專利名稱：一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水利工程和農(nóng)業(yè)工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置及方法。
背景技術(shù)：
在水資源規(guī)劃、河流水文學(xué)、河流生態(tài)學(xué)等領(lǐng)域，河床的滲透性參數(shù)是各種水環(huán)境模型和水資源總量評估模型的關(guān)鍵參數(shù)。對河床滲透性的準(zhǔn)確測量，尤其是垂向滲透系數(shù)，直接關(guān)聯(lián)著對河流與地下水補排水量的準(zhǔn)確計算，影響著決策者對水資源進行合理評估與規(guī)劃。長期以來，滲透系數(shù)的測量主要采用的是經(jīng)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(yán)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(jīng)驗計算公式推求河床沉積物的滲透系數(shù)，但是，大量的文獻表明，通過該方法獲得的滲透系數(shù)因特 征粒徑選取差異和經(jīng)驗公式的不同而差別較大，有時候這種差別可以達到數(shù)個量級，其準(zhǔn)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(jié)構(gòu)。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(zhì)性，需要獲得足夠數(shù)量的滲透系數(shù)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(zhì)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(fā)與運行，河流在枯水季節(jié)通常也具備較高的水位，對深水型河流而言，河床床質(zhì)的取樣或滲透性的現(xiàn)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(shù)測試裝置以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的:本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中河床的滲透性參數(shù)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(shù)測試裝置。技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置采用如下技術(shù)方案:一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(nèi)管，所述內(nèi)管設(shè)置在所述外管中，所述內(nèi)管和外管之間具有夾層，所述內(nèi)管上設(shè)置有若干第一通孔，所述夾層中與所述第一通孔相對應(yīng)的位置設(shè)置有第一溫度傳感器，所述夾層的底部設(shè)置有第一壓力傳感器，所述內(nèi)管的下端設(shè)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(shè)置有保溫層，所述保溫套管的上部設(shè)置有進水孔，所述進水孔連通潛水泵，所述進水孔的上方設(shè)置有溢水孔，所述溢水孔連通溢流導(dǎo)管；所述金屬桿上設(shè)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(shè)置有第一金屬圓盤，所述第一金屬圓盤上設(shè)置有多個第二通孔，所述第一金屬圓盤的上方設(shè)置有第二金屬圓盤，所述第二金屬圓盤上設(shè)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(cè)設(shè)置有網(wǎng)罩，所述網(wǎng)罩內(nèi)設(shè)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(nèi)管和外管之間夾層的下端設(shè)置有圓環(huán)，所述圓環(huán)的內(nèi)徑與所述內(nèi)管的內(nèi)徑相同，所述圓環(huán)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(nèi)管的軸向均勻分布，相鄰所述第一通孔分別設(shè)置在所述內(nèi)管軸線的兩側(cè)。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(shè)置有泥沙過濾網(wǎng)。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(biāo)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(yīng)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(wǎng)罩內(nèi)水體加熱并維持相對穩(wěn)定的溫度值。更進一步的，還包括信號數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)土柱的滲透系數(shù)。更進一步的，所述數(shù)據(jù)采集裝置為組合式信號巡檢儀。本發(fā)明還公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試方法，采用如下的技術(shù)方案:一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試方法，采用如上所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(nèi)水沙界面，所述金屬桿底端的所述熱電阻絲加熱所述網(wǎng)罩內(nèi)水體，使所述水體形成穩(wěn)定的熱水層，所述水體在穩(wěn)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(shù)通過下式計算得到:
權(quán)利要求
1.一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(nèi)管(2)，所述內(nèi)管(2)設(shè)置在所述外管(I)中，所述內(nèi)管(I)和外管(2 )之間具有夾層，所述內(nèi)管(2 )上設(shè)置有若干第一通孔，所述夾層中與所述第一通孔相對應(yīng)的位置設(shè)置有第一溫度傳感器(4)，所述夾層的底部設(shè)置有第一壓力傳感器(5)，所述內(nèi)管(2)的下端設(shè)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(shè)置有保溫層(3)，所述保溫套管的上部設(shè)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(shè)置有溢水孔，所述溢水孔連通溢流導(dǎo)管(8);所述金屬桿(10)上設(shè)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(shè)置有第一金屬圓盤(15)，所述第一金屬圓盤(15)上設(shè)置有多個第二通孔，所述第一金屬圓盤(15)的上方設(shè)置有第二金屬圓盤(16)，所述第二金屬圓盤(16)上設(shè)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(cè)設(shè)置有網(wǎng)罩(14)，所述網(wǎng)罩(14)內(nèi)設(shè)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(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述保溫層(3)為聚氨酯層。
3.如權(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述內(nèi)管(I)和外管(2)之間夾層的下端設(shè)置有圓環(huán)，所述圓環(huán)的內(nèi)徑與所述內(nèi)管(2)的內(nèi)徑相同，所述圓環(huán)的外壁為斜面。
4.如權(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述第一通孔沿所述內(nèi)管(2)的軸向均勻分布，相鄰所述第一通孔分別設(shè)置在所述內(nèi)管(2)軸線的兩側(cè)。
5.如權(quán)利要求1所·述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(shè)置有泥沙過濾網(wǎng)。
6.如權(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(biāo)不刻度。
7.如權(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(quán)利要求1所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置，其特征在于，還包括信號數(shù)據(jù)采集裝置和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(nèi)土柱的滲透系數(shù)。
9.如權(quán)利要求7所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)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(shù)測試方法，其特征在于，采用權(quán)利要求1-9任一項所述的河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(nèi)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(wǎng)罩內(nèi)水體，使所述水體形成穩(wěn)定的熱水層，所述水體在穩(wěn)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(shù)通過下式計算得到:
全文摘要
本發(fā)明公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)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(nèi)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(nèi)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(shù)與溫度時空分布的關(guān)系公式，推算出土柱的垂向滲透系數(shù)。本發(fā)明還公開了一種河床淺層沉積物垂向滲透系數(shù)測試方法。該發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡潔，測試效率高，對待測河床沉積物顆粒空間結(jié)構(gòu)干擾小，測試方法是一種較為環(huán)保和經(jīng)濟的河床沉積物垂向滲透系數(shù)測試新方法，具有較好的應(yīng)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(yōu)先權(quán)日2013年4月3日
發(fā)明者陳孝兵, 趙堅, 沈振中, 陶小虎, 周貝 申請人:河海大學(xué)