本發(fā)明屬于建設(shè)工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種研究多孔介質(zhì)材料全區(qū)域滲流機(jī)制的滲透裝置。

背景技術(shù)：

多孔介質(zhì)是指一種內(nèi)部含有許多微小連通孔隙的固體聚合體，多孔介質(zhì)滲流即是研究液體在這種固體介質(zhì)中流動(dòng)規(guī)律的問題。多孔介質(zhì)滲流理論在許多方面都有應(yīng)用，例如土木工程、石油工程、航空航天工程、農(nóng)業(yè)工程和化學(xué)工程等。多孔介質(zhì)材料廣泛存在于自然界，具有特殊的結(jié)構(gòu)特征，固相物質(zhì)構(gòu)成多孔介質(zhì)的骨架，骨架比表面積較大，孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)狹窄，通常由氣相或者液相物質(zhì)占據(jù)，流體在多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)機(jī)制會(huì)隨著流體流速的變化而改變，多孔介質(zhì)滲流區(qū)域目前一般劃分為前達(dá)西區(qū)、達(dá)西區(qū)、過渡區(qū)、Forchheimer區(qū)、過渡區(qū)和湍流區(qū)等。

室內(nèi)試驗(yàn)是研究多孔介質(zhì)滲流機(jī)制的有效方法，例如，巖土工程中傳統(tǒng)的達(dá)西滲流試驗(yàn)裝置主要有常水頭滲透儀(如TST-70型)和變水頭滲透儀(南-55型)，其他一些達(dá)西滲流試驗(yàn)儀器也是基于這兩種儀器改進(jìn)而成，通過改變滲流速度形成不同水力梯度的方法來研究多孔介質(zhì)的滲透規(guī)律。由于這種類型的滲透儀能夠形成的水流速度不大，所以只局限于研究多孔介質(zhì)材料的達(dá)西滲流區(qū)域特征，而多孔介質(zhì)滲流問題不僅涉及到達(dá)西滲流，還包括非達(dá)西區(qū)域滲流機(jī)制，因此需要研制可以研究多孔介質(zhì)全區(qū)域滲流機(jī)制的新型滲透裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)以往滲流試驗(yàn)裝置無法研究非達(dá)西滲流區(qū)域的不足，在現(xiàn)有達(dá)西滲流裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)水流速度從小到大逐漸變化，并利用差壓變送器自動(dòng)采集水壓差值，從而能夠使多孔介質(zhì)的滲流狀態(tài)從達(dá)西區(qū)域延伸到非達(dá)西區(qū)域。

本發(fā)明的技術(shù)方案：

一種研究多孔介質(zhì)全區(qū)域滲流機(jī)制的滲透裝置，該滲透裝置包括供水箱1、潛水泵2、水管、三通、針型閥門、試驗(yàn)裝置、止水夾6、排氣器7、差壓變送器8、計(jì)算機(jī)9和量筒10；

潛水泵2連接水管并放置于供水箱1中，水管的連接三通，三通一頭通過水管連接試驗(yàn)裝置，并在水管上設(shè)置第一針型閥門3-1，三通另外一頭連接水管并將水管出水口置于水箱1中，水管上設(shè)置第二針型閥門3-2；試驗(yàn)裝置出水口通過水管回流至水箱1中，各連接處做好防漏水措施；

試驗(yàn)裝置包括入水口蓋板11、入水緩沖段12、透水孔板13、裝樣段14、出水緩沖段15和出水口蓋板16，各部件通過法蘭進(jìn)行連接；試驗(yàn)裝置的主體為有機(jī)玻璃材質(zhì)的圓筒狀結(jié)構(gòu)，其兩端分別為水口蓋板11和出水口蓋板16；通過兩塊透水孔板13將試驗(yàn)裝置內(nèi)部分為入水緩沖段12、中間的裝樣段14和出水緩沖段15；入水緩沖段12和出水緩沖段15上分別設(shè)置排氣孔4，排氣孔4通過排氣管與排氣器7相連，并在排氣管上設(shè)置止水夾6；裝樣段14兩端分別設(shè)置測(cè)壓孔5，測(cè)壓孔5靠近裝樣段14的內(nèi)壁處設(shè)置過濾網(wǎng)，測(cè)壓孔5通過導(dǎo)壓管與差壓變送器8相連；差壓變送器8通過數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)9相連。

所述的入水緩沖段12和/或出水緩沖段15內(nèi)加礫石。

所述的濾網(wǎng)為200目。

本發(fā)明的有益效果：本滲透裝置可實(shí)現(xiàn)多孔介質(zhì)中流體從低速達(dá)西區(qū)延伸至高速湍流區(qū)，可用于研究多孔介質(zhì)材料的滲流機(jī)制以及各滲流區(qū)域的劃分；采用循環(huán)水系統(tǒng)可以節(jié)約水資源；可根據(jù)多孔介質(zhì)顆粒大小自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)段尺寸；采用差壓變送器和計(jì)算機(jī)組成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，可以保證較高的測(cè)量精度和較寬的測(cè)量范圍。試驗(yàn)裝置占地面積小，試驗(yàn)過程安全方便，試驗(yàn)結(jié)果可靠。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)布局圖。

圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)裝置剖面圖。

圖3(a)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的蓋板主視圖。

圖3(b)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的蓋板左視圖。

圖4(a)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的緩沖段主視圖。

圖4(b)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的緩沖段仰視圖。

圖4(c)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的緩沖段俯視圖。

圖5(a)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的裝樣段主視圖。

圖5(b)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的裝樣段左視圖。

圖5(c)是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的裝樣段右視圖。

圖6是本發(fā)明試驗(yàn)裝置中的透水孔板示意圖。

圖7是本發(fā)明Forchheimer滲流區(qū)域劃分。

圖中：1供水箱；2潛水泵；3-1第一針型閥門；3-2第二針型閥門；4排氣孔；5測(cè)壓孔；6止水夾；7排氣器；8差壓變送器；9計(jì)算機(jī)；10量筒；11入水口蓋板；12入水緩沖段；13透水孔板；14裝樣段；15出水緩沖段；16出水口蓋板。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)敘述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。

實(shí)施例

一、檢驗(yàn)和校核

將無氣蒸餾水注入水箱1中并沒過潛水泵2，保持第一針型閥門3-1全關(guān)，第二針型閥門3-2全開，接通潛水泵2電源檢查其是否正常工作，檢查完畢后關(guān)閉潛水泵2電源。依次連接試驗(yàn)裝置中的入水口蓋板11、入水緩沖段12、透水孔板13、裝樣段14、出水緩沖段15和出水口蓋板16，各部分連接處加止水橡膠圈，并用扳手依次對(duì)角旋緊螺絲，保證排氣孔4和測(cè)壓孔5位于一條直線上，最后將試驗(yàn)裝置與水管相連。接通潛水泵2電源，緩慢開啟第一針型閥門3-1讓水流過試驗(yàn)裝置，用排氣器7排除試驗(yàn)裝置內(nèi)的空氣，檢查及校核差壓變送器8和計(jì)算機(jī)9是否能夠正常采集和記錄壓差數(shù)據(jù)。檢查完畢后切斷潛水泵2和差壓變送器8電源，并拆卸試驗(yàn)裝置。

二、試驗(yàn)準(zhǔn)備

連接入水口蓋板11和入水緩沖段12，在入水緩沖段12內(nèi)填充玻璃圓珠；連接裝樣段14，將烘干的試驗(yàn)材料混合均勻并稱其質(zhì)量m₁，在裝樣段14內(nèi)按照每層2～3cm高度均勻裝填，稱量剩下的試驗(yàn)材料質(zhì)量m₂，通過下式即可計(jì)算多孔介質(zhì)的孔隙率，

式中，d為裝樣段14的內(nèi)徑，L為裝樣段14的長度，ρ_ω為水密度，d_s為多孔介質(zhì)材料的比重；連接出水緩沖段15和出水口蓋板16，并在出水緩沖段內(nèi)同樣填充玻璃圓珠。接通潛水泵2電源，緩慢開啟第一針型閥門3-1，慢慢飽和試樣，打開止水夾6并用排氣器7排除試驗(yàn)裝置內(nèi)部殘留的空氣。

三、試驗(yàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理

調(diào)節(jié)第一針型閥門3-1至很小開度，待流過多孔介質(zhì)的水流速度穩(wěn)定后，用計(jì)算機(jī)9記錄此時(shí)多孔介質(zhì)兩端的壓差值ΔP；用量筒10和秒表測(cè)記一定時(shí)間t內(nèi)出水口處的水流量值V，采用下式即可得到流過多孔介質(zhì)的滲流速度u，

式中，A為裝樣段斷面面積，以上單位均采用國際單位。

配合調(diào)節(jié)第一針型閥門3-1和第二針型閥門3-2的開度，使水流速度逐漸增大，重復(fù)上述試驗(yàn)過程，得到一系列水流速度下對(duì)應(yīng)的水壓差值，即可繪制滲流關(guān)系曲線。

一般采用Forchheimer方程對(duì)多孔介質(zhì)的滲流區(qū)域進(jìn)行劃分，

式中，μ為液體粘度，K為滲透率，F(xiàn)為Forchheimer常數(shù)，ρ為液體密度。

Forchheimer方程是在達(dá)西滲流方程(k＝v/i)的基礎(chǔ)上增加了水流速度的二次項(xiàng)u²，認(rèn)為隨著水流速度的增加，流體的慣性項(xiàng)(即u²)代替粘性項(xiàng)(即u)慢慢起主導(dǎo)作用，對(duì)Forchheimer方程稍作修改可得到下式，

采用式(4)繪制滲流關(guān)系曲線，如圖7所示，

當(dāng)流速較小時(shí)，滲流曲線呈現(xiàn)水平段，表示此時(shí)多孔介質(zhì)處于達(dá)西滲流區(qū)域；隨著流速慢慢增大，滲流曲線經(jīng)過一段過渡區(qū)域后，ΔP/Lu和流速u大致呈線性關(guān)系，此時(shí)可以認(rèn)為滲流狀態(tài)處于Forchheimer流區(qū)；再經(jīng)過一段過渡區(qū)后，可認(rèn)為滲流狀態(tài)進(jìn)入了湍流區(qū)。采用此裝置還可研究不同孔隙率、不同級(jí)配曲線、不同多孔介質(zhì)材料等情況下多孔介質(zhì)的滲流機(jī)制。