本發(fā)明涉及一種氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法，尤其是涉及一種不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著社會(huì)的發(fā)展，越來越多的越江海盾構(gòu)隧道投入建設(shè)、使用，如上海長(zhǎng)江隧道、渤海灣跨海通道、瓊州海峽海底隧道等等。

隧道上覆土層沖刷、隧道滲漏等不利因素，都會(huì)使氯離子隨著高壓滲流水滲透到管片迎水土面，導(dǎo)致盾構(gòu)隧道接頭螺栓銹蝕、彈性密封墊及襯砌混凝土腐蝕等多種病害產(chǎn)生，嚴(yán)重影響隧道的使用性能，使隧道結(jié)構(gòu)未達(dá)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期即需大修，既浪費(fèi)了大量資金，又影響隧道的正常使用，縮短了維護(hù)周期和使用壽命，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)威脅隧道內(nèi)行車安全。如果對(duì)隧道的病害不及時(shí)進(jìn)行治理，會(huì)使襯砌結(jié)構(gòu)造成進(jìn)一步損壞，甚至使隧道報(bào)廢。因此在設(shè)計(jì)和施工新建隧道時(shí)，如能掌握上覆土層中氯離子的運(yùn)移規(guī)律，則能采取相應(yīng)的防范措施，可減少此類病害的發(fā)生，提高結(jié)構(gòu)安全性，減少維修費(fèi)用。

區(qū)別于一般水底隧道，越江海隧道所處環(huán)境表現(xiàn)為高水壓侵蝕環(huán)境，以瓊州海峽為例，最大水深達(dá)到200m，當(dāng)海底隧道埋深為10m，水力梯度達(dá)到20:1。根據(jù)達(dá)西定律，滲流水速率與水力梯度成正比，高水力梯度加速了氯離子運(yùn)移，因此針對(duì)高水力梯度環(huán)境下盾構(gòu)隧道上覆土層的氯離子運(yùn)移規(guī)律研究迫在眉睫。

模型試驗(yàn)是解決復(fù)雜工程問題和研究科學(xué)理論問題必不可少的手段，通過對(duì)不同水力梯度下的氯離子運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行研究，建立水力梯度與氯離子垂直彌散度的關(guān)系，為實(shí)際工程中不同工況條件下的氯離子運(yùn)移規(guī)律提供參考依據(jù)。氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定是研究氯離子垂直運(yùn)移規(guī)律的最有效方法之一。傳統(tǒng)的氯離子垂直擴(kuò)散裝置截面和高度固定，溶液用量較大，且試驗(yàn)過程中水分易揮發(fā)，導(dǎo)致溶液溶度上升，從而對(duì)試驗(yàn)造成誤差；同時(shí)裝置側(cè)壁與土樣孔隙較大，易存在“短流”現(xiàn)象，溶液從側(cè)壁孔隙處滲流與正常滲濾液混合，造成試驗(yàn)誤差甚至試驗(yàn)失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置及方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置，該裝置包括用于盛放試驗(yàn)土樣的測(cè)定裝置主體箱以及盛放氯離子溶液的供液箱，所述的測(cè)定裝置主體箱底部設(shè)有集液口，該裝置還包括伸縮支架，所述的測(cè)定裝置主體箱頂部設(shè)置密封頂蓋，所述的供液箱設(shè)置在伸縮支架上，所述的供液箱通過軟管連通所述的測(cè)定裝置主體箱，所述的軟管穿過所述的密封頂蓋設(shè)置；

首先，在測(cè)定裝置主體箱中填入試驗(yàn)土樣并采用自來水淋濾，試驗(yàn)土樣飽和后，在測(cè)定裝置主體箱上蓋上密封頂蓋，將氯離子溶液注入供液箱，調(diào)節(jié)伸縮支架高度，從而達(dá)到設(shè)定的水力梯度，然后，通過軟管向試驗(yàn)土樣注入氯離子溶液，最后收集集液口的濾液進(jìn)行分析確定該水利梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)。

所述的測(cè)定裝置主體箱為圓柱形筒體，所述的圓柱形筒體底部為雙層腔體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔為順流槽，外腔為分流槽，所述的分流槽底部通過環(huán)狀密封底蓋進(jìn)行密封，所述的分流槽側(cè)壁設(shè)置分流口，所述的順流槽底部設(shè)置多孔底蓋，集液口設(shè)置在所述的順流槽下方并與所述的順流槽密封設(shè)置。

所述的集液口為漏斗狀，集液口大口徑端與所述的順流槽密封連接。

所述的順流槽和分流槽均填滿石英砂，所述的試驗(yàn)土樣設(shè)置在石英砂上方并通過土工織物將石英砂和試驗(yàn)土樣分隔。

所述的密封頂蓋上設(shè)有排氣閥門。

所述的密封頂蓋通過法蘭接口與所述的測(cè)定裝置主體箱連接。

所述的供液箱上設(shè)有用于保持供液箱中溶液水頭高度的排液閥門。

所述的供液箱中盛放的氯離子溶液上有一層油層。

一種采用上述不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置的測(cè)定方法，該方法包括如下步驟：

(1)在測(cè)定裝置主體箱底部的順流槽和分流槽內(nèi)填滿石英砂，在石英砂上鋪設(shè)土工織物；

(2)將試驗(yàn)土樣填入測(cè)定裝置主體箱中的土工織物上方，用自來水進(jìn)行淋濾，確定試驗(yàn)土樣飽和；

(3)將密封頂蓋與測(cè)定裝置主體箱密封連接，軟管連接測(cè)定裝置主體箱和供液箱，向供液箱中注入氯離子溶液，打開密封頂蓋上的排氣閥門，進(jìn)而通過軟管向供液箱中注入氯離子溶液，同時(shí)排氣閥門將空氣排出；

(4)測(cè)定裝置主體箱中空氣排出后關(guān)閉排氣閥門，調(diào)節(jié)伸縮支架高度至設(shè)定值，在供液箱中氯離子溶液上覆蓋一層油層，打開排液閥門并及時(shí)向供液箱中補(bǔ)充氯離子溶液，使得供液箱中氯離子溶液水頭高度保持恒定；

(5)收集集液口的濾液，對(duì)濾液進(jìn)行分析確定該水利梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)；

重復(fù)步驟(1)～(5)，且步驟(4)中伸縮支架高度調(diào)節(jié)為不同數(shù)值，從而得到不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明通過軟管將供液箱和測(cè)定裝置主體箱連通，從而通過軟管向試驗(yàn)土樣中注入氯離子溶液，利用水流特性，減少氯離子溶液的用量，節(jié)約了資源；

(2)本發(fā)明設(shè)置伸縮支架，可以通過調(diào)節(jié)伸縮支架的高度來改變供液箱的高度，從而方便對(duì)不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定；

(3)本發(fā)明在測(cè)定裝置主體箱底部設(shè)置分流槽和順流槽，將分流槽與順流槽內(nèi)的滲濾液隔離，通過順溜槽中的濾液進(jìn)行氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的分析確定，從而消除了側(cè)壁短流現(xiàn)象對(duì)測(cè)定結(jié)果的影響，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠；

(4)本發(fā)明在在供液箱中氯離子溶液上覆蓋一層油層，消除了試驗(yàn)過程中由于水分揮發(fā)，導(dǎo)致溶液溶度上升，從而對(duì)試驗(yàn)造成誤差的問題；

(5)本發(fā)明設(shè)置的排液閥門使得供液箱中的溶液高度始終保持為恒定高度，從而在某一水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定過程中水力梯度保持恒定，保證測(cè)定結(jié)果的可靠性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明測(cè)定裝置主體箱底部順溜槽和分流槽部位水平方向剖視圖；

圖3為實(shí)施例中氯離子穿透曲線。

圖中，1為供液箱，2為軟管，3為測(cè)定裝置主體箱，4為試驗(yàn)土樣，5為土工織物，6為順流槽，7為分流槽，8為石英砂，9為多孔底蓋，10為密封底蓋，11為集液口，12為分流口，13為排氣閥門，14為密封頂蓋，15為法蘭接口，16為伸縮支架，17為油層，18為排液閥門。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。

實(shí)施例

如圖1所示，一種不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置，該裝置包括用于盛放試驗(yàn)土樣4的測(cè)定裝置主體箱3以及盛放氯離子溶液的供液箱1，供液箱1中盛放的氯離子溶液上有一層油層17，測(cè)定裝置主體箱3底部設(shè)有集液口11，該裝置還包括伸縮支架16，測(cè)定裝置主體箱3頂部設(shè)置密封頂蓋14，密封頂蓋14上設(shè)有排氣閥門13，密封頂蓋14通過法蘭接口15與測(cè)定裝置主體箱3連接，測(cè)定裝置主體箱3設(shè)置在伸縮支架16上，供液箱1通過軟管2連通測(cè)定裝置主體箱3，軟管2穿過密封頂蓋14設(shè)置；首先，在測(cè)定裝置主體箱3中填入試驗(yàn)土樣4并采用自來水淋濾，試驗(yàn)土樣4飽和后，在測(cè)定裝置主體箱3上蓋上密封頂蓋14，將氯離子溶液注入供液箱1，調(diào)節(jié)伸縮支架16高度，從而達(dá)到設(shè)定的水力梯度，然后，通過軟管2向試驗(yàn)土樣4注入氯離子溶液，最后收集集液口11的濾液進(jìn)行分析確定該水利梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)。

測(cè)定裝置主體箱3為圓柱形筒體，圓柱形筒體底部為雙層腔體結(jié)構(gòu)，其內(nèi)腔為順流槽6，外腔為分流槽7，分流槽7底部通過環(huán)狀密封底蓋10進(jìn)行密封，分流槽7側(cè)壁設(shè)置分流口12，順流槽6底部設(shè)置多孔底蓋9，集液口11設(shè)置在所述的順流槽6下方并與所述的順流槽6密封設(shè)置。集液口11為漏斗狀，集液口11大口徑端與順流槽6密封連接。順流槽6和分流槽7均填滿石英砂8，試驗(yàn)土樣4設(shè)置在石英砂8上方并通過土工織物5將石英砂8和試驗(yàn)土樣4分隔。如圖2所示為測(cè)定裝置主體箱3底部順溜槽6和分流槽7部位水平方向剖視圖，從圖中可以看出分流槽7水平方向剖面為環(huán)形，順流槽6水平方向剖面均為圓形，且環(huán)形的中心點(diǎn)和圓形的圓心相互重疊。

另外，供液箱1上設(shè)有用于保持供液箱1中溶液水頭高度的排液閥門18，當(dāng)供液箱1中的溶液高度到達(dá)排液閥門18高度時(shí)，溶液從排液閥門18排出，進(jìn)而液箱中氯離子溶液保持在設(shè)定高度，同時(shí)及時(shí)向供液箱1中補(bǔ)入氯離子溶液，在實(shí)際測(cè)定過程中，由于供液箱1中流入測(cè)定裝置主體箱3中的溶液的速度很慢，因此溶液高度下降速度很慢，通常情況下可以忽略不計(jì)，因此每隔一定時(shí)間，觀察到供液箱1通液高度有明顯下降時(shí)，及時(shí)補(bǔ)給供液箱1內(nèi)溶液即可。

供液箱1和測(cè)定裝置主體箱3采用高強(qiáng)度有機(jī)玻璃制作，在試驗(yàn)中可以清晰地觀察試驗(yàn)狀態(tài)。

一種采用上述不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定裝置的測(cè)定方法，該方法包括如下步驟：

(1)在測(cè)定裝置主體箱3底部的順流槽6和分流槽7內(nèi)填滿石英砂8，在石英砂8上鋪設(shè)土工織物5；

(2)將試驗(yàn)土樣4填入測(cè)定裝置主體箱3中的土工織物5上方，用自來水進(jìn)行淋濾，確定試驗(yàn)土樣4壤飽和；

(3)將密封頂蓋14與測(cè)定裝置主體箱3密封連接，軟管2連接測(cè)定裝置主體箱3和供液箱1，向供液箱1中注入氯離子溶液，打開密封頂蓋14上的排氣閥門13，進(jìn)而通過軟管2向供液箱1中注入氯離子溶液，同時(shí)排氣閥門13將空氣排出；

(4)測(cè)定裝置主體箱3中空氣排出后關(guān)閉排氣閥門13，調(diào)節(jié)伸縮支架16高度至設(shè)定值，在供液箱1中氯離子溶液上覆蓋一層油層17，打開排液閥門18并及時(shí)向供液箱1中補(bǔ)充氯離子溶液，使得供液箱1中氯離子溶液水頭高度保持恒定；

(5)收集集液口11的濾液，對(duì)濾液進(jìn)行分析確定該水利梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)，用ICS-1000型離子色譜儀對(duì)濾液進(jìn)行水質(zhì)化驗(yàn)，測(cè)出水樣中氯離子的濃度，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過對(duì)溶質(zhì)穿透曲線(Breakthrough curve,BTC)進(jìn)行擬合，得到氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)。一個(gè)半無限土柱實(shí)驗(yàn)的解析見下式：

式中：β_m為的正根，C為收集的集液口的濾液的氯離子溶度，g/mL；C₀為試驗(yàn)土樣中氯離子溶度，g/mL；C_s為供液箱中的氯離子溶液的氯離子溶度，g/mL；L為試驗(yàn)土樣4總高度，cm；D為氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)，cm²/s；v為平均孔隙水流速，cm/s；t為測(cè)量時(shí)間，s；R_d為阻滯系數(shù)。

重復(fù)步驟(1)～(5)，且步驟(4)中伸縮支架16高度調(diào)節(jié)為不同數(shù)值，從而得到不同水力梯度下的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)。

測(cè)試土樣為上海松江區(qū)④層淤泥質(zhì)粘土，干密度為1.86g/cm³，孔隙率為0.512。在順流槽6和分流槽7中放入石英砂8，壓實(shí)整平，隨后鋪上土工織物5，分層放置上述待測(cè)的土壤試樣放入本發(fā)明的試驗(yàn)土樣4箱3中，并保證土柱內(nèi)部密實(shí)，隨后用自來水進(jìn)行淋濾，確定試驗(yàn)土壤飽和，底部順流槽6直徑29cm，土壤試樣尺寸為Φ45cm×5cm，隨后通過法蘭接口15將溶液箱與密封頂蓋14連接固定，并保證密封性，通過軟管2連接供液箱1和溶液箱，往供液箱1中輸入3％NaCl溶液，打開排氣閥門13，待溶液箱充滿溶液，同時(shí)將溶液箱內(nèi)空氣全部排出，關(guān)閉排氣閥門13，將供液箱1放置在可伸縮支架16上，調(diào)節(jié)可伸縮支架16調(diào)整供液箱1高度，在供液箱1溶液上方添加一層油層17，打開排液閥門18，將液面保持在固定高度，水頭高度為0.75m，水力梯度為15:1，45天后氯離子穿透曲線(BTC)如圖3所示，采用CXTFIT軟件擬合得到水力梯度為15條件下的上海松江區(qū)④層淤泥質(zhì)粘土的氯離子垂直擴(kuò)散系數(shù)為5.023×10^-6cm²/s。