[发明专利]渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法

说明书

本发明公开了一种渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法，涉及水文地质技术领域，渗透实验装置包括：渗流系统、加压固结系统和智能监测系统，渗流系统用于对土样进行渗流实验；加压固结系统用于对渗流系统中的土样施加向下的压力以使其沉降并固结；智能监测系统用于监测实验过程中土样中不同位置处水的压力变化和位移变化。本发明还公开了一种渗透实验方法及渗透系数和流态的评估方法，因此，本发明提供的方案能够实现对固结过程中的土样进行渗透实验且可评估不同固结状态下地下水渗流流态，并计算含水层的渗透系数，提高结果的准确性。

技术领域

本发明涉及水文地质技术领域，特别是涉及一种渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法。

背景技术

渗透系数被用于反映空隙介质渗透能力，是定量评价地下水流动过程的主要物理参数。渗透系数指单位水力梯度下流体通过空隙介质的流速，与介质的孔隙度密切相关，主要通过室内渗透仪获取，并利用如下求解模型对渗透系数进行求解：

其中，k_i，j为i时段选取的压力传感器间样品的渗透系数；A为样品截面积；I_i，j为样品的水力梯度，Δp_i，j为样品任意两个压力传感器间的水压差，ρ为水的密度，g为重力加速度，ΔL_i，j为相应两个压力传感器间的距离。通过实测p_i，j和Q_i，带入公式可以获取k_i，j。

然而，现有的装置与渗透系数求解模型存在两个假设条件，第一，假设空隙介质的孔隙度是恒定的，未考虑土壤的固结过程，获取的渗透系数适用于近地表地层，而且地表无荷载(例如地表建筑)或者荷载是恒定的，事实上，根据有效应力原理，总应力等于孔隙水压力与有效应力之和，当地表荷载增加时总应力增加，有效应力也随之增加，导致介质体积被压缩，孔隙度变小，渗透系数变小；反之，介质体积膨胀，孔隙度变大，渗透系数变大，对于深部含水层，由上覆地层自重构成的总应力比较大，当地下水压力变小，介质体积被压缩，渗透系数变小。这两种作用都会造成土壤固结，引发地面沉降，威胁建筑物、地下管道等的安全性，尤其是黏土介质，第二，传统渗透试验装置假设地下水渗流满足达西定律，事实上，在同样的水力梯度下，不同孔隙度介质渗流规律可能不同，当孔隙度变小时，地下水可能参数低速非达西效应，当孔隙度变大时，地下水可能产生高速非达西效应。

地面沉降过程是缓慢且连续的，现有的渗透试验装置无法刻画该过程。为此，急需一种新方案来解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种渗透实验装置、方法及渗透系数和流态的评估方法，以解决上述现有技术存在的问题，实现对固结过程中的土样进行渗透实验且可评估不同固结状态下地下水渗流流态，并计算含水层的渗透系数，提高结果的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种渗透实验装置，包括：

渗流系统，所述渗流系统用于对土样进行渗流实验；

加压固结系统，所述加压固结系统用于对所述渗流系统中的土样施加向下的压力以使其沉降并固结；

智能监测系统，所述智能监测系统用于监测实验过程中土样中不同位置处水的压力变化和位移变化。

优选的，所述渗流系统包括样品腔、供水箱、平流泵和流量监测仪，所述样品腔的顶部和底部设置有透水石，两个所述透水石之间设置土样，所述样品腔顶部设置有进水口，底部设置有出水口，所述进水口和所述出水口处均设置有所述流量监测仪，所述平流泵能够通过管路将所述供水箱内的水泵至所述进水口；

所述加压固结系统包括伺服压力机与加压活塞，所述加压活塞位于上方的所述透水石上，所述伺服压力机能够驱动所述加压活塞向下压所述透水石；