一种岩土给水度和渗透系数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及土工试验测量技术领域，特别涉及一种岩土给水度和渗透系数测量装置及方法，方法包括一种岩土给水度和渗透系数测量装置操作方法、一种岩土渗透系数计算方法以及一种岩土水渗流流量计算方法。

背景技术

给水度、渗透系数是地下水文室内实验测定的主要参数，目前实验室测量给水度采用的是给水度仪，测量渗透系数采用的是达西渗透仪。

给水度的定义最早是由苏联提出的，从地下水供水的角度出发，认为给水度是饱和介质在重力排水作用下可以给出的水体积与多孔介质体积之比。细颗粒粘土中在有压作用下弱结合水可以转化为自由水(即重力水)，但给水度仪中饱和土体是无压的，只能测量无压状态下的自由水，测量出来的给水度与有压状态下饱和土体的给水度有一定的偏差。

王国义、蒋宗全在《饱和土有效应力原理下的水土压力分算和合算的统一计算》论文中引入给水度，优化了太沙基有效应力原理，实现了水土压力分算与合算的统一计算。基于此原因给水度的精确测量在水土压力计算中占有重要地位。同样道理，达西渗透仪也是测量岩土低水压下的渗透系数，在高水压下岩土的渗透系数无法测量。现阶段急需设计一种装置，能精确测量各种水压下岩土给水度和渗透系数。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种岩土给水度和渗透系数测量装置及方法，实现进水与出水的水压力调节，能够准确测量高、中、低各种水压下岩土的给水度与渗透系数。同时通过引入给水度参数优化了达西定律，提出了新的饱和土中水渗流流量计算方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

一种岩土给水度和渗透系数测量装置，包括第一量筒、进液筒、实验筒、出液筒和第二量筒；

第一量筒和进液筒之间设置进液管路，进液管路包括低位管段和高位管段，低位管段上安装定量泵，高位管段上设置第一压力表和第一流量传感器；进液管路还与溢流管路连接，溢流管路上安装第一调压溢流阀；

实验筒设置在进液筒和出液筒之间，进液筒与实验筒之间设置上滤板，实验筒与出液筒之间设置下滤板；出液筒与第二量筒之间设置出液管路，出液管路上安装第二流量传感器、第二压力表和第二调压溢流阀。

作为优选方式，低位管段上还设置有第一截止阀。

作为优选方式，进液管路的高位管段上安装第三截止阀。

作为优选方式，进液管路的低位管段连接第一放液管路，第一放液管路上安装第二截止阀。

作为优选方式，出液管路还安装有第五截止阀。

作为优选方式，出液筒的安装位置比第二量筒的安装位置高。出液筒的安装高度以保证出液筒内的液体能够顺利(重力作用下)流入第二量筒为准。

作为优选方式，出液管路的一端连接出液筒的底部，出液管的另一端设置在第二量筒的上方。

一种岩土给水度和渗透系数测量装置操作方法：

土样的安装：出液筒上方是下滤板，下滤板上方安装滤水布，然后将土样装进实验筒，要求实验筒内要全部填密实，土样与实验筒壁无缝隙，安装上滤板，上滤板上安装滤水布，之后安装进液筒，将相关管路安装；

给水度的测量流程与计算方法：第一量筒内装水，定量泵启动，第一量筒内水经定量泵、第一压力表、第一流量传感器，进入进液筒，经滤水布、上滤板浸入土样，并向下渗透；

渗透过土样的水经滤水布、下滤板进入出液筒，当出液筒内水压超过第二调压溢流阀溢流压力时水经第二流量传感器、第二压力表、第二调压溢流阀溢流至第二量筒内；

第一调压溢流阀和第二调压溢流阀溢流压力都调节为土样所需重力水压力(压力值通过第一压力表和第二压力表读取)，充分饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀和第五截止阀；

第一量筒内装入液压油，然后启动定量泵，打开关闭的第三截止阀和第五截止阀，调高第一调压溢流阀溢流压力(调高范围为0.01-0.02Mpa)，液压油进入土样挤走重力水，进液筒、土样、出液筒内的水溢流至第二量筒内，待进液筒、土样和出液筒内的重力水已经被液压油置换后停止定量泵，由于水与液压油不相混，可直接读出第二量筒内水体积。

一种岩土给水度计算方法，设进液筒体积为V

m＝(V

一种岩土渗透系数计算方法，采用水饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀和第五截止阀；

启动定量泵，打开关闭的第三截止阀和第六截止阀，调节第一调压溢流阀溢流压力至上水头压力)，调节第二调压溢流阀溢流压力至下水头压力，形成上下水头差(水头差不低于0.1Mpa)，水头压力通过第一压力表和第二压力表读取，待第一流量传感器与第二流量传感器单位时间水流量基本相等(差值不超过0.001m

设第一调压溢流阀水头压力为h

优化后的达西定律公式应为：

Q＝K

此时可推算出渗透系数：

K

本发明的有益效果是：本发明提供一种岩土给水度和渗透系数测量装置及方法。通过试验装置模拟现场重力水水压，在水压不变的前提下采用液压油全部置换饱和土中的重力水，从而准确测量给水度。在测量出给水度的前提下，调节上下水头压力值。通过流量传感器值、给水度等参数计算渗透系数，进而通过优化的达西定律计算不同水头差下的水渗流流量。此测量装置适用于所有类型土、不同水压力工况下的给水度与渗透系数测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为一种给水度和渗透系数测量装置示意图；

图中，1-第一支架，2-第一量筒，3-定量泵，4-第一截止阀，5-第二截止阀，6-第一调压溢流阀，7-第一压力表，8-第一流量传感器，9-第三截止阀，10-进液筒，11-上滤板，12-第四截止阀，13-实验筒，14-下滤板，15-出液筒，16-第五截止阀，17-第二流量传感器，18-第二压力表，19-第二调压溢流阀，20-第二量筒，21-第六截止阀，22-第二支架，23-第三支架。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，但本发明的保护范围不局限于以下所述。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果含有术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，如果存在第一特征在第二特征之上或之下，可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。如果存在第一特征在第二特征之下、下方和下面，包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例一

如图1所示，一种岩土给水度和渗透系数测量装置，包括第一量筒2、进液筒10、实验筒13、出液筒15和第二量筒20；

第一量筒2和进液筒10之间设置进液管路，进液管路包括低位管段和高位管段，低位管段上安装定量泵3，高位管段上设置第一压力表7和第一流量传感器8；进液管路还与溢流管路连接，溢流管路上安装第一调压溢流阀6；

实验筒13设置在进液筒10和出液筒15之间，进液筒10与实验筒13之间设置上滤板11，实验筒13与出液筒15之间设置下滤板14；出液筒15与第二量筒20之间设置出液管路，出液管路上安装第二流量传感器17、第二压力表18和第二调压溢流阀19。

此测量装置适用于所有类型土、不同水压力工况下的给水度与渗透系数测量，值得全球范围推广应用。

实施例二

在实施例一的基础上，本实施例对于一些细节进行了改变。

低位管段上还设置有第一截止阀4。进液管路的高位管段上安装第三截止阀9。

进液管路的低位管段连接第一放液管路，第一放液管路上安装第二截止阀5。出液管路还安装有第五截止阀16。出液筒15的安装位置比第二量筒20的安装位置高。出液筒15的安装高度以保证出液筒15内的液体能够顺利流入第二量筒20为准。出液管路的一端连接出液筒15的底部，出液管的另一端设置在第二量筒20的上方。

进液筒10的底部连接第二放液管路，第二放液管路上安装第四截止阀12。

第二量筒20的底部连接第三放液管路，第三放液管路上安装第六截止阀21。

通过以上改变，解决了整个装置的很多控制问题，比如可以通过第一截止阀4或者其他截止阀能够控制相关管路的通断。通过放液管路能够更高效排液，使得整体装置更利于维护。

实施例三

为了确保安装部件的高度，做了如下设置：第一量筒2的下方设置第一支架1；出液筒15的下方设置第二支架22；第二量筒20的下方设置第三支架23。

实施例四

一种岩土给水度和渗透系数测量装置操作方法：

土样的安装：出液筒15上方是下滤板14，下滤板14上方安装滤水布，然后将土样(现场取的原状土样)装进实验筒13，要求实验筒13内要全部填密实，土样与实验筒13壁无缝隙，安装上滤板11(按照原状土密实程度压紧土样)，上滤板11上安装滤水布，之后安装进液筒10，将相关管路安装；

给水度的测量流程与计算方法：第一量筒2内装水，定量泵3启动，第一量筒2内水经第一截止阀4、定量泵3、第一压力表7、第一流量传感器8、第三截止阀9，进入进液筒10，经滤水布、上滤板11浸入土样，并向下渗透；

渗透过土样的水经滤水布、下滤板14进入出液筒15，当出液筒15内水压超过第二调压溢流阀19溢流压力时水经第五截止阀16、第二流量传感器17、第二压力表18、第二调压溢流阀19溢流至第二量筒20内；

第一调压溢流阀6和第二调压溢流阀19溢流压力都调节为土样所需重力水压力(压力值通过第一压力表7和第二压力表18读取)，充分饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀9和第五截止阀16；

将第一量筒2和第二量筒20内的水清理干净。第一量筒2内装入液压油，然后启动定量泵3，打开关闭的第三截止阀9和第五截止阀16，稍调高第一调压溢流阀6溢流压力(调高范围为0.01-0.02Mpa)，液压油进入土样挤走重力水，进液筒10、土样、出液筒15内的水溢流至第二量筒20内，待进液筒10、土样和出液筒15内的重力水已经被液压油置换后停止定量泵3，由于水与液压油不相混，可直接读出第二量筒20内水体积。

实施例五

一种岩土给水度计算方法，设进液筒10体积为V

m＝(V

实施例六

一种岩土渗透系数计算方法，按给水度的测量流程方法采用水饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀9和第五截止阀16；

将第二量筒20内的水清理干净。然后启动定量泵3，打开关闭的第三截止阀9和第六截止阀21，缓慢调节第一调压溢流阀6溢流压力至上水头压力，缓慢调节第二调压溢流阀19溢流压力至下水头压力，形成上下水头差(水头差不低于0.1Mpa)，水头压力通过第一压力表7和第二压力表18读取，待第一流量传感器8与第二流量传感器17单位时间水流量基本相等(差值不超过0.001m

设第一调压溢流阀6水头压力为h

按照达西定律公式可知：

Q＝KA(h

但此公式中的面积不是重力水通道面积，而是土样与重力水的截面面积，应该对其进行优化。实验筒13圆面积中重力水通道面积为m

优化后的达西定律公式应为：

Q＝K

此时可计算出渗透系数(优化的达西定律公式渗透系数)：

K

渗透系数K

实施例七

一种岩土给水度和渗透系数的测量装置，主要包括第一量筒2、定量泵3、第一调压溢流阀6、第一压力表7、第一流量传感器8、进液筒10、上滤板11、实验筒13、下滤板14、出液筒15、第二流量传感器17、第二压力表18、第二调压溢流阀19、第二量筒20、截止阀和相关管路等部件。为控制部件与管路间通断，设置了第一截止阀4、第二截止阀5、第三截止阀9、第四截止阀12、第五截止阀16和第六截止阀21。为了确保安装部件的高度，设置了第一支架1(安装在第一量筒2下方)、第二支架22(安装在出液筒15下方)、第三支架23(安装在第二量筒20下方)。进液筒10、实验筒13、出液筒15都为圆形透明筒，并能承载所需压力。上滤板11和下滤板14上方都设置滤水布，滤水布土样颗粒不能通过，只能过水或液压油。

土样的安装：出液筒15上方是下滤板14，下滤板14上方安装滤水布，然后将土样(现场取的原状土样)装进实验筒13，要求实验筒13内要全部填密实，土样与实验筒13壁无缝隙，安装上滤板11(按照原状土密实程度压紧土样)，上滤板11上安装滤水布，最后安装进液筒10，将相关管路安装。

给水度的测量流程与计算方法：第一量筒2内装水，定量泵3启动，第一量筒2内水经第一截止阀4、定量泵3、第一压力表7、第一流量传感器8、第三截止阀9，进入进液筒10，经滤水布、上滤板11浸入土样，并向下渗透，

渗透过土样的水经滤水布、下滤板14进入出液筒15，当出液筒15内水压超过第二调压溢流阀19溢流压力时水经第五截止阀16、第二流量传感器17、第二压力表18、第二调压溢流阀19溢流至第二量筒20内。

第一调压溢流阀6和第二调压溢流阀19溢流压力都调节为土样所需重力水压力(压力值通过第一压力表7和第二压力表18读取)，充分饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀9和第五截止阀16。

将第一量筒2和第二量筒20内的水清理干净。第一量筒2内装入液压油，然后启动定量泵3，打开关闭的第三截止阀9和第五截止阀16，稍调高第一调压溢流阀6溢流压力，液压油进入土样挤走重力水，进液筒10、土样、出液筒15内的水溢流至第二量筒20内，待进液筒10、土样和出液筒15内的重力水已经全部被液压油置换后停止定量泵3，由于水与液压油不相混，可直接读出第二量筒20内水体积。

设进液筒10体积为V

m＝(V

渗透系数的测量流程与计算方法：按给水度的测量流程方法采用水饱和土样，待土样充分饱和后关闭第三截止阀9和第五截止阀16。将第二量筒20内的水清理干净。然后启动定量泵3，打开关闭的第三截止阀9和第六截止阀21，缓慢调节第一调压溢流阀6溢流压力至上水头压力，缓慢调节第二调压溢流阀19溢流压力至下水头压力，形成上下水头差(水头差不低于0.1Mpa)，水头压力可通过第一压力表7和第二压力表18读取，待第一流量传感器8与第二流量传感器17单位时间水流量基本相等，流量稳定后记录上下水头压力与两个流量值，可采用不同水头差多次记录水流量值，计算此土样的平均渗透系数。

设第一调压溢流阀6水头压力为h

按照达西定律公式可知：

Q＝KA(h

但此公式中的面积不是重力水通道面积，而是土样与重力水的截面面积，应该对其进行优化。根据王国义论文可知实验筒13圆面积中重力水通道面积为m

优化后的达西定律公式应为：

Q＝K

此时可计算出渗透系数(优化的达西定律公式渗透系数)：

K

由于细颗粒粘土和密实土给水度极低，测量给水度时需要较长时间才能置换完成土样中的重力水。

无论是给水度还是渗透系数，不同类型土、不同重力水压力(或不同水头压力差)条件下给水度与渗透系数都会不一样。室内试验中需要采用原状土样，最大限度模拟现场水压力工况，多次测量并计算出准确的给水度与渗透系数，为水土压力和饱和土中水渗流流量计算提供有力支持。综上所述，根据室内对原状土样进行试验，可精确计算出原状土不同水压下的给水度与渗透系数，采用优化的达西定律公式可帮助准确计算出饱和土中水渗流流量。

以上所述只是用图解说明本发明一种岩土给水度和渗透系数测量装置及方法的一些原理及功能，并非是要将本发明局限在所示和所述的具体结构和适用范围内，故凡是所有可能被利用的相应修改以及等同物均属于本发明所申请的专利范围。