CN109060598B - 一种充填裂隙溶质运移监测试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种充填裂隙溶质运移监测试验装置及方法，适用于充填裂隙介质溶质运移监测与识别。包括充填裂隙模型及监测装置。所述的充填裂隙模型由模型主体、供/出水及稳流装置、监测装置，通过对平行光滑裂隙模型主体充填河砂模拟充填裂隙，在裂隙上布设Ag‑AgCl电极，通过监测装置检测裂隙内因为溶质运移引起充填裂隙自然电位参数的动态变化来分析不可视裂隙内的溶质运移状态，为地下介质溶质污染监测、评价及预测提供依据，其方法具有高效、便捷，可操作性强的特点。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种充填裂隙溶质运移监测试验装置及方法，尤其适用于裂隙介质内的溶质运移过程状态的监测及污染程度、状况评价，属于地下水环境污染的监测治理领域。
背景技术
随着人类活动不断向地下深入，各种污染对地下深部裂隙水的威胁也逐渐加重。裂隙介质中的溶质运移问题受到极大的重视，并成为地质工程、油气工程、环境工程等领域水环境科学研究的热点问题。天然岩体裂隙往往充填有砂、泥等孔隙物质，充填物的存在将显著的改变裂隙中水流和溶质运移特性。目前，关于裂隙地下水溶质运移过程监测与识别方面，主要还是取样测试与示踪技术，但这很难反映裂隙内部的渗流状态、不同部位的渗流差异性以及溶质运移的实时动态特征。自然电位在地下水渗流和溶质运移反演分析与识别方面具有显著的优势。因此，急需研发适用于充填裂隙溶质运移动态监测试验装置，获取充填裂隙溶质运移便捷、无损监测识别方法，为充填裂隙岩体溶质运移问题的研究提供新思路和手段。
发明内容
本发明的目的是提供一种简单便捷、可操作性强、成本低廉、对监测介质无损坏、监测效果良好的充填裂隙溶质运移监测试验装置及方法。
为实现上述目的，本发明的充填裂隙溶质运移监测***监测***，包括模型主体、供/出水及稳流装置、监测装置；其中模型主体两端分别设有可拆卸供/出水及稳流装置，模型主体通过数据传输导线连接有监测装置；
所述模型主体包括裂隙模型,裂隙模型包括两块平行设置的有机玻璃板，两块有机玻璃板之间留有裂隙贯通左右，裂隙中设有充填物，上下利用有机玻璃板盖住塑封并固定，在其中一块有机玻璃板上设置一排间距相等的七个大小相同的电极孔，每个电极孔内均设置Ag-AgCl电极并固定塑封，Ag-AgCl电极尾端通过数据传输导线与监测装置相连接，用于监测裂隙内溶质运移，在距进水端缓冲箱20mm处设置溶液注射口，用于注入氯化钠溶液；
所述的供/出水及稳流装置包括进水***和出水***，进水***包括进水槽、出水槽、进水端缓冲箱和出水端缓冲箱装置；进水槽内垂直设有第一溢流挡板，第一溢流挡板将进水槽内空间分割为第一排水槽和第一溢水槽，第一排水槽底部垂直还设有第一排水管，第一溢水槽底部分别设有两根相同型号的进水管，一根进水管与水源相接，另一根进水管与进水端缓冲箱相连接，所述进水端缓冲箱底部通过进水管与第一溢水槽相连接，进水管上分别设有阀门和流量计，进水端缓冲箱腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型中裂隙大小相同的条形进水口，进水端缓冲箱通过所述进水口与裂隙模型相通，进水端缓冲箱中设有第一分流板，第一分流板将进水端缓冲箱分成两个腔室，两个腔室顶部分别设有第一排气管，第一分流板上设有多个通孔；
出水***包括与裂隙模型连接的出水端缓冲箱，出水端缓冲箱的腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型相同大小的条形出水口，裂隙模型通过出水口与出水端缓冲箱腔室连通，出水端缓冲箱中部设有第二分流板将出水端缓冲箱分成两个腔室，第二分流板上设有多个通孔，出水端缓冲箱的两个腔室分别设有第二排气孔，水端缓冲箱底部通过出水管与出水槽相连接，出水槽中设有与进水槽中相同高度的第二溢流挡板，所述第二溢流挡板将出水槽分为第二溢水槽和第二排水槽，出水管与第二溢水槽底部相连接，第二排水槽底部设有第二排水管；
监测装置包括与Ag-AgCl电极连接的多通道数据采集仪，多通道数据采集仪与数据处理器相连接。
所述有机玻璃板裂隙模型设计尺寸为长×高×宽为1200×200×隙宽5mm，长高比例度高于6:1，缝隙宽度根据需求修改。
所述裂隙模型的两块有机玻璃板之间的裂隙中设有充填物，充填物选用冲积河砂，经过粒组筛分后根据试验设计进行配置，并以有效粒径d10：细粒土层的颗粒粒径小于该粒径砂重占总砂重的10％，作为调整充填物颗粒组成的对比参数，分别配置多组非均匀和均匀充填物，配级良好的砂粒将各范围粒径砂粒混合再加入裂隙模型中，而配级不良的砂粒直接加入裂隙模型中。
所述Ag-AgCl电极的导线为数据传输导线，数据采集仪为澳大利亚进口的智能可编程数据采集器DT85，所述的数据处理器为电脑。
一种充填裂隙溶质运移监测试验***的充填裂隙溶质运移实时监测方法，包括如下步骤：
a.物料充填：将裂隙模型与进水端缓冲箱安装好，再将模型以进水端缓冲箱为向下，垂直放置并固定，从进水管将水引入所述裂隙模型内至1/2左右后，停止进水，缓慢将充填物从另一端填入裂隙模型中，填充充填物同时轻微振动模型，尽量做到使充填物密实，随着砂样的不断填充，裂隙模型中的水随着充填物的填充而慢慢从上端裂隙口排出，直至模型中充满充填物，这样可使得模型中充填物的砂样气泡极大限度的减少，使充填物的砂样密实，充填物填充完成后将出水端缓冲箱安装至裂隙模型的出水端；
b.将安装好进水端缓冲箱和出水端缓冲箱的裂隙模型，水平放置于工作台面，利用PVC透明软管将进水槽与所述进水端缓冲箱相连，同样的方法，把出水槽与所述出水端缓冲箱相连，组装完成后将进水端缓冲箱、裂隙模型、出水端缓冲箱放置在水平实验台，固定所述出水槽的溢流水平面高于裂隙模型10cm-30cm范围内，再根据实验要求的水头差，控制进水槽的溢流水平面高度在10cm-70cm范围内；
c.通过电脑在数据采集仪中设置采样的自然电位数据类型及采样触发的时间；
d.在充填裂隙上游的溶液注射口，即在裂隙模型非电极孔的有机玻璃板上，据进水端缓冲箱20mm处注入氯化钠溶液；
e.通过分析采集的自然电位数据分析充填裂隙中溶质运移的过程及对溶质污染状况进行评估:通过实时采集每个Ag-AgCl电极处采集的自然电位数值升高和降低来实时监测污染物的迁移扩散情况，自然电位数值升高则说明污染物仍在向该Ag-AgCl电极点迁移且在该Ag-AgCl电极点的污染物浓度增加，自然电位数值降低则污染物正迁移远离该Ag-AgCl电极且Ag-AgCl电极点的污染物浓度降低，直到所有Ag-AgCl电极的自然电位恢复到稳定可判定污染物全部迁移出裂隙模型，还可根据每个Ag-AgCl电极处的自然电位峰值、峰面来实时监测整个裂隙模型中污染物浓度及污染物迁移位置。
所述注入的氯化钠溶液为10g/L，也可根据试验需要配制其它浓度。
有益效果：本发明的充填裂隙溶质运移模拟试验***及监测方法，监测装置利用数据采集仪，通过监测裂隙溶质运移过程中自然电位变化，来揭示充填裂隙溶质运移过程中的自然电位响应规律，对裂隙介质试验模拟及溶质运移动态过程进行监测，为地下溶质运移的监测提供全新、简洁的方法；本裂隙模型与进水端缓冲箱和出水端缓冲箱是可拆卸的，这就使得裂隙模型中的填充物的填充和清洗更加方便；本模型中采用双缓冲装置，即进水端缓冲箱和出水端缓冲箱，这样让裂隙内的溶质运移过程更加平稳，使试验数据更加准确；本模型中采用双溢水槽装置，使水流在模型中流速更加稳定，使水头差的控制和测量更加简便，避免实验过程中进水端水流流量大小无法控制，从而影响对裂隙的模拟效果。
附图说明
图1为本发明的充填裂隙运移监测试验***结构示意图。
图中：A-模型主体，B-供/出水及稳流装置，C-监测装置；1.进水槽，2.进水缓冲箱，3.裂隙模型，4.出水缓冲箱，5.出水槽，6.进水管，7.第一溢水槽，8.第一溢流挡板，9.第一排水槽，10.第一排水管，11.阀门，12.流量计，13.第一分流板，14.第一排气孔，15.溶液注射口，16.电极孔，17.Ag-AgCl电极，18.充填物，19.数据传输导线，20.第二分流板，21.第二排气孔，22.出水管，23.第二溢水槽，24.第二排水槽，25.第二溢流挡板，26.第二排水管。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的充填裂隙溶质运移监测试验装置，包括模型主体A、供/出水及稳流装置B、监测装置C；其中模型主体A两端分别设有可拆卸供/出水及稳流装置B，模型主体A通过数据传输导线连接有监测装置C；
所述模型主体A包括裂隙模型3,裂隙模型3包括两块平行设置的有机玻璃板，所述有机玻璃板裂隙模型3尺寸为长×高×隙宽为1200×200×5mm，长高比例度高于6:1，缝隙宽度根据需求修改，两块有机玻璃板之间留有裂隙贯通左右，上下利用有机玻璃板盖住塑封并固定，在其中一块有机玻璃板上设置一排间距相等的七个大小相同的电极孔16，每个电极孔16内均设置Ag-AgCl电极17并固定塑封，Ag-AgCl电极17尾端通过数据传输导线19把电极与监测装置C相连接，用于监测裂隙内溶质运移，所述Ag-AgCl电极17的导线为数据传输导线19，数据采集仪为澳大利亚进口的智能可编程数据采集器DT85，所述的数据处理器为电脑，在距进水端缓冲箱2处20mm设置溶液注射口15，用于注入氯化钠溶液；裂隙模型3的两块有机玻璃板之间的裂隙中设有充填物18，充填物18选用冲积河砂，经过粒组筛分后根据试验设计进行配置，并以有效粒径d10：细粒土层的颗粒粒径，小于该粒径砂重占总砂重的10％，作为调整充填物颗粒组成的对比参数，分别配置多组非均匀和均匀充填物，配级良好的砂粒将各范围粒径砂粒混合再加入裂隙模型3中，而配级不良的砂粒直接加入裂隙模型3中。
所述的供/出水及稳流装置B包括进水***和出水***，进水***包括进水槽1、出水槽5、进水端缓冲箱2和出水端缓冲箱4装置；进水槽1内垂直设有第一溢流挡板8，第一溢流挡板8将进水槽1内空间分割为第一排水槽9和第一溢水槽7，第一排水槽9底部垂直还设有第一排水管10，第一溢水槽7底部分别设有两根相同型号的进水管6，一根进水管6与水源相接，另一根进水管6与进水端缓冲箱2相连接，所述进水端缓冲箱2底部通过进水管6与第一溢水槽7相连接，进水管6上分别设有阀门11和流量计12，进水端缓冲箱2腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型3中裂隙大小相同的条形进水口，进水端缓冲箱2通过所述进水口与裂隙模型3相通，进水端缓冲箱2中设有第一分流板13，第一分流板13将进水端缓冲箱2分成两个腔室，两个腔室顶部分别设有第一排气管14，第一分流板13上设有多个通孔；
出水***包括与裂隙模型3连接的出水端缓冲箱4，出水端缓冲箱4的腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型3相同大小的条形出水口，裂隙模型3通过出水口与出水端缓冲箱4腔室连通，出水端缓冲箱4中部设有第二分流板20将出水端缓冲箱4分成两个腔室，第二分流板20上设有多个通孔，出水端缓冲箱4的两个腔室分别设有第二排气孔21，水端缓冲箱4底部通过出水管22与出水槽5相连接，出水槽5中设有与进水槽中相同高度的第二溢流挡板25，所述第二溢流挡板25将出水槽5分为第二溢水槽23和第二排水槽24，出水管22与第二溢水槽23底部相连接，第二排水槽24底部设有第二排水管26；
监测装置C包括与Ag-AgCl电极17连接的多通道数据采集仪，多通道数据采集仪与数据处理器相连接。
一种充填裂隙溶质运移监测***监测***的充填裂隙溶质运移实时监测方法，包括如下步骤：
a.物料充填：将裂隙模型3与进水端缓冲箱2安装好，再将模型以进水端缓冲箱2为向下，垂直放置并固定，从进水管6将水引入所述裂隙模型3内至1/2左右后，停止进水，缓慢将充填物18从另一端填入裂隙模型3中，填充充填物18同时轻微振动模型，尽量做到使充填物18密实，随着砂样的不断填充，裂隙模型3中的水随着充填物18的填充而慢慢从上端裂隙口排出，直至模型中充满充填物18。这样可使得模型中充填物18的砂样气泡极大限度的减少，使充填物18的砂样密实，充填物18填充完成后将出水端缓冲箱4安装至裂隙模型3的出水端；
b.将安装好进水端缓冲箱2和出水端缓冲箱4的裂隙模型3，水平放置于工作台面，利用PVC透明软管将进水槽1与所述进水端缓冲箱2相连，同样的方法，把出水槽5与所述出水端缓冲箱4相连，组装完成后将进水端缓冲箱2、裂隙模型3、出水端缓冲箱4放置在水平实验台，固定所述出水槽5的溢流水平面高于裂隙模型3在10cm-30cm范围内，再根据实验要求的水头差，控制进水槽1的溢流水平面高度在10cm-70cm范围内；
c.通过电脑在数据采集仪中设置采样的自然电位数据类型及采样触发的时间；
d.在充填裂隙上游的溶液注射口15，即在裂隙模型非电极孔的有机玻璃板上，据进水端缓冲箱20mm处注入10g/L的氯化钠溶液，氯化钠溶液浓度可根据试验需要配制更改；
e.通过分析采集的自然电位数据分析充填裂隙中溶质运移的过程及对溶质污染状况进行评估:通过实时采集每个Ag-AgCl电极17处采集的自然电位数值升高和降低来实时监测污染物的迁移扩散情况，自然电位数值升高则说明污染物仍在向该Ag-AgCl电极17点迁移且在该Ag-AgCl电极17点的污染物浓度增加，自然电位数值降低则污染物正迁移远离该Ag-AgCl电极17且Ag-AgCl电极17点的污染物浓度降低，直到所有Ag-AgCl电极17的自然电位恢复到稳定可判定污染物全部迁移出裂隙模型3，还可根据每个Ag-AgCl电极17处的自然电位峰值、峰面来实时监测整个裂隙模型3中污染物浓度及污染物迁移位置。
Claims (5)
1.一种充填裂隙溶质运移监测试验装置，其特征在于：它包括模型主体（A）、供/出水及稳流装置（B）、监测装置（C）；其中模型主体（A）两端分别设有可拆卸供/出水及稳流装置（B），模型主体（A）通过数据传输导线连接有监测装置（C）；
所述模型主体（A）包括裂隙模型（3）,裂隙模型（3）包括两块平行设置的有机玻璃板，两块有机玻璃板之间留有裂隙贯通左右，裂隙中设有充填物（18），上下利用有机玻璃板盖塑封并固定，在其中一块有机玻璃板上设置一排间距相等的七个大小相同的电极孔（16），每个电极孔（16）内均设置Ag-AgCl电极（17）并固定塑封，Ag-AgCl电极（17）尾端通过数据传输导线（19）与监测装置（C）相连接，用于监测裂隙内溶质运移过程中自然电位参数变化，在距进水端缓冲箱（2）20mm处设置溶液注射口（15），用于注入氯化钠溶液；
所述供/出水及稳流装置（B）包括进水***和出水***，进水***包括进水槽（1）、出水槽（5）、进水端缓冲箱（2）和出水端缓冲箱（4）装置；进水槽（1）内垂直设有第一溢流挡板（8），第一溢流挡板（8）将进水槽（1）内空间分割为第一排水槽（9）和第一溢水槽（7），第一排水槽（9）底部垂直还设有第一排水管（10），第一溢水槽（7）底部分别设有两根相同型号的进水管（6），一根进水管（6）与水源相接，另一根进水管（6）与进水端缓冲箱（2）相连接，所述进水端缓冲箱（2）底部通过进水管（6）与第一溢水槽（7）相连接，进水管（6）上分别设有阀门（11）和流量计（12），进水端缓冲箱（2）腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型（3）中裂隙大小相同的条形进水口，进水端缓冲箱（2）通过所述进水口与裂隙模型（3）相通，进水端缓冲箱（2）中设有第一分流板（13），第一分流板（13）将进水端缓冲箱（2）分成两个腔室，两个腔室顶部分别设有第一排气管（14），第一分流板（13）上设有多个通孔；
出水***包括与裂隙模型（3）连接的出水端缓冲箱（4），出水端缓冲箱（4）的腔室有机玻璃板上设有与裂隙模型（3）相同大小的条形出水口，裂隙模型（3）通过出水口与出水端缓冲箱（4）腔室连通，出水端缓冲箱（4）中部设有第二分流板（20）将出水端缓冲箱（4）分成两个腔室，第二分流板（20）上设有多个通孔，出水端缓冲箱（4）的两个腔室分别设有第二排气孔（21），出水端缓冲箱（4）底部通过出水管（22）与出水槽（5）相连接，出水槽（5）中设有与进水槽中相同高度的第二溢流挡板（25），所述第二溢流挡板（25）将出水槽（5）分为第二溢水槽（23）和第二排水槽（24），出水管（22）与第二溢水槽（23）底部相连接，第二排水槽（24）底部设有第二排水管（26）；
监测装置（C）包括与Ag-AgCl电极（17）连接的多通道数据采集仪，多通道数据采集仪与数据处理器相连接；
监测试验方法其步骤：
a.物料充填：将裂隙模型（3）与进水端缓冲箱（2）安装好，再将模型以进水端缓冲箱（2）为向下，垂直放置并固定，从进水管（6）将水引入所述裂隙模型（3）内至1/2左右后，停止进水，缓慢将充填物（18）从另一端填入裂隙模型（3）中，填充充填物（18）同时轻微振动模型，尽量使充填物（18）密实，随着砂样的不断填充，裂隙模型（3）中的水随着充填物（18）的填充而慢慢从上端裂隙口排出，直至模型中充满充填物（18），这样可使得模型中充填物（18）的砂样气泡极大限度的减少，使充填物（18）的砂样密实，充填物（18）填充完成后将出水端缓冲箱（4）安装至裂隙模型（3）的出水端；
b.将安装好进水端缓冲箱（2）和出水端缓冲箱（4）的裂隙模型（3），水平放置于工作台面，利用PVC透明软管将进水槽（1）与所述进水端缓冲箱（2）相连，同样的方法，把出水槽（5）与所述出水端缓冲箱（4）相连，组装完成后将进水端缓冲箱（2）、裂隙模型（3）、出水端缓冲箱（4）放置在水平实验台，固定所述出水槽（5）的溢流水平面高于裂隙模型（3）10cm-30cm范围内，再根据实验要求的水头差，控制进水槽（1）的溢流水平面高度在10cm-70cm范围内；
c.通过电脑在数据采集仪中设置采样的自然电位数据类型及采样触发的时间；
d．在充填裂隙上游的溶液注射口（15），即在裂隙模型非电极孔的有机玻璃板上，据进水端缓冲箱20mm处注入的氯化钠溶液；
e．通过分析采集的自然电位数据分析充填裂隙中溶质运移的过程及对溶质污染状况进行评估:通过实时采集每个Ag-AgCl电极（17）处的自然电位数值升高和降低来实时监测污染物的迁移扩散情况，自然电位数值升高则说明污染物仍在向该Ag-AgCl电极（17）点迁移且在该Ag-AgCl电极（17）点的污染物浓度增加，自然电位数值降低则污染物正迁移远离该Ag-AgCl电极（17）且Ag-AgCl电极（17）点的污染物浓度降低，直到所有Ag-AgCl电极（17）的自然电位恢复到稳定可判定污染物全部迁移出裂隙模型（3），还可根据每个Ag-AgCl电极（17）处的自然电位峰值、峰面来实时监测整个裂隙模型（3）中污染物浓度及污染物迁移位置。
2.根据权利要求1所述的充填裂隙溶质运移监测试验装置，其特征在于：所述有机玻璃板裂隙模型（3）设计尺寸为长×高×隙宽为1200×200×5mm。
3.根据权利要求1所述的充填裂隙溶质运移监测试验装置，其特征在于：所述裂隙模型（3）的两块有机玻璃板之间的裂隙中设有充填物（18），充填物（18）选用冲积河砂。
4.根据权利要求1所述的充填裂隙溶质运移监测试验装置，其特征在于：所述Ag-AgCl电极（17）的导线为数据传输导线（19），数据采集仪为澳大利亚进口的智能可编程数据采集器DT85，所述的数据处理器为电脑。
5.根据权利要求1所述的充填裂隙溶质运移监测试验装置，其特征在于：所述注入的氯化钠溶液为10g/L。
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