專利名稱：一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置及方法
技術領域：
本發明屬于水利工程和農業工程技術領域，具體涉及一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置及方法。
背景技術：
在水資源規劃、河流水文學、河流生態學等領域，河床的滲透性參數是各種水環境模型和水資源總量評估模型的關鍵參數。對河床滲透性的準確測量，尤其是垂向滲透系數，直接關聯著對河流與地下水補排水量的準確計算，影響著決策者對水資源進行合理評估與規劃。長期以來，滲透系數的測量主要采用的是經典的達西滲透裝置，但由于試驗過程涉及到對水面下河床沉積物的取樣及對原樣土的嚴重擾動，并不適用于河床滲透性的測試；另一種重要的間接測試手段是首先對河床沉積物取樣、烘干，然后進行顆粒級配試驗，通過特征粒徑與經驗計算公式推求河床沉積物的滲透系數，但是，大量的文獻表明，通過該方法獲得的滲透系數因特 征粒徑選取差異和經驗公式的不同而差別較大，有時候這種差別可以達到數個量級，其準確性有待進一步的論證。此外，與達西滲透試驗方法一樣，該方法取樣過程同樣干擾了河床原有沉積物結構。由于河流河床受到泥沙沖淤及底棲生物活動等影響，通常具有較高的非均質性，需要獲得足夠數量的滲透系數離散分布點才能較好地刻畫河床的全局滲透性，前述采用水下河床質取樣，然后送至實驗室進行滲透測試或篩分試驗將會給試驗人員帶來較大的工作量；此外，隨著水電站的開發與運行，河流在枯水季節通常也具備較高的水位，對深水型河流而言，河床床質的取樣或滲透性的現場測試均面臨著較大的難度。因此，需要一種新的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置以解決上述問題。
發明內容
發明目的:本發明針對現有技術中河床的滲透性參數測試裝置的缺陷，提供一種快速并且精度較高的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置。技術方案:為解決上述技術問題，本發明的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置采用如下技術方案:一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，包括保溫套管和金屬桿，所述金屬套管包括外管和內管，所述內管設置在所述外管中，所述內管和外管之間具有夾層，所述內管上設置有若干第一通孔，所述夾層中與所述第一通孔相對應的位置設置有第一溫度傳感器，所述夾層的底部設置有第一壓力傳感器，所述內管的下端設置有壓力測試孔，所述壓力測試孔連通所述第一壓力傳感器的進水口，所述夾層的下端封閉，所述夾層中設置有保溫層，所述保溫套管的上部設置有進水孔，所述進水孔連通潛水泵，所述進水孔的上方設置有溢水孔，所述溢水孔連通溢流導管；所述金屬桿上設置有刻度，所述金屬桿伸入所述保溫套管，所述金屬桿伸入所述保溫套管的一端設置有第一金屬圓盤，所述第一金屬圓盤上設置有多個第二通孔，所述第一金屬圓盤的上方設置有第二金屬圓盤，所述第二金屬圓盤上設置有多個第三通孔，所述第一金屬圓盤和第二金屬圓盤的外側設置有網罩，所述網罩內設置有第二壓力傳感器、第二溫度傳感器和熱電阻絲。更進一步的，所述保溫層為聚氨酯層。更進一步的，所述內管和外管之間夾層的下端設置有圓環，所述圓環的內徑與所述內管的內徑相同，所述圓環的外壁為斜面。以便于整體插向河床沉積物中。更進一步的，所述第一通孔沿所述內管的軸向均勻分布，相鄰所述第一通孔分別設置在所述內管軸線的兩側。使得第一溫度傳感器交叉排列，減少測量誤差。更進一步的，所述第一壓力傳感器和第二壓力傳感器的進水口處均設置有泥沙過濾網。避免泥沙堵塞進水口。更進一步的，所述金屬桿的刻度零點為所述第一金屬圓盤處，由下向上標示刻度。方便讀取土柱的長度。土柱的長度等于所述保溫套管的總長減去所述金屬桿與所述保溫套管上端所對應的刻度值。更進一步的，還包括溫控儀，所述溫控儀連接所述熱電阻絲。對網罩內水體加熱并維持相對穩定的溫度值。更進一步的，還包括信號數據采集裝置和數據處理裝置，所述信號采集裝置用于采集第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二溫度傳感器和第二壓力傳感器的輸出信號，所述數據處理裝置通過所述信號采集裝置采集到的信號獲得保溫套管內土柱的滲透系數。更進一步的，所述數據采集裝置為組合式信號巡檢儀。本發明還公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試方法，采用如下的技術方案:一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試方法，采用如上所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，測量時，將所述保溫套管豎直插入河床，所述金屬桿的底端接觸所述保溫套管內水沙界面，所述金屬桿底端的所述熱電阻絲加熱所述網罩內水體，使所述水體形成穩定的熱水層，所述水體在穩定的水力梯度作用下向下滲透，不同時刻沿水流方向上的溫度值與土柱的垂向滲透系數通過下式計算得到:
權利要求
1.一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，包括保溫套管和金屬桿(10)，所述金屬套管包括外管(I)和內管(2)，所述內管(2)設置在所述外管(I)中，所述內管(I)和外管(2 )之間具有夾層，所述內管(2 )上設置有若干第一通孔，所述夾層中與所述第一通孔相對應的位置設置有第一溫度傳感器(4)，所述夾層的底部設置有第一壓力傳感器(5)，所述內管(2)的下端設置有壓力測試孔，所述壓力測試孔連通所述第一壓力傳感器(5)的進水口，所述夾層的下端封閉，所述夾層中設置有保溫層(3)，所述保溫套管的上部設置有進水孔，所述進水孔連通潛水泵(9)，所述進水孔的上方設置有溢水孔，所述溢水孔連通溢流導管(8);所述金屬桿(10)上設置有刻度，所述金屬桿(10)伸入所述保溫套管，所述金屬桿(10)伸入所述保溫套管的一端設置有第一金屬圓盤(15)，所述第一金屬圓盤(15)上設置有多個第二通孔，所述第一金屬圓盤(15)的上方設置有第二金屬圓盤(16)，所述第二金屬圓盤(16)上設置有多個第三通孔，所述第一金屬圓盤(15)和第二金屬圓盤(16)的外側設置有網罩(14)，所述網罩(14)內設置有第二壓力傳感器(11)、第二溫度傳感器(12)和熱電阻絲(13)。
2.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述保溫層(3)為聚氨酯層。
3.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述內管(I)和外管(2)之間夾層的下端設置有圓環，所述圓環的內徑與所述內管(2)的內徑相同，所述圓環的外壁為斜面。
4.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述第一通孔沿所述內管(2)的軸向均勻分布，相鄰所述第一通孔分別設置在所述內管(2)軸線的兩側。
5.如權利要求1所·述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述第一壓力傳感器(5 )和第二壓力傳感器(11)的進水口處設置有泥沙過濾網。
6.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述金屬桿(10)的刻度零點為所述金屬桿(10)與所述第一金屬圓盤處，由下向上標不刻度。
7.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，還包括溫控儀，所述溫控儀連接所述熱電阻絲(13)。
8.如權利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，還包括信號數據采集裝置和數據處理裝置，所述信號采集裝置用于采集第一溫度傳感器、第一壓力傳感器、第二溫度傳感器和第二壓力傳感器的輸出信號，所述數據處理裝置通過所述信號采集裝置采集到的信號獲得保溫套管內土柱的滲透系數。
9.如權利要求7所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，其特征在于，所述數據采集裝置為組合式信號巡檢儀。
10.一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試方法，其特征在于，采用權利要求1-9任一項所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，測量時，將所述保溫套管豎直插入河床，所述金屬桿(10)的底端接觸所述保溫套管內水沙界面，所述金屬桿(10)底端的所述熱電阻絲(13)加熱所述網罩內水體，使所述水體形成穩定的熱水層，所述水體在穩定的水力梯度作用下向下滲透，不同時刻沿水流方向上的溫度值與土柱的垂向滲透系數通過下式計算得到:
全文摘要
本發明公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試裝置，包括保溫套管、金屬桿以及位于保溫套管和金屬桿內的溫度傳感器和壓力傳感器。在熱脈沖作用下，可測試豎直套管內沉積物垂向溫度分布以及沉積物兩端水壓值，通過滲透系數與溫度時空分布的關系公式，推算出土柱的垂向滲透系數。本發明還公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數測試方法。該發明裝置結構簡潔，測試效率高，對待測河床沉積物顆粒空間結構干擾小，測試方法是一種較為環保和經濟的河床沉積物垂向滲透系數測試新方法，具有較好的應用前景。
文檔編號G01N15/08GK103234884SQ20131011552
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者陳孝兵, 趙堅, 沈振中, 陶小虎, 周貝 申請人:河海大學