[發(fā)明專利]原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置及其實驗方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202110007044.7
• 申請日: 2021-01-05
• 公開（公告）號: CN112782054A
• 公開（公告）日: 2021-05-11
• 發(fā)明（設計）人: 鐘衛(wèi);賀拿;張帥
• 申請（專利權）人: 中國科學院水利部成都山地災害與環(huán)境研究所
• 主分類號: G01N15/08
• 分類號: G01N15/08
• 代理公司: 成都方圓聿聯(lián)專利代理事務所(普通合伙) 51241
• 代理人: 李鵬

1.原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置，其特征在于，包括入滲系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)；動力系統(tǒng)為野外試驗提供電源；供水系統(tǒng)為整個系統(tǒng)提供水源，并監(jiān)測試驗過程中的用水總量；水位控制系統(tǒng)用來調節(jié)水頭大小，入滲系統(tǒng)測出土體在不同的水量條件下其垂直穩(wěn)定下滲率及滲透系數(shù)。

2.根據(jù)權利要求1所述的原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置，其特征在于，所述入滲系統(tǒng)包括同軸心線安裝的大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)，大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)的側壁均留有測壓孔(18)；

水位控制系統(tǒng)包括有機玻璃筒(11)，有機玻璃筒(11)側壁上設有水位線(13)，有機玻璃筒(11)內還設有水位控制器(12)；水位控制系統(tǒng)放置在可升降的底座(14)上；水位控制系統(tǒng)側壁安裝有刻度尺(23)；

所述供水系統(tǒng)包括水泵(3)、總水箱(5)、第一分水箱(91)、第二分水箱(92)；第一分水箱(91)、第二分水箱(92)分別經(jīng)輸水管與總水箱(5)連接；第一分水箱(91)經(jīng)輸水管分別與水位控制系統(tǒng)和小圓環(huán)(16)相連，第二分水箱(92)經(jīng)輸水管與大圓環(huán)(15)相連；

動力系統(tǒng)包括發(fā)電機(1)，動力系統(tǒng)與供水系統(tǒng)的水泵(3)通過輸電線(2)相連。

3.根據(jù)權利要求1所述的原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置，其特征在于，所述供水系統(tǒng)中，所述的輸水管上均設有排水閥(8)、流量計(10)；總水箱(5)、第一分水箱(91)、第二分水箱(92)上均設有壓力表(6)、壓力調節(jié)閥(7)。

4.根據(jù)權利要求1所述的原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置，其特征在于，所述入滲系統(tǒng)中大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)分別有多個，多個大圓環(huán)(15)或多個小圓環(huán)(16)分別通過橡皮套環(huán)(20)連接；大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)側壁均焊有錘擊墊(17)。

5.根據(jù)權利要求1所述的原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置，其特征在于，所述入滲系統(tǒng)還包括測壓管(21)、橡皮塞(19)、溫度計(22)；溫度計(22)懸掛于小圓環(huán)(16)的內側，進行穩(wěn)定下滲試驗時，橡皮塞(19)封堵大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)的測壓孔(18)；進行常、變水頭滲透試驗時，取下橡皮塞(19)，將測壓管(21)與測壓孔(18)連接。

6.根據(jù)權利要求1到5任一項所述的原位土體穩(wěn)定水文特征參數(shù)測定實驗裝置的實驗方法，其特征在于，依次包括以下步驟：

(一)垂直穩(wěn)定下滲率試驗：

(1)、在泥石流源區(qū)選擇合適場地作為試驗地點，將大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)側壁的測壓孔(18)用橡皮塞(19)進行封堵，先將小圓環(huán)(16)打入土體中，隨后在將大圓環(huán)(15)打入土體內部，大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)圓心重合，以確保小圓環(huán)(16)周圍的土體及水分條件一致，若所需測定的土體厚度較大，可依次將小圓環(huán)(16)打入土體中，并通過橡皮套環(huán)(20)將相鄰的小圓環(huán)(16)進行密封，防止側滲，影響試驗精度；隨后將大圓環(huán)(15)打入土中，也通過橡皮套環(huán)(20)進行密封；

(2)、將第一分水箱(91)的出水管放置在小圓環(huán)(16)內部，將第一分水箱(91)的出水管放置在大圓環(huán)(15)內部，通過金屬支架對水管進行固定，為入滲系統(tǒng)供水；

(3)、關閉第一分水箱(91)與水位控制系統(tǒng)的排水閥，同時打開第一分水箱(91)及第二分水箱(92)與入滲系統(tǒng)相連的排水閥，分別為小圓環(huán)(16)和大圓環(huán)(15)注水，根據(jù)不同區(qū)域的雨量條件及土體滲透性，推算供水量的大小，通過第一分水箱(91)出水管處的流量計分析計算供水量，根據(jù)Q＝V×A×t計算垂直穩(wěn)定下滲率，式中：Q為t時間內的供水量，A為小圓環(huán)的橫截面面積，t為供水時間；

(二)常水頭滲透試驗

常水頭滲透試驗適用于透水性強的粗粒土，選取場地后，在現(xiàn)場取樣，室內測定土體的含水率及顆粒組成特征，確定土體的歸類，從而開展；試驗；根據(jù)土體的最大粒徑，考慮尺寸效應，選擇相應的大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)，將大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)側壁測壓孔(18)的橡皮塞(19)取出，將測壓管(21)與測壓孔(18)連接好，測壓孔(18)處貼上透水紗布，防止細顆粒堵塞測壓孔，影響測壓管內的液面上升情況；根據(jù)土層的厚度，選擇大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)個數(shù)，依次將大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)打入土中，拼接的大圓環(huán)(15)或小圓環(huán)(16)之間通過橡皮套環(huán)(20)進行密封；關閉第一分水箱(91)及第二分水箱(92)與入滲系統(tǒng)之間的排水閥；打開第一分水箱(91)與水位控制系統(tǒng)之間的閥門，打開水位控制系統(tǒng)上的排水閥；將水位控制系統(tǒng)放置于可升降的底座(14)上，根據(jù)雨量條件調節(jié)底座的高度，從而調整水頭的大小，并控制水頭高度在試驗過程中不變，確保整個試驗在常水頭條件下進行；測壓管(21)讀出試驗過程中的水頭損失，根據(jù)達西定律計算出原位土體的滲透系數(shù)；用溫度計(22)測量試驗水溫，據(jù)此計算出20攝氏度條件下的滲透系數(shù)；

(三)變水頭滲透試驗

變水頭滲透試驗適用于透水性弱的細粒土；在野外取樣，在室內烘干后進行顆分試驗，若土體為細粒土，則根據(jù)變水頭滲透試驗測定土體的滲透系數(shù)；將第一分水箱(91)及第二分水箱(92)與入滲系統(tǒng)連接的排水閥關閉，打開第一分水箱(91)與水位控制系統(tǒng)之間的排水閥，關閉水位控制系統(tǒng)上的排水閥；將橡皮塞(19)取出，安裝上測壓管(21)，在測壓孔(18)處貼上透水紗布，防止細顆粒堵塞測壓孔，影響測壓管(21)內的液面上升高度；將大圓環(huán)(15)、小圓環(huán)(16)打入土體中；通過供水系統(tǒng)為水位控制系統(tǒng)注滿水，結合當?shù)氐挠炅織l件調整可升降的底座(14)的高度進而控制初始水頭大小，隨后開始試驗；試驗開始后通過有機玻璃筒(11)的水位線(13)讀取一定時間段內水位的下降高度，讀取測壓管(21)內的水位，根據(jù)公式計算滲透系數(shù)；式中：a為有機玻璃筒(11)的橫截面面積，L為是大圓環(huán)(15)或小圓環(huán)(16)內試樣的厚度，A為大圓環(huán)(15)或小圓環(huán)(16)的截面面積，h₁、h₂為測壓管(21)內的液面高度。