专利名称：多功能砂柱水气渗流试验仪的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种室内包气带流体运移测定装置，尤其是可同时测定包气带水气二相渗流参数和模拟一维水气二相流的多功能实验装置。
背景技术：
包气带是地面以下、地下水面以上的土壤和岩石空间，既包含水、又包含空气，是联结地表环境和岩石圈的纽带，也是陆地植物生态系统 的基础。在水利工程、水土保持、生态环境、地质工程等领域，包气带都是关键研究对象。包气带是由气、液、固三相物质组成的体系，水在其中的运动实质是水气两种互不混溶的流体在孔隙中相互驱替的过程。但是传统的包气带试验研究偏重于水相，往往忽略空气流动。实际上空气与水的运动是彼此相互影响的。近年来，包气带水分和空气的耦合渗流机制在科学界和工程界都越来越受到重视。在传统的土壤水动力学领域，为了测定包气带水分运移参数、研究土壤水转化机理，需要借助一定的实验仪器。其中，砂柱是使用最广泛的室内试验装置，如给水度仪就是一种测定土壤释水过程参数的砂柱试验装置。但是，传统的砂柱试验装置结构简单、目的单一，难以适应较为复杂的科学实验需求。例如，使用普通砂柱难以测定土壤水分特征曲线、而往往不得不使用昂贵而耗时费力的压力膜仪。此外，普通砂柱装置也无法观测水、气二相流过程。
发明内容本实用新型的目的在于提供一种操作方便、精度可靠、实现自动化，可同时测定包气带水相、气相基本参数和模拟一维水气二相流的多功能砂柱水气渗流试验仪。为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是一种多功能砂柱水气渗流试验仪，它包括支架19，固定于支架上的试样有机玻璃柱8和变径装置，试样有机玻璃柱8上设有10个测压孔I，一乳胶管4的两端分别与试样有机玻璃柱8上的一测压孔I和可拆卸细玻璃管2相连通，另一乳胶管4的两端分别与试样有机玻璃柱8上的一测压孔I和传感器保护罩6相连通，BARO DIVER 5位于传感器保护罩6内，试样有机玻璃柱8的上端设有气压调节装置10，试样有机玻璃柱8的下端设有底座9，底座9下端设有接口 16 ;变径装置包括细玻璃管13和底座18，变径装置细玻璃管13顶部设有防蒸发盖15，变径装置底座18中装有MINI DIVER 12，变径装置底座18下端设有接口 16，接口 16上装有控制阀门17，乳胶管11的两端分别与试样有机玻璃柱底座9的进水口 16和变径装置底座18的出水口 16连通。所述的细玻璃管2是可拆卸的，与测压孔I连接的数量和位置可根据实际情况进行灵活组合。所述的传感器保护罩6中可放入BARO DIVER 5以连续自动测定砂柱包气带中气压的变化，其在保证试样有机玻璃柱8中的气压与传感器保护罩6中的气压一致的同时可避免BARO DIVER 5直接与砂样和水接触，从而对BARO DIVER 5起到保护作用。所述的试样有机玻璃柱底座9可作为缓冲区，避免进水时冲击砂样造成管涌。气压调节装置10的左侧设有溢水孔，气压调节装置10的上端设有气孔，可以进气也可以排气，气孔通过乳胶管与气体流量计相连便可获知气体流量，这两个孔可根据试验需要灵活开关以控制砂柱密闭与否。气压调节装置10和底座9通过法兰、螺栓与有机玻璃柱主体连接。所述的变径装置既可作为注水装置，又可作为释水装置，上端细玻璃管13的管径为l_5cm，砂柱中水位的细微变化便可通过其得以放大，方便观测；下端底座18的管径为5-7cm，可装入MINI DIVER 12以自动连续测定变径装置中水位的变化，同时在进水时可起到缓冲作用。此外，细玻璃管13上设有高度标志14，顶部设有防蒸发盖15，底部设有螺纹接口与底座18对接，可根据试验的具体要求灵活更换为所需直径的玻璃管。所述的接口 16既可以进水，也可以出水。试样有机玻璃柱8和变径装置13、18都固定于支架19上，支架19上的挡板可根 据实际需要灵活调节高度。本实用新型采用BARO DIVER 5测定气压的变化，MINI DIVER 12测定水位的变化，实现自动连续观测，从而方便精确得了解包气带气压的变化及其与潜水水位的关系。通过气压调节装置10可控制砂柱的气密性，方便连接流量计以实现测定或控制气体流量。采用变径装置13、18，具有测定方便，精度高，灵活性强的特点。采用传感器保护罩6，在保证测定目标的同时可对传感器起到保护作用。本实用新型结构简单，操作方便，精度可靠，可以获取土壤水分特征曲线进气值，包气带气压的瞬间变化值等常规试验难以测定的参数，减小由于试样尺寸小对实验造成的误差；实现自动化，节省人力，减小人为误差，保证实验数据的连续性和精确性；可开展多种实验类型，测定土壤水分特征曲线，渗透系数等水气二相流基本参数，模拟一维水气二相流过程，解决了传统实验装置结构固定，目的单一的问题，具有广泛的应用前景和继续开发的潜力。
图I为本实用新型的结构示意图图中1_测压孔，2-可拆卸细玻璃管，3-实验夹，4-乳胶管，5-BAR0 DIVER，6_传感器保护罩，7-试样，8-试样有机玻璃柱，9-底座，10-气压调节装置，11-乳胶管，12-MINIDIVER, 13-变径装置细玻璃管，14-刻度，15-防蒸发盖，16-接口，17-控制阀门，18-变径装置底座，19-支架；图2为图I的传感器保护罩6放大图；图3为图I的变径装置13、18放大图；图4a为本实用新型实施例I中van Genuchten公式拟合实测土壤水分特征曲线；图4b为本实用新型实施例I中压力膜仪法与砂柱试验结果对比图；图5a为本实用新型实施例2中砂柱进水时包气带正压随时间的变化；图5b为本实用新型实施例2中干湿细砂的砂柱进水曲线对比图。
具体实施方式
如图I所示，多功能砂柱水气渗流试验仪包括可拆卸细玻璃管2，传感器保护罩6，试样有机玻璃柱8和变径装置，试样有机玻璃柱8上设有10个测压孔1，一乳胶管4的两端分别与试样有机玻璃柱8上的一测压孔I和左侧可拆卸细玻璃管2相连通，另一乳胶管4的两端分别与试样有机玻璃柱8上的一测压孔I和传感器保护罩6相连通，试样有机玻璃柱8的上端为气压调节装置10，气压调节装置10左侧设有溢水孔，上端设有气孔，试样有机玻璃柱8的下端为底座9，底座9的两侧分别设有接口 16，接口 16上设有阀门17。使用时，试样7装于有机玻璃柱8内。变径装置包括细玻璃管13和底座18，细玻璃管13上设有高度标志14，细玻璃管13的顶端设有防蒸发盖15，细玻璃管13的下端设有螺纹接口与底座18对接，底座18的两侧分别设有接口 16，接口 16上设有阀门17。使用时，将MINI DIVER 12装入底座18后，通过变径螺纹接口将底座18与细玻璃管13相连通。乳胶管11的两端分别与试样有机玻璃柱底座9的进水口 16和变径装置底座18的出水口 16相连通。有机玻璃柱8和变径装置13、18都固定于支架19上。所述的传感器保护罩6中可放入BARO DIVER 5，通过乳胶管4与试样有机玻璃柱8上的一测压孔I相连。下述实施例I测定土壤水分特征曲线不需要启用该装置，它主要用 于水气二相流的模拟。所述的可拆卸细玻璃管2与测压孔I连接的数量和位置可根据试验需要进行灵活组合。若测定饱和渗透系数则需将多个测压孔I分别通过乳胶管4与可拆卸细玻璃管2连接，以测定试样有机玻璃柱不同高度处的水头；若测定土壤水分特征曲线，则不需要启用测压孔I和细玻璃管2，将测压孔I全都密封；若开展本实施例中的水气二相流模拟，则不需要启用可拆卸细玻璃管2。此外，可拆卸细玻璃管2可固定于实验夹3上或依次排列固定于木板上。所述装置各部件之间均采用乳胶管连接。以下通过具体实施例子详细说明本实用新型的实施，目的在于帮助理解本实用新型的特征和实质，但不作为对本实用新型实施范围的限定。实施例I- 土壤水分特征曲线(I)将均质粗砂试样7分层均匀地装入有机玻璃柱8内，每装一层均用捣棒轻轻捣实，以保证试样均匀密实。(2)关闭有机玻璃柱底座9上的出水口 16，打开有机玻璃柱底座9上的进水口 16和变径装置底座18的出水口 16以保证有机玻璃柱与变径装置相连通，打开变径装置底座18的进水口 16向变径装置缓慢供水，待水位上升IOcm后，关闭变径装置底座18的进水口16，使得水从有机玻璃柱底座9缓慢进入砂样中。待水位稳定后，再次供水，重复上述步骤，使得有机玻璃柱8中的砂样慢慢饱和，排出空气。当砂子顶面有一薄层水时停止供水，此时砂柱完全饱和，静置几小时。(3)关闭有机玻璃柱底座9上的进水口 16，打开变径装置底座18的进水口 16，控制进水口处的流量使得细玻璃管13水位缓慢匀速下降1cm，关闭变径装置底座18的进水口16，打开有机玻璃柱底座9上的进水口 16，使有机玻璃柱8向变径装置自由排水。(4)当细玻璃管13中的液面趋于稳定时即MINI DIVER 12的数据保持不变，记录下此刻细玻璃管13水位高度，它等于此刻有机玻璃柱8中自由面的高度。前后水位差与变径装置玻璃管13内截面积的乘积，即为有机玻璃柱8向变径装置所排水量。(5)重复第(3)、(4)步。当接近残余含水量时，细玻璃管13水位下降幅度可逐渐增大至Ij 10cm。(6)根据公式0 H_h = 0 s_ A V/ (A A h)，只要测定了自由面高度变化A h和排水量A V，就可以得到吸力S = H-h时的含水率，其中，H为有机玻璃柱的总长度(cm)，h为自由面的高度(cm)，9 s为饱和含水率(cm3/cm3)，A为砂柱内截面积(cm2)。测试结果如图4所示，图4a为粗砂含水率与吸力关系的散点图，如图4a所示，粗砂的土壤水分特征曲线呈现“S”形,进气值为6cm,采用van Genuchten公式拟合实测数据得到拟合的参数为 0r = O.O6，0S = 0.41, a = 0.087501^,11 = 3.3891 图 4b 为砂柱实验与压力膜仪所测数据的对比图，如图4b所示，两种方法测定的土壤水分特征曲线趋势
一致，近乎于平行状态。压力膜仪的数据验证了该砂柱实验装置测定土壤水分特征曲线的可行性。两种试验方法所测数据的差异主要来源于压力膜仪法中土壤样品的容重在不断增大，由此推导的体积含水率小于真实值。此外，砂柱实验可测得压力膜仪法难以测定的土壤水分特征曲线进气值。因此，砂柱实验测定的土壤水分特征曲线更接近于实际，具有原理简单、准确度较高、成本低的优势。实施例2-水气二相流模拟将变径装置细玻璃管13更换为大管径的玻璃管，将试样有机玻璃柱8自顶端起的第二个测压孔I作为通气孔，便于饱和砂样时空气的顺利流出。将通气口下方IOcm处的测压孔I通过乳胶管4与传感器保护罩6连通，连通之前，将BARO DIVER 5放入传感器保护罩6中，其余装置同上述实施例I。(I)将均质粗砂试样7分层均匀地装入有机玻璃柱8内，每装一层均用捣棒轻轻捣实，以保证试样均匀密实，粗砂装至与通气口同高后，在粗砂上面铺一层2cm厚的干细砂。(2)打开通气口，关闭有机玻璃柱底座9上的出水口 16，打开有机玻璃柱底座9上的进水口 16和变径装置底座18的出水口 16以保证有机玻璃柱与变径装置连通，打开变径装置底座18的进水口 16往变径装置缓慢注水，待水位上升Icm后，停止供水，使得水从有机玻璃柱底座9缓慢进入砂样7中。待水位稳定后，再次供水，重复上述步骤使得有机玻璃柱砂样慢慢饱和。当有机玻璃柱8中的水位上升至较低水平(25cm)时，关闭变径装置的进水口 16，静置几小时待有机玻璃柱8和变径装置玻璃管13中的液面趋于稳定。由于整个饱和过程通气口都是打开的，因此，包气带与大气相通，整个包气带中的气压均为大气压。(3)关闭通气口，关闭变径装置底座18上的出水口 16，打开变径装置底座18上的进水口 16，继续往变径装置注水使得水位上升至一个较高的水平(100cm)，随后关闭变径装置底座18上的进水口 16。(4)同步启动BAR0DIVER 5和MINI DIVER 12分别记录包气带中气压的变化和变径装置中水位的变化。打开变径装置底座18上的出水口 16，使得变径装置底座9慢慢向砂柱排水，待变径装置中水位不再下降时，实验结束。(5)将试样有机玻璃柱顶层的干细砂更换为2cm厚的湿细砂，重复上述步骤(I)至⑷。测试结果如图5所示，图5a为砂柱(湿细砂)进水时包气带正压随时间的变化，由图可知，当开始进水以后，砂柱包气带中的正压迅速增大，在23s时达到最大值24. 2cm水柱，然后逐渐减�。�1265s以后，正压值几乎为零即砂柱包气带中的气压等于外界大气压。这一现象与实际相符，当潜水面上升时，包气带孔隙中的空气被水流趋替。由于地表存在低渗透层阻碍空气的顺利流出，空气的流出滞后于潜水面的上升，空气可以占据的孔隙体积减小而受到挤压，包气带中的气压便会高于大气压即产生正压。当空气开始排出时，正压值达到最大。随着空气排出越来越多，包气带中的正压便会慢慢减�。敝料�。当砂柱上层细砂为干砂时，空气可以顺利进出包气带，因此包气带的气压基本等同于外界大气压，没有观测到正压现象。图5b为干湿细砂的砂柱进水曲线对比图，由图可知，当开始进水后，累积进水量迅速增加，随后增加速度减缓，最后趋于稳定。在同一时刻，湿细砂的进水量要小于干细砂的进水量，湿细砂的进水速率要小于干细砂的进水速率，这是由于湿细砂的存在阻碍了空气的顺利流出和水流的顺利进入，这一现象与实际相符。当然，基于本实用新型的灵活性和多功能性，还可有其他多种实施例，熟悉本领域 的技术人员可基于本实用新型作出相应的改变，但这些相应的改变应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。
权利要求1.多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是包括支架(19)，固定于支架上的试样有机玻璃柱(8)和变径装置，试样有机玻璃柱(8)上设有10个测压孔(I)，一乳胶管(4)的两端分别与试样有机玻璃柱⑶上的一测压孔⑴和可拆卸细玻璃管⑵相连通，另一乳胶管(4)的两端分别与试样有机玻璃柱⑶上的一测压孔(I)和传感器保护罩(6)相连通，BARODIVER(5)位于传感器保护罩￠)内，试样有机玻璃柱(8)的上端设有气压调节装置(10)，试样有机玻璃柱(8)的下端设有底座(9)，底座(9)下端设有接口(16);变径装置包括细玻璃管(13)和底座(18)，变径装置细玻璃管(13)顶部设有防蒸发盖(15)，变径装置底座(18)中装有MINI DIVER(12)，变径装置底座(18)下端设有接口(16)，接口 (16)上装有控制阀门(17)，乳胶管(11)的两端分别与试样有机玻璃柱底座(9)的进水口(16)和变径装置底座(18)的出水口(16)连通。
2.根据权利要求I所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的细玻璃管(2)是可拆卸的，与测压孔(I)连接的数量和位置可根据实际情况进行灵活组合。
3.根据权利要求I所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的传感器保护罩(6)在保证试样有机玻璃柱(8)中的气压与传感器保护罩(6)中的气压一致的同时可避免BARO DIVER (5)直接与砂样和水接触，从而对其起到保护作用。
4.根据权利要求I所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的试样有机玻璃柱(8)的下端设有底座(9)，上端设有气压调节装置(10)，通过法兰、螺栓与有机玻璃柱主体连接。
5.根据权利要求4所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的气压调节装置(10)左端设有溢水孔，上端设有气孔，通过乳胶管可与气体流量计相连从而获知气体流量，这两个孔可根据试验需要灵活开关以控制砂柱密闭与否；底座(9)可作为缓冲区，避免进水时冲击砂样造成管涌。
6.根据权利要求I所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的变径装置包括细玻璃管(13)和底座(18)两部分，细玻璃管(13)上设有高度标志(14)，顶部设有防蒸发盖(15)，底部设有螺纹接口与底座(18)对接，可根据试验的具体要求灵活更换为所需直径的玻璃管。
7.根据权利要求6所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的细玻璃管(13)管径为l-5cm，砂柱中水位的细微变化便可通过其得以放大，从而便于观测。
8.根据权利要求6所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的变径装置底座(18)玻璃管管径为5-7cm，可装入MINI DIVER(12)传感器，同时在进水时可起到缓冲作用。
9.根据权利要求I所述的多功能砂柱水气渗流试验仪，其特征是所述的支架(19)上的挡板可根据实际需要灵活调节高度。
专利摘要本实用新型提供了一种研究包气带水气运移的多功能砂柱水气渗流试验仪，可测定包气带基本参数和模拟一维二相流。实验装置主要包括试样有机玻璃柱(8)和变径装置，试样有机玻璃柱(8)上端设有气压调节装置(10)，下端设有底座(9)，柱体上设有10个测压孔(1)，乳胶管(4)的一端与一测压孔(1)相连通，乳胶管(4)的另一端可选择性得与可拆卸细玻璃管(2)或传感器保护罩(6)相连通，BARO DIVER(5)位于传感器保护罩(6)中，乳胶管(11)的两端分别与有机玻璃柱进水口(16)和变径装置出水口(16)相连通，变径装置上半部分为细玻璃管(13)，变径装置下半部分为底座(18)，MINI DIVER(12)位于变径装置底座(18)中。本实用新型具有结构简单，测定准确，可实现自动化和进行多种实验类型的特点。
文档编号G01N7/00GK202471557SQ20112048628
公开日2012年10月3日 申请日期2011年11月30日 优先权日2011年11月30日
发明者王旭升, 董佩, 钱静, 陈添斐 申请人:中国地质大学(北京)
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