一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型屬于巖土性能測(cè)定領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，包括上下端均開(kāi)口的不銹鋼圓柱桶、上蓋體、下蓋體、雙頭螺栓、封口塞、加壓裝置、鉆孔裝置和離子濃度測(cè)定裝置，所述不銹鋼圓柱桶的下端開(kāi)口處呈刀口狀，所述上蓋體及下蓋體通過(guò)若干雙頭螺栓壓緊在所述不銹鋼圓柱桶的上端和下端。本實(shí)用新型提供的低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀基于分子擴(kuò)散交換方法，在原狀土中間鉆孔，形成儲(chǔ)水槽，在儲(chǔ)水槽內(nèi)注入含示蹤離子的水溶液，并與原始巖土孔隙水自由擴(kuò)散，直至平衡，根據(jù)含示蹤離子的水溶液濃度隨時(shí)間的變化序列，推求巖土中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)。其用時(shí)較少，可以準(zhǔn)確、迅速地獲得巖土的擴(kuò)散系數(shù)。
【專利說(shuō)明】
一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型屬于巖土性能測(cè)定領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定 儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 天然條件下，低滲透介質(zhì)的滲透性能僅為含水層的千分之幾~萬(wàn)分之幾，常規(guī)的 水力參數(shù)測(cè)定方法(如抽水試驗(yàn)，注水法等)難以實(shí)施，而且水質(zhì)極易受到污染，采用經(jīng)驗(yàn)值 或近似值(如用總孔隙度代替有效孔隙度），往往對(duì)溶質(zhì)運(yùn)移的時(shí)空范圍評(píng)價(jià)存在較大誤 差。而在低滲透巖土中，溶質(zhì)運(yùn)移以擴(kuò)散為主，對(duì)流作用較弱，因此為了刻畫弱透水層孔隙 水的水鹽運(yùn)移規(guī)律，評(píng)價(jià)和發(fā)揮低滲透介質(zhì)的屏障作用，擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定是目前低滲透介 質(zhì)孔隙水研究以及污染物質(zhì)運(yùn)移的重要參數(shù)。目前來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)的擴(kuò)散系數(shù)多采用穿透實(shí)驗(yàn) 獲取，用時(shí)較長(zhǎng)，不利于科學(xué)研究的進(jìn)行。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0003] 本實(shí)用新型的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的邊壁滲流及耗時(shí)長(zhǎng)等不足，提供一 種可以實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確測(cè)量低滲透巖土擴(kuò)散系數(shù)的儀器裝置，具有操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，多組分 同時(shí)測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下:一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定 儀，包括上下端均開(kāi)口的不銹鋼圓柱桶、上蓋體、下蓋體、雙頭螺栓、封口塞、加壓裝置、鉆孔 裝置和離子濃度測(cè)定裝置，所述不銹鋼圓柱桶的下端開(kāi)口處呈刀口狀，所述加壓裝置可下 壓所述不銹鋼圓柱桶，使其下端開(kāi)口切割原始巖土并使所述不銹鋼圓柱桶內(nèi)充滿原始巖 土，通過(guò)所述鉆孔裝置可從所述不銹鋼圓柱桶內(nèi)的原始巖土的上端中間位置向下鉆取圓柱 形儲(chǔ)液槽，所述儲(chǔ)液槽與所述不銹鋼圓柱桶同軸，所述儲(chǔ)液槽內(nèi)裝有含有示蹤離子的溶液， 所述上蓋體及下蓋體通過(guò)若干雙頭螺栓壓緊在所述不銹鋼圓柱桶的上端和下端，所述上蓋 體的中部開(kāi)設(shè)有與所述儲(chǔ)液槽連通的通孔，所述通孔上設(shè)置有可拆卸的封口塞，打開(kāi)所述 封口塞可將所述離子濃度測(cè)定裝置的測(cè)定電極可通過(guò)所述通孔伸入所述儲(chǔ)液槽內(nèi)的所述 溶液中。所述不銹鋼圓柱桶的下端開(kāi)口處呈刀口狀，可確保切取土樣時(shí)更省力且切取的土 樣與不銹鋼圓柱桶的桶體貼緊;所述不銹鋼圓柱桶，充當(dāng)測(cè)定擴(kuò)散系數(shù)時(shí)的零能量面。
[0005] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以做如下改進(jìn)。
[0006] 進(jìn)一步，所述下蓋體的邊緣開(kāi)設(shè)有若干帶有內(nèi)螺紋的螺孔，所述雙頭螺栓的下端 通過(guò)相應(yīng)螺孔與所述下蓋體螺紋連接，所述上蓋體的邊緣開(kāi)設(shè)有供所述雙頭螺栓的上端穿 過(guò)的若干固定孔，所述雙頭螺栓的上端螺紋連接有壓緊螺母，通過(guò)調(diào)節(jié)所述壓緊螺母可將 上蓋體及下蓋體壓緊在所述不銹鋼圓柱桶的上端和下端。
[0007] 進(jìn)一步，所述上蓋體與所述不銹鋼圓柱桶的上端之間設(shè)置有0型橡膠密封圈，所述 下蓋體與所述不銹鋼圓柱桶的下端之間設(shè)置有〇型橡膠密封圈。設(shè)置〇型橡膠密封圈可保證 儀器的密閉性，確保水不會(huì)從圓柱桶的上端或下端流出，避免邊壁滲透的發(fā)生。
[0008] 進(jìn)一步，所述儲(chǔ)液槽內(nèi)設(shè)置有上端開(kāi)口的帶孔套筒，所述帶孔套筒由不銹鋼制成 且其與所述儲(chǔ)液槽的側(cè)壁及底壁均貼緊，所述帶孔套筒的側(cè)壁及底壁均開(kāi)設(shè)有若干透水 孔，所述透水孔與所述儲(chǔ)液槽之間設(shè)置有濾紙。設(shè)置帶孔套筒和濾紙可有效保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程 中試樣結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，同時(shí)避免小顆粒土壤進(jìn)入溶液中。
[0009] 進(jìn)一步，所述帶孔套筒的側(cè)壁及底壁外均包裹有濾紙。
[0010]進(jìn)一步，所述不銹鋼圓柱桶的高度為l〇-15cm、直徑為5-8cm，所述儲(chǔ)液槽的深度為 7_9cm、直徑為 2_3cm。
[0011] 進(jìn)一步，所述加壓裝置為液壓機(jī)或切土機(jī)，所述鉆孔裝置為麻花鉆，所述離子濃度 測(cè)定裝置為精密離子儀。所述液壓機(jī)或切土機(jī)用來(lái)下壓所述不銹鋼圓柱桶以使其刀口狀下 端切割原始巖土。
[0012] 進(jìn)一步，所述含有示蹤離子的溶液為含有氯離子或溴離子的水溶液。
[0013] 本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型提供的低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀基于 分子擴(kuò)散交換方法，在原狀土中間鉆孔，形成儲(chǔ)水槽，在儲(chǔ)水槽內(nèi)注入含示蹤離子的水溶 液，并與原始巖土孔隙水自由擴(kuò)散，直至平衡，根據(jù)含示蹤離子的水溶液濃度隨時(shí)間的變化 序列，推求巖土中溶質(zhì)的擴(kuò)散系數(shù)，其用時(shí)較少，可以準(zhǔn)確、迅速地獲得巖土的擴(kuò)散系數(shù)，克 服了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的邊壁滲流、時(shí)間較長(zhǎng)等問(wèn)題，實(shí)用性較強(qiáng)，提高了測(cè)試效率。本裝置成 本低廉，操作簡(jiǎn)單，實(shí)用性強(qiáng)，可推廣使用。
【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本實(shí)用新型提供的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的示意圖；
[0015] 圖2為本實(shí)用新型提供的測(cè)定儀測(cè)定過(guò)程中的擴(kuò)散模型概化圖；
[0016] 圖3為不同擴(kuò)散系數(shù)下儲(chǔ)液槽內(nèi)溶液濃度隨時(shí)間變化的模擬值與實(shí)測(cè)值對(duì)比。
[0017] 附圖中，各標(biāo)號(hào)所代表的部件列表如下：
[0018] 1.不銹鋼圓柱桶;2 .上蓋體;3.0型橡膠密封圈；4.雙頭螺栓;5 .帶孔套筒;6.封口 塞;7.下蓋體。
【具體實(shí)施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本實(shí)用 新型，并非用于限定本實(shí)用新型的范圍。
[0020] 如圖1所示，本實(shí)用新型提供一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，包括上下端均開(kāi) 口的不銹鋼圓柱桶1、上蓋體2、下蓋體7、雙頭螺栓4、封口塞6、加壓裝置、鉆孔裝置和離子濃 度測(cè)定裝置，所述不銹鋼圓柱桶1的下端開(kāi)口處呈刀口狀，通過(guò)所述加壓裝置下壓所述不銹 鋼圓柱桶1，所述不銹鋼圓柱桶1的下端開(kāi)口可切割原始巖土并使所述不銹鋼圓柱桶1內(nèi)充 滿原始巖土，通過(guò)所述鉆孔裝置可在所述不銹鋼圓柱桶1內(nèi)的原始巖土的上端中部鉆取向 下伸展的圓柱形儲(chǔ)液槽，所述儲(chǔ)液槽與所述不銹鋼圓柱桶1同軸，所述儲(chǔ)液槽內(nèi)裝有含有示 蹤離子的溶液，所述上蓋體2及下蓋體7通過(guò)若干雙頭螺栓4壓緊在所述不銹鋼圓柱桶1的上 端和下端，所述上蓋體2的中部開(kāi)設(shè)有與所述儲(chǔ)液槽連通的通孔，所述通孔上設(shè)置有封口塞 6，打開(kāi)所述封口塞6可將所述離子濃度測(cè)定裝置的測(cè)定電極伸入所述儲(chǔ)液槽內(nèi)的所述溶液 中。
[0021] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實(shí)用新型還可以做如下改進(jìn)。
[0022] 進(jìn)一步，所述下蓋體7的邊緣開(kāi)設(shè)有若干帶有內(nèi)螺紋的螺孔，所述雙頭螺栓4的下 端通過(guò)相應(yīng)螺孔與所述下蓋體7螺紋連接，所述上蓋體2的邊緣開(kāi)設(shè)有供所述雙頭螺栓4的 上端穿過(guò)的若干固定孔，所述雙頭螺栓4的上端連接有壓緊螺母，通過(guò)調(diào)節(jié)所述壓緊螺母可 將上蓋體2及下蓋體7壓緊在所述不銹鋼圓柱桶1的上端和下端。
[0023] 進(jìn)一步，所述上蓋體2與所述不銹鋼圓柱桶1的上端之間設(shè)置有0型橡膠密封圈3， 所述下蓋體7與所述不銹鋼圓柱桶1的下端之間設(shè)置有0型橡膠密封圈3。
[0024] 進(jìn)一步，所述儲(chǔ)液槽內(nèi)設(shè)置有上端開(kāi)口的帶孔套筒5,所述帶孔套筒5由不銹鋼制 成且其與所述儲(chǔ)液槽的側(cè)壁及底壁均貼緊，所述帶孔套筒5的側(cè)壁及底壁均開(kāi)設(shè)有若干透 水孔，所述透水孔與所述儲(chǔ)液槽之間設(shè)置有濾紙。
[0025] 進(jìn)一步，所述帶孔套筒5的側(cè)壁及底壁外均包裹有濾紙。
[0026]進(jìn)一步，所述不銹鋼圓柱桶1的高度為10-15cm、內(nèi)徑為5-8cm,所述儲(chǔ)液槽的深度 為7_9cm、直徑為2_3cm。
[0027]進(jìn)一步，所述加壓裝置為液壓機(jī)或切土機(jī)，所述鉆孔裝置為麻花鉆，所述離子濃度 測(cè)定裝置為精密離子儀。
[0028]本實(shí)用新型提供的低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的使用方法如下：
[0029] 1.裝樣:試樣要保證完全飽水，利用不銹鋼圓柱桶切取土樣并盡量避免擾動(dòng)，利用 削土刀削去擴(kuò)散儀兩端的余土，下部放入0型橡膠圈密封和下蓋體；
[0030] 2.打孔:利用直徑為2-3cm的麻花鉆在已切好原狀土中間打孔，得儲(chǔ)液槽，槽深取 7-9cm左右；
[0031 ] 3.套筒:根據(jù)槽深，設(shè)計(jì)一個(gè)專用多孔套筒，周圍用濾紙緊密包裹，放入槽中，以避 免小顆粒土進(jìn)入儲(chǔ)液槽，影響離子測(cè)試裝置的讀數(shù)；
[0032] 4.加液:在儲(chǔ)水區(qū)中加入已知濃度的含有示蹤離子的水溶液，并記錄體積及濃度 數(shù)值；
[0033] 5.固定:利用雙頭螺栓、0型橡膠密封圈對(duì)裝置進(jìn)行固定、密封，避免水從上部或下 部流出；
[0034] 6.數(shù)據(jù)記錄:利用離子測(cè)試裝置讀取儲(chǔ)液槽內(nèi)溶液中示蹤離子的濃度，實(shí)驗(yàn)前期 每天記錄4~5個(gè)數(shù)，后期離子濃度變化較慢，一天記錄1次，直至離子濃度不發(fā)生變化，達(dá)到 擴(kuò)散平衡。
[0035]本實(shí)用新型提供的低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀的的測(cè)試原理如下：
[0036]低滲透介質(zhì)中控制溶質(zhì)運(yùn)移的擴(kuò)散方程(以極坐標(biāo)的形式表示)為
W'V ⑴
[0038]式（I)中D*為有效擴(kuò)散系數(shù)，也可表示為TDQ，DQ為自由水的擴(kuò)散系數(shù)，c為土體孔隙 水中溶質(zhì)的濃度;r是以儲(chǔ)液槽中心為圓心的徑向距離。
[0039]控制方程(I)的初始條件為：
[0040] c(r，0)=ci (II)
[0041] cr(0) = co (III)
[0042]式(II)和(III)中，co，C1分別為儲(chǔ)液槽和土體(試樣）中溶質(zhì)的初始濃度。
[0043] 模型中的內(nèi)外邊界條件為：
[0044 ] cr (t) = c (rR，t) (IV)
[0045] …、 從 (V)
[0046] 利用comsol軟件進(jìn)行溶質(zhì)擴(kuò)散模擬，利用實(shí)測(cè)值進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，獲取試樣的有效 擴(kuò)散系數(shù)D*。
[0047]巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)：
[0048] 基于以上方法和原理，使用本實(shí)用新型的裝置以天津塘沽地區(qū)G1孔101.2-101.5m 的粉質(zhì)粘土為例進(jìn)行擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)：
[0049] 試樣采集時(shí)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)密封，4~5°C條件下保存。本實(shí)驗(yàn)以氯離子為示蹤劑，介紹 本發(fā)明在低滲透巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定中的應(yīng)用。
[0050] 不銹鋼圓柱桶高10cm、內(nèi)徑7cm，利用3cm的麻花鉆在已切好原狀土中間開(kāi)設(shè)儲(chǔ)液 槽，儲(chǔ)液槽深8cm，儲(chǔ)液槽內(nèi)注滿氯化鈉溶液，氯離子濃度為417.2mg/L，采用機(jī)械壓榨法獲 取試樣的孔隙水氯離子濃度為2041.53mg/L，氯離子的徑向擴(kuò)散過(guò)程滿足方程（I)，初始條 件為：
[0051 ] cr(0) = c〇 = 417.2mg/l = 1.175E-7mol/l
[0052] c(r ,0) = ci = 2041.53mg/l = 57.51mol/l [0053]內(nèi)外的邊界條件分別為：
[0054] CR(t) = c(rR，t) (IV)
(\ )
[0056]式中CR (0)為儲(chǔ)液槽內(nèi)氯化鈉溶液的初始濃度，c (r，0)為試樣的初始濃度，rR為儲(chǔ) 液槽的半徑，r。為試樣的半徑，如圖2所示。
[0057]采用comsol的擴(kuò)散模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，依據(jù)4個(gè)不同的擴(kuò)散系數(shù)D*，得出理論的儲(chǔ) 區(qū)濃度隨時(shí)間的變化曲線，如圖3所示。與實(shí)測(cè)值對(duì)比，結(jié)果表明當(dāng)試樣的有效擴(kuò)散系數(shù)D* 為6.00E-10m/S時(shí)，儲(chǔ)液槽內(nèi)氯化鈉溶液濃度變化的實(shí)測(cè)值與理論模擬值吻合，則求出試樣 氯離子的有效擴(kuò)散系數(shù)為6.00E-10m/ S。
[0058]以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用 新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保 護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，包括上下端均開(kāi)口的不銹鋼圓柱 桶（1)、上蓋體(2)、下蓋體(7)、雙頭螺栓(4)、封口塞(6)、加壓裝置、鉆孔裝置和離子濃度測(cè) 定裝置，所述不銹鋼圓柱桶（1)的下端開(kāi)口處呈刀口狀，所述加壓裝置可下壓所述不銹鋼圓 柱桶（1)，使其下端開(kāi)口切割原始巖土并使其內(nèi)充滿原始巖土，所述鉆孔裝置可從所述不銹 鋼圓柱桶（1)內(nèi)的原始巖土的上端中間位置向下鉆取圓柱形儲(chǔ)液槽，所述儲(chǔ)液槽與所述不 銹鋼圓柱桶（1)同軸，所述儲(chǔ)液槽內(nèi)裝有含有示蹤離子的溶液，所述上蓋體(2)及下蓋體(7) 通過(guò)若干雙頭螺栓(4)壓緊在所述不銹鋼圓柱桶（1)的上端和下端，所述上蓋體(2)的中部 開(kāi)設(shè)有與所述儲(chǔ)液槽連通的通孔，所述離子濃度測(cè)定裝置的測(cè)定電極可通過(guò)所述通孔伸入 所述儲(chǔ)液槽內(nèi)的所述溶液中，所述通孔處設(shè)置有可拆卸的封口塞(6)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，所述下蓋體 (7)的邊緣開(kāi)設(shè)有若干帶有內(nèi)螺紋的螺孔，所述雙頭螺栓(4)的下端通過(guò)相應(yīng)螺孔與所述下 蓋體(7)螺紋連接，所述上蓋體(2)的邊緣開(kāi)設(shè)有供所述雙頭螺栓(4)的上端穿過(guò)的若干固 定孔，所述雙頭螺栓(4)的上端螺紋連接有壓緊螺母，所述壓緊螺母可將上蓋體(2)及下蓋 體(7)壓緊在所述不銹鋼圓柱桶（1)的上端和下端。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，所述上蓋體 (2)與所述不銹鋼圓柱桶（1)的上端之間設(shè)置有O型橡膠密封圈（3)，所述下蓋體(7)與所述 不銹鋼圓柱桶（1)的下端之間設(shè)置有O型橡膠密封圈（3)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，所述儲(chǔ)液槽 內(nèi)設(shè)置有上端開(kāi)口的帶孔套筒(5)，所述帶孔套筒(5)由不銹鋼制成且其與所述儲(chǔ)液槽的側(cè) 壁及底壁均貼緊，所述帶孔套筒(5)的側(cè)壁及底壁均開(kāi)設(shè)有若干透水孔，所述透水孔與所述 儲(chǔ)液槽之間設(shè)置有濾紙。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，所述帶孔套 筒(5)的側(cè)壁及底壁外均包裹有濾紙。6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于，所述不銹鋼 圓柱桶（1)的高度為l〇-15cm、內(nèi)徑為5-8cm，所述儲(chǔ)液槽的深度為7-9cm、直徑為2-3cm。7. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于， 所述加壓裝置為切土機(jī)或液壓機(jī)。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于， 所述鉆孔裝置為麻花鉆。9. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于， 所述離子濃度測(cè)定裝置為精密離子儀。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項(xiàng)所述的一種低滲透性巖土擴(kuò)散系數(shù)測(cè)定儀，其特征在于， 所述含有示蹤離子的溶液為含有氯離子或溴離子的水溶液。
【文檔編號(hào)】G01N15/08GK205506639SQ201620289965
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年4月8日
【發(fā)明人】葛勤, 梁杏, 李靜, 龔緒龍, 陳乃嘉, 劉彥, 沈仲智, 鄧斌
【申請(qǐng)人】中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（武漢）