一种低渗透性岩土扩散系数测定仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型属于岩土性能测定领域，具体涉及一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，包括上下端均开口的不锈钢圆柱桶、上盖体、下盖体、双头螺栓、封口塞、加压装置、钻孔装置和离子浓度测定装置，所述不锈钢圆柱桶的下端开口处呈刀口状，所述上盖体及下盖体通过若干双头螺栓压紧在所述不锈钢圆柱桶的上端和下端。本实用新型提供的低渗透性岩土扩散系数测定仪基于分子扩散交换方法，在原状土中间钻孔，形成储水槽，在储水槽内注入含示踪离子的水溶液，并与原始岩土孔隙水自由扩散，直至平衡，根据含示踪离子的水溶液浓度随时间的变化序列，推求岩土中溶质的扩散系数。其用时较少，可以准确、迅速地获得岩土的扩散系数。
【专利说明】
一种低渗透性岩土扩散系数测定仪
技术领域
[0001] 本实用新型属于岩土性能测定领域，具体涉及一种低渗透性岩土扩散系数测定 仪。
【背景技术】
[0002] 天然条件下，低渗透介质的渗透性能仅为含水层的千分之几~万分之几，常规的 水力参数测定方法(如抽水试验，注水法等)难以实施，而且水质极易受到污染，采用经验值 或近似值(如用总孔隙度代替有效孔隙度），往往对溶质运移的时空范围评价存在较大误 差。而在低渗透岩土中，溶质运移以扩散为主，对流作用较弱，因此为了刻画弱透水层孔隙 水的水盐运移规律，评价和发挥低渗透介质的屏障作用，扩散系数的测定是目前低渗透介 质孔隙水研究以及污染物质运移的重要参数。目前来说，传统的扩散系数多采用穿透实验 获取，用时较长，不利于科学研究的进行。 【实用新型内容】
[0003] 本实用新型的目的是为克服现有技术中存在的边壁渗流及耗时长等不足，提供一 种可以实现快速准确测量低渗透岩土扩散系数的仪器装置，具有操作简单，费用低，多组分 同时测试的优点。
[0004] 本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下:一种低渗透性岩土扩散系数测定 仪，包括上下端均开口的不锈钢圆柱桶、上盖体、下盖体、双头螺栓、封口塞、加压装置、钻孔 装置和离子浓度测定装置，所述不锈钢圆柱桶的下端开口处呈刀口状，所述加压装置可下 压所述不锈钢圆柱桶，使其下端开口切割原始岩土并使所述不锈钢圆柱桶内充满原始岩 土，通过所述钻孔装置可从所述不锈钢圆柱桶内的原始岩土的上端中间位置向下钻取圆柱 形储液槽，所述储液槽与所述不锈钢圆柱桶同轴，所述储液槽内装有含有示踪离子的溶液， 所述上盖体及下盖体通过若干双头螺栓压紧在所述不锈钢圆柱桶的上端和下端，所述上盖 体的中部开设有与所述储液槽连通的通孔，所述通孔上设置有可拆卸的封口塞，打开所述 封口塞可将所述离子浓度测定装置的测定电极可通过所述通孔伸入所述储液槽内的所述 溶液中。所述不锈钢圆柱桶的下端开口处呈刀口状，可确保切取土样时更省力且切取的土 样与不锈钢圆柱桶的桶体贴紧;所述不锈钢圆柱桶，充当测定扩散系数时的零能量面。
[0005] 在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
[0006] 进一步，所述下盖体的边缘开设有若干带有内螺纹的螺孔，所述双头螺栓的下端 通过相应螺孔与所述下盖体螺纹连接，所述上盖体的边缘开设有供所述双头螺栓的上端穿 过的若干固定孔，所述双头螺栓的上端螺纹连接有压紧螺母，通过调节所述压紧螺母可将 上盖体及下盖体压紧在所述不锈钢圆柱桶的上端和下端。
[0007] 进一步，所述上盖体与所述不锈钢圆柱桶的上端之间设置有0型橡胶密封圈，所述 下盖体与所述不锈钢圆柱桶的下端之间设置有〇型橡胶密封圈。设置〇型橡胶密封圈可保证 仪器的密闭性，确保水不会从圆柱桶的上端或下端流出，避免边壁渗透的发生。
[0008] 进一步，所述储液槽内设置有上端开口的带孔套筒，所述带孔套筒由不锈钢制成 且其与所述储液槽的侧壁及底壁均贴紧，所述带孔套筒的侧壁及底壁均开设有若干透水 孔，所述透水孔与所述储液槽之间设置有滤纸。设置带孔套筒和滤纸可有效保证实验过程 中试样结构不发生变化，同时避免小颗粒土壤进入溶液中。
[0009] 进一步，所述带孔套筒的侧壁及底壁外均包裹有滤纸。
[0010]进一步，所述不锈钢圆柱桶的高度为l〇-15cm、直径为5-8cm，所述储液槽的深度为 7_9cm、直径为 2_3cm。
[0011] 进一步，所述加压装置为液压机或切土机，所述钻孔装置为麻花钻，所述离子浓度 测定装置为精密离子仪。所述液压机或切土机用来下压所述不锈钢圆柱桶以使其刀口状下 端切割原始岩土。
[0012] 进一步，所述含有示踪离子的溶液为含有氯离子或溴离子的水溶液。
[0013] 本实用新型的有益效果是:本实用新型提供的低渗透性岩土扩散系数测定仪基于 分子扩散交换方法，在原状土中间钻孔，形成储水槽，在储水槽内注入含示踪离子的水溶 液，并与原始岩土孔隙水自由扩散，直至平衡，根据含示踪离子的水溶液浓度随时间的变化 序列，推求岩土中溶质的扩散系数，其用时较少，可以准确、迅速地获得岩土的扩散系数，克 服了传统实验产生的边壁渗流、时间较长等问题，实用性较强，提高了测试效率。本装置成 本低廉，操作简单，实用性强，可推广使用。
【附图说明】
[0014] 图1为本实用新型提供的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪的示意图；
[0015] 图2为本实用新型提供的测定仪测定过程中的扩散模型概化图；
[0016] 图3为不同扩散系数下储液槽内溶液浓度随时间变化的模拟值与实测值对比。
[0017] 附图中，各标号所代表的部件列表如下：
[0018] 1.不锈钢圆柱桶;2 .上盖体;3.0型橡胶密封圈；4.双头螺栓;5 .带孔套筒;6.封口 塞;7.下盖体。
【具体实施方式】
[0019] 以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用 新型，并非用于限定本实用新型的范围。
[0020] 如图1所示，本实用新型提供一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，包括上下端均开 口的不锈钢圆柱桶1、上盖体2、下盖体7、双头螺栓4、封口塞6、加压装置、钻孔装置和离子浓 度测定装置，所述不锈钢圆柱桶1的下端开口处呈刀口状，通过所述加压装置下压所述不锈 钢圆柱桶1，所述不锈钢圆柱桶1的下端开口可切割原始岩土并使所述不锈钢圆柱桶1内充 满原始岩土，通过所述钻孔装置可在所述不锈钢圆柱桶1内的原始岩土的上端中部钻取向 下伸展的圆柱形储液槽，所述储液槽与所述不锈钢圆柱桶1同轴，所述储液槽内装有含有示 踪离子的溶液，所述上盖体2及下盖体7通过若干双头螺栓4压紧在所述不锈钢圆柱桶1的上 端和下端，所述上盖体2的中部开设有与所述储液槽连通的通孔，所述通孔上设置有封口塞 6，打开所述封口塞6可将所述离子浓度测定装置的测定电极伸入所述储液槽内的所述溶液 中。
[0021] 在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
[0022] 进一步，所述下盖体7的边缘开设有若干带有内螺纹的螺孔，所述双头螺栓4的下 端通过相应螺孔与所述下盖体7螺纹连接，所述上盖体2的边缘开设有供所述双头螺栓4的 上端穿过的若干固定孔，所述双头螺栓4的上端连接有压紧螺母，通过调节所述压紧螺母可 将上盖体2及下盖体7压紧在所述不锈钢圆柱桶1的上端和下端。
[0023] 进一步，所述上盖体2与所述不锈钢圆柱桶1的上端之间设置有0型橡胶密封圈3， 所述下盖体7与所述不锈钢圆柱桶1的下端之间设置有0型橡胶密封圈3。
[0024] 进一步，所述储液槽内设置有上端开口的带孔套筒5,所述带孔套筒5由不锈钢制 成且其与所述储液槽的侧壁及底壁均贴紧，所述带孔套筒5的侧壁及底壁均开设有若干透 水孔，所述透水孔与所述储液槽之间设置有滤纸。
[0025] 进一步，所述带孔套筒5的侧壁及底壁外均包裹有滤纸。
[0026]进一步，所述不锈钢圆柱桶1的高度为10-15cm、内径为5-8cm,所述储液槽的深度 为7_9cm、直径为2_3cm。
[0027]进一步，所述加压装置为液压机或切土机，所述钻孔装置为麻花钻，所述离子浓度 测定装置为精密离子仪。
[0028]本实用新型提供的低渗透性岩土扩散系数测定仪的使用方法如下：
[0029] 1.装样:试样要保证完全饱水，利用不锈钢圆柱桶切取土样并尽量避免扰动，利用 削土刀削去扩散仪两端的余土，下部放入0型橡胶圈密封和下盖体；
[0030] 2.打孔:利用直径为2-3cm的麻花钻在已切好原状土中间打孔，得储液槽，槽深取 7-9cm左右；
[0031 ] 3.套筒:根据槽深，设计一个专用多孔套筒，周围用滤纸紧密包裹，放入槽中，以避 免小颗粒土进入储液槽，影响离子测试装置的读数；
[0032] 4.加液:在储水区中加入已知浓度的含有示踪离子的水溶液，并记录体积及浓度 数值；
[0033] 5.固定:利用双头螺栓、0型橡胶密封圈对装置进行固定、密封，避免水从上部或下 部流出；
[0034] 6.数据记录:利用离子测试装置读取储液槽内溶液中示踪离子的浓度，实验前期 每天记录4~5个数，后期离子浓度变化较慢，一天记录1次，直至离子浓度不发生变化，达到 扩散平衡。
[0035]本实用新型提供的低渗透性岩土扩散系数测定仪的的测试原理如下：
[0036]低渗透介质中控制溶质运移的扩散方程(以极坐标的形式表示)为
W'V ⑴
[0038]式（I)中D*为有效扩散系数，也可表示为TDQ，DQ为自由水的扩散系数，c为土体孔隙 水中溶质的浓度;r是以储液槽中心为圆心的径向距离。
[0039]控制方程(I)的初始条件为：
[0040] c(r，0)=ci (II)
[0041] cr(0) = co (III)
[0042]式(II)和(III)中，co，C1分别为储液槽和土体(试样）中溶质的初始浓度。
[0043] 模型中的内外边界条件为：
[0044 ] cr (t) = c (rR，t) (IV)
[0045] …、 從 (V)
[0046] 利用comsol软件进行溶质扩散模拟，利用实测值进行数据拟合，获取试样的有效 扩散系数D*。
[0047]岩土扩散系数测定实验：
[0048] 基于以上方法和原理，使用本实用新型的装置以天津塘沽地区G1孔101.2-101.5m 的粉质粘土为例进行扩散系数测定实验：
[0049] 试样采集时，进行现场密封，4~5°C条件下保存。本实验以氯离子为示踪剂，介绍 本发明在低渗透岩土扩散系数测定中的应用。
[0050] 不锈钢圆柱桶高10cm、内径7cm，利用3cm的麻花钻在已切好原状土中间开设储液 槽，储液槽深8cm，储液槽内注满氯化钠溶液，氯离子浓度为417.2mg/L，采用机械压榨法获 取试样的孔隙水氯离子浓度为2041.53mg/L，氯离子的径向扩散过程满足方程（I)，初始条 件为：
[0051 ] cr(0) = c〇 = 417.2mg/l = 1.175E-7mol/l
[0052] c(r ,0) = ci = 2041.53mg/l = 57.51mol/l [0053]内外的边界条件分别为：
[0054] CR(t) = c(rR，t) (IV)
(\ )
[0056]式中CR (0)为储液槽内氯化钠溶液的初始浓度，c (r，0)为试样的初始浓度，rR为储 液槽的半径，r。为试样的半径，如图2所示。
[0057]采用comsol的扩散?？榻惺菽夂?，依据4个不同的扩散系数D*，得出理论的储 区浓度随时间的变化曲线，如图3所示。与实测值对比，结果表明当试样的有效扩散系数D* 为6.00E-10m/S时，储液槽内氯化钠溶液浓度变化的实测值与理论模拟值吻合，则求出试样 氯离子的有效扩散系数为6.00E-10m/ S。
[0058]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用 新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，包括上下端均开口的不锈钢圆柱 桶（1)、上盖体(2)、下盖体(7)、双头螺栓(4)、封口塞(6)、加压装置、钻孔装置和离子浓度测 定装置，所述不锈钢圆柱桶（1)的下端开口处呈刀口状，所述加压装置可下压所述不锈钢圆 柱桶（1)，使其下端开口切割原始岩土并使其内充满原始岩土，所述钻孔装置可从所述不锈 钢圆柱桶（1)内的原始岩土的上端中间位置向下钻取圆柱形储液槽，所述储液槽与所述不 锈钢圆柱桶（1)同轴，所述储液槽内装有含有示踪离子的溶液，所述上盖体(2)及下盖体(7) 通过若干双头螺栓(4)压紧在所述不锈钢圆柱桶（1)的上端和下端，所述上盖体(2)的中部 开设有与所述储液槽连通的通孔，所述离子浓度测定装置的测定电极可通过所述通孔伸入 所述储液槽内的所述溶液中，所述通孔处设置有可拆卸的封口塞(6)。2. 根据权利要求1所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，所述下盖体 (7)的边缘开设有若干带有内螺纹的螺孔，所述双头螺栓(4)的下端通过相应螺孔与所述下 盖体(7)螺纹连接，所述上盖体(2)的边缘开设有供所述双头螺栓(4)的上端穿过的若干固 定孔，所述双头螺栓(4)的上端螺纹连接有压紧螺母，所述压紧螺母可将上盖体(2)及下盖 体(7)压紧在所述不锈钢圆柱桶（1)的上端和下端。3. 根据权利要求1所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，所述上盖体 (2)与所述不锈钢圆柱桶（1)的上端之间设置有O型橡胶密封圈（3)，所述下盖体(7)与所述 不锈钢圆柱桶（1)的下端之间设置有O型橡胶密封圈（3)。4. 根据权利要求1所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，所述储液槽 内设置有上端开口的带孔套筒(5)，所述带孔套筒(5)由不锈钢制成且其与所述储液槽的侧 壁及底壁均贴紧，所述带孔套筒(5)的侧壁及底壁均开设有若干透水孔，所述透水孔与所述 储液槽之间设置有滤纸。5. 根据权利要求4所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，所述带孔套 筒(5)的侧壁及底壁外均包裹有滤纸。6. 根据权利要求4所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于，所述不锈钢 圆柱桶（1)的高度为l〇-15cm、内径为5-8cm，所述储液槽的深度为7-9cm、直径为2-3cm。7. 根据权利要求1至6任一项所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于， 所述加压装置为切土机或液压机。8. 根据权利要求1至6任一项所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于， 所述钻孔装置为麻花钻。9. 根据权利要求1至6任一项所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于， 所述离子浓度测定装置为精密离子仪。10. 根据权利要求1至6任一项所述的一种低渗透性岩土扩散系数测定仪，其特征在于， 所述含有示踪离子的溶液为含有氯离子或溴离子的水溶液。
【文档编号】G01N15/08GK205506639SQ201620289965
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月8日
【发明人】葛勤, 梁杏, 李静, 龚绪龙, 陈乃嘉, 刘彦, 沈仲智, 邓斌
【申请人】中国地质大学（武汉）