CN112858138A - 一种多孔介质冻融过程渗流试验装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多孔介质冻融过程渗流试验装置及测试方法。该装置由渗流***、流速压力控制***、温度控制***和数据采集***四部分构成。渗流***包括试样夹持器、试样、试样堵头、渗透液注入泵和渗透液；温度控制***包括冷却板、低温弦变控制槽和保温材料；流速压力控制由恒压恒流计量泵实现对注水压力和流速的控制；数据采集***包括温度探头、盐分探头、测压管及相对应的数据采集器。本发明结构简单，操作简便，可以实现温度从常温到低温到冻结再到融化全过程的模拟，并且可以测得冻融过程多孔介质饱和渗透水力参数，试验精度高。
Description
技术领域
本发明涉及渗流试验领域，尤其涉及一种冻融条件下多孔介质渗流试验装置及测试方法。
背景技术
冬季冻结、夏季全部融化的土层为季节性冻土。我国季节性冻土主要分布于北纬30°以北地区，约占全国陆地面积的53.3％。冻融过程直接改变了冻融层多孔介质的渗透性，进而影响着季节性冻土区水文循环过程。开展冻融过程中多孔介质渗流特征研究对季节性冻土区水资源演变和水资源可持续开发利用与保护具有重要意义。
由于冻融作用主要发生于近地表范围内，当前的试验研究主要关注非饱和带的冻融过程水分和溶质迁移问题。对于不同含水饱和度情况下，多孔介质冻融过程中渗透性演化研究有待深入。
目前已有的模拟冻融过程渗流的试验装置，一般通过顶、底端对试样进行温度控制，由侧壁进行温度、压力监测，但是仍存在着以下问题和不足：
(1)目前在进行冻融试验过程中，主要是借助于冷冻泵瞬时冷冻、瞬时回温，或梯形降温、梯形回温以实现对冻融过程的模拟，而自然界实际温度变化过程更接近弦变，现有试验装置所模拟的冻融过程与自然界温度变化过程不符，试验结果不能代表真实的自然冻融过程。
(2)目前在进行冻融试验的过程中，制冷液通过冷却液进液管与冷却液出液管在冷却板上表面上进上出，试验样品的顶部和底部的面状均匀降温和升温不能够实现很好的控制，需要对顶部和底部的冷却板结构进行重新设计，以实现温度的均匀分布。
(3)目前通常采用的在渗流试验样品夹持器外包裹保温材料的方式，还是无法避免外部环境对试验试样的温度影响。
(4)已有的冻融试验***在开展渗流试验时，通常采用先对样品进行冻结，然后再进行冻结后样品渗流试验，冻结-渗流过程人为拆分成两个独立过程，不能够模拟不同冻结情况下的渗透性演化规律。
因此，目前缺乏一种精确、科学且全面的针对自然冻融过程中渗流发生过程的多孔介质渗流的试验装置与方法。
发明内容
本发明要解决的问题是针对现有冻融试验装置的不足，提供一种符合自然冻融过程中渗流发生过程的多孔介质渗流试验装置及测试方法，该试验装置及测试方法能够实现不同含水饱和度的多孔介质冻融过程中的渗透性演化规律的试验模拟。
为解决现有试验装置上的不足，本发明采用的技术方案是：
一种多孔介质冻融过程渗流试验装置，包括渗流***、流速压力控制***、温度控制***、实验装置托架和数据采集***；
进一步地，渗流***包括试样夹持器和水流模拟***。
进一步地，所述流速压力控制***包括恒压恒流计量泵和测压管，所述恒压恒流计量泵与所述试样夹持器外接。
其中，试样夹持器内部放置试样。
其中，水流模拟***与高精度的恒压恒流计量泵相连接，实现对注水压力和流速的控制。
优选地，试样夹持器为直径30cm、高50cm的内空双筒有机玻璃柱。
优选地，试样夹持器设置有真空抽气孔。
进一步地，该装置还包括位于上部的进水口和下部的出水口，其结构相同。
其中，位于上部的进水口包括渗流进水管、冷却板、试样堵头以及尼龙网，渗流进水管穿过冷却板连接相应的试样堵头上部的入口。
其中，位于下部的出水口包括渗流出水管、冷却板、试样堵头以及尼龙网，渗流出水管穿过冷却板连接相应的试样堵头下部的出口。
其中，尼龙网布置在试样堵头与试样之间，用于避免水流冲击等因素对试样表层的影响。
优选地，试样堵头的材质为铝合金，其表面分布有沟槽，以使水流可以均匀分布于试样。
进一步地，流速压力控制***包括高精度的恒压恒流计量泵，且恒压恒流计量泵与试样夹持器外接，实现对注水压力和流速的控制。
进一步地，温度控制***包括冷却板、低温弦变控制槽和保温材料。
其中，冷却板的上表面边缘处均匀布设多个出流孔，且中间设置有冷却液进液孔。
优选地，冷却板为传热性能好的内部中空的铝合金圆盘，其上表面均匀布设10个出流孔。
优选地，保温材料为厚4cm左右的绝热制品，包裹在试样夹持器外部。
进一步地，该装置还包括冷却液回液管和冷却液回流集液器。
其中，循环制冷液由10个出流孔经由与各孔相连的冷却液回液管汇集到冷却液回流集液器；冷却液回流集液器通过顶部出液口排出制冷液到低温弦变控制槽。
其中，低温弦变控制槽输出和回收循环制冷液，低温弦变控制槽与温度控制器外接，实现试验过程温度的弦变控制。
进一步地，数据采集***包括温度探头、盐分探头、测压管及相对应的数据采集器。
优选地，数据采集***由4个温度探头、4个盐分探头、4个测压管及相对应的数据采集器组成。
其中，每个探头与测压管由高到低排列在试样夹持器侧面，且每个探头的监测端均穿过保温材料，并埋设在试样中。
其中，每个探头均与数据采集仪相连接，在试验过程中对数据进行实时监测。
进一步地，该装置还包括托架，由托盘、长螺杆和螺帽构成，用于固定试样夹持器。
优选地，托架包括两个托盘、6根长螺杆以及12个螺帽。
此外，本发明采用的技术方案还包括：
一种冻融过程多孔介质渗流试验装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)调节所述装置的托架的上、下托盘高度，将试样夹持器放置在所述托架的下托盘上；
(2)向试样夹持器中填装试样，并布设温度探头、盐分探头和测压管，当所述试样填装完成后，在其上部放置尼龙网，并安装试样堵头和冷却板；
(3)调节上托盘的位置，使得上托盘和下托盘夹紧所述试样夹持器，并将保温材料包裹在所述试样夹持器的外部；
(4)对试样夹持器进行缓慢充水和释水；
(5)通过真空抽气孔将所述试样夹持器抽真空，然后关闭真空抽气孔；
(6)启动温度控制***进行试样顶部和底部的温度设定，其中，当试样内部温度达到指定温度时，进行渗流试验；
(7)利用恒压恒流计量泵控制注水压力及流速，进行渗流试验，并通过数据采集器实时收集数据。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明可以根据野外实际温度条件，通过低温弦变控制槽外接的温度控制器，实现试验温度的自然变化控制，使冻融试验过程温度变化与野外实际温度变化一致。
(2)本发明在当前广泛采用的试验夹持器外部包裹隔热材料的方法基础上，设计出双筒有机玻璃作为试验样品夹持器，双筒之间进行密封抽真空的方法，更大程度上降低了试验过程中试样夹持器中的样品受外部环境温度的影响。
(3)本发明通过连接高精度的恒速恒压计量泵控制注水压力和流速，保证了不同工况下的渗流试验精度。
(4)本发明设计了中空圆盘式冷却板结构，在其上表面边缘处均匀布设10个出流孔，中间设置冷却液进液孔，使冷却液中心进，四周出，很好地实现了冷却板上温度的均匀分布。
(5)本发明通过顶部冷却板和底部冷却板实现对试样施加稳定的温度边界条件，真实模拟自然界冻融过程温度场变化。
(6)本发明通过数据采集***对试验过程进行实时监测，避免了人为读数产生的误差。
附图说明
图1是多孔介质冻融过程渗流试验装置示意图。
图2是冷却板***示意图。
图3是传感器布设示意图。
图4是试样堵头的断面结构示意图。
图5是用于固定试验装置的托架及托盘示意图。
图中各数字编号分别表示：1试样夹持器、2保温材料、3试样、4试样堵头、5尼龙网、6冷却板、7低温弦变控制槽、8冷却液进液管、9冷却液出液管、10测压管、11盐分探头、12温度探头、13恒压恒流计量泵、14渗流进水管、15渗流出水管、16冷却液回液管、17冷却液回流集液器、18真空抽气孔、19托盘、20螺帽、21长螺杆。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“包裹”、“安装”、“放置”、“固定”、“穿过”、“连接”等应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1、2、3、4所示，多孔介质冻融过程渗流试验装置包括试样夹持器1，在试验前通过夹持器真空抽气孔18将双筒有机玻璃柱抽真空；试样夹持器外部包裹保温材料2，试样夹持器内充填试样3；试样上部和下部分别放置有试样堵头4，并且在试样与试样堵头之间放置有一层尼龙网5；试样夹持器上部和下部分别安装冷却板6；低温弦变控制槽7输出冷液，制冷液经冷却液进液管8从冷却板中心进液孔进入，并由冷却板表面出水孔排出，排出的制冷液经冷却液回液管16，汇集至冷却液回水集液器17；然后，冷却液经汇聚器上部出口经冷却液出液管9排出至低温弦变控制槽；试样夹持器侧面布设有测压管10、盐分探头11和温度探头12，试样夹持器外接恒压恒流计量泵13；水经恒压恒流计量泵外的渗流进水管14，穿过冷却板和试样堵头，经过尼龙网进入试样；最终由位于试样夹持器下部的渗流出水管15排出。恒压恒流计量泵13控制着试样的入口和出口渗流压力。整个试验装置固定在由图5所示的两个圆环形托盘19之间。两个托盘分别由螺帽20固定在穿过托盘的6根长螺杆21上。
本发明的实施过程是：
(1)调节渗流试验装置托架的上、下托盘高度，将中空的双层有机玻璃柱，即试样夹持器放置在试验装置托架的下部托盘上。
(2)试样填充与数据采集探头布设：向试样夹持器中填装试验样品，填充过程中，根据实验设计，在相应位置布设数据采集***温度探头、盐分探头、测压管。试样装填完成后，顶部放置尼龙网，安装上部堵头和冷却板。堵头、冷却板与试样夹持器内筒通过胶圈密封。
(3)通过螺杆上的螺帽调节上部托盘的位置，使得上部托盘和下部托盘夹紧试样夹持器。
(4)按照图1完成实验装置各个部件和数据采集***的连接。完成渗流***的安装后，将保温材料包裹在试样夹持器外部。
(5)对试样夹持器进行缓慢充水和释水，根据实验设计，完成不同的试样饱和度。
(6)通过试样夹持器的真空抽气孔将中空双筒有机玻璃柱抽真空，然后关闭真空抽气孔。
(7)启动温度控制***进行试样顶部和底部温度设定。试样内部温度达到指定温度时，即可进行渗流试验。
(8)利用恒压恒流计量泵控制注水压力及流速，进行渗流试验。数据采集器开始实时收集数据。
Claims (10)
1.一种多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
包括渗流***、流速压力控制***、温度控制***、实验装置托架和数据采集***；其中，
所述渗流***包括试样夹持器和水流模拟***；
所述流速压力控制***包括恒压恒流计量泵和测压管，所述恒压恒流计量泵与所述试样夹持器外接；
所述温度控制***包括冷却板、低温弦变控制槽、温度探头以及保温材料；
实验装置托架包括上托盘和下托盘，试样夹持器附接至上托盘和下托盘之间；
所述数据采集***包括温度探头、盐分探头、测压管以及相对应的数据采集器；
其中，低温弦变控制槽连接有温度控制器，以用于实现实验温度根据自然温度变化而变化。
2.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述装置还包括位于上部的进水口和下部的出水口，其中，
上部的进水口包括渗流进水管、冷却板、试样堵头以及尼龙网，所述渗流进水管穿过冷却板连接相应的试样堵头上部的入口；
下部的出水口包括渗流出水管、冷却板、试样堵头以及尼龙网，所述渗流出水管穿过冷却板连接相应的试样堵头下部的出口；
其中，所述尼龙网布置在试样堵头与试样之间；
其中，所述试样堵头的材质为铝合金，其表面分布有沟槽。
3.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述试样夹持器为内空双筒有机玻璃柱，其设置有真空抽气孔，所述试样夹持器内部放置试样；
所述水流模拟***与所述恒压恒流计量泵相连接。
4.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述冷却板为内部中空的铝合金圆盘，其中，
所述冷却板的上表面边缘处均匀布设多个出流孔，且中间设置有冷却液进液孔。
5.根据权利要求4所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述装置还包括冷却液回液管和冷却液回流集液器，其中，
所述冷却板通过冷却液回液管与冷却液回流集液器相连接，以使循环制冷液由所述多个出流孔经由与各孔相连的冷却液回液管汇集到冷却液回流集液器。
6.根据权利要求5所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述冷却液回流集液器通过顶部出液口排出循环制冷液到低温弦变控制槽；其中，
所述低温弦变控制槽输出和回收循环制冷液，并且所述低温弦变控制槽与温度控制器外接。
7.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述温度探头和/或盐分探头与所述测压管由高到低排列在试样夹持器的侧面。
8.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述温度探头和/或盐分探头的监测端穿过所述保温材料，并埋设在试样中；其中，
所述保温材料为绝热制品，其包裹在试样夹持器的外部。
9.根据权利要求1所述的多孔介质冻融过程渗流试验装置，其特征在于：
所述温度探头和/或盐分探头与所述数据采集器相连接。
10.一种多孔介质冻融过程渗流试验的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调节所述装置的托架的上、下托盘高度，将试样夹持器放置在所述托架的下托盘上；
(2)向试样夹持器中填装试样，并布设温度探头、盐分探头和测压管，当所述试样填装完成后，在其上部放置尼龙网，并安装试样堵头和冷却板；
(3)调节上托盘的位置，使得上托盘和下托盘夹紧所述试样夹持器，并将保温材料包裹在所述试样夹持器的外部；
(4)对试样夹持器进行缓慢充水和释水；
(5)通过真空抽气孔将所述试样夹持器抽真空，然后关闭真空抽气孔；
(6)启动温度控制***进行试样顶部和底部的温度设定，其中，当试样内部温度达到指定温度时，进行渗流试验；
(7)利用恒压恒流计量泵控制注水压力及流速，进行渗流试验，并通过数据采集器实时收集数据。
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