所述标定溶质充分混合得到所述标定溶液，并测量记录所述标定溶液的体积和质量，随后利用物理学中的浓度计算公式计算得到所述标定溶液的浓度，之后再通过所述灰度测试仪测量所述标定溶液的灰度值。
[0079]
s4c、逐次向所述标定溶液中增加等质量的所述标定溶质，并重复步骤s4b，以获得多组所述标定溶液的浓度和对应的灰度值。
[0080]
s4d、根据不同浓度的所述标定溶液的灰度值，拟合计算得到溶液浓度与灰度值的函数关系，其函数关系为：n＝k2·
pb。
[0081]
s5、根据所述实验溶液的初始浓度和所述渗流液的浓度，计算所述冰体的融化比，其中所述冰体的融化比计算公式为：
[0082][0083]
式中，n1为所述实验溶液的初始浓度，n2为所述渗流液的浓度，m1为所述冰体的初始质量，m2为所述渗流液的质量。
[0084]
具体地，根据浓度与灰度值的函数关系、以及胭脂红实验溶液的初始灰度值，计算得到胭脂红实验溶液的初始浓度n
1-胭脂红
＝k2·
p
1b
，n
1-胭脂红
为胭脂红实验溶液的初始浓度，p1为胭脂红实验溶液的初始灰度值；根据浓度与灰度值的函数关系、以及实施例2中所述渗流液的灰度值，计算得到所述渗流液的浓度n
2-胭脂红
为实施例2中的所述渗流液的浓度，p2为实施例2中的所述渗流液的灰度值。
[0085]
进一步地，根据融化比计算公式就可以得到实施例2中的所述冰体的融化比：
[0086][0087]
式中，m
1-胭脂红
为胭脂红实验溶液对应的冰体的初始质量，m
2-胭脂红
为实施例2中渗流液的质量，这样就可以通过融化比达到实时监测实施例2中所述冰体的消融情况。
[0088]
需要说明的是，在实验结束后，对相关的设备以废弃液进行处理，避免造成污染。
[0089]
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
[0090]
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0091]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。