专利名称：一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置及方法
技术领域：
本发明属于水利工程和农业工程技术领域，具体涉及一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置及方法。
背景技术：
在水资源规划、河流水文学、河流生态学等领域，河床的渗透性参数是各种水环境模型和水资源总量评估模型的关键参数。对河床渗透性的准确测量，尤其是垂向渗透系数，直接关联着对河流与地下水补排水量的准确计算，影响着决策者对水资源进行合理评估与规划。长期以来，渗透系数的测量主要采用的是经典的达西渗透装置，但由于试验过程涉及到对水面下河床沉积物的取样及对原样土的严重扰动，并不适用于河床渗透性的测试；另一种重要的间接测试手段是首先对河床沉积物取样、烘干，然后进行颗粒级配试验，通过特征粒径与经验计算公式推求河床沉积物的渗透系数，但是，大量的文献表明，通过该方法获得的渗透系数因特 征粒径选取差异和经验公式的不同而差别较大，有时候这种差别可以达到数个量级，其准确性有待进一步的论证。此外，与达西渗透试验方法一样，该方法取样过程同样干扰了河床原有沉积物结构。由于河流河床受到泥沙冲淤及底栖生物活动等影响，通常具有较高的非均质性，需要获得足够数量的渗透系数离散分布点才能较好地刻画河床的全局渗透性，前述采用水下河床质取样，然后送至实验室进行渗透测试或筛分试验将会给试验人员带来较大的工作量；此外，随着水电站的开发与运行，河流在枯水季节通常也具备较高的水位，对深水型河流而言，河床床质的取样或渗透性的现场测试均面临着较大的难度。因此，需要一种新的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置以解决上述问题。

发明内容
发明目的:本发明针对现有技术中河床的渗透性参数测试装置的缺陷，提供一种快速并且精度较高的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置。技术方案:为解决上述技术问题，本发明的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置采用如下技术方案:一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，包括保温套管和金属杆，所述金属套管包括外管和内管，所述内管设置在所述外管中，所述内管和外管之间具有夹层，所述内管上设置有若干第一通孔，所述夹层中与所述第一通孔相对应的位置设置有第一温度传感器，所述夹层的底部设置有第一压力传感器，所述内管的下端设置有压力测试孔，所述压力测试孔连通所述第一压力传感器的进水口，所述夹层的下端封闭，所述夹层中设置有保温层，所述保温套管的上部设置有进水孔，所述进水孔连通潜水泵，所述进水孔的上方设置有溢水孔，所述溢水孔连通溢流导管；所述金属杆上设置有刻度，所述金属杆伸入所述保温套管，所述金属杆伸入所述保温套管的一端设置有第一金属圆盘，所述第一金属圆盘上设置有多个第二通孔，所述第一金属圆盘的上方设置有第二金属圆盘，所述第二金属圆盘上设置有多个第三通孔，所述第一金属圆盘和第二金属圆盘的外侧设置有网罩，所述网罩内设置有第二压力传感器、第二温度传感器和热电阻丝。更进一步的，所述保温层为聚氨酯层。更进一步的，所述内管和外管之间夹层的下端设置有圆环，所述圆环的内径与所述内管的内径相同，所述圆环的外壁为斜面。以便于整体插向河床沉积物中。更进一步的，所述第一通孔沿所述内管的轴向均匀分布，相邻所述第一通孔分别设置在所述内管轴线的两侧。使得第一温度传感器交叉排列，减少测量误差。更进一步的，所述第一压力传感器和第二压力传感器的进水口处均设置有泥沙过滤网。避免泥沙堵塞进水口。更进一步的，所述金属杆的刻度零点为所述第一金属圆盘处，由下向上标示刻度。方便读取土柱的长度。土柱的长度等于所述保温套管的总长减去所述金属杆与所述保温套管上端所对应的刻度值。更进一步的，还包括温控仪，所述温控仪连接所述热电阻丝。对网罩内水体加热并维持相对稳定的温度值。更进一步的，还包括信号数据采集装置和数据处理装置，所述信号采集装置用于采集第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器的输出信号，所述数据处理装置通过所述信号采集装置采集到的信号获得保温套管内土柱的渗透系数。更进一步的，所述数据采集装置为组合式信号巡检仪。本发明还公开了一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试方法，采用如下的技术方案:一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试方法，采用如上所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，测量时，将所述保温套管竖直插入河床，所述金属杆的底端接触所述保温套管内水沙界面，所述金属杆底端的所述热电阻丝加热所述网罩内水体，使所述水体形成稳定的热水层，所述水体在稳定的水力梯度作用下向下渗透，不同时刻沿水流方向上的温度值与土柱的垂向渗透系数通过下式计算得到:
权利要求
1.一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，包括保温套管和金属杆(10)，所述金属套管包括外管(I)和内管(2)，所述内管(2)设置在所述外管(I)中，所述内管(I)和外管(2 )之间具有夹层，所述内管(2 )上设置有若干第一通孔，所述夹层中与所述第一通孔相对应的位置设置有第一温度传感器(4)，所述夹层的底部设置有第一压力传感器(5)，所述内管(2)的下端设置有压力测试孔，所述压力测试孔连通所述第一压力传感器(5)的进水口，所述夹层的下端封闭，所述夹层中设置有保温层(3)，所述保温套管的上部设置有进水孔，所述进水孔连通潜水泵(9)，所述进水孔的上方设置有溢水孔，所述溢水孔连通溢流导管(8);所述金属杆(10)上设置有刻度，所述金属杆(10)伸入所述保温套管，所述金属杆(10)伸入所述保温套管的一端设置有第一金属圆盘(15)，所述第一金属圆盘(15)上设置有多个第二通孔，所述第一金属圆盘(15)的上方设置有第二金属圆盘(16)，所述第二金属圆盘(16)上设置有多个第三通孔，所述第一金属圆盘(15)和第二金属圆盘(16)的外侧设置有网罩(14)，所述网罩(14)内设置有第二压力传感器(11)、第二温度传感器(12)和热电阻丝(13)。
2.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述保温层(3)为聚氨酯层。
3.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述内管(I)和外管(2)之间夹层的下端设置有圆环，所述圆环的内径与所述内管(2)的内径相同，所述圆环的外壁为斜面。
4.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述第一通孔沿所述内管(2)的轴向均匀分布，相邻所述第一通孔分别设置在所述内管(2)轴线的两侧。
5.如权利要求1所·述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述第一压力传感器(5 )和第二压力传感器(11)的进水口处设置有泥沙过滤网。
6.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述金属杆(10)的刻度零点为所述金属杆(10)与所述第一金属圆盘处，由下向上标不刻度。
7.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，还包括温控仪，所述温控仪连接所述热电阻丝(13)。
8.如权利要求1所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，还包括信号数据采集装置和数据处理装置，所述信号采集装置用于采集第一温度传感器、第一压力传感器、第二温度传感器和第二压力传感器的输出信号，所述数据处理装置通过所述信号采集装置采集到的信号获得保温套管内土柱的渗透系数。
9.如权利要求7所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，其特征在于，所述数据采集装置为组合式信号巡检仪。
10.一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试方法，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述的河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，测量时，将所述保温套管竖直插入河床，所述金属杆(10)的底端接触所述保温套管内水沙界面，所述金属杆(10)底端的所述热电阻丝(13)加热所述网罩内水体，使所述水体形成稳定的热水层，所述水体在稳定的水力梯度作用下向下渗透，不同时刻沿水流方向上的温度值与土柱的垂向渗透系数通过下式计算得到:
全文摘要
本发明公开了一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试装置，包括保温套管、金属杆以及位于保温套管和金属杆内的温度传感器和压力传感器。在热脉冲作用下，可测试竖直套管内沉积物垂向温度分布以及沉积物两端水压值，通过渗透系数与温度时空分布的关系公式，推算出土柱的垂向渗透系数。本发明还公开了一种河床浅层沉积物垂向渗透系数测试方法。该发明装置结构简洁，测试效率高，对待测河床沉积物颗粒空间结构干扰小，测试方法是一种较为环保和经济的河床沉积物垂向渗透系数测试新方法，具有较好的应用前景。
文档编号G01N15/08GK103234884SQ20131011552
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月3日 优先权日2013年4月3日
发明者陈孝兵, 赵坚, 沈振中, 陶小虎, 周贝 申请人:河海大学