CN110849787A - 一种试验辅助装置、试坑法或单环法试验设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种试验辅助装置，应用于试坑法或单环法试验，包括水位平衡组件，水位平衡组件包括控制器和第一水位计，第一水位计设于坑或单环内，用于实时检测坑或单环内的水位，控制器与第一水位计电连接，其内预设有整定值，用于将第一水位计检测到的水位值与整定值进行比较，并在比较结果为水位值等于整定值时控制注水单元停止向坑或单环内注水，以及，在比较结果为水位值小于整定值时控制注水单元向坑或单环内注水。相应地，还提供一种试坑法或单环法试验设备。该装置可以提高试坑法和单环法试验结果的精确度，且节省人力。

Description

一种试验辅助装置、试坑法或单环法试验设备

技术领域

本发明属于测量技术领域，具体涉及一种试验辅助装置、试坑法或单环法试验设备。

背景技术

在放射性废物处置场前期选址、工程建设等过程中需要测定场址区域的非饱和带(地下水面至地表之间的土壤)渗透系数。试坑法和单环(固定尺寸的圆环)法试验是便捷测定渗透系数的两种方法，因此在野外测定砂土及砂砾石层等非饱和岩(土)渗透系数方面得到广泛应用。

试坑法是在待测岩(土)中挖一试坑，试坑坑深为30～50cm，通过人工向坑内注水，保持坑内水位高度稳定(约10cm)，通过测定入渗时间(加水时间)与入渗量(加入水量)而计算出待测岩(土)的渗透系数。单环法与试坑法类似，是将一固定直径(通常为37.75cm)的圆环砸入待测岩(土)层。传统的试坑法和单环法试验通常需要人工不断向坑或单环内注水，使坑或单环内的水位保持在10cm高度，同时记录注水量。在人工未注水期间(通常为5分钟或者20分钟)，坑或单环内的水位呈始终下降状态，不能时刻保持坑或单环内水位恒定，从而改变了坑或单环内的水力梯度，最终影响试验精度。因此，试坑法和单环法试验时进行人工操作注水将导致试验结果的误差较大，且耗费人力。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的上述不足，提供一种试验辅助装置、以及包含该辅助装置的试坑法或单环法试验设备，所述装置能够提高试坑法和单环法试验结果的精确度，且节省人力。

为了实现上述目的，本发明实施例提供一种试验辅助装置，应用于试坑法或单环法试验，该装置包括水位平衡组件，所述水位平衡组件包括控制器和第一水位计，所述第一水位计设于坑或单环内，用于实时检测坑或单环内的水位。所述控制器与所述第一水位计电连接，其内预设有整定值，用于将所述第一水位计检测到的水位值与所述整定值进行比较，并在比较结果为所述水位值等于所述整定值时控制注水单元停止向坑或单环内注水，以及，在比较结果为所述水位值小于所述整定值时控制注水单元向坑或单环内注水。

优选地，该装置还包括数据输入及显示组件和流量计，所述数据输入及显示组件用于接收外部输入的第一数据，所述第一数据包括坑或单环的直径。所述流量计用于记录所述注水单元的注水流量，所述控制器与所述流量计电连接，用于获取流量计记录的注水流量，并记录对应的时刻值，以及，所述控制器还与所述数据输入及显示组件电连接，用于根据坑或单环的直径、注水流量、以及注水流量对应的时刻值来计算渗透系数。

优选地，所述控制器还用于将第二数据传送给所述数据输入及显示组件，所述第二数据包括注水流量、注水流量对应的时刻值，以及渗透系数，所述数据输入及显示组件还用于显示第一数据和第二数据，所述试验辅助装置还包括：数据发送组件，其与控制器电连接，用于将第一数据和第二数据发送给远程终端。

进一步地，本发明实施例还提供一种试坑法或单环法试验设备，设备包括坑或单环、注水单元和如上所述的试验辅助装置，控制器与所述注水单元电连接。

优选地，所述注水单元包括注水管道、微型水泵、以及阀门，所述微型水泵设置在所述注水管道的进水端，与所述控制器电连接，用于根据控制器的指令进行启停。所述第一水位计设置在所述注水管道的出水端。所述阀门设置在所述注水管道上，并处于微型水泵与第一水位计之间，其与控制器电连接，用于根据控制器的指令控制所述注水管道的开闭。所述水位平衡组件还包括水位计滑轨，所述水位计滑轨设置在注水管道的出水端，其长度沿注水管道的管线方向延伸，所述第一水位计滑设在水位计滑轨中。

优选地，所述注水管道通过固定组件固定在坑沿或单环上，所述固定组件包括连接环以及伸缩管，所述伸缩管的数量为多个，所述连接环处于多个伸缩管的中心，多个伸缩管呈放射状连接在连接环外部，所述注水管道从连接环的内部穿过。

优选地，所述连接环包括第一连接段和第二连接段，所述第一连接段和所述第二连接段铰接，两者的另一端拼合后通过锁扣进行固定，连接环的内径与注水管道的外径相适配，所述伸缩管包括套管和伸缩柱，所述套管连接在所述连接环上，伸缩柱的一端嵌入套管内，通过调整伸缩柱嵌入套管内的长度，以调整所述伸缩管的长度。

优选地，所述固定组件还包括水平尺，水平尺设于伸缩管上，用于检测伸缩管的水平位置。

优选地，试验设备还包括过滤装置，所述过滤装置设置在注水管道上，并处于注水管道的进水端与所述微型水泵之间。

优选地，试验设备还包括供水组件，所述供水组件包括水箱和第二水位计，所述第二水位计与控制器电连接，其设置在所述水箱内，用于检测水箱内的水位，并将检测到的水箱内的水位值发送给控制器。所述控制器内还预设有最低水位阈值，用于将第二水位计检测到的水箱内的水位值与所述最低水位阈值进行比较，并在水箱内的水位值等于或小于所述最低水位阀值时，发送缺水警报。

本发明实施例提供的试验辅助装置用于试坑法或单环法试验设备中时，通过采用控制器来精准控制注水单元的注水操作，以保证坑或单环内的水位始终恒定保持在整定值，从而保证试坑法和单环法试验结果的精确度，且节省人力。此外，通过数据发送组件可将试验结果以及供水箱的缺水信号及时传输给远程终端，从而使得工作人员可同时多地进行多组试验，实现远程监测管理，提高试验效率。

附图说明

图1：本发明实施例1的一种试验辅助装置的结构示意图；

图2：本发明实施例1的一种试验辅助装置的注水流量值与时间的曲线图；

图3a：本发明实施例2的一种试验设备的固定组件结构示意图(伸缩柱未伸出)；

图3b：本发明实施例2的一种试验设备的固定组件结构示意图(连接环处于打开态)；

图3c：本发明实施例2的一种试验设备的固定组件结构示意图(伸缩柱伸出)；

图4：本发明实施例2的一种试验设备的各个部件之间电气连接示意图。

图中：1-控制器；2-微型水泵；3-流量计；4-阀门；5-水位计滑轨；6-第一水位计；7-数据显示及输入组件；8-数据发送组件；9-过滤组件；10-第二水位计；11-单环(试坑法无需此部件)；12-水平尺；13-锁扣；14-伸缩套管；15-待测岩(土)；16-水箱；17-连接环。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种试验辅助装置，应用于试坑法或单环法试验，该试验辅助装置包括水位平衡组件。其中，水位平衡组件包括控制器1和第一水位计6，第一水位计6设于坑或单环内，用于实时检测坑或单环内的水位。控制器1与第一水位计6电连接，控制器内预设有整定值，用于将第一水位计6检测到的水位值与整定值进行比较，并在比较结果为水位值等于整定值时控制注水单元停止向坑或单环11内注水，以及，在比较结果为水位值小于整定值时控制注水单元向坑或单环11内注水。

本实施例中，控制器1获取第一水位计6检测的水位值的方式有两种，一种是由第一水位计6将实时检测的水位值上报给控制器，另一种是由控制器1读取第一水位计6实时检测的水位值。此外，控制器1中设置有整定值，本实施例中的整定值设置为10cm，即需要保持坑内或单环11内的水位高度为10cm。当控制器1开启时，控制器1控制第一水位计6开启，第一水位计6进行水位检测。采用控制器1及第一水位计6可实现实时检测坑或单环11内的水位，并根据实时检测结果控制向坑或单环11内进行注水或者停止注水，以使坑或单环11内的水位始终保持在整定值，从而保证试坑法和单环法试验结果的精确度，且节省人力。

可选地，该试验辅助装置还包括数据输入及显示组件7和流量计3，其中，数据输入及显示组件7用于接收外部输入(比如人工手动输出)的第一数据，第一数据包括坑或单环11的直径，还包括整定值。流量计3用于记录所述注水单元的注水流量，控制器1与流量计3电连接，用于获取流量计记录的注水流量，并记录对应的时刻值，以及，控制器1还与数据输入及显示组件7电连接，用于根据坑或单环11的直径、注水流量、以及注水流量对应的时刻值来计算渗透系数。

本实施例中，当控制器1的比较结果为第一水位计6检测的水位值等于整定值，且控制器1判断水位值与整定值为首次相等时，控制器1控制流量计3开启并开始计数，同时，控制器1记录流量计3开启的时刻值及注水流量。控制器1获取流量计3的注水流量的方式有两种，一种是流量计3将记录的注水流量根据预设时长定期上报给控制器1，另一种是控制器1根据预设时长定期读取流量计3记录的注水流量，本实施例中采用控制器1读取流量计3记录的注水流量，例如可设置控制器1前5次的读取间隔为每隔5分钟读取一次流量计3记录的注水流量，之后按每隔20分钟读取一次流量计3记录的注水流量。需要说明的是，流量计3记录的注水流量为注水流量的累计值，其在记录过程中不归零，另控制器1获取注水流量的同时会记录相应的时刻值。试验过程中流量计记录的读数与时间的关系如图2所示。控制器1采用如下的计算公式(1)计算渗透系数：

其中，K表示渗透系数，Q_t1表示流量计记录的t1时刻的流量数据，Q_t2表示流量计记录的t2时刻的流量数据，D表示坑或单环的直径，ΔQ＝Q_t2-Q_t1，Δt＝t2-t1。

可选地，控制器1还用于将第二数据传送给数据输入及显示组件7，第二数据包括注水流量、注水流量对应的时刻值，以及渗透系数。数据输入及显示组件7还用于显示第一数据和第二数据，以便于现场工作人员实时了解试验过程数据及试验结果，避免工作人员人工计算试验结果，从而提高试验效率。

可选地，试验辅助装置还包括：数据发送组件8，其与控制器1电连接，用于将第一数据和第二数据发送给远程终端。其中，数据发送组件8可以通过短信、蓝牙等方式将第一数据和第二数据发送给远程终端，远程终端可以是手机、电脑或其他智能终端。通过采用数据发送组件8可使得工作人员同时进行多地多组试验，并对试验现场实现远程监测和管理，从而提高试验效率。

实施例2：

本实施例提供一种试坑法或单环法试验设备，包括坑或单环11、注水单元和实施例1中所述的试验辅助装置，其中，控制器1与注水单元电连接。

可选地，注水单元包括注水管道、微型水泵2、以及阀门4。微型水泵2设置在注水管道的进水端，与控制器1电连接，用于根据控制器1的指令进行启停；第一水位计6设置在注水管道的出水端；阀门4设置在注水管道上，并处于微型水泵2与第一水位计6之间，其与控制器1电连接，用于根据控制器1的指令控制注水管道的开闭。

本实施例中，第一水位计6、阀门4、微型水泵2均由控制器1控制工作。控制器1可设置在注水管道上，也可以放置于地面，本实施例中采用将控制器1设置在微型水泵2与注水管道进水端之间的注水管道上。当控制器1的比较结果为第一水位计6检测的水位值小于整定值时，控制器1依次控制开启阀门4和微型水泵2，从而控制注水单元向坑或单环11内注水；当控制器1的比较结果为水位值等于整定值时，控制器1依次控制关闭微型水泵2和阀门4，从而控制注水单元停止向坑或单环11内注水，以保持坑或单环11内的水位恒定。

可选地，试验辅助装置中的水位平衡组件还包括水位计滑轨5，水位计滑轨5设置在注水管道的出水端，其长度沿注水管道的管线方向延伸，其中，第一水位计6滑设在水位计滑轨5中。在安装试验设备时，通过调整第一水位计6在水位计滑轨5上的位置，使得第一水位计6的底部与待测岩(土)15相接触。

可选地，注水管道通过固定组件固定在坑沿或单环上，固定组件包括连接环17以及伸缩管14。

具体地，如图3a、图3b、图3c所示，连接环17包括第一连接段和第二连接段，第一连接段和第二连接段通过合页铰接，两者的另一端在拼合后通过锁扣13进行固定。

伸缩管14的数量为多个，连接环17处于多个伸缩管的中心，多个伸缩管呈放射状连接在连接环17的外部，注水管道从连接环17的内部穿过。其中，连接环的内径与注水管道的外径相适配。伸缩管14包括套管和伸缩柱，套管连接在连接环17上，伸缩柱的一端嵌入套管内，通过调整伸缩柱嵌入套管内的长度，以调整伸缩管14的长度。进行试验时，是使伸缩管14水平支撑在坑沿或单环上，通过调整伸缩管的长度，以适应不同尺寸的坑沿或单环。

本实施例中，固定组件的安装位置可根据试验用途不同进行调整。因为野外试坑法试验需要开挖一定深度的试坑，开挖深度不固定，且深度的精确位置不易控制；单环法试验通常需要将单环装置砸入待测岩(土)15中，很难精确地保证单环的砸入深度。通过调整固定组件和注水管道的固定位置，可保证试验装置适用于不同工况。例如，连接环17可安装在水位计滑轨5与阀门4之间的注水管道的通水管段；也可以安装在阀门4与流量计3之间的注水管道的通水管段；也可以安装在流量计3与微型水泵2之间的注水管道的通水管段；还可以安装在微型水泵2与控制器之间的注水管道的通水管段。同时，通过对伸缩管14的伸缩柱进行调节，可保证固定组件对于不同尺寸试坑或单环的兼容性。

可选地，固定组件还包括水平尺12，水平尺12设于伸缩管14上，用于检测伸缩管的水平位置。

本实施例中，伸缩管14的数量为4个，4个伸缩管呈十字形匀布在连接环外部的同一水平面上。水平尺12的数量为两个，两个水平尺分别固定在相邻的两个伸缩管上，用于分别检测伸缩管的横向和纵向的水平位置，提高试验结果的精确度。

可选地，试验设备还包括过滤装置9，过滤装置9设置在注水管道上，并处于注水管道的进水端与微型水泵2之间。过滤装置9可过滤野外水源中杂质(影响微型水泵2及流量计3运行的大体积杂质)，保证供水清洁，从而提高试验设备的使用寿命。

可选地，试验设备还包括供水组件，供水组件包括水箱16和第二水位计10。第二水位计10与控制器1电连接，其设置在水箱16内，具体的设置位置可以是注水管道进水端的外壁，也可以是水箱16的内侧壁上，用于检测水箱16内的水位，并将实时检测到的水箱内的水位值发送给控制器1，当然也可以是控制器1读取第二水位计10实时检测的水位值。控制器1内还预设有最低水位阈值，用于将第二水位计检测的水箱16内的水位值与最低水位阈值进行比较，并在水箱内的水位值等于或小于最低水位阀值时，发送缺水警报。

本实施例中，当控制器1开启时，控制器1控制第二水位计10开启，第二水位计10将实时检测的水位值发送给控制器1，控制器1内预设的最低水位阈值可通过数据输入及显示组件7由外部输入。当控制器1比较出水箱内的水位高于最低水位阈值时，判断为水箱可正常工作；当控制器1比较出水箱内的水位等于或低于最低水位阈值时，判断为水箱缺水，控制器1发送缺水警报，具体包括控制器1通过输入及显示组件7向现场工作人员发出缺水警报，同时通过数据发送组件8向远程终端发送缺水警报，以提醒工作人员及时对水箱16加水。如图4所示，控制器1通过控制注水单元、第一水位计和第二水位计、流量计等部件可以实现自动试验的控制方式。

以下将介绍试坑法中安装该试验设备的安装步骤，具体如下：

步骤201，开挖一定尺寸的圆形试坑，执行相关行业规范。通常坑深30～50cm，坑底铺约2cm厚砂砾石，起缓冲作用。

步骤202，将注水管道与固定组件的连接环17固定连接，根据试坑深度调整连接环17与注水管道的紧固位置。同时调整第一水位计6在水位计滑轨5上滑动，以使得第一水位计6的底端可与待测岩(土)15相接触，即保证第一水位计的整定值(图示第一水位计的三角形长边)与待测岩(土)15之间距离为10cm。

步骤203，调整及确定固定组件的连接环17与注水管道的固定位置后将锁扣13锁死。根据试坑开挖的直径伸缩调整固定组件的4个伸缩管14的长度，同时，使各个伸缩管14远离连接环的一端置于试坑外边缘地面上，即将固定组件放置在试坑的坑沿上，以固定注水管道。

步骤204，通过调整伸缩管或伸缩柱与地面接触的位置使水平尺的气泡居中，从而保证试验精度。

步骤205，将供水组件的第二水位计10及注水管道的进水端置于供水水箱16中。

单环法中安装该试验设备的安装步骤如下：

步骤301，将单环11砸入待测岩(土)15中。

步骤302，根据单环11的高度及砸入待测岩(土)15中的深度调整固定组件的连接环17与注水管道的连接位置。通常将连接环17固定于水位计滑轨5与阀门4之间的注水管道的通水管段即可满足要求。同时调整第一水位计6在水位计滑轨5上滑动，以使得第一水位计6的底端可与待测岩(土)15相接触，即保证第一水位计6的整定值(图示第一水位计的三角形长边)与待测岩(土)15之间距离为10cm。

步骤303，确定连接环17与注水管道的固定位置后将锁扣13锁死。无需伸缩伸缩柱，仅需将固定组件的伸缩管14收至图3a所示状态即可。

步骤304，通过调整单环11平整以使水平尺的气泡居中，保证单环11垂直砸入待测岩(土)15，从而保证试验精度。

步骤305，将供水组件的第二水位计10及注水管道的进水端置于供水水箱16中。

上述实施例提供的试验辅助装置及试验设备，提高试坑法和单环法试验结果的精确度，且节省人力，具体效果如下：

(1)采用控制器及第一水位计可实现实时检测坑或单环内的水位，并根据检测结果实时控制注水单元向坑或单环内进行注水或者停止注水，以使坑或单环内的水位始终保持在整定值，从而保证试坑法和单环法试验结果的精确度，且无需人工注水和计算试验结果，节省人力。

(2)因固定组件采用伸缩管，可根据现场坑沿大小调整伸缩管长度，使得试验设备简单易携带、具有广泛适用性，且可用于两类试验(即同一试验设备既可以用于试坑法试验也可以用于单环法试验，且无特殊设备及场地要求)。

(3)通过采用数据输入及显示组件、数据发送组件实时传输试验数据，实现试验过程及试验结果的远程监控，以使工作人员可同时多地进行多组试验，提高试验效率。

(4)通过在伸缩管上设置水平尺，检测单环是否垂直砸入岩(土)，进一步提高试验结果的精确度。

(5)采用过滤装置过滤野外水源中杂质，保证供水清洁，提高试验设备的使用寿命。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种试验辅助装置，应用于试坑法或单环法试验，其特征在于，包括水位平衡组件，

所述水位平衡组件包括控制器(1)和第一水位计(6)，

所述第一水位计(6)设于坑或单环内，用于实时检测坑或单环内的水位，

所述控制器(1)与所述第一水位计(6)电连接，其内预设有整定值，用于将所述第一水位计检测到的水位值与所述整定值进行比较，并在比较结果为所述水位值等于所述整定值时控制注水单元停止向坑或单环(11)内注水，以及，在比较结果为所述水位值小于所述整定值时控制注水单元向坑或单环(11)内注水。

2.根据权利要求1所述的试验辅助装置，其特征在于，还包括数据输入及显示组件(7)和流量计(3)，

所述数据输入及显示组件(7)用于接收外部输入的第一数据，所述第一数据包括坑或单环的直径，

所述流量计(3)用于记录所述注水单元的注水流量，

所述控制器(1)与所述流量计(3)电连接，用于获取流量计记录的注水流量，并记录对应的时刻值，以及，

所述控制器(1)还与所述数据输入及显示组件(7)电连接，用于根据坑或单环的直径、注水流量、以及注水流量对应的时刻值来计算渗透系数。

3.根据权利要求2所述的试验辅助装置，其特征在于，所述控制器(1)还用于将第二数据传送给所述数据输入及显示组件(7)，所述第二数据包括注水流量、注水流量对应的时刻值，以及渗透系数，

所述数据输入及显示组件(7)还用于显示第一数据和第二数据，

所述试验辅助装置还包括：数据发送组件(8)，其与控制器(1)电连接，用于将第一数据和第二数据发送给远程终端。

4.一种试坑法或单环法试验设备，其特征在于，包括坑或单环(11)、注水单元和权利要求1-3任一项所述的试验辅助装置，控制器与所述注水单元电连接。

5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述注水单元包括注水管道、微型水泵(2)、以及阀门(4)，

所述微型水泵(2)设置在所述注水管道的进水端，与所述控制器(1)电连接，用于根据控制器的指令进行启停，

所述第一水位计(6)设置在所述注水管道的出水端，

所述阀门(4)设置在所述注水管道上，并处于微型水泵(2)与第一水位计(6)之间，其与控制器电连接，用于根据控制器的指令控制所述注水管道的开闭，

所述水位平衡组件还包括水位计滑轨(5)，

所述水位计滑轨(5)设置在注水管道的出水端，其长度沿注水管道的管线方向延伸，所述第一水位计(6)滑设在水位计滑轨(5)中。

6.根据权利要求5所述的设备，其特征在于，所述注水管道通过固定组件固定在坑沿或单环(11)上，

所述固定组件包括连接环(17)以及伸缩管(14)，

所述伸缩管的数量为多个，所述连接环处于多个伸缩管的中心，多个伸缩管呈放射状连接在连接环外部，所述注水管道从连接环的内部穿过。

7.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述连接环(17)包括第一连接段和第二连接段，所述第一连接段和所述第二连接段铰接，两者的另一端拼合后通过锁扣(13)进行固定，

连接环的内径与注水管道的外径相适配，

所述伸缩管(14)包括套管和伸缩柱，

所述套管连接在所述连接环上，伸缩柱的一端嵌入套管内，通过调整伸缩柱嵌入套管内的长度，以调整所述伸缩管(14)的长度。

8.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，所述固定组件还包括水平尺(12)，水平尺(12)设于伸缩管(14)上，用于检测伸缩管的水平位置。

9.根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括过滤装置(9)，

所述过滤装置(9)设置在注水管道上，并处于注水管道的进水端与所述微型水泵(2)之间。

10.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括供水组件，

所述供水组件包括水箱(16)和第二水位计(10)，

所述第二水位计(10)与控制器(1)电连接，其设置在所述水箱(16)内，用于检测水箱(16)内的水位，并将检测到的水箱内的水位值发送给控制器，

所述控制器内还预设有最低水位阈值，用于将第二水位计检测到的水箱内的水位值与所述最低水位阈值进行比较，并在水箱内的水位值等于或小于所述最低水位阀值时，发送缺水警报。

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