一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置

摘要

本发明涉及一种非饱和土渗透‑扩散土柱试验装置，自下而上由土样桶、溶液桶、加载和变形控制装置三部分以及框架组成；所述加载和变形控制装置包括加载扳手、百分表、刚性加载板、辅助定向块、透水石；所述溶液桶包括进水孔、排水孔、溶液桶盖板；所述土样桶包括上陶土板、进气孔、下陶土板和出水收集管；本发明通过向土样桶施加气压控制土样饱和度，比通过流速控制更加精确和简单；使用本装置进行非饱和土渗透‑扩散试验时可以采用较大的水力梯度，与控制低流速的方法相比可以大大缩短试验历时；另外，溶液经过陶土板后向土样中渗透，不同土样饱和度下的渗透路径由土样桶内的气压值确定，因此土样上表面的入渗更加均匀。

权利要求

1.一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，其特征在于：自下而上由土样桶（12）、溶液桶（9）、加载和变形控制装置三部分以及框架（2）组成；所述加载和变形控制装置包括加载扳手（1）、百分表（3）、刚性加载板（5）、辅助定向块（7）、透水石（10）；所述溶液桶（9）包括进水孔（4）、排水孔（8）、溶液桶盖板（6）；所述土样桶（12）包括上陶土板（11）、进气孔（13）、下陶土板（16）和出水收集管（17）；所述加载扳手（1）安装在框架（2）上，加载扳手（1）的下端与刚性加载板（5）顶端相接触，一个百分表（3）安装在刚性加载板（5）的顶部，所述刚性加载板（5）穿过溶液桶盖板（6），通过O型圈密封，并通过辅助定向块（7）定位，刚性加载板（5）的底端与透水石（10）相接触，组成加载和变形控制装置；所述溶液桶盖板（6）与溶液桶（9）通过O型圈密封，溶液桶盖板（6）上设有进水孔（4），溶液桶（9）的侧壁上设有排水孔（8）；所述溶液桶（9）与土样桶（12）通过O型圈密封，所述土样桶（12）内放置被多孔橡皮膜（14）包裹的土样（15），在土样（15）的上下两端分别有上陶土板（11）和下陶土板（16），上陶土板（11）和下陶土板（16）与土样桶（12）侧壁通过O型圈密封，所述透水石（10）与上陶土板（11）紧密接触，所述下陶土板（16）放置于框架（2）的底部，在土样桶（12）的侧壁上设有进气孔（13），下陶土板（16）底部接出水收集管（17）。

2.根据权利要求1所述的非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，其特征在于：所述上陶土板（11）和下陶土板（16）为3Bar高进气值陶土板，陶土板饱和后微孔隙处在气压下形成弯液面，能够承受3个标准大气压而不被击穿，从而起到阻水阻气作用，同时，与土样（15）中饱水小孔隙相接触的陶土板微孔隙中无水气界面，从而保持畅通，允许溶液和溶质通过。

说明书

一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，属于非饱和土污染物迁移机理测试技术领域。

背景技术

[0002] 自然界地下水位以上的土体都以非饱和土的形式存在，地表污染物向地下水迁移的实质是其在非饱和土中的迁移，但由于非饱和土中溶质迁移比饱和土中复杂得多，当前对非饱和土中溶质迁移的研究并不多见。溶质在土壤中的迁移涉及渗透、扩散和吸附作用，而这些作用都受土壤饱和度的影响，非饱和土中进行溶质迁移试验的难点在于饱和度控制。

[0003] 传统的非饱和土柱对流-扩散试验采用精确控制低流速的方法进行试验，即通过较小且恒定的水力梯度精确控制试样中溶液流速小于饱和状态流速，从而控制溶质在某一固定饱和度下渗透和扩散，其原理为：土试样中相互连通的孔隙有大有小，土处于饱和度状态时所有孔隙中都充满水，饱和度降低后，大孔隙中的水排出，仅小孔隙中充满水，而溶液只能通过充水孔隙流动，因此随饱和度降低土样充水孔隙的平均尺寸减小，其透水能力也降低，每一饱和度都对应一个渗透系数。为避免渗透过程中土样饱和度增加，传统方法只能在很小的流速下进行试验，因此试验历时长，并且在非饱和状态下很难控制溶液从土样上表面均匀入渗，故试验难度大、误差大。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的缺陷，本发明目的在于提供一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，可精确控制土样到达某一饱和度并保证渗透-扩散试验过程中土样饱和度保持不变，从而测得溶质在该饱和度土样中的运移参数。

[0005] 为达到上述目的，本发明的构思是：

[0006] 本发明将土样置于上、下均有高进气值陶土板的土样桶中，通过控制向土样桶内施加的气压控制土样饱和度，且保证溶质在该固定饱和度下进行渗透和扩散，其原理为：土样桶内外存在气压差时，饱水的土孔隙和陶土板微孔隙中水与空气接触界面形成弯液面，此弯液面所能承受的气压差与孔隙直径有关，随气压差增大，土样大孔隙中的水被排出，而土样小孔隙中弯液面曲率变大从而继续与气压差平衡，同时顶部、底部陶土板中只有与土样充水小孔隙相接触的微孔隙透水，不与土样孔隙水接触部分的微孔隙不透水，且形成弯液面阻止空气通过，本发明中陶土板饱和后能承受3个标准大气压的气压差。因此不同的气压差与不同饱和度相对应，这一原理也是目前非饱和土持水特性测试的原理，通过在土样顶部增加一块陶土板，从而使上方溶液桶中的溶液只能通过该陶土板中与土样充水小孔隙相连通的微孔隙向下入渗，该陶土板的其余微孔隙在土样桶气压作用下起到隔水作用，这样，入渗时就可以采用较大的水力梯度，只需保证所施加的水头压力小于土样桶施加的气压值，因此除可精确控制土样饱和度外，试验历时也大大缩短。通常黏性土的饱和度降低常伴随体积收缩，因此在控制土样饱和度达到某固定值的过程中土样高度会小幅变化，若土样上表面与顶部陶土板脱离，则在气压差作用下顶部陶土板将完全阻止溶液桶溶液下渗，为此，本发明设置加载和变形控制系统，以保证达到固定饱和度后陶土板与土样紧密接触，从而保证渗透通道连续，同时，透水石和刚性加载板将平衡土样桶气压，减小作用于顶部陶土板上的弯矩从而起到保护作用。

[0007] 根据上述构思，本发明采用下述技术方案：

[0008] 一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，自下而上由土样桶、溶液桶、加载和变形控制装置三部分以及框架组成；所述加载和变形控制装置包括加载扳手、百分表、刚性加载板、辅助定向块、透水石；所述溶液桶包括进水孔、排水孔、溶液桶盖板；所述土样桶包括上陶土板、进气孔、下陶土板和出水收集管；所述加载扳手安装在框架上，加载扳手的下端与刚性加载板顶端相接触，一个百分表安装在刚性加载板的顶部，所述刚性加载板穿过溶液桶盖板，通过O型圈密封，并通过辅助定向块定位，刚性加载板的底端与透水石相接触，组成加载和变形控制装置；所述溶液桶盖板与溶液桶通过O型圈密封，溶液桶盖板上设有进水孔，溶液桶的侧壁上设有排水孔；所述溶液桶与土样桶通过O型圈密封，所述土样桶内放置被多孔橡皮膜包裹的土样，在土样的上下两端分别有上陶土板和下陶土板，上陶土板和下陶土板与土样桶侧壁通过O型圈密封，所述透水石与上陶土板紧密接触，所述下陶土板放置于框架的底部，在土样桶的侧壁上设有进气孔，下陶土板底部接出水收集管。

[0009] 所述上陶土板和下陶土板为3Bar高进气值陶土板，陶土板饱和后微孔隙处在气压下形成弯液面，能够承受3个标准大气压而不被击穿，从而起到阻水阻气作用，同时，与土样中饱水小孔隙相接触的陶土板微孔隙中无水气界面，从而保持畅通，允许溶液和溶质通过。

[0010] 本发明与现有技术相比，具有如下优点：

[0011] 本发明通过向土样桶施加气压控制土样饱和度，比通过流速控制更加精确和简单；在满足溶液桶中施加的水头压力小于土样桶所施加气压值的前提下，使用本装置进行非饱和土渗透-扩散试验时可以采用较大的水力梯度，与控制低流速的方法相比可以大大缩短试验历时；另外，溶液经过陶土板后向土样中渗透，不同土样饱和度下的渗透路径由土样桶内的气压值确定，因此土样上表面的入渗更加均匀。

[0012] 使用本发明装置进行试验，通过测量某饱和度下土样桶底部出口处的溶液通量可以计算该饱和度下土样的渗透系数，通过分析溶质出流浓度-时间曲线，可以推算溶质在该饱和度下的扩散系数和土样对该溶质的阻滞因子。通过改变土样桶的气压值重新试验，可测定不同饱和度下的溶质运移参数。本装置也可直接用于测定非饱和土渗透特性和持水特性。

附图说明

[0013] 图1为本发明装置的结构示意图。

具体实施方式

[0014] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

[0015] 如图1所示，一种非饱和土渗透-扩散土柱试验装置，自下而上由土样桶12、溶液桶9、加载和变形控制装置三部分以及框架2组成；所述加载和变形控制装置包括加载扳手1、百分表3、刚性加载板5、辅助定向块7、透水石10；所述溶液桶9包括进水孔4、排水孔8、溶液桶盖板6；所述土样桶12包括上陶土板11、进气孔13、下陶土板16和出水收集管17；所述加载扳手1安装在框架2上，加载扳手1的下端与刚性加载板5顶端相接触，一个百分表3安装在刚性加载板5的顶部，所述刚性加载板5穿过溶液桶盖板6，通过O型圈密封，并通过辅助定向块
7定位，刚性加载板5的底端与透水石10相接触，组成加载和变形控制装置；所述溶液桶盖板
6与溶液桶9通过O型圈密封，溶液桶盖板6上设有进水孔4，溶液桶9的侧壁上设有排水孔8；
所述溶液桶9与土样桶12通过O型圈密封，所述土样桶12内放置被多孔橡皮膜14包裹的土样
15，在土样15的上下两端分别有上陶土板11和下陶土板16，上陶土板11和下陶土板16与土样桶12侧壁通过O型圈密封，所述透水石10与上陶土板11紧密接触，所述下陶土板16放置于框架2的底部，在土样桶12的侧壁上设有进气孔13，下陶土板16底部接出水收集管17。

[0016] 所述上陶土板11和下陶土板16为3Bar高进气值陶土板，陶土板饱和后微孔隙处在气压下形成弯液面，能够承受3个标准大气压而不被击穿，从而起到阻水阻气作用，同时，与土样15中饱水小孔隙相接触的陶土板微孔隙中无水气界面，从而保持畅通，允许溶液和溶质通过。

[0017] 本发明装置的使用过程如下：

[0018] 首先，将土样15用多孔橡皮膜14包裹后置于土样桶12中，按图1将装置装配好，然后饱和土样15，通过进气孔13施加气压到指定值，一段时间后土样15排水结束达到指定饱和度，通过加载和变形控制装置加载产生向下的位移补偿土样15干缩量，使土样15与上陶土板11密切接触。通过进水孔4在溶液桶9中加入一定浓度的溶液并控制水头恒定，开始在该饱和度下的渗透-扩散试验，试验过程中通过进水孔4和出水孔8进行溶液循环从而保持溶液浓度恒定，不断从土样桶12底部出水收集管17收集溶液并测量出流浓度，最后，依据出流溶液量和出流浓度曲线计算溶质在非饱和土样中运移的渗透系数、扩散系数和非饱和土样对该溶质的阻滞因子。通过改变施加于土样桶12内的气压值重新试验，可测定不同饱和度下的溶质运移参数。