一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置和应用

1.本发明涉及水的渗流与扩散方式探究实验装置领域，尤其是一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置与应用。

背景技术：

2.地下污水的渗流是指因无粘性土体是多孔介质，含无机离子的污染水会流经这些孔隙造成土体污染，甚至会直接和间接的给人类造成健康危害。因此认识污水在无粘性土层中的渗流方式可以为有效的阻断水的渗流或者改变污水的渗流方向，减少因水的渗流带来的灾害，进而可以保障人类社会自然的安全。因此到一种可以判断污水渗流与扩散方式的装置，是目前技术领域人员亟待解决的问题。
3.现有污水在土体中扩散的相关研究，多是对土体单元的扩散系数等方面的研究，缺少对污水在无粘性土层中扩散规律的直观演示，不能使初学者理解的更到位、更透彻。而且也缺少对于渗流与扩散耦合的考虑，对渗流情况下扩散规律的研究和演示很是匮乏。现有对污水浓度检测装置多是随用随取，并没有长期的用于污水浓度的检测，因而检测装置没有考虑到耐久性和长期稳定性。
4.如中国实用新型专利cn214248903u一种污水浓度检测装置，公开了一种沉淀池污水浓度检测装置，该发明设计合理，装置简单易于操作，检测位置可调节，有很好的应用前景。但是还存在以下不足：在悬浮物浓度计深入不同位置探测时，会对原有悬浮物造成一定的扰动，测试结果误差大，精度低。对于不同深度和宽度方向的检测，要进行多次，效率低。

技术实现要素：

5.发明目的：为了解决现有技术所存在的问题，本发明提供了一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置与应用，可以有效的对土体中的污水的扩散规律和浓度的分布进行有效探测，测试效率高，耐久性强。
6.技术方案：为达到上述目的，本发明可采用如下技术方案：一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，包括依次连通的高度可调的污水箱，土箱以及集污箱；
7.所述土箱被第一透水石板、第二透水石板分为三个箱体空间，两侧为常水头水箱，靠近污水箱一侧为入水箱、靠近集污箱一侧为出水箱，中间为电测土箱；
8.所述污水箱下方设有u形干管，所述u形干管一侧管壁与污水箱连通，另一侧管壁上通过多个水平设置的污水支管嵌入式连通至第一透水石板上的多个孔洞中，所述污水支管内壁紧密套设有同直径的管道，管道另一侧穿透第一透水石板至孔洞外部形成旋转阀门；所述u形干管上通过第一透水石板上方一定长度达到污水箱位置且保持开口状态；以便于污水进入支管和支管内空气的排出。所述第二透水石板外侧有带孔组合板；
9.所述电测土箱前后为均匀布置的电测电极；出水箱不同深度位置设有多个阀门以控制左侧水头高于右侧水头，形成稳定的水头差，使水流恒稳的从一侧流向另一侧；所述集污箱设于出水箱下侧；对排出的污水进行收集统一处理。
10.更进一步的，所述污水箱通过一侧的高度调节装置控制高度。
11.所述土箱设于土箱支架上，且为透明设计；有污水在无粘性土中扩散时，可以通过颜直观辨认污水的扩散范围和扩散速度。
12.更进一步的，所述电测电极为平帽式碳电极，均匀埋设于透明玻璃土箱前后两侧的内壁中，并设有电极密封圈；避免无粘性土中的(污)水从电测电极孔中渗出，并与导线连接至电极扫描系统测试无粘性土体电阻率。
13.所述旋转阀门中部设有出水缝，实现二维线性渗流，稳定的流向出水箱，为了避免阀门关闭状态下，污水的漏出，旋转阀门中还设有环向密封圈；缝隙附近也设有水缝密封圈，旋转阀门的旋转实现出水缝的开启和关闭以控制污水从污水支管腰线处水平流出。
14.更进一步的，所述带孔组合板由三片插入式局部透水板组成，左侧带孔板为上部透水，中部带孔板为中部透水，右侧带孔板为下部透水；三片插入式局部透水板上部分别装有第一提升把手，第二提升把手以及第三提升把手，通过第二提升把手以及第三提升把手提升相应的带孔板使孔隙对齐实现上部出水，通过第一提升把手以及第三提升把手提升相应的带孔板，使左侧带孔板不阻碍中间带孔板的孔隙和右侧孔隙与中间带孔板孔隙重合实现中部出水，通过提升第一提升把手，第二提升把手提升相应的带孔板使其不阻碍右侧带孔板的孔隙实现下部出水，达到多种出水条件边界的实现；在组合板之间的位置处横向嵌有橡胶垫；且带孔板插入前后两侧的呈v型刀口，插入土箱该位置处的v型槽中。
15.所述污水箱、入水箱顶部均设有一个感应器用于感应水量进行自动泵水上水；当水量低于感应器时，会自动向上泵送水；所述入水箱和出水箱水位可控。控制电测土箱内无粘性土体左右两侧的水位差，实现无粘性土体内孔隙水的定向稳定流动。
16.更进一步的，所述出水箱外侧开孔，多个阀门连接软管，通过阀门的开关控制水的流出。
17.本发明还公开了土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置的应用，所述土箱前后两侧同一位置处的电测电极形成一对电极对，通过导线连接至外接的电极扫描系统，与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极对之间的电阻率，从而探测电极对之间无粘性土体的视电阻率，从而采用电阻率反演技术，确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布。
18.更进一步的，上述装置用于检测工程中污水渗透隔污板的性能、渗流条件下无机离子扩散规律定性演示的实践教学、污水检测装置的性能检测、不同无粘性土体中无机离子扩散规律研究以及不同无粘性土层之间的渗透和扩算规律耦合研究。
19.有益效果：本发明具有以下优点：
20.(1)实验装置采用的透明土箱，当有污水在无粘性土中扩散时，初学者可以通过颜直观看到污水的扩散；更加直观透彻的认识污水的扩散规律以及受地下水流速影响的扩散规律。
21.(2)由于采用的是土箱前后两侧同一位置处的电测电极形成一对电极对，与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极对之间的电阻率，不会对待测物体造成干扰，并且测试效率高。
22.(3)由于孔隙溶液是影响无粘性土体电阻率的重要因素，因而在污染物进入时，会依其浓度的不同测得不同的视电阻率大小，从而可以根据电阻率反演技术，确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布，从渗流与扩散耦合研究的角度考虑，研究渗流情况下的扩散
规律。
23.(4)装置的中均匀布置在土箱前后侧的电测电极为碳电极，因为碳电极抗腐蚀能力强，受污水的影响小，因而本实验装置具有一定的耐久性。为保证污水源的稳定供应和常水头源的稳定，用到泵送感应装置，在污水箱和入水箱顶部置有一个感应器，当水量低于感应器时，会自动向上泵送水，保证了水源的稳定，可以实现长期测试。
24.(5)本发明的装置，设计合理，实用性强，电阻率作为土壤的一种固有属性，当土壤的其他条件和外在条件不变的条件下，当电阻率发生了变化，即可认为是土壤中的孔隙液发生了变化，即可采用电测电极作为检测系统，可以有效的对土体中的污水的扩散规律和浓度的分布进行有效探测。
附图说明
25.图1是本发明土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置主视结构示意图；
26.图2是本发明土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置右视结构示意图；
27.图3是本发明土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置俯视结构示意图；
28.图4是本发明实验装置中土箱剖视结构示意图；
29.图5是本发明实验装置中污水支管三视图(旋转阀门打开出水状态)；
30.图6是本发明实验装置中污水支管三视图(旋转阀门闭合不出水状态)；
31.图7是本发明实验装置中带孔组合板三视结构示意图；
32.图8是本发明实验装置中出水箱阀门结构示意图；
33.图9是本发明实验装置中电测装置结构示意图。
具体实施方式
34.实施例1：
35.请参考图1-图9，本发明公开了一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，包括依次连通的高度可调的污水箱1，土箱以及集污箱3；所述污水箱1通过一侧的高度调节装置11控制高度。
36.所述土箱设于土箱支架5上，且为透明设计；有污水在无粘性土中扩散时，可以通过颜直观辨认污水的扩散范围和扩散速度。
37.所述土箱被第一透水石板21、第二透水石板22分为三个箱体空间，两侧为常水头水箱，靠近污水箱1一侧为入水箱23、靠近集污箱3一侧为出水箱24，中间为电测土箱25；
38.所述污水箱1、入水箱23顶部均设有一个感应器用于感应水量进行自动泵水上水；当水量低于感应器时，会自动向上泵送水；所述入水箱23和出水箱24 水位可控。控制电测土箱25内无粘性土体左右两侧的水位差，实现无粘性土体内孔隙水的定向稳定流动。
39.所述污水箱1下方设有u形干管4，所述u形干管4一侧管壁与污水箱1 连通，另一侧管壁上通过多个水平设置的污水支管41嵌入式连通至第一透水石板21上的多个孔洞中，所述污水支管41内壁紧密套设有同直径的管道，管道另一侧穿透第一透水石板21至孔洞外部形成旋转阀门42；
40.请参阅图5-图6所示，所述旋转阀门42中部设有出水缝4201，实现二维线性渗流，稳定的流向出水箱24，为了避免阀门关闭状态下，污水的漏出，旋转阀门42中还设有环向密
封圈4203；缝隙附近也设有水缝密封圈4202，旋转阀门 42的旋转实现出水缝4201的开启和关闭以控制污水从污水支管41腰线处水平流出。
41.所述u形干管4上通过第一透水石板21上方一定长度达到污水箱1位置且保持开口状态，以便于污水进入支管和支管内空气的排出。所述第二透水石板 22外侧有带孔组合板221；
42.请参考图7所示，所述带孔组合板221由三片插入式局部透水板组成，左侧带孔板为上部透水，中部带孔板为中部透水，右侧带孔板为下部透水；三片插入式局部透水板上部分别装有第一提升把手801，第二提升把手802以及第三提升把手803，通过第二提升把手802以及第三提升把手803提升相应的带孔板使孔隙对齐实现上部出水，通过第一提升把手801以及第三提升把手803提升相应的带孔板，使左侧带孔板不阻碍中间带孔板的孔隙和右侧孔隙与中间带孔板孔隙重合实现中部出水，通过提升第一提升把手801，第二提升把手802提升相应的带孔板使其不阻碍右侧带孔板的孔隙实现下部出水，达到多种出水条件边界的实现；在组合板之间的位置处横向嵌有橡胶垫804；且带孔板插入前后两侧的呈v 型刀口，插入土箱该位置处的v型槽中。
43.所述电测土箱25前后为均匀布置的电测电极251；具体请参考图9所示，所述电测电极251为平帽式碳电极501，均匀埋设于透明玻璃土箱前后两侧的内壁中，并设有电极密封圈502；避免无粘性土中的(污)水从电测电极孔中渗出，并与导线连接至电极扫描系统测试无粘性土体电阻率。
44.所述出水箱24外侧开孔，出水箱24不同深度位置设有多个阀门241以控制左侧水头高于右侧水头，形成稳定的水头差，使水流恒稳的从一侧流向另一侧；多个阀门241连接软管，通过阀门241的开关控制水的流出。所述集污箱3设于出水箱24下侧；对排出的污水进行收集统一处理。
45.所述土箱前后两侧同一位置处的电测电极251形成一对电极对，通过导线 61连接至外接的电极扫描系统6，与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极对之间的电阻率，从而探测电极对之间无粘性土体的视电阻率，从而采用电阻率反演技术，确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布。
46.工作原理和过程：
47.由于电阻率是土壤的固有属性，影响土壤电阻的因素主要有孔隙液电阻率、温度、孔隙比、胶结系数等，在土壤一定，外在温度一定时，影响土体电阻率的因素是孔隙液电阻率，当土体中流入其他无机离子后，电阻率会产生变化。
48.通过高度调节装置11将污水箱1提升至某一高度，打开入水箱23内测的第一透水石板21中不同深度中的某个或多个旋转阀门42，污水箱1中的污水通过细小的缝隙4201流出，并可以与孔隙水耦合，污水与净水耦合的过程会扩散，并且在水头差的作用下产生渗流，稳定的流向出水箱24。此时注意控制一侧出水箱24的阀门241，时刻保证出水箱24的水位高度与另一侧常入水箱23的水位高度有一定的高差，以控制污水能够顺利的从一侧流向另一侧。此外，为实现不同的污水流出高度达到多种出水边界条件，通过由三片插入式局部透水板组成的带孔组合板221加以控制。
49.当污水流经无粘性土体时，为方便的得知污水的扩散方式，电测土箱1前后两侧同一位置处的电测电极251形成一对电极对，与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极
对之间的电阻率，从而探测电极对之间无粘性土体的视电阻率，从而可以采用电阻率反演技术，半定量上确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布。
50.应用实施例1：
51.用于检测工程中污水渗透隔污板的性能：
52.首先将污水渗透隔污板埋设于电测土箱中的无粘性土体内，安装固定好，可采用在污水渗透隔污板四周安装橡胶圈或橡胶垫的方法防止污水从边界缝隙中流出。安装好之后打开某一个或者某几个污水旋转阀门，此时可以根据需要打开右侧透水组合板和出水箱某位置的阀门，保证实现污水箱和出水箱有一定的水头差，并且要开通电阻率测试系统，注意观察，污水渗透隔污板水头低一侧无粘性土体的电阻率是否有明显的变化。因为隔污板可以防止污水的穿过，当水流稳定后，电阻率的变化是微小可忽略不计的，若是电阻率发生了明显的变化，则可依其浓度的不同测得不同的视电阻率大小，从而可以根据电阻率反演技术，半定量的确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布，从而确定污水渗透隔污板是不可以使用的，也可以确定发生渗透的位置。
53.应用实施例2：
54.用于渗流条件下无机离子扩散规律定性演示的实践教学：
55.无机离子扩散是环境岩土工程课程的基本问题，在进行这部分教学时，在老师的指导下，学生可亲自动手参与到本实验，打开抽水泵，装满污水箱(污水中可放入颜鲜艳的剂)和入水箱，经过一段时间，待右侧常水头箱水满后，打开出水箱的右侧的阀门，形成水头差，打开入水箱透水石板内的旋转阀门，使污水从旋转阀门的腰身流出，在清水的带动下，流向无粘性土体，便可看出污水的扩散规律；当打开不同深度处的出水箱阀门时，可以控制水流的速度，也可以通过调正无水箱的高度控制水速，进而可以直观的看到受地下水流速度影响的扩散规律。通过亲自动手实践，可以增强实践操作能力，通过透明土箱可以直观的看到水的扩散规律以及受地下水流速影响的扩散规律，同学们可以对知识点的理解就会更到位，更透彻，记得更加牢固。
56.应用实施例3：
57.用于污水检测装置的性能检测：
58.现有不同种类的污水会给人类的生活和生态环境带来一定的影响，因而市面上出现了大量的对污水检测的装置。有些城市污水中重金属物质含量较多，污水中的一些具有腐蚀性的物质会对污水接触到的构件造成损伤，对检测结果造成一定的误差，可以用本装置来检测污水检测装置的性能。首先将浓度检测装置放置于电测土箱内，再打开抽水泵，装满污水箱和入水箱，经过一段时间，待右侧出水箱水满后，打开出水箱右侧的阀门，形成水头差，打开入水箱透水石板内的旋转阀门，使污水流经污水浓度检测装置，并稳定污水源和常水头源，实现长期测试。此时在浓度检测装置进行检测的同时，本装置时刻检测污水流经污水检测装置时的电阻率的变化规律，待水流稳定后，电阻率的变化是微小可忽略不计的，当污水中的腐蚀性物质对污水浓度检测装置中的构件造成损伤后，本装置采集到的电阻率会发生明显的变化，进而说明浓度检测装置的耐久性和长期稳定性。
59.应用实施例4：
60.用于不同无粘性土体中无机离子扩散规律研究，以及不同无粘性土层之间的渗透和扩算规律耦合研究等：
61.在电测土箱中分层装有不同渗透系数和扩散系数的无粘性土体，或者在电测土箱中分多次装有不同渗透系数和扩散系数的无粘性土体，在完成上述装无粘性土的基础上，打开抽水泵，装满无水箱和出水箱，经过一段时间，待右侧出水箱水满后，打开出水箱右侧的阀门，形成水头差完成清水在无粘性土体中的渗流，并且启动电阻率测试系统。打开入水箱透水石板内的旋转阀门，使污水从旋转阀门的腰身流出，开展在渗流条件下无机离子扩散规律的定量研究试验。通过电阻率的测试，反演获得无机离子扩散的分布和发展的定量过程，进而研究渗透和扩散耦合时，无机离子的扩散规律以及不同无粘性土层之间的渗透和扩散规律的耦合。

技术特征：

1.一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于包括依次连通的高度可调的污水箱(1)，土箱以及集污箱(3)；所述土箱被第一透水石板(21)、第二透水石板(22)分为三个箱体空间，两侧为常水头水箱，靠近污水箱(1)一侧为入水箱(23)、靠近集污箱(3)一侧为出水箱(24)，中间为电测土箱(25)；所述污水箱(1)下方设有u形干管(4)，所述u形干管(4)一侧管壁与污水箱(1)连通，另一侧管壁上通过多个水平设置的污水支管(41)嵌入式连通至第一透水石板(21)上的多个孔洞中，所述污水支管(41)内壁紧密套设有同直径的管道，管道另一侧穿透第一透水石板(21)至孔洞外部形成旋转阀门(42)；所述u形干管(4)上通过第一透水石板(21)上方一定长度达到污水箱(1)位置且保持开口状态；所述第二透水石板(22)外侧有带孔组合板(221)；所述电测土箱(25)前后为均匀布置的电测电极(251)；出水箱(24)不同深度位置设有多个阀门(241)以控制左侧水头高于右侧水头，形成稳定的水头差；所述集污箱(3)设于出水箱(24)下侧。2.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述污水箱(1)通过一侧的高度调节装置(11)控制高度。3.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述土箱设于土箱支架(5)上，且为透明设计。4.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述电测电极(251)为平帽式碳电极(501)，均匀埋设于透明玻璃土箱前后两侧的内壁中，并设有电极密封圈(502)。5.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述旋转阀门(42)中部设有出水缝(4201)，实现二维线性渗流，稳定的流向出水箱(24)，旋转阀门(42)中还设有环向密封圈(4203)；缝隙附近也设有水缝密封圈(4202)，旋转阀门(42)的旋转实现出水缝(4201)的开启和关闭以控制污水从污水支管(41)腰线处水平流出。6.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述带孔组合板(221)由三片插入式局部透水板组成，左侧带孔板为上部透水，中部带孔板为中部透水，右侧带孔板为下部透水；三片插入式局部透水板上部分别装有第一提升把手(801)，第二提升把手(802)以及第三提升把手(803)，通过第二提升把手(802)以及第三提升把手(803)提升相应的带孔板使孔隙对齐实现上部出水，通过第一提升把手(801)以及第三提升把手(803)提升相应的带孔板，使左侧带孔板不阻碍中间带孔板的孔隙和右侧孔隙与中间带孔板孔隙重合实现中部出水，通过提升第一提升把手(801)，第二提升把手(802)提升相应的带孔板使其不阻碍右侧带孔板的孔隙实现下部出水，达到多种出水条件边界的实现；在组合板之间的位置处横向嵌有橡胶垫(804)；且带孔板插入前后两侧的呈v型刀口，插入土箱该位置处的v型槽中。7.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述污水箱(1)、入水箱(23)顶部均设有一个感应器用于感应水量进行自动泵水上水；所述入水箱(23)和出水箱(24)水位可控。8.根据权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置，其特征在于：所述出水箱(24)外侧开孔，多个阀门(241)连接软管，通过阀门(241)的开关控制水的流出。
9.一种权利要求1所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置的应用，其特征在于：所述土箱前后两侧同一位置处的电测电极(251)形成一对电极对，通过导线(61)连接至外接的电极扫描系统(6)，并与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极对之间的电阻率，从而探测电极对之间无粘性土体的视电阻率，从而采用电阻率反演技术，确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布。10.根据权利要求9所述的土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置的应用，其特征在于用于检测工程中污水渗透隔污板的性能、渗流条件下无机离子扩散规律定性演示的实践教学、污水检测装置的性能检测、不同无粘性土体中无机离子扩散规律研究以及不同无粘性土层之间的渗透和扩算规律耦合研究。

技术总结

本发明公开了一种土层中水的渗流与扩散方式探究实验装置和应用，包括依次连通的高度可调的污水箱，透明土箱以及集污箱；土箱被两块透水石板分为入水箱，电测土箱，出水箱，出水箱装有多个阀门以控制左侧水头高于右侧水头；电测土箱前后均匀布置电测电极，电极对与电阻率测试系统相连，测试系统逐对测试电极对之间的电阻率，从而探测电极对之间无粘性土体的视电阻率，采用电阻率反演技术，确定无粘性土体中污水浓度的变化和分布。本发明的装置设计合理，实用性强，当土壤的其他条件和外在条件不变的条件下，通过对电阻率变化的检测探测土壤中的孔隙液变化规律，有效的对土体中的污水的扩散规律和浓度的分布进行有效探测。扩散规律和浓度的分布进行有效探测。扩散规律和浓度的分布进行有效探测。