本實用新型涉及測量沉淀物滲透參數(shù)的技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于土壤、海水等測量技術(shù)領(lǐng)域的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)的實驗裝置。

背景技術(shù)：

滲透系數(shù)是土壤及海水的基本特性參數(shù)之一，目前，已有的滲透實驗主要有室內(nèi)試驗和野外原位實驗(又稱之為現(xiàn)場實驗)兩種形式，室內(nèi)主要有定水頭/變水頭實驗、粒度分析法，野外原位實驗主要有抽水實驗、單環(huán)壓滲儀、滲流儀、雙環(huán)法等。顯然地，室內(nèi)實驗不可避免地會擾動沉積物，測得的滲透系數(shù)是經(jīng)壓實或晃動后的沉積物的。而上述野外原位實驗方法也存在諸多不足：鉆井耗時耗力、抽水耗電、成本高、操作不便、讀數(shù)誤差較大等。

因此，為提高滲透系數(shù)測量的準(zhǔn)確性，需要不斷改進和更新現(xiàn)有測量技術(shù)手段和測量方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足提供一種用于氣相包覆的裝置，并同時提出了一種新的氣相包覆方法，采用該裝置和該方法能夠?qū)崿F(xiàn)快速、定量且高度安全可控的使用液相或氣液復(fù)合前驅(qū)體的氣相包覆。

第一方面，本實用新型提供了一種原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)的實驗裝置，包括：蓄水豎管1、連接法蘭4、密封墊5、鋼沙網(wǎng)6以及沉積物容腔7；其中，所述蓄水豎管1，位于地表以上部分，用于實驗時蓄水；所述連接法蘭4，包括蓄水豎管法蘭和沉積物容器法蘭，用于連接所述蓄水豎管1和所述沉積物容腔7；所述密封墊5，位于兩個所述連接法蘭4之間，用于密封所述蓄水豎管1和所述沉積物容腔7的連接處，防止漏水；所述說沉積物容腔7，位于地表以下，用于滲透和排出實驗段過水。

優(yōu)選地，所述實驗裝置還包括壓力傳感器2，位于與所述蓄水豎管1底部聯(lián)通的傳感器腔室內(nèi)，用于記錄實驗過程中所述蓄水豎管1中水位隨時間的變化。

優(yōu)選地，所述實驗裝置還包括閥門3，位于所述蓄水豎管1的底部，用于控制實驗開始和結(jié)束。

優(yōu)選地，所述密封墊5共兩個。

進一步優(yōu)選地，所述實驗裝置還包括所述鋼沙網(wǎng)6，位于兩個所述密封墊5的中間，用于緩沖水流。

優(yōu)選地，所述沉積物容腔7的底部邊緣具有切削刃開口。

優(yōu)選地，所述沉積物容腔7具有上下兩段，上半段用于滲透實驗過水部分；下半段設(shè)置有孔隙，用于排水。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的優(yōu)點在于：(1)整套裝置拆卸、運移、安裝便捷。(2)原位實驗，避免擾動沉積物，實驗結(jié)果準(zhǔn)確。(3)適用范圍廣：可測定滲透系數(shù)范圍10^-7-10^-2m/s，粗砂到粉粘土均可用。(4)實驗時間較短，1min<t<1h時間內(nèi)即可完成。(5)不僅適用于外圍定水頭的情況；而且也適用于海岸帶地區(qū)，外圍水位隨時間變動的情況(海潮)。(6)可根據(jù)沉積物滲透系數(shù)的大小(經(jīng)驗值)預(yù)先選擇適當(dāng)?shù)呢Q管直徑。當(dāng)水頭降低過快時，應(yīng)選擇較小的豎管直徑，反之亦然。(7)實驗采用壓力傳感器進行豎管水位和時間的記錄，數(shù)據(jù)較肉眼讀取更準(zhǔn)確。

附圖說明

以下，結(jié)合附圖來詳細說明本實用新型的實施方案，其中：

圖1為本實用新型實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)的實驗裝置立體示意圖；

圖2為本實用新型實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)實驗時的立體剖面圖；

圖3為本實用新型實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)流程示意圖。

具體實施方式

下面通過附圖和具體的實施例，對本實用新型進行進一步的說明，但應(yīng)當(dāng)理解為這些實施例僅僅是用于更詳細說明之用，而不應(yīng)理解為用以任何形式限制本實用新型，即并不意于限制本實用新型的保護范圍。

本部分對本實用新型實驗中所使用到的材料以及試驗方法進行一般性的描述。雖然為實現(xiàn)本實用新型目的所使用的許多材料和操作方法是本領(lǐng)域公知的，但是本實用新型仍然在此作盡可能詳細描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員清楚，在上下文中，如果未特別說明，本實用新型所用材料和操作方法是本領(lǐng)域公知的。

圖1示出了本實用新型一實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)的實驗裝置立體示意圖；圖2為本實用新型一實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)實驗時的立體剖面圖。由圖1和圖2所示，該實驗裝置(又稱為豎管實驗裝置)，包括：蓄水豎管(1)、連接法蘭(4)、密封墊(5)、鋼沙網(wǎng)(6)以及沉積物容腔(7)；其中，

蓄水豎管(1)，位于地表以上部分，用于實驗時蓄水，其基準(zhǔn)面為蓄水豎管(1)底端與連接法蘭(4)的交界處。優(yōu)選地，蓄水豎管(1)選擇有機玻璃材質(zhì)，直徑介于0.01米-0.1米，根據(jù)實驗場地的實際情況進行選擇，即可根據(jù)沉積物滲透系數(shù)的大小(經(jīng)驗值)預(yù)先選擇適當(dāng)?shù)呢Q管直徑。當(dāng)水頭降低過快時，應(yīng)選擇較小的豎管直徑，反之亦然。豎管優(yōu)選為1.5米，為方便查看或記錄管內(nèi)水下降的情況，豎管外側(cè)標(biāo)注有刻度值。在一個示例中，在蓄水豎管(1)的底部還設(shè)置有閥門(3)，用于控制實驗開始和結(jié)束，除此之外，閥門(3)還可以避免實驗時向蓄水豎管(1)內(nèi)注水時，過高的水流沖擊沉積物，擾動孔隙結(jié)構(gòu)影響滲透性。

在另一個示例中，為方便實驗過程中，蓄水豎管(1)內(nèi)水位和實驗時間記錄的準(zhǔn)確性，實驗裝置還包括壓力傳感器(2)，位于與所述蓄水豎管(1)底部聯(lián)通的傳感器腔室內(nèi)，用于記錄實驗過程中所述蓄水豎管(1)中水位隨時間的變化。應(yīng)用傳感器軟件設(shè)置其預(yù)設(shè)啟動時間和數(shù)據(jù)采集頻率，若不具備傳感器，以可直接讀取蓄水豎管(1)外壁上標(biāo)注的刻度值，并配合記錄蓄水豎管(1)內(nèi)水柱凹液面對應(yīng)的刻度值。需要說明的是，實驗之前，需要應(yīng)用壓力傳感器(2)的軟件設(shè)置壓力傳感器(2)的預(yù)設(shè)啟動時間和數(shù)據(jù)采樣頻率。然后根據(jù)壓力傳感器預(yù)啟動時刻，打開豎管閥門，開始實驗，蓄水豎管(1)中的水位先快后慢地逐漸下降，不斷補給沉積物孔隙水。壓力傳感器(2)可按照預(yù)定的時間間隔記錄豎管水位變化的時間序列數(shù)據(jù)。同時，記錄外圍水位(如：海潮)變化的時間序列數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，可在豎管外圍設(shè)置其他壓力傳感器，進行記錄。

連接法蘭(4)，包括蓄水豎管法蘭和沉積物容器法蘭，用于連接所述蓄水豎管(1)和所述沉積物容腔(7)，兩個法蘭與蓄水豎管(1)和沉積物容腔(7)中心軸線垂直，且法蘭相對應(yīng)位置有軸向排列的螺絲孔，可用螺絲螺母組合固定蓄水豎管(1)和沉積物容腔(7)兩部分。

密封墊(5)，位于蓄水豎管(1)法蘭和沉積物容腔(7)法蘭之間，其為環(huán)形結(jié)構(gòu)，同樣排布有與法蘭對應(yīng)的螺絲孔，擰緊螺絲螺母后，可將整套豎管裝置的連接處進行良好密封，防止漏水影響實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。為保證密封的良好性，密封墊(5)具有一點的彈塑性，優(yōu)選為硅膠或橡膠材質(zhì)。

在又一個示例中，密封墊(5)共兩個。為緩沖水流，起到避免水流過快，沖擊沉積物擾動孔隙結(jié)構(gòu)的作用，實驗裝置還包括鋼沙網(wǎng)(6)，位于兩個密封墊(5)的中間，除具有緩沖水流作用之外，還可以避免水中的異物堵塞沉積物表層。

沉積物容腔(7)，位于地表以下，分為上下兩段，上半段為滲流工作部分，用于滲透實驗過水部分，下半段設(shè)置有均勻孔隙，其作為為排除實驗過水，并增加安裝豎管實驗裝置的穩(wěn)定性，在一個示例中，為方便豎管實驗裝置的安裝，所述沉積物容腔(7)的底部邊緣具有切削刃開口。

需要說明的是，優(yōu)選地，沉積物容腔(7)為有機玻璃材質(zhì)，其直徑優(yōu)選為0.1米，一般情況下選擇大于蓄水豎管(1)的直徑，考慮到實驗操作的便捷性，蓄水豎管(1)與沉積物容腔(7)的直徑比以0.1至1.0直徑為宜。沉積物容腔(7)的長度優(yōu)選為0.4米，均分為上下兩段，上段0.2米為滲流工作部分，下段0.2米均布有2毫米直徑的孔隙，共有20行，36列，整個沉積物容腔(7)與周圍沉積物相連通，起到排水、穩(wěn)定實驗裝置的作用。

需要說明的是，在實際實驗過程中，當(dāng)選擇的實驗場地的沉積物較松軟時，將沉積物容腔垂直插/楔入實驗場地(如海灘、河灘、湖心等)；當(dāng)沉積物較密實時，配合周圍挖掘環(huán)形溝槽(如：深0.22米)，有助于沉積物容腔逐漸向下插入，直到容腔法蘭平面與沉積物表面相平齊為止。另外，環(huán)形溝槽可保證蓄水豎管中的水與海水直接相通，使容腔底部的水頭與周圍水位(如：海潮)保持一致。

本實用新型實施例提供的豎管實驗裝置拆卸、運移、安裝簡單；操作方便、可直接在現(xiàn)場進行原位實驗、能快速、準(zhǔn)確測定沉積物垂向滲透系數(shù)；不但粗砂到粉粘土均可用，且測定滲透系數(shù)范圍廣：10^-7-10^-2m/s；除此之外，該實驗裝置適用范圍廣：不僅適用于外圍定水頭的情況；而且也適用于海岸帶地區(qū)，外圍水位隨時間變動的情況。

圖3為本實用新型實施例提供的原位測定沉積物垂向滲透系數(shù)流程示意圖。如圖3所示，以測定海灘沉積物垂向滲透系數(shù)為例，應(yīng)用本實用新型提供的實驗裝置，進行沉積物垂向滲透系數(shù)測定的方法包括以下步驟：

S101，選擇測點，將沉積物容腔垂直插入/楔入實驗場地的沉積物中，直到沉積物容腔法蘭與沉積物表面齊平。

具體地，選擇較為平整未被擾動的實驗場地，并根據(jù)對海灘沉積物滲透系數(shù)的經(jīng)驗估計，選擇合適的蓄水豎管直徑。如果水位降低過慢，可改用較小直徑的豎管。反之亦然?？紤]實驗操作的便捷性，蓄水豎管與沉積物容腔的直徑比以0.1至1.0之間為宜。

當(dāng)沉積物較松軟時，將沉積物容腔垂直插/楔入實驗場地；當(dāng)沉積物較密實時，配合周圍挖掘環(huán)形溝槽(如：深0.22米)，有助于沉積物容腔逐漸向下插入，直到容腔法蘭平面與沉積物表面相平齊為止。另外，環(huán)形溝槽可保證蓄水豎管中的水與海水直接相通，使容腔底部的水頭與周圍水位(如：海潮)保持一致。

S102，在沉積物容腔法蘭上依次疊加密封墊、鋼沙網(wǎng)、密封墊，然后將蓄水豎管對準(zhǔn)，用螺絲螺母緊固整套裝置。

S103，設(shè)置壓力傳感器的預(yù)設(shè)啟動時間和數(shù)據(jù)采樣頻率，首先，打開傳感器腔室，將壓力傳感器放入傳感器腔室內(nèi)，然后，關(guān)閉蓄水豎管的閥門，并向其內(nèi)加滿水，最后關(guān)閉傳感器腔室。

S104，向蓄水豎管中加入原位水至預(yù)設(shè)高度。

具體地，向蓄水豎管中灌入清潔原位水至一定高度，應(yīng)與外圍水位相差盡可能地大，起始水頭差以1.2米左右為宜；初始水柱高度以開啟閥門后水位下降速度不過快為宜，整個實驗時間最好保持在60至3600秒之間。整個實驗過程水頭降低以0.2至1.2米為宜。

需要說明的是，圍定水頭實驗時，向環(huán)形溝槽內(nèi)灌入原位水，使沉積物容腔周圍保持一定水頭，并記錄下外圍水位，此時采用外圍定水頭情況下的公式計算；當(dāng)受到海潮影響，或原位滲透性好，溝槽水位變化(降低)較快時，采用外圍變水頭情況下的公式計算。

S105，根據(jù)壓力傳感器的預(yù)設(shè)啟動時間，打開蓄水豎管閥門，開始試驗，壓力傳感器根據(jù)預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)采用頻率記錄蓄水豎管水位變化的時間序列數(shù)據(jù)，以及記錄外圍水位變化的時間序列數(shù)據(jù)。

具體地，根據(jù)壓力傳感器預(yù)啟動時刻，打開豎管閥門，開始實驗，蓄水豎管中的水位先快后慢地逐漸下降，不斷補給沉積物孔隙水。壓力傳感器可按照預(yù)定的時間間隔記錄豎管水位變化的時間序列數(shù)據(jù)。同時，記錄外圍水位(如：海潮)變化的時間序列數(shù)據(jù)，為保證數(shù)據(jù)記錄的準(zhǔn)確性，可在豎管外圍設(shè)置其他壓力傳感器，進行記錄。

S106，實驗結(jié)束，將壓力傳感器中的數(shù)據(jù)導(dǎo)出，并根據(jù)所得數(shù)據(jù)，計算出實驗場地原位沉積物的垂向滲透系數(shù)。

具體地，每組實驗結(jié)束，打開傳感器腔室頂蓋，取出壓力傳感器，導(dǎo)出蓄水豎管水位隨時間變化的實驗數(shù)據(jù)，并停止傳感器工作。結(jié)合外圍水位定水頭或水位變化的時間序列數(shù)據(jù)，代入公式(4-6)，利用最小二乘法，求得不同組次實驗場地原位沉積物的垂向滲透系數(shù)。

有關(guān)公式推導(dǎo)如下：

蓄水豎管中水體積的減少量：

沉積物容腔中水體積通過量：(時間間隔為[t,t+Δt])

由質(zhì)量守恒定律：ΔV_P＝ΔV_L，有

得到外圍水頭線性變化情況下，任意時刻蓄水豎管水位的公式：

當(dāng)外圍水頭保持一定時(a＝0，b＝0)，上式化簡得到外圍定水頭情況下的公式：

對于(3)式有，沉積物垂向滲透系數(shù)：

物理量：

K為沉積物垂向滲透系數(shù)；d_U為蓄水豎管內(nèi)徑；d_L為沉積物容腔內(nèi)徑；

H_P為蓄水豎管水位高度；初始水頭高度(t＝0)：H_P(0)＝h₀；

H_T為海潮高度，由于實驗觀測時間較短，海潮被近似于線性變化，且計算精度足夠；即：H_T(t)＝at+b，其中a和b為常數(shù)；

L_V為沉積物容腔工作段長度，定值0.2m；

R_d為蓄水豎管與沉積物容腔的直徑比；即：

當(dāng)進行定水頭實驗時，根據(jù)(5)和(6)的公式計算出實驗場地原位沉積物的垂向滲透系數(shù)。

當(dāng)進行變水頭實驗時，根據(jù)(4)和(6)公式計算出實驗場地原位沉積物的垂向滲透系數(shù)。

S107，在同一位置重復(fù)實驗S101-S106，再進行至少九組實驗。

為減小偶然誤差，在同一位置如此反復(fù)操作步驟S101-S106，實驗次數(shù)以不低于10次為宜。

S108,剔除最大值及最小值，取上述實驗的平均值，即得最終的沉積物垂向滲透系數(shù)。

實驗完畢，將蓄水豎管與沉積物容腔拆開，把沉積物容腔從泥土中輕輕拔出，回填溝槽；清洗干凈裝置的各組成部分，擦干后收好備用。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，采用本實用新型中的實驗裝置進行滲透系數(shù)的測定，適用范圍廣，裝置安裝簡單、操作方便、可直接在現(xiàn)場進行原位實驗、能快速、準(zhǔn)確測量沉積物垂向滲透系數(shù)。

盡管本實用新型已進行了一定程度的描述，明顯地，在不脫離本實用新型的精神和范圍的條件下，可進行各個條件的適當(dāng)變化?？梢岳斫猓緦嵱眯滦筒幌抻谒鰧嵤┓桨?，而歸于權(quán)利要求的范圍，其包括所述每個因素的等同替換。

以上所述的具體實施方式，對本實用新型的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本實用新型的具體實施方式而已，并不用于限定本實用新型的保護范圍，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。