一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀的制作方法
【專利摘要】本實用新型屬于巖土性能測定領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，包括上下端均開口的不銹鋼圓柱桶、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定裝置，所述不銹鋼圓柱桶的下端開口處呈刀口狀，所述上蓋體及下蓋體通過若干雙頭螺栓壓緊在所述不銹鋼圓柱桶的上端和下端。本實用新型提供的低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀基于分子擴散交換方法，在原狀土中間鉆孔，形成儲水槽，在儲水槽內(nèi)注入含示蹤離子的水溶液，并與原始巖土孔隙水自由擴散，直至平衡，根據(jù)含示蹤離子的水溶液濃度隨時間的變化序列，推求巖土中溶質(zhì)的擴散系數(shù)。其用時較少，可以準確、迅速地獲得巖土的擴散系數(shù)。
【專利說明】
一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型屬于巖土性能測定領(lǐng)域，具體涉及一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定 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~萬分之幾，常規(guī)的 水力參數(shù)測定方法(如抽水試驗，注水法等)難以實施，而且水質(zhì)極易受到污染，采用經(jīng)驗值 或近似值(如用總孔隙度代替有效孔隙度），往往對溶質(zhì)運移的時空范圍評價存在較大誤 差。而在低滲透巖土中，溶質(zhì)運移以擴散為主，對流作用較弱，因此為了刻畫弱透水層孔隙 水的水鹽運移規(guī)律，評價和發(fā)揮低滲透介質(zhì)的屏障作用，擴散系數(shù)的測定是目前低滲透介 質(zhì)孔隙水研究以及污染物質(zhì)運移的重要參數(shù)。目前來說，傳統(tǒng)的擴散系數(shù)多采用穿透實驗 獲取，用時較長，不利于科學(xué)研究的進行。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 本實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長等不足，提供一 種可以實現(xiàn)快速準確測量低滲透巖土擴散系數(shù)的儀器裝置，具有操作簡單，費用低，多組分 同時測試的優(yōu)點。
[0004] 本實用新型解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案如下:一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定 儀，包括上下端均開口的不銹鋼圓柱桶、上蓋體、下蓋體、雙頭螺栓、封口塞、加壓裝置、鉆孔 裝置和離子濃度測定裝置，所述不銹鋼圓柱桶的下端開口處呈刀口狀，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 形儲液槽，所述儲液槽與所述不銹鋼圓柱桶同軸，所述儲液槽內(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 體的中部開設(shè)有與所述儲液槽連通的通孔，所述通孔上設(shè)置有可拆卸的封口塞，打開所述 封口塞可將所述離子濃度測定裝置的測定電極可通過所述通孔伸入所述儲液槽內(nèi)的所述 溶液中。所述不銹鋼圓柱桶的下端開口處呈刀口狀，可確保切取土樣時更省力且切取的土 樣與不銹鋼圓柱桶的桶體貼緊;所述不銹鋼圓柱桶，充當(dāng)測定擴散系數(shù)時的零能量面。
[0005] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實用新型還可以做如下改進。
[0006] 進一步，所述下蓋體的邊緣開設(shè)有若干帶有內(nèi)螺紋的螺孔，所述雙頭螺栓的下端 通過相應(yīng)螺孔與所述下蓋體螺紋連接，所述上蓋體的邊緣開設(shè)有供所述雙頭螺栓的上端穿 過的若干固定孔，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，確保水不會從圓柱桶的上端或下端流出，避免邊壁滲透的發(fā)生。
[0008] 進一步，所述儲液槽內(nèi)設(shè)置有上端開口的帶孔套筒，所述帶孔套筒由不銹鋼制成 且其與所述儲液槽的側(cè)壁及底壁均貼緊，所述帶孔套筒的側(cè)壁及底壁均開設(shè)有若干透水 孔，所述透水孔與所述儲液槽之間設(shè)置有濾紙。設(shè)置帶孔套筒和濾紙可有效保證實驗過程 中試樣結(jié)構(gòu)不發(fā)生變化，同時避免小顆粒土壤進入溶液中。
[0009] 進一步，所述帶孔套筒的側(cè)壁及底壁外均包裹有濾紙。
[0010]進一步，所述不銹鋼圓柱桶的高度為l〇-15cm、直徑為5-8cm，所述儲液槽的深度為 7_9cm、直徑為 2_3cm。
[0011] 進一步，所述加壓裝置為液壓機或切土機，所述鉆孔裝置為麻花鉆，所述離子濃度 測定裝置為精密離子儀。所述液壓機或切土機用來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] 本實用新型的有益效果是:本實用新型提供的低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀基于 分子擴散交換方法，在原狀土中間鉆孔，形成儲水槽，在儲水槽內(nèi)注入含示蹤離子的水溶 液，并與原始巖土孔隙水自由擴散，直至平衡，根據(jù)含示蹤離子的水溶液濃度隨時間的變化 序列，推求巖土中溶質(zhì)的擴散系數(shù)，其用時較少，可以準確、迅速地獲得巖土的擴散系數(shù)，克 服了傳統(tǒng)實驗產(chǎn)生的邊壁滲流、時間較長等問題，實用性較強，提高了測試效率。本裝置成 本低廉，操作簡單，實用性強，可推廣使用。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本實用新型提供的一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀的示意圖；
[0015] 圖2為本實用新型提供的測定儀測定過程中的擴散模型概化圖；
[0016] 圖3為不同擴散系數(shù)下儲液槽內(nèi)溶液濃度隨時間變化的模擬值與實測值對比。
[0017] 附圖中，各標號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。
【具體實施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖對本實用新型的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本實用 新型，并非用于限定本實用新型的范圍。
[0020] 如圖1所示，本實用新型提供一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，包括上下端均開 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 度測定裝置，所述不銹鋼圓柱桶1的下端開口處呈刀口狀，通過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 下伸展的圓柱形儲液槽，所述儲液槽與所述不銹鋼圓柱桶1同軸，所述儲液槽內(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的中部開設(shè)有與所述儲液槽連通的通孔，所述通孔上設(shè)置有封口塞 6，打開所述封口塞6可將所述離子濃度測定裝置的測定電極伸入所述儲液槽內(nèi)的所述溶液 中。
[0021] 在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本實用新型還可以做如下改進。
[0022] 進一步，所述下蓋體7的邊緣開設(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的邊緣開設(shè)有供所述雙頭螺栓4的 上端穿過的若干固定孔，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] 進一步，所述儲液槽內(nèi)設(shè)置有上端開口的帶孔套筒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)壁及底壁均開設(shè)有若干透 水孔，所述透水孔與所述儲液槽之間設(shè)置有濾紙。
[0025] 進一步，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,所述儲液槽的深度 為7_9cm、直徑為2_3cm。
[0027]進一步，所述加壓裝置為液壓機或切土機，所述鉆孔裝置為麻花鉆，所述離子濃度 測定裝置為精密離子儀。
[0028]本實用新型提供的低滲透性巖土擴散系數(shù)測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，利用 削土刀削去擴散儀兩端的余土，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，得儲液槽，槽深取 7-9cm左右；
[0031 ] 3.套筒:根據(jù)槽深，設(shè)計一個專用多孔套筒，周圍用濾紙緊密包裹，放入槽中，以避 免小顆粒土進入儲液槽，影響離子測試裝置的讀數(shù)；
[0032] 4.加液:在儲水區(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型橡膠密封圈對裝置進行固定、密封，避免水從上部或下 部流出；
[0034] 6.數(shù)據(jù)記錄:利用離子測試裝置讀取儲液槽內(nèi)溶液中示蹤離子的濃度，實驗前期 每天記錄4~5個數(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，達到 擴散平衡。
[0035]本實用新型提供的低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀的的測試原理如下：
[0036]低滲透介質(zhì)中控制溶質(zhì)運移的擴散方程(以極坐標的形式表示)為
W'V ⑴
[0038]式（I)中D*為有效擴散系數(shù)，也可表示為TDQ，DQ為自由水的擴散系數(shù)，c為土體孔隙 水中溶質(zhì)的濃度;r是以儲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軟件進行溶質(zhì)擴散模擬，利用實測值進行數(shù)據(jù)擬合，獲取試樣的有效 擴散系數(shù)D*。
[0047]巖土擴散系數(shù)測定實驗：
[0048] 基于以上方法和原理，使用本實用新型的裝置以天津塘沽地區(qū)G1孔101.2-101.5m 的粉質(zhì)粘土為例進行擴散系數(shù)測定實驗：
[0049] 試樣采集時，進行現(xiàn)場密封，4~5°C條件下保存。本實驗以氯離子為示蹤劑，介紹 本發(fā)明在低滲透巖土擴散系數(shù)測定中的應(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設(shè)儲液 槽，儲液槽深8cm，儲液槽內(nèi)注滿氯化鈉溶液，氯離子濃度為417.2mg/L，采用機械壓榨法獲 取試樣的孔隙水氯離子濃度為2041.53mg/L，氯離子的徑向擴散過程滿足方程（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 液槽的半徑，r。為試樣的半徑，如圖2所示。
[0057]采用comsol的擴散模塊進行數(shù)據(jù)擬合，依據(jù)4個不同的擴散系數(shù)D*，得出理論的儲 區(qū)濃度隨時間的變化曲線，如圖3所示。與實測值對比，結(jié)果表明當(dāng)試樣的有效擴散系數(shù)D* 為6.00E-10m/S時，儲液槽內(nèi)氯化鈉溶液濃度變化的實測值與理論模擬值吻合，則求出試樣 氯離子的有效擴散系數(shù)為6.00E-10m/ S。
[0058]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，并不用以限制本實用新型，凡在本實用 新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保 護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，其特征在于，包括上下端均開口的不銹鋼圓柱 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 定裝置，所述不銹鋼圓柱桶（1)的下端開口處呈刀口狀，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液槽，所述儲液槽與所述不 銹鋼圓柱桶（1)同軸，所述儲液槽內(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 開設(shè)有與所述儲液槽連通的通孔，所述離子濃度測定裝置的測定電極可通過所述通孔伸入 所述儲液槽內(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散系數(shù)測定儀，其特征在于，所述下蓋體 (7)的邊緣開設(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)的邊緣開設(shè)有供所述雙頭螺栓(4)的上端穿過的若干固 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散系數(shù)測定儀，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散系數(shù)測定儀，其特征在于，所述儲液槽 內(nèi)設(shè)置有上端開口的帶孔套筒(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)壁及底壁均開設(shè)有若干透水孔，所述透水孔與所述 儲液槽之間設(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散系數(shù)測定儀，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散系數(shù)測定儀，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任一項所述的一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，其特征在于， 所述加壓裝置為切土機或液壓機。8. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，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任一項所述的一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，其特征在于， 所述離子濃度測定裝置為精密離子儀。10. 根據(jù)權(quán)利要求1至6任一項所述的一種低滲透性巖土擴散系數(shù)測定儀，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】G01N15/08GK205506639SQ201620289965
【公開日】2016年8月24日
【申請日】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
【申請人】中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）