[发明专利]测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法

说明书

本发明提出测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法，所述土柱装置包括供气装置、测量装置、尾气处理装置和数据采集装置；所述测量装置包括柱形容器；所述柱形容器内腔中以分层的方式装载多种土样；各层土样之间的分界面处设有与数据采集装置相连的传感器组件；所述柱形容器的底部以进气阀门与供气装置相通；本发明所述技术方案只需获得测量点及其相邻点的气压与示踪气体浓度，代入气体渗透与扩散系数的计算公式，即可获得土样在不同含水量与吸力下的气体渗透与扩散系数。本发明操作简单，计算方便，能够获得土样在不同含水量与吸力下的气体渗透与扩散系数，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及环境岩土工程技术领域，尤其是测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法。

背景技术

气体是非饱和土的重要组成部分，评价非饱和土体中气体的运移具有重要的科学和工程应用价值。例如含甲烷与臭气的污染性填埋气在城市生活垃圾填埋场中的运移，直接影响填埋场污染性填埋气排放；污染土体修复研究涉及的挥发性有机污染物气体在非饱和土中的运移，直接影响污染土体的修复效果；煤层中的瓦斯气体在地下土层中的迁移，直接影响地下采煤工程的安全。气体渗透系数和扩散系数是气体在非饱和土中运移的关键控制参数，有必要测量非饱和土体的气体扩散系数和渗透系数，为揭示污染性气体在土体中的运移机理提供基本参数，为实际工程建设提供科学指导。

目前已有测量非饱和土体气体渗透系数和扩散系数的试验装置，这些装置具有以下缺点：(1)需要通过复杂的解析解或者数值模拟对测量结果进行非线性拟合，才能确定气体渗透系数与扩散系数，计算过程复杂且繁琐，难以在工程中广泛应用；(2)土样较小(一般高度小于15cm)，无法考虑现场土体不均匀性对测量结果的影响，且测量过程中，需要施加远大于实际工况的气体压力梯度，无法反映实际工况下的气体运移情况，使得测量结果与实际值存在偏差；(3)试验过程中无法监控同一个试样含水量与吸力变化，无法基于同一个试样测量不同含水量与吸力下的非饱和土体气体渗透系数与扩散系数。

发明内容

本发明提出测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置及方法，可通过测量气体气压与示踪气体浓度随土柱高度的分布，代入气体渗透系数与扩散系数的计算公式，即可分别得到非饱和土体的气体渗透系数与扩散系数；可基于同一个试样，测量土体含水量与吸力变化，从而测量不同含水量与吸力下的土体的气体渗透系数与扩散系数。

本发明采用以下技术方案。

测量非饱和土体气体渗透及扩散系数的土柱装置，所述土柱装置包括供气装置、测量装置、尾气处理装置和数据采集装置；所述测量装置包括柱形容器(6)；所述柱形容器内腔中以分层的方式装载多种土样；各层土样之间的分界面处设有与数据采集装置相连的传感器组件；所述柱形容器的底部以进气阀门(5)与供气装置相通。

所述柱形容器顶部封闭，柱形容器顶部以排气阀门(14)、气体体积流量计(15)与尾气处理装置相通；所述尾气处理装置包括尾气吸收塔(16)。

所述土样之间的分界面为测量装置的测量截面(100)；所述传感器组件包括含水量传感器(8)、张力计(9)、示踪气体浓度传感器(10)和气体压强传感器(11)。

所述供气装置包括贮气瓶(1)；所述贮气瓶与柱形容器进气阀门之间的连接气路上顺序设有减压阀(2)、调压阀(3)和流量控制器(4)。

所述数据采集装置包括数据采集器(17)和电脑(18)。

所述柱形容器内腔中的土样放置于多孔板(7)上；所述多孔板下方设置柱形容器的进气阀；当土柱装置进行测量作业时，所述供气装置可向测量装置供应体积浓度为5％-10％的示踪气体。

所述柱形容器和多孔板均以亚克力材料成型。

所述柱形容器的顶部、中部和底部之间以密封橡胶圈(12)和连接螺栓(13)连接。

所述测量方法采用以上所述的土柱装置，测量方法包括以下步骤；