CN108444894B - 研究颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种研究颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置及其方法，涉及岩土介质领域的钙质砂渗透技术。本装置包括渗透单元和供水单元；渗渗透单元由底板、进水桶、隔板和出水桶组成；供水单元由三通接头、变水头管和供水瓶组成；其位置和连接关系是：从下到上，底板、进水桶、隔板和出水桶依次连；变水头管和供水瓶通过三通接头与进水桶底部进水管连接。本发明可以将单个颗粒边缘隔离，使渗流只能从颗粒内贯通内孔隙通过；操作简单，不需要太多繁琐步骤；制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。

Description

研究颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置及其方法

技术领域

本发明涉及岩土介质领域的钙质砂渗透技术，尤其涉及一种研究颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置及其方法。

背景技术

钙质土，或称碳酸盐类土，通常是指包括海洋生物（珊瑚、海藻和贝壳等）的富含碳酸钙或其它碳酸盐类物质的特殊岩土介质。钙质土长期在碳酸盐溶液中，经物理、生物化学作用，其中包括有机碎屑及岩屑的破碎和胶结过程，经过一定的压力、温度和溶解的变化过程，而形成的一种碳酸盐沉积物。受到其物质来源和形成过程的影响，钙质土颗粒内部保留有原生物腔体结构，形成内孔隙，内孔隙分为贯通和非贯通两类；贯通内孔隙使得钙质土不同于其他陆源土介质，在渗透过程中，渗流通道在颗粒间孔隙的基础上增加了颗粒贯通内孔隙，使得研究颗粒贯通内孔隙的渗透性有了重要的意义。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的问题，提供一种研究单颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置及其方法，以弄清钙质土颗粒内孔隙对其渗透性的影响。

一、研究单颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置（简称装置）：

本装置包括渗透单元和供水单元；

渗渗透单元由底板、进水桶、隔板和出水桶组成；

供水单元由三通接头、变水头管和供水瓶组成；

其位置和连接关系是：

从下到上，底板、进水桶、隔板和出水桶依次连；

变水头管和供水瓶通过三通接头与进水桶底部进水管连接。

二、研究单颗粒贯通内孔隙渗透性的试验方法（简称方法）

本方法包括下列步骤：

A、首先将进水桶、隔板和出水桶通过螺丝固定连接；

B、从进水桶底部向进水桶内塞入橡皮泥，使橡皮泥充满进水桶，

用手指按压隔板中心圆孔位置的橡皮泥，使之平整；

C、将实验选用的、已经过饱和操作的颗粒一端插入橡皮泥，插入部分占总

体积的一半即可，按压颗粒周围的橡皮泥，使之与颗粒边缘紧密接触；

D、将装置放在水平桌面上，从出水桶顶部向出水桶内，朝隔板表面浇一层厚约2mm的融化石蜡，等待冷却凝固；

E、石蜡凝固后，向石蜡表层涂抹一层1mm厚的环氧树脂，等待其凝固，石

蜡层和环氧树脂层均要与颗粒紧密接触；

F、轻轻取出进水桶内橡皮泥，将装置放置在水平桌面上，从出水桶顶部向出水桶内加水刚好至出水桶顶部的出水桶出水孔，观察颗粒边缘是否密封完好；

G、确定颗粒边缘密封性完好后，将底板安装在进水桶底部，将变水头管、供水瓶和进水桶的进水管利用乳胶管和三通接头连接；

H、命名三通接头在变水头管、供水瓶和进水桶方向分路的开关分别为第1、2、3开关；

I、打开第2、3开关，关闭第1开关，向进水桶内加水，

直至进水桶顶部的进水桶排气管，使连续排水，且进水桶内无气泡；

J、关闭进水桶顶部的进水桶排气管，水通过颗粒内贯通孔隙进入出水桶，当出水桶内水面涨至出水桶顶部的出水桶出水管时，关闭第3开关，打开开关第1开关，向变水头管内加水至顶部零刻度；

K、关闭第2开关，打开第3开关，当出水桶顶部的出水桶出水

管有水溢出时，关闭第3开关，打开第开关，将变水头管内的水加至顶部零刻度；

L、关闭第2开关，打开第3开关的同时开始秒表计时，并记录初始水头h₁（cm），经过t（s）时间后,记录水头h₂（cm）；

M、根据步骤K和L连续测量5次，结束试验；

N、计算渗透系数,公式如下：

式中：K—渗透系数（cm/s）；

a—变水头管断面积（cm²）；

L—渗流路径，即试样高度（cm）；

t₁，t₂—起始，终止时间（s）；

H₁，H₂—起始，终止水头（cm）。

本发明具有下列的优点和积极效果：

①可以将单个颗粒边缘隔离，使渗流只能从颗粒内贯通内孔隙通过；

②操作简单，不需要太多繁琐步骤；

③制造成本低，可以同时进行多组试验，效率高。

附图说明

图1是本装置的结构方框图；

图2是本装置的结构示意图；

图3是渗透单元10的结构示意图；

图4是底板11的结构示意图；

图5是进水桶12的结构示意图；

图6是隔板13的结构示意图；

图7是出水桶14的结构示意图；

图8是供水单元20的结构示意图；

图9是三通接头21的结构示意图；

图10是变水头管22的结构示意图；

图11是供水瓶23的结构示意图。

图中：

10—渗透单元

11—底板，111—螺丝孔；

12—进水桶，

121—进水桶上法兰盘，122—进水桶圆筒，

123—进水桶下法兰盘，124—进水桶进水管，

125—进水桶排气管；

13—隔板，131—螺丝孔，132—中心圆孔；

14—出水桶，

141—出水桶法兰盘，142—出水桶圆筒，143—出水桶出水管；

20—供水单元

21—三通接头，211、212、213—第1、2、3开关；

22—变水头管，221—刻度，222—细管；

23—供水瓶，

231—供水口，232—储水容器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

一、装置

1、总体

如图1、2，本装置包括渗透单元10和供水单元20；

渗渗透单元10由底板11、进水桶12、隔板13和出水桶14组成；

供水单元20由三通接头21、变水头管22和供水瓶23组成；

其位置和连接关系是：

从下到上，底板11、进水桶12、隔板13和出水桶14依次连；

变水头管22和供水瓶23通过三通接头21与进水桶12底部进水管122连接。

工作机理：

为了研究颗粒贯通内孔隙的渗透性，就要使渗流只通过内孔隙流动；因此，隔离颗粒边缘是难点，本实验装置利用橡皮泥初步固定颗粒，浇筑石蜡层和环氧树脂层紧密环绕颗粒周边，隔板起到支撑作用，实现了颗粒贯通内孔隙的实验条件，渗透系数则参考了变水头渗透试验的计算方法进行计算。

2、功能单元

1）渗透单元

如图3，渗透单元10包括从下到上依次连接的底板11、进水桶12、隔板13和出水桶14。

（1）底板11

如图4，底板11是一种在边沿对称开有4个螺丝孔111的圆形有机玻璃厚板。

其功能是：在颗粒装样完毕后将进水桶12底部封闭。

（2）进水桶12

如图5，进水桶12由进水桶上法兰盘121、进水桶圆筒122、进水桶下法兰123、进水桶进水管124和进水桶排气管125组成；

进水桶上法兰盘121、进水桶圆筒122和进水桶下法兰盘123上下连接成一个整体，在进水桶圆筒122的侧壁下部设置进水桶进水管124，在圆筒122侧壁上部设置进水桶排气管125。

其功能是：辅助颗粒装样，是渗透过程的进水侧。

（3）隔板13

如图6，隔板13是一种在边沿对称开有4个螺丝孔131、中心开有一个圆孔132的的圆形有机玻璃薄板。

其功能是：对石蜡层和环氧树脂层起支撑作用。

（4）出水桶14

如图7，出水桶14由出水桶法兰盘141、出水桶圆筒142和出水桶出水孔143组成；

出水桶法兰盘141与出水桶圆筒142底部连接，出水桶出水孔143设置在出水桶圆筒142侧壁的上部；

其功能是：辅助颗粒装样，是渗透过程的出水侧。

2）供水单元20

如图8，供水单元20包括三通接头21、变水头管22和供水瓶23；

三通接头21分别与变水头管22和供水瓶23以及进水桶12连通；

（1）三通接头21 如图9，三通接头21是一种通用件，包括三个分路，分别设置有第1开关211、第2开关212和第3开关213。 （2）变水头管22

如图10，变水头管22是一根其上设置有刻度221的透明有机玻璃细管222；

其功能是：为渗透过程的渗透单元10供水，并可通过其上刻度221提供任意时刻的水头高度。

（3）供水瓶23

如图11，供水瓶23包括供水口231和储水容器232；储水容器232是一顶部开口的长方体容器；在储水容器232侧壁的下部设置有供水口231。

其功能是：为渗透前的渗透单元10供水，为渗透过程中的变水头管22供水。

Claims (1)

1.一种研究颗粒贯通内孔隙渗透性的试验装置，其特征在于：

包括渗透单元(10)和供水单元(20)；

渗透单元(10)由底板(11)、进水桶(12)、隔板(13)和出水桶(14)组成；

供水单元(20)由三通接头(21)、变水头管(22)和供水瓶(23)组成；

其位置和连接关系是：

从下到上，底板(11)、进水桶(12)、隔板(13)和出水桶(14)依次连；

变水头管(22)和供水瓶(23)通过三通接头(21)与进水桶进水管(124)连接；

所述的渗透单元(10)包括从下到上依次连接的底板(11)、进水桶(12)、隔板(13)和出水桶(14)；

底板(11)是一种在边沿对称开有4个螺丝孔的圆形有机玻璃厚板；

进水桶(12)由进水桶上法兰盘(121)、进水桶圆筒(122)、进水桶下法兰盘(123)、进水桶进水管(124)和进水桶排气管(125)组成；进水桶上法兰盘(121)、进水桶圆筒(122)和进水桶下法兰盘(123)上下连接成一个整体，在进水桶圆筒(122)的侧壁下部设置进水桶进水管(124)，在进水桶圆筒(122)侧壁上部设置进水桶排气管(125)；

隔板(13)是一种在边沿对称开有4个螺丝孔、中心开有一个圆孔(132)的圆形有机玻璃薄板；

出水桶(14)由出水桶法兰盘(141)、出水桶圆筒(142)和出水桶出水孔(143)组成；出水桶法兰盘(141)与出水桶圆筒(142)底部连接，出水桶出水孔(143)设置在出水桶圆筒(142)侧壁的上部；

所述的供水单元(20)包括三通接头(21)、变水头管(22)和供水瓶(23)；

三通接头(21)分别与变水头管(22)和供水瓶(23)以及进水桶(12)连通；

三通接头(21)是一种通用件，包括三个分路，分别设置有第1开关(211)、第2开关(212)和第3开关(213)；

变水头管(22)是一根其上设置有刻度(221)的透明有机玻璃细管(222)；

供水瓶(23)包括供水口(231)和储水容器(232)；储水容器(232)是一顶部开口的长方体容器；在储水容器(232)侧壁的下部设置有供水口(231)；

所述试验装置的试验方法是：

A、首先将进水桶(12)、隔板(13)和出水桶(14)通过螺丝固定连接；

B、从进水桶(12)底部向进水桶(12)内塞入橡皮泥，使橡皮泥充满进水桶(12)，

用手指按压隔板(13)中心圆孔位置的橡皮泥，使之平整；

C、将实验选用的、已经过饱和操作的颗粒一端插入橡皮泥，插入部分占总体积的一半即可，按压颗粒周围的橡皮泥，使之与颗粒边缘紧密接触；

D、将装置放在水平桌面上，从出水桶(14)顶部向出水桶(14)内，朝隔板(13)表面浇一层厚2mm的融化石蜡，等待冷却凝固；

E、石蜡凝固后，向石蜡表层涂抹一层1mm厚的环氧树脂，等待其凝固，石蜡层和环氧树脂层均要与颗粒紧密接触；

F、轻轻取出进水桶(12)内橡皮泥，将装置放置在水平桌面上，从出水桶(14)

顶部向出水桶(14)内加水刚好至出水桶(14)顶部的出水桶出水管(143)，观察颗粒边缘是否密封完好；

G、确定颗粒边缘密封性完好后，将底板(11)安装在进水桶(12)底部，

将变水头管(22)、供水瓶(23)和进水桶进水管(124)利用乳胶管和三通接头(21)连接；

H、命名三通接头(21)在变水头管(22)、供水瓶(23)和进水桶(12)方向分路的开关分别为第1、2、3开关(211、212、213)；

I、打开第2、3开关(212)、(213)，关闭第1开关(211)，向进水桶(12)内加水，直至进水桶(12)顶部的进水桶排气管(125)，使连续排水，且进水桶(12)内无气泡；

J、关闭进水桶(12)顶部的进水桶排气管(125)，水通过颗粒内贯通孔隙进入出水桶(14)，当出水桶(14)内水面涨至出水桶顶部的出水桶出水管(143)时，关闭第3开关(213)，打开开关第1开关(211)，向变水头管(22)内加水至顶部零刻度；

K、关闭第2开关(212)，打开第3开关(213)，当出水桶(14)顶部的出水桶出水管(143)有水溢出时，关闭第3开关(213)，打开第1开关(211)，

将变水头管(22)内的水加至顶部零刻度；

L、关闭第2开关(212)，打开第3开关(213)的同时开始秒表计时，并记录初始水头h₁(cm)，经过t(s)时间后,记录水头h₂(cm)；

M、根据步骤K和L连续测量5次，结束试验；

N、计算渗透系数，公式如下：

式中：K—渗透系数(cm/s)；

a—变水头管断面积(cm²)；

L—渗流路径，即试样高度(cm)；

t₁，t₂—起始，终止时间(s)；

H₁，H₂—起始，终止水头(cm)。