CN113237808A - 一种测定thmc耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置及扩散系数测定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置及扩散系数测定方法,试验装置包括压力赋予装置、渗透扩散试验装置、试验数据处理装置。压力赋予装置包括,气压制造机、减压阀、压力控制器、渗滤液补充箱,可满足对渗流场、应力场的试验控制;渗透扩散试验装置主要包括,内部带有渗透舱的有机玻璃筒、恒温控制装置、进水头水管等结构,可以满足对温度场、化学场的试验控制;试验数据处理装置包括电导探测片、尾液收集测定箱、后处理计算机等结构。同时,本发明提出一种扩散系数的测定方法。通过本设备分段分层分时测定膨润土的电导率后,利用理论解计算可得到非稳态时的扩散系数,并可以通过计算机后处理后进行汇总计算。
Description
技术领域
本发明涉及环境岩土学科和土工合成材料学科交叉范畴,涉及一种测定温度-渗流-应力-化学(Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical,THMC)耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置和扩散系数的测定方法。
背景技术
目前,垃圾填埋是中国各大中城市中应用和推广的垃圾处理方法,在《生活垃圾生活填埋技术规范》(CJJ17-2004)中规定垃圾填埋场中的防渗***应采用复合衬里防渗***。土工织物膨润土衬垫中的主要成分为膨润土,膨润土吸水膨胀后具有较低的渗透系数,因此其被广泛的运用于防渗***工程中。
在垃圾填埋场长期运营过程中,由于垃圾堆积、外部降雨、微生物分解等作用,膨润土常常处于复杂的温度-渗流-应力-化学(Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical,简称THMC)等多场耦合作用下。现场很难迅速地测定分析不同工况下膨润土的渗透系数和污染物扩散范围。室内试验是较为常用的研究方法,但鲜少有进行THMC耦合法进行渗透系数和污染物扩散的室内试验装置。
同时,在测量扩散系数时,一般采用扩散柱,但其具有一定的缺点:1)取样存在偶然性,导致扩散系数测定误差;2)仅得到试验终止时的扩散系数,无法获取试验过程中的扩散系数,有效监测化学离子击穿膨润土;3)受试验器材限制,无法完成多场耦合,特别是温度变化时扩散系数的变化情况。因此,亟需一种非稳态条件下的扩散系数的测定方法
发明内容
为了解决现有技术问题,本发明的目的在于克服已有技术存在的不足,提供一种测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置及扩散系数测定方法,该试验装置满足在室内模拟膨润土受多场耦合作用时的渗透扩散试验。利用本发明对膨润土进行多场耦合影响试验,尤其是研究了温度变化对膨润土渗透、扩散作用的影响,得到膨润土的渗透破坏、扩散击穿机理。同时,本发明提出在该多场耦合工况下对扩散系数进行实时监控并进行测定的方法,可以更深入的研究渗透扩散试验过程中的扩散击穿机理,对垃圾填埋场的防渗工程具有指导意义。
为达到上述发明创造目的,本发明采用如下技术方案:
一种测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,试验装置包括压力赋予装置、渗透扩散试验装置、恒温控制装置及试验数据处理装置。所提及的膨润土试样简称为膨润土。
优选地,压力赋予装置包括气压制造机、减压阀、压力控制器、压力控制器和渗滤液补充箱;由减压阀将气压制造机制造的气压通过压力控制器、压力控制器转化为水压,送入渗滤液补充箱内;渗滤液补充箱中的滤液通过进水阀门、进水阀门,在水浴加热盒内加热后进入渗透舱;水浴加热盒对渗流导管中的渗滤液进行水浴加热,对进入渗透舱的溶液进行温度场的控制;该渗透舱处于渗透扩散试验装置中。气压制造机提供渗透试验所需要的围压和渗透压力,减压阀将气压制造机提供的高压降低至合理的范围,通过压力控制器进行精确调整。该装置准确的向渗透扩散试验装置提供稳定的水压,在提供渗流所需的水力梯度的同时,通过稳定的围压,满足多场耦合中的渗流场和应力场的需求。
优选地,渗透扩散试验装置包含内部带有渗透舱的有机玻璃筒、恒温控制装置、进水头水管、进水头水管、进水阀门、进水阀门、渗流导管、上下盘固定螺栓、底盘支座螺栓、底部支座撑脚、铝合金支撑的结构;
当一定温度、水压的渗滤液通过渗流导管,在反向受压的过程中,穿过带有可通导管的底盘,连通至有凹槽的底板;在经过有凹槽的底板后,均匀受压于下透水石上,随后通过防止土颗粒进入导管的滤纸,进入膨润土;此时膨润土被乳胶膜紧密包裹,且受制于渗透舱内均匀的围压,进行符合标准的渗透扩散试验;接着,渗滤液中的液体穿过带有可通导管顶盖,通过渗流导管进入尾液收集测定箱,在尾液收集测定箱中测定渗出液的电导率;
有机玻璃筒包含渗透舱、带有可通导管的顶盘和底盘;其中,底盘与顶盘之间采用不锈钢材质用螺帽紧密栓连,通过乳胶膜进行密封,顶盘与底盘的通道仅可使指定半径的渗流导管或导线通过,保证有机玻璃筒的密闭性;
渗透舱包括从下到上依次布置为有凹槽的底盖、下透水石、膨润土、上透水石、带有可通导管顶盖;并用乳胶膜将上述设备包裹起来,同时在上、下顶盖间采用乳胶膜紧密的固定,防止围压环境下乳胶膜进行滑移与试样侧漏;
有机玻璃筒带有可通导管的顶盘包括和底盘,上下盘固定螺栓、底盘支座螺栓、底部支座撑脚、铝合金支撑的结构;其中,上下盘固定螺栓将顶盘和底盘通过铝合金支撑进行紧密的固定,底盘支座螺栓、底部支座撑脚支撑了底盘,固定有机玻璃筒。
本发明在打开压力赋予装置后,将渗透扩散试验装置的阀门打开,压力赋予装置将气压转化为稳定的水压,将渗滤液补充箱中的渗滤液通过渗流导管压入进水头水管,随后通过已经打开的进水阀门,进入内部带有渗透舱的有机玻璃筒。通过控制渗滤液补充箱中的渗滤液浓度,从而控制渗滤液浓度变化影响,达到控制多场耦合中的化学场的需求。
所提及的渗透扩散试验装置运作机理为:
压力赋予装置传递的具有一定温度的渗滤液通过导管,穿过带有可通导管的底盘,连通至有凹槽的底板。具有一定温度、水压的溶液在经过有凹槽的底板后,均匀受压于透水石上,随后通过防止土颗粒进入导管的滤纸,进入膨润土。在反向受压的过程中,膨润土进行渗透扩散试验。一定浓度的渗滤液进入膨润土后,进行渗透与扩散作用。最后,部分渗滤液在水力梯度的驱使下,进入带有可通导管顶盖,流出渗透扩散试验装置。
所提及的内部带有渗透舱的有机玻璃筒的底盘与顶盘之间采用不锈钢材质用螺帽紧密栓连,通过乳胶膜进行密封,底盘与顶盘的通道仅可使指定半径的导管或导线通过,保证有机玻璃筒的密闭性。同时,上下盘固定螺栓将顶盘、底盘通过铝合金支撑进行紧密的固定,保证有机玻璃筒在受围压的情况下,不发生渗漏。
所提及的渗透舱中,并用乳胶膜将上述设备包裹起来,同时在上、下顶盖间采用橡胶圈紧密的固定,防止围压环境下乳胶膜进行滑移,导致内部柔性壁试样发生侧漏。
优选地,恒温控制装置包括水浴加热盒、电热棒、恒温控制面板;在进入内部带有渗透舱的有机玻璃筒前,渗滤液首先进入水浴加热盒;在水浴加热盒内,渗滤液进行加热升温,在达到指定的温度后,进入有机玻璃筒内;
电热棒沿着有机玻璃筒均匀排布,在渗滤液通过水浴加热盒后进入渗透舱,根据环境温度的不同,使导致渗透舱的温度变化;因此采用内部温度感应片对舱内溶液温度进行实时监控,在温度有所下降后,采用恒温控制面板对数根沿着有机玻璃筒均匀排布的电热棒进行加热,使得舱内温度回到指定稳定,满足试验温度场的要求。
优选地,试验数据处理装置包括预埋膜、电导集成线路、电导探测片、尾液收集测定箱、电导探测集中装置、后处理计算机;从渗透扩散试验装置流出的渗滤液将进入尾液收集测定箱,通过电导探测集中装置进行测定电导率;
电导探测片,将其进行若干层上下交错的布置,达到均匀测定不同层土体的要求;电导探测片位于预埋膜的内部,由电导集成线路进行整体调控;需要注意的是,在测定过程中,要求电导集成线路所含的导线与电导仪相连,并将数据连通至计算机,进行非稳态扩散系数的实时计算。
优选地,从渗透扩散试验装置流出的渗滤液将进入尾液收集测定箱,由电导探测集中装置判断电导性。此时,非稳态条件下的渗透系数可通过公式(1)计算得到:
式中,k为渗透系数(m/s);a为渗流导管的截面面积(cm2);L为膨润土土柱厚度(cm);A为膨润土式样的截面面积(cm2);t1、t2为试验起始时刻和终止时刻的差值(s);h1、h2分别为试验起始时刻t1和终止时刻t2对应的进水头管高度(cm);
非稳态条件下的扩散系数的表达式为公式(2):
式中,C为渗滤液浓度(mol/L);t为时间(s);z为扩散深度(m);D0为扩散系数(m2/s);
但由于渗透过程中,仅可以得到膨润土整体的浓度随时间的变化值,因此不能得到准确的膨润土内部的扩散系数。
优选地,所述试验数据处理装置采用后处理计算机;后处理计算机对不同层内的不同探测片在不同时段的进行测定;通过分段分层分时的测定,由后处理计算机计算得到非稳态的实时扩散系数;
后处理计算机计算得到非稳态的实时扩散系数,在室内试验中,定该类膨润土的体积电阻率ρ;通过已知的理论解计算得到扩散系数;将预埋膜放入渗透舱内,通过分组分段分时开启预埋膜上的电导探测片,测定土体内部的电导率,确定非稳态的实时扩散系数。
一种THMC耦合作用下膨润土扩散系数的测定方法,采用本发明测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,包括如下步骤:
步骤1:采用Wenner探针法,在采用渗滤液进行预先水化的膨润土柱表面使用探针进行测定其体积电阻率ρ;
步骤2:采用已知的理论解计算得到扩散系数,通过试验室试剂测定验证理论解的准确性,采用Nernet-Einstein方程进行计算;
步骤3:在通过上述步骤证理论解的准确性后,将预埋膜放入渗透舱内,紧密的包裹在膨润土外部,并被乳胶膜包裹,使得电导测定的路径仅在膨润土土体内部;
步骤4:将预埋膜通过电导集成线路接通电导探测集中装置,对预埋膜上的探测片采用分组分段开启,测定出两点之间的电导率后,采用计算机进行数据后处理,得到非稳态的实时扩散系数。
本发明提出一种膨润土土柱扩散系数的测定方法,以达到在多场耦合工况下对扩散系数进行实时监控并进行测定。具体包括尾液收集测定箱、电导探测集中装置、后处理计算机。所提及的电导预埋设备包括,含有若干电导探测针的预埋膜。预埋膜中的电导探测针分为若干排,交叉排布。通过导线与电导仪相连,并将电导仪数据连通至计算机,进行非稳态的实时计算。
需要指出的是,上述对于试验的具体操作描述是为了便于普通技术人员的理解与应用,熟悉本领域的人员显然易将具体操作进行简单修稿后,运用到其他相关案例中。因此,本发明不限于上文所述的具体操作描述,本领域相关技术人员若根据本发明的原理,对具体操作进行改进和修改的情况都应当在本发明的保护范围内。
本发明与现有技术相比较,具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1.本发明渗透扩散试验装置可满足对温度场、化学场的试验控制;试验数据处理装置包括电导探测片、尾液收集测定箱、后处理计算机等结构;
2.本发明设备分段分层分时测定膨润土的电导率后,利用理论解计算可得到非稳态时的扩散系数,并可以通过计算机后处理后进行汇总计算;
3.本发明对膨润土进行多场耦合影响试验,尤其是研究了温度变化对膨润土渗透、扩散作用的影响,得到膨润土的渗透破坏、扩散击穿机理;
4.本发明在多场耦合工况下对扩散系数进行实时监控并进行测定的方法,可更深入的研究渗透扩散试验过程中的扩散击穿机理,对垃圾填埋场的防渗工程具有指导意义。
附图说明
图1是本发明的室内试验装置示意图。
图2是本发明的渗透舱示意图。
图3是本发明的恒温、测定扩散系数仪器剖面图。
图4是本发明的测定扩散系数仪器示意图。
图5是本发明的压力赋予装置示意图。
图6是本发明的渗透扩散试验装置示意图。
图7是本发明的恒温控制装置示意图。
图8是本发明的试验数据处理装置示意图。
图中,带有可通导管的顶盘1、带有可通导管的顶盘底盘2、气压制造机3、减压阀4、压力控制器51、压力控制器52、渗滤液补充箱6、进水头水管71、进水头水管72、进水阀门81、进水阀门82、水浴加热盒9、带有可通导管顶盖10、有凹槽的底盖11、有机玻璃筒12、上透水石131、上透水石132、乳胶膜14、恒温控制面板15、均匀排布的电热棒16、预埋膜17、电导集成线路18、电导探测片19、电导探测集中装置20、后处理计算机21、尾液收集测定箱22、上下盘固定螺栓23、底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25、铝合金支撑26、渗流导管27、膨润土28、渗透舱29。
具体实施方式
膨润土在工程中常常处于复杂的多场耦合作用的工况下,室内试验作为一种较为常用的研究方法,现阶段研究常采用固结仪改装后进行渗透试验或采用自行研制的渗透仪进行渗透试验,鲜少有学者将渗透试验与扩散试验结合起来进行研究,但现阶段研究发现渗透系数与扩散系数间形成互馈机制,存在一定的非线性关系,因此同时进行渗透与扩散试验是极其必要的。
同时现阶段的试验,主要集中在渗流、应力、化学单场或多场进行研究,缺少测定温度-渗流-应力-化学(Thermal-Hydraulic-Mechanical-Chemical,THMC)多场耦合的试验,且同时可以进行渗透与扩散试验的试验设备。同时,在当前的测试方法中,对于非稳态情况下的扩散系数测定存在局限性。为达到上述目的,本发明提出的解决方案为:一种测定THMC耦合作用下膨润土进行渗透扩散的室内试验装置,包括压力赋予装置、渗透扩散试验装置、恒温控制装置、试验数据处理装置。所提及的膨润土试样简称为膨润土。
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明,本发明的优选实施例详述如下:
实施例一:
在本实施例中,一种测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,试验装置包括压力赋予装置、渗透扩散试验装置、恒温控制装置及试验数据处理装置。
在本实施例中,压力赋予装置包括气压制造机3、减压阀4、压力控制器51、压力控制器52和渗滤液补充箱6;由减压阀4将气压制造机3制造的气压通过压力控制器51、压力控制器52转化为水压,送入渗滤液补充箱6内;渗滤液补充箱6中的滤液通过进水阀门81、进水阀门82,在水浴加热盒9内加热后进入渗透舱;水浴加热盒9对渗流导管27中的渗滤液进行水浴加热,对进入渗透舱的溶液进行温度场的控制;该渗透舱处于渗透扩散试验装置中。
在本实施例中,渗透扩散试验装置包含内部带有渗透舱的有机玻璃筒12、恒温控制装置、进水头水管71、进水头水管72、进水阀门81、进水阀门82、渗流导管27、上下盘固定螺栓23、底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25、铝合金支撑26的结构;
当一定温度、水压的渗滤液通过渗流导管27,在反向受压的过程中,穿过带有可通导管的底盘1,连通至有凹槽的底板11;在经过有凹槽的底板11后,均匀受压于下透水石132上,随后通过防止土颗粒进入导管的滤纸,进入膨润土;此时膨润土被乳胶膜14紧密包裹,且受制于渗透舱内均匀的围压,进行符合标准的渗透扩散试验;接着,渗滤液中的液体穿过带有可通导管顶盖10,通过渗流导管27进入尾液收集测定箱22,在尾液收集测定箱22中测定渗出液的电导率;
有机玻璃筒12包含渗透舱29、带有可通导管的顶盘1和底盘2;其中,底盘与顶盘之间采用不锈钢材质用螺帽23紧密栓连,通过乳胶膜14进行密封,顶盘1与底盘2的通道仅可使指定半径的渗流导管27或导线通过,保证有机玻璃筒12的密闭性;
渗透舱29包括从下到上依次布置为有凹槽的底盖11、下透水石132、膨润土28、上透水石131、带有可通导管顶盖10;并用乳胶膜14将上述设备包裹起来,同时在上、下顶盖间采用乳胶膜14紧密的固定,防止围压环境下乳胶膜14进行滑移与试样侧漏;
有机玻璃筒12带有可通导管的顶盘1包括和底盘2,上下盘固定螺栓23、底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25、铝合金支撑26的结构;其中,上下盘固定螺栓23将顶盘1和底盘2通过铝合金支撑26进行紧密的固定,底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25支撑了底盘2,固定有机玻璃筒12。
在本实施例中,恒温控制装置包括水浴加热盒9、电热棒16、恒温控制面板15;在进入内部带有渗透舱29的有机玻璃筒12前,渗滤液首先进入水浴加热盒9;在水浴加热盒9内,渗滤液进行加热升温,在达到指定的温度后,进入有机玻璃筒12内;
电热棒16沿着有机玻璃筒12均匀排布,在渗滤液通过水浴加热盒9后进入渗透舱29,根据环境温度的不同,使导致渗透舱29的温度变化;因此采用内部温度感应片对舱内溶液温度进行实时监控,在温度有所下降后,采用恒温控制面板15对数根沿着有机玻璃筒均匀排布的电热棒12进行加热,使得舱内温度回到指定稳定,满足试验温度场的要求。
在本实施例中,试验数据处理装置包括预埋膜17、电导集成线路18、电导探测片19、尾液收集测定箱22、电导探测集中装置20、后处理计算机21;从渗透扩散试验装置流出的渗滤液将进入尾液收集测定箱22,通过电导探测集中装置20进行测定电导率;
电导探测片19,将其进行若干层上下交错的布置,达到均匀测定不同层土体的要求;电导探测片19位于预埋膜17的内部,由电导集成线路18进行整体调控;需要注意的是,在测定过程中,要求电导集成线路18所含的导线与电导仪20相连,并将数据连通至计算机,进行非稳态扩散系数的实时计算。
在本实施例中,所述试验数据处理装置采用后处理计算机21;后处理计算机21对不同层内的不同探测片在不同时段的进行测定;通过分段分层分时的测定,由后处理计算机21计算得到非稳态的实时扩散系数;
后处理计算机21计算得到非稳态的实时扩散系数,在室内试验中,定该类膨润土的体积电阻率ρ;通过已知的理论解计算得到扩散系数;将预埋膜17放入渗透舱内,通过分组分段分时开启预埋膜17上的电导探测片19,测定土体内部的电导率,确定非稳态的实时扩散系数。
本实施例渗透扩散试验装置可满足对温度场、化学场的试验控制;试验数据处理装置包括电导探测片、尾液收集测定箱、后处理计算机等结构;本实施例设备分段分层分时测定膨润土的电导率后,利用理论解计算可得到非稳态时的扩散系数,并可以通过计算机后处理后进行汇总计算;本实施例对膨润土进行多场耦合影响试验,尤其是研究了温度变化对膨润土渗透、扩散作用的影响,得到膨润土的渗透破坏、扩散击穿机理;
实施例二:
本实施例与实施例一基本相同,特别之处在于:
在本实施例中,如图1、图5所示,所提及的压力赋予装置包括,气压制造机3、减压阀4、压力控制器51、压力控制器52、渗滤液补充箱6。气压制造机3提供渗透试验所需要的围压和渗透压力,减压阀4将气压制造机3提供的高压降低至合理的范围,一般渗透试验为0-500kPa。压力控制器51将通过减压阀4的气压转化为水压并对水压精确调整,将水压控制在试验变量内,且在渗透过程中渗透压不变。一定压强的水压送入渗滤液补充箱6内,将渗滤液送入进水头水管71、进水头水管72内,记录此时的水头高度。最后,渗滤液分别通过进水阀门81、进水阀门82,在水浴加热盒9内进行加热处理后进入渗透舱29。
在本实施例中,水浴加热盒9可对通过渗流导管27中的渗滤液进行水浴加热的方式,对渗滤液进行加热,保证渗滤液处于一定温度,满足渗透舱29内部的温度达到试验要求。
在本实施例中,渗滤液补充箱6满足:
a.到达进水头水管71、进水头水管72的渗滤液为同种渗滤液,能控制渗滤液浓度变化;
b.在后续渗透扩散试验中,如果渗滤液不足,也可通过渗滤液补充箱进行及时的补充。
在本实施例中,如图2、图6所示,所提及的渗透扩散试验装置包括,渗透舱29、有机玻璃筒12、进水头水管71、进水头水管72、进水阀门81、进水阀门82、渗流导管27、上下盘固定螺栓23、底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25、铝合金支撑26等结构。
在本实施例中,所提及的渗透扩散试验装置运作机理为:一定温度、水压的渗滤液通过渗流导管27,在反向受压的过程中,穿过带有可通导管的底盘1,连通至有凹槽的底板11。在经过有凹槽的底板11后,均匀受压于下透水石132上,随后通过防止土颗粒进入导管的滤纸,进入膨润土28。此时膨润土28被乳胶膜14紧密包裹,且受制于渗透舱29内均匀的围压,进行符合标准的渗透扩散试验。接着,渗滤液中的液体穿过带有可通导管顶盖10,通过渗流导管27进入尾液收集测定箱22,在尾液收集测定箱22中测定渗出液的电导率。
在本实施例中,所提及的测定渗出液的电导率的作用有:
1)为渗透试验结束条件,根据ASTM 6766的要求渗出液电导率与渗入液电导率的比值(ECout/ECin)等于1.0±0.1时,可终止试验;
2)判断膨润土是否被渗滤液中的化学离子击穿破坏;
3)与下文所提及的扩散系数测定数据进行对比分析。
在本实施例中,所提及的有机玻璃筒12包括,渗透舱29、带有可通导管的顶盘1和底盘2。其中,底盘与顶盘之间采用不锈钢材质用螺帽23紧密栓连,通过乳胶膜14进行密封,顶盘1与底盘2的通道仅可使指定半径的渗流导管27或导线通过,保证有机玻璃筒12的密闭性。
在本实施例中,所提及的渗透舱29从下到上依次布置为:有凹槽的底盖11、下透水石132、滤纸、膨润土28、上透水石13、带有可通导管顶盖10。并用乳胶膜14将上述设备包裹起来,同时在上、下顶盖间采用乳胶膜14紧密的固定,防止围压环境下乳胶膜14进行滑移与试样侧漏。
在本实施例中,所提及的有机玻璃筒12的带有可通导管的顶盘1包括和底盘2,上下盘固定螺栓23、底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25、铝合金支撑26等结构。其中,上下盘固定螺栓23将顶盘1和底盘2通过铝合金支撑26进行紧密的固定,保证有机玻璃筒12在受围压的情况下不发生渗漏。底盘支座螺栓24、底部支座撑脚25支撑了底盘2,并对有机玻璃筒12起固定作用。
在本实施例中,如图7所示,所提及的恒温控制装置包括,水浴加热盒9、电热棒16、恒温控制面板15。在进入内部带有渗透舱29的有机玻璃筒12前,渗滤液首先进入水浴加热盒9。在水浴加热盒9内,渗滤液进行加热升温,在达到指定的温度后,进入有机玻璃筒12内。
在本实施例中,所提及的电热棒16包括,为数根沿着有机玻璃筒12均匀排布,如图3所示,电热棒上有一定数量的温度感应片。在渗滤液通过水浴加热盒9后进入渗透舱29,但由于环境温度的不同,会导致渗透舱29的温度变化。因此采用内部温度感应片对舱内溶液温度进行实时监控,在温度有所下降后,采用恒温控制面板15对数根沿着有机玻璃筒均匀排布的电热棒12进行加热,使得舱内温度回到指定稳定,满足试验温度场的要求。
在本实施例中,所提及的测定渗透系数,通常采用渗透系数与水头高度比的对数成正比的计算方法,如公式(1)所示。因此,记录一定时间内进水头水管71、进水头水管72的水头高度差,计算得到渗透系数的试验值。
式中,k为渗透系数(m/s);a为渗流导管的截面面积(cm2);L为膨润土土柱厚度(cm);A为膨润土式样的截面面积(cm2);t1、t2为试验起始时刻和终止时刻的差值(s);h1、h2分别为试验起始时刻t1和终止时刻t2对应的进水头管高度(cm)。
如图1、图7所示,所提及的试验数据处理装置,包括预埋膜17、电导集成线路18、电导探测片19、尾液收集测定箱22、电导探测集中装置20、后处理计算机21。从渗透扩散试验装置流出的渗滤液将进入尾液收集测定箱22,通过电导探测集中装置20进行测定电导率。
在本实施例中,一种测定扩散系数的方法。具体方法如下:
在本实施例中,如图5所示,所提及的电导探测片19进行若干层上下交错的布置,到达均匀测定不同层土体的要求。电导探测片19位于预埋膜17的内部,由电导集成线路18进行整体调控。值得注意的是,在测定过程中,要求电导集成线路18所含的导线与电导仪相连,并将电导仪数据连通至计算机,通过获取扩散系数的方法,进行非稳态扩散系数的实时计算。
在本实施例中,所提及的获取扩散系数的方法包括,试验法、解析法。除了常用的扩散柱、扩散槽法等试验方法测量扩散系数外,还可以根据Fick第二定律(方程(2))中求得解析解:
式中,C为渗滤液浓度(mol/L);t为时间(s);z为扩散深度(m);D0为扩散系数(m2/s)。
在本实施例中,所提及的后处理计算机21对不同层内的不同探测片在不同时段的进行测定。通过分段分层分时的测定,由后处理计算机21计算得到非稳态的实时扩散系数。
具体步骤如下:
步骤1:在室内试验中,采用Wenner探针法对预先渗滤液水化的膨润土柱表面使用探针进行测试,测定该类膨润土在表面吸附渗滤液时,膨润土的体积电阻率ρ。
步骤2:采用已知的理论解计算得到扩散系数,通过试验室试剂法测定试验扩散系数,对比分析得到的理论解准确性。本方法采用Nernet-Einstein方程进行计算:
式中,D为试样的扩散系数(m2/s);R是气体常数(J/(K·mol));T为绝对温度(K);Z为电荷数或价位数;F为菲尔德常数,取96500C/mol;t为离子迁移数;C为离子浓度(mol/L);ρ为Wenner探针法所求的体积电阻率;γ为离子的活度系数,一般为1。
步骤3:在通过上述步骤证理论解的准确性后,将预埋膜放入渗透舱29内,紧密的包裹在膨润土28的外部,并被乳胶膜14包裹,使得电导测定的路径仅在土体内部进行,乳胶膜将内部与外部渗滤液进行绝缘处理,保证试验测定的的准确性。
步骤4:将预埋膜通过电导集成线路18接通电导探测集中装置20,对预埋膜17上的电导探测片19采用分组分段分时开启,测定出间隔土体的两点之间的电导率后,采用后处理计算机21进行数据后处理,得到非稳态的实时扩散系数。
本实施例测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置和扩散系数的测定方法;压力赋予装置包括,气压制造机、减压阀、压力控制器、渗滤液补充箱等,可以满足对渗流场、应力场的试验控制;渗透扩散试验装置主要包括,内部带有渗透舱的有机玻璃筒、恒温控制装置、进水头水管等结构,可以满足对温度场、化学场的试验控制;试验数据处理装置包括电导探测片、尾液收集测定箱、后处理计算机等结构。同时,本实施例扩散系数的测定方法。通过本设备分段分层分时测定膨润土的电导率后,利用理论解计算可得到非稳态时的扩散系数,并可以通过计算机后处理后进行汇总计算。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明,但本发明不限于上述实施例,还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化,凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化,均应为等效的置换方式,只要符合本发明的发明目的,只要不背离本发明的技术原理和发明构思,都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:试验装置包括压力赋予装置、渗透扩散试验装置、恒温控制装置及试验数据处理装置。
2.根据权利要求1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:压力赋予装置包括气压制造机(3)、减压阀(4)、压力控制器(51)、压力控制器(52)和渗滤液补充箱(6);由减压阀(4)将气压制造机(3)制造的气压通过压力控制器(51)、压力控制器(52)转化为水压,送入渗滤液补充箱(6)内;渗滤液补充箱(6)中的滤液通过进水阀门(81)、进水阀门(82),在水浴加热盒(9)内加热后进入渗透舱;水浴加热盒(9)对渗流导管(27)中的渗滤液进行水浴加热,对进入渗透舱的溶液进行温度场的控制;该渗透舱处于渗透扩散试验装置中。
3.根据权利要求1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:渗透扩散试验装置包含内部带有渗透舱的有机玻璃筒(12)、恒温控制装置、进水头水管(71)、进水头水管(72)、进水阀门(81)、进水阀门(82)、渗流导管(27)、上下盘固定螺栓(23)、底盘支座螺栓(24)、底部支座撑脚(25)、铝合金支撑(26)的结构;
当一定温度、水压的渗滤液通过渗流导管(27),在反向受压的过程中,穿过带有可通导管的底盘(1),连通至有凹槽的底板(11);在经过有凹槽的底板(11)后,均匀受压于下透水石(132)上,随后通过防止土颗粒进入导管的滤纸,进入膨润土;此时膨润土被乳胶膜(14)紧密包裹,且受制于渗透舱内均匀的围压,进行符合标准的渗透扩散试验;接着,渗滤液中的液体穿过带有可通导管顶盖(10),通过渗流导管(27)进入尾液收集测定箱(22),在尾液收集测定箱(22)中测定渗出液的电导率;
有机玻璃筒(12)包含渗透舱(29)、带有可通导管的顶盘(1)和底盘(2);其中,底盘与顶盘之间采用不锈钢材质用螺帽(23)紧密栓连,通过乳胶膜(14)进行密封,顶盘(1)与底盘(2)的通道仅可使指定半径的渗流导管(27)或导线通过,保证有机玻璃筒(12)的密闭性;
渗透舱(29)包括从下到上依次布置为有凹槽的底盖(11)、下透水石(132)、膨润土(28)、上透水石(131)、带有可通导管顶盖(10);并用乳胶膜(14)将上述设备包裹起来,同时在上、下顶盖间采用乳胶膜(14)紧密的固定,防止围压环境下乳胶膜(14)进行滑移与试样侧漏;
有机玻璃筒(12)带有可通导管的顶盘(1)包括和底盘(2),上下盘固定螺栓(23)、底盘支座螺栓(24)、底部支座撑脚(25)、铝合金支撑(26)的结构;其中,上下盘固定螺栓(23)将顶盘(1)和底盘(2)通过铝合金支撑(26)进行紧密的固定,底盘支座螺栓(24)、底部支座撑脚(25)支撑了底盘(2),固定有机玻璃筒(12)。
4.根据权利1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:恒温控制装置包括水浴加热盒(9)、电热棒(16)、恒温控制面板(15);在进入内部带有渗透舱(29)的有机玻璃筒(12)前,渗滤液首先进入水浴加热盒(9);在水浴加热盒(9)内,渗滤液进行加热升温,在达到指定的温度后,进入有机玻璃筒(12)内;
电热棒(16)沿着有机玻璃筒(12)均匀排布,在渗滤液通过水浴加热盒(9)后进入渗透舱(29),根据环境温度的不同,使导致渗透舱(29)的温度变化;因此采用内部温度感应片对舱内溶液温度进行实时监控,在温度有所下降后,采用恒温控制面板(15)对数根沿着有机玻璃筒均匀排布的电热棒(12)进行加热,使得舱内温度回到指定稳定,满足试验温度场的要求。
5.根据权利要求1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:试验数据处理装置包括预埋膜(17)、电导集成线路(18)、电导探测片(19)、尾液收集测定箱(22)、电导探测集中装置(20)、后处理计算机(21);从渗透扩散试验装置流出的渗滤液将进入尾液收集测定箱(22),通过电导探测集中装置(20)进行测定电导率;
电导探测片(19),将其进行若干层上下交错的布置,达到均匀测定不同层土体的要求;电导探测片(19)位于预埋膜(17)的内部,由电导集成线路(18)进行整体调控;需要注意的是,在测定过程中,要求电导集成线路(18)所含的导线与电导仪(20)相连,并将数据连通至计算机,进行非稳态扩散系数的实时计算。
6.根据权利要求1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于:所述试验数据处理装置采用后处理计算机(21);后处理计算机(21)对不同层内的不同探测片在不同时段的进行测定;通过分段分层分时的测定,由后处理计算机(21)计算得到非稳态的实时扩散系数;
后处理计算机(21)计算得到非稳态的实时扩散系数,在室内试验中,定该类膨润土的体积电阻率ρ;通过已知的理论解计算得到扩散系数;将预埋膜(17)放入渗透舱内,通过分组分段分时开启预埋膜(17)上的电导探测片(19),测定土体内部的电导率,确定非稳态的实时扩散系数。
7.一种THMC耦合作用下膨润土扩散系数的测定方法,采用权利要求1所述测定THMC耦合作用下膨润土渗透扩散的室内试验装置,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1:采用Wenner探针法,在采用渗滤液进行预先水化的膨润土柱表面使用探针进行测定其体积电阻率ρ;
步骤2:采用已知的理论解计算得到扩散系数,通过试验室试剂测定验证理论解的准确性,采用Nernet-Einstein方程进行计算;
步骤3:在通过上述步骤证理论解的准确性后,将预埋膜放入渗透舱内,紧密的包裹在膨润土外部,并被乳胶膜包裹,使得电导测定的路径仅在膨润土土体内部;
步骤4:将预埋膜通过电导集成线路接通电导探测集中装置,对预埋膜上的探测片采用分组分段开启,测定出两点之间的电导率后,采用计算机进行数据后处理,得到非稳态的实时扩散系数。
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盛金昌等: "岩石THMC多因素耦合试验***研制与应用", 《长江科学院院报》 * |
魏宁等: "岩石流体反应流动耦合试验装置的开发", 《岩石力学与工程学报》 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN113945603A (zh) * | 2021-10-21 | 2022-01-18 | 中南大学 | 可测定水化过程中膨胀性土体导热系数的试验装置及方法 |
CN114397237A (zh) * | 2022-01-19 | 2022-04-26 | 成都理工大学 | 水浴型温控变水头渗流仪及用该装置测试渗透率的方法 |
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CN113237808B (zh) | 2023-03-17 |
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