多功能土体渗透及截污能力测试试验装置

本发明公开了一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，具有可控制水头差、水土接触面积、压力方向以及测定土体截断污染物能力，用于开展填埋场竖向防渗帷幕防渗特性与截污特性研究。本发明试验装置由腔室、浓度监测系统、加压系统、活塞、反力架和底座。可以通过控制活塞，模拟黏土‑膨润土等竖向帷幕在不同水土接触面积、水头差以及双向压力条件下的污染物运移规律，评价竖向帷幕的污染物截断能力，得到隔离墙不同位置处渗透性、截污性能指标。本发明装置设计简便、功能多样、整体性强，可用于竖向防渗帷幕土体的渗透特性及截污能力测试。

　　权利要求书

　　1.一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于，包括底座(2)、反力架、腔室(3)、活塞(10)、压力测控系统和浓度监测系统;

　　所述反力架包括横杆(1)、螺杆(4)、螺母(8)和连杆(6);在底座(2)上设有螺杆插槽(9)，螺杆(4)下端插入底座(2)的螺杆插槽(9)并固定，使至少两根螺杆(4)的底部安装在底座(2)上，螺杆(4)上端插入横杆(1)上的螺栓孔，通过调节螺母(8)改变横杆(1)的高度，形成反力架结构;

　　将所述腔室(3)安装在底座(2)、横杆(1)和螺杆(4)之间的反力架内，腔室下部插入底盘(2)上对应形状的腔室插槽(14)内进行固定，所述腔室(3)由腔室外壁(21)、腔室隔板(16)、透水石板(13)和顶盖(15)组装而成;腔室隔板(16)将腔室分隔成左右的双加压腔室和中间试样室，形成三部分空间结构，其中中间试样室用于装载待测的土样，填入待测的土样并压实成实验土体;左右的双加压腔室用于容留液体介质，并设置有一道O型橡胶圈(17)对腔室外壁(21)和底座(2)的连接处进行密封，腔室外壁(21)在左、右两侧下部有圆形开孔，用于安装插管口(5);所述腔室隔板(16)为中间开洞的回字型板;两块所述透水石板(13)分别插入中间试样室的左右两侧进行安装，与腔室隔板(16)紧密贴合，将腔室隔板(16)的回字型板的中间开洞完全遮挡;在中间试样室的正面开有多个浓度探测窗口，内部塞入丁基橡胶塞(7)，保证密封和方便浓度探针(19)插入;在中间试样室上沿安装顶盖(15)，在顶盖(15)开有圆形凹槽，用于固定连杆(6)，所述连杆(6)将横杆(1)和顶盖(15)连为一体，将所述腔室(3)固定安装在反力架内;

　　所述活塞(10)分别插入左右的双加压腔室中;活塞(10)顶部有圆形开丝凹槽，用于旋入另外的连杆(6)，来固定并调节活塞(10)高度，使活塞(10)下端到双加压腔室底部之间的空腔形成液体加压活塞腔室，活塞(10)上部和下部设置另外两道O型橡胶圈(17)，使其与腔室(3)外壁紧密结合，形成动密封结构;

　　采用加压系统和负压系统组成压力测控系统，对所述腔室(3)内的压力进行调控;在所述腔室(3)左侧，加压系统经由左侧的插管口(5)向双加压腔室中的左侧的液体加压活塞腔室输送液体介质，提供压力，并调控左侧的液体加压活塞腔室内的压力条件，进而调控左侧的液体加压活塞腔室内液体介质通过左侧的透水石板(13)进入中间试样室的渗透压;

　　在腔室(3)右侧，有上下两个插管口(5)，下插管口连接与左侧腔室相同的装置进行液体加压。上插管口用导管(18)连接阀门，实现排液的功能;负压系统采用小型自吸泵(12)与右侧的上插管口(5)连通，将右侧加压腔室中的液体介质向外部抽吸，产生负压，驱动渗滤液通过右侧的上插管口(5)流出腔室，并可通过调节自吸泵的功率来调控中间试样室的试样渗滤液通过右侧的透水石板进入右侧的液体加压活塞腔室的渗透压。

　　所述浓度监测系统包括浓度探针(19)和数据采集终端(20)，将一系列浓度探针(19)插入对应的丁基橡胶塞(7)内，使浓度探针(19)探头插入中间试样室内的土样内部，并可在数据采集终端(20)上实时读取土样中的离子浓度数据信息。

　　2.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：通过左右两侧的所述活塞(10)底部的升降高度，控制左右两侧的液体加压活塞腔室内的液面高度，进而控制不同的透过透水石板(13)进行渗透的水土接触面积，模拟土样竖向帷幕在不同水土接触面积、水头差以及双向压力实验条件下的污染物运移实验条件和对污染物截断实验条件。

　　3.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：所述加压系统包括以此连通的加压气源(22)、水压控制器(11)和玻璃管(18)，所述玻璃管(18)的两端分别与水压控制器(11)的出水口和左侧的插管口(5)连通;由加压气源(22)向水压控制器(11)提供压力，并通过水压控制器(11)保证水压力稳定。

　　4.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：左右的双加压腔室的下部分别有插管口(5)，分别连接两台水压控制器，实现左右的双加压腔室水压力的独立控制;在所述腔室(3)右两侧的上插管口连接小型自吸泵(12)与水压控制器共同进行压力方向调控，实现正向压力加载和反向压力加载的切换，改变土样的土体两侧压力方向，模拟压力方向对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响的实验条件。

　　5.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：所述横杆(1)上分布有五个螺栓孔，分别对应两根螺杆(4)和3根连杆(6);所述螺杆(4)为全丝螺杆，上端插入横杆上的螺栓孔，通过调节螺母(8)改变横杆高度;所述连杆(6)为全丝螺杆，穿过横杆上的螺栓孔并通过螺母(8)固定和调节其高度。

　　6.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：所述底座(2)和的凹槽的形状为两个半圆和一个矩形组成的形状，对应腔室(3)的底部形状。

　　7.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：腔室隔板(16)与腔室外壁(21)一体连接，或者腔室隔板(16)嵌入腔室外壁(21)的内侧凹槽内进行组装固定连接。

　　8.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：所述活塞(10)是由亚克力玻璃制成的半圆柱体，分别插入左右的双加压腔室的对应的加压腔室;活塞(10)顶部有圆形开丝凹槽，用于旋入连杆(6)固定并调节高度。

　　9.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：左右的双加压腔室对应的腔室外壁(21)上还设有加药口，通过加药口能向对应的双加压腔室的液体介质中加入实验药剂。

　　10.根据权利要求1所述多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，其特征在于：活塞(10)与反力架系统结合，共同组成了左右的双加压腔室的液位调节机构，从而实现左右的双加压腔室液位高度的自由控制。

　　说明书

　　一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置

　　技术领域

　　本发明一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，涉及一种可以控制水头差、水土接触面积、压力方向以及土体对污染物截断能力测定的试验装置，属于环境岩土工程测量仪器制造技术及测试领域。

　　背景技术

　　受经济、交通、地理条件等因素限制，沿海城市的垃圾填埋场大都建在海岸滩涂地带。垃圾埋填场的防渗体系是阻滞垃圾渗滤液泄漏的关键措施。膨润土因具有低渗透性、高吸附性而被广泛应用防渗体系中充当防渗屏障材料。滩涂型填埋场地下水位较高，以及滨海地区出现海水混入现象，膨润土防渗屏障受到内部渗滤液的腐蚀和外围海水的侵蚀，长期处于“内外夹击”作用。这会降低防渗性能，弱化截污能力，进而造成污染物扩散而危害海洋环境。

　　为防止污染物扩散而污染海洋环境，需掌握污染物在黏土-膨润土竖向帷幕中的运移规律。目前，海水侵蚀下膨润土层中污染物运移机制研究，大多关注离子浓度、溶液组分、胶体颗粒老化等因素，而对物理和力学因素的考虑较少。实际上，海水有潮汐作用，使得黏土-膨润土竖向帷幕受到水动力作用。因此，粘土-膨润土竖向帷幕两侧会存在水头差，会缩短海水击穿竖向帷幕的时间。为模拟目标污染物的运移过程，有必要研发一种试验装置模拟海水动力作用，实时跟踪污染物在粘土-膨润土竖向帷幕中的运移规律。

　　发明内容

　　针对现有技术的缺陷，本发明提出一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，针对沿海垃圾填埋场竖向防渗帷幕会同时受到内部渗滤液和外部海水侵蚀作用，进而降低其对渗滤液内的各种污染物，包括Na+、NH4+离子的截断能力和影响污染物运移的特点，提供一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，本发明装置为一种可控制水头高度、过水断面面积和压力方向，并可检测土体对污染物的运移影响、截污能力的试验装置，结构紧凑，集成度高，易于控制和使用。

　　为达到上述目的，本发明采用如下发明构思：

　　本发明多功能土体渗透及截污能力测试试验装置包括腔室、浓度监测系统、加压系统、活塞、反力架和底座。

　　腔室包括试样腔室、腔室底座、腔室顶盖三部分。试样室在左右方向上由透水石板和回字形隔板与加压室分隔。在试样室正面设置多个浓度检测窗口，采用丁基橡胶塞封堵保证其密封性，同时通过丁基橡皮塞可以将浓度探针插入土体内检测土体内部离子浓度。

　　加压室包括腔室、腔室底座、活塞三部分。顶部的半圆柱形活塞可以上、下自由移动，周围有O型橡皮圈保证密封，并可以通过顶部的连杆与反力架连接固定，实现自由调节水土接触面积。

　　加压系统由水压控制器、加压气源和小型自吸泵组成，可实现稳定控制水压和溶液循环，其内部带有离子浓度检测系统，保证输入溶液的盐分种类和浓度稳定，并通过小型自吸泵实现负向压力加载。

　　本发明多功能土体渗透及截污能力测试试验装置需要具有如下功能：

　　a.保持土体两侧盐溶液种类不变，水头差不变以及压力方向不变，改变土体两侧水土接触面积，研究水土接触面积对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响。

　　b.保持土体两侧盐溶液种类不变，水土接触面积不变以及压力方向不变，改变土体两侧水头差，研究水头差对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响。

　　c.保持土体两侧盐溶液种类不变，水土接触面积不变以及水头差不变，改变土体两侧压力方向，研究压力方向对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响。

　　d.保持土体两侧水土接触面积不变、水头差不变以及压力方向不变，改变土体两侧盐溶液种类，研究盐溶液对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响。

　　本发明仪器装置设计简便、操作灵活，整体性好，可对多种工况下填埋场竖向防渗帷幕的截污能力进行连续观测。

　　根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

　　一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，包括底座、反力架、腔室、活塞、压力测控系统和浓度监测系统;

　　反力架包括横杆、螺杆、螺母和连杆;在底座上设有螺杆插槽，螺杆下端插入底座的螺杆插槽并固定，使至少两根螺杆的底部安装在底座上，螺杆上端插入横杆上的螺栓孔，通过调节螺母改变横杆的高度，形成反力架结构;

　　将腔室安装在底座、横杆和螺杆之间的反力架内，腔室下部插入底盘上对应形状的腔室插槽内进行固定，腔室由腔室外壁、腔室隔板、透水石板和顶盖组装而成;腔室隔板将腔室分隔成左右的双加压腔室和中间试样室，形成三部分空间结构，其中中间试样室用于装载待测的土样，填入待测的土样并压实成实验土体;左右的双加压腔室用于容留液体介质，并设置有一道O型橡胶圈对腔室外壁和底座的连接处进行密封，腔室外壁在左、右两侧下部有圆形开孔，用于安装插管口;腔室隔板为中间开洞的回字型板;两块透水石板分别插入中间试样室的左右两侧进行安装，与腔室隔板紧密贴合，将腔室隔板的回字型板的中间开洞完全遮挡;在中间试样室的正面开有多个浓度探测窗口，内部塞入丁基橡胶塞，保证密封和方便浓度探针插入;在中间试样室上沿安装顶盖，在顶盖开有圆形凹槽，用于固定连杆，连杆将横杆和顶盖连为一体，将腔室固定安装在反力架内;

　　活塞分别插入左右的双加压腔室中;活塞顶部有圆形开丝凹槽，用于旋入另外的连杆，来固定并调节活塞高度，使活塞下端到双加压腔室底部之间的空腔形成液体加压活塞腔室，活塞上部和下部设置另外两道O型橡胶圈，使其与腔室外壁紧密结合，形成动密封结构;

　　采用加压系统和负压系统组成压力测控系统，对腔室内的压力进行调控;在腔室左侧，加压系统经由左侧的插管口向双加压腔室中的左侧的液体加压活塞腔室输送液体介质，提供压力，并调控左侧的液体加压活塞腔室内的压力条件，进而调控左侧的液体加压活塞腔室内液体介质通过左侧的透水石板进入中间试样室的渗透压;在腔室右侧，有上下两个插管口，下插管口连接与左侧腔室相同的装置进行液体加压。上插管口用导管连接阀门，实现排液的功能;负压系统采用小型自吸泵与右侧的上插管口连通，将右侧加压腔室中的液体介质向外部抽吸，产生负压，，驱动渗滤液通过右侧的上插管口流出腔室，并可通过调节自吸泵的功率来调控中间试样室的试样渗滤液通过右侧的透水石板进入右侧的液体加压活塞腔室的渗透压。

　　浓度监测系统包括浓度探针和数据采集终端，将一系列浓度探针插入对应的丁基橡胶塞内，使浓度探针探头插入中间试样室内的土样内部，并可在数据采集终端上实时读取土样中的离子浓度数据信息。

　　优选地，通过左右两侧的活塞底部的升降高度，控制左右两侧的液体加压活塞腔室内的液面高度，进而控制不同的透过透水石板进行渗透的水土接触面积，模拟土样竖向帷幕在不同水土接触面积、水头差以及双向压力实验条件下的污染物运移实验条件和对污染物截断实验条件。

　　优选地加压系统包括以此连通的加压气源、水压控制器和玻璃管，玻璃管的两端分别与水压控制器的出水口和左侧的插管口连通;由加压气源向水压控制器提供压力，并通过水压控制器保证水压力稳定。

　　优选地，左右的双加压腔室的下部分别有插管口，分别连接两台水压控制器，实现左右的双加压腔室水压力的独立控制，进行腔室左右两侧的压力方向调控，实现正向压力加载和反向压力加载的切换，改变土样的土体两侧压力方向，模拟压力方向对污染物运移规律和对污染物截断能力的影响的实验条件。

　　优选地，横杆上分布有五个螺栓孔，分别对应两根螺杆和3根连杆;螺杆为全丝螺杆，上端插入横杆上的螺栓孔，通过调节螺母改变横杆高度;连杆为全丝螺杆，穿过横杆上的螺栓孔并通过螺母固定和调节其高度。

　　优选地，底座和的凹槽的形状为两个半圆和一个矩形组成的形状，对应腔室的底部形状。

　　优选地，腔室隔板与腔室外壁一体连接，或者腔室隔板嵌入腔室外壁的内侧凹槽内进行组装固定连接。

　　优选地，活塞是由亚克力玻璃制成的半圆柱体，分别插入左右的双加压腔室的对应的加压腔室;活塞顶部有圆形开丝凹槽，用于旋入连杆固定并调节高度。

　　优选地，活塞与反力架系统结合，共同组成了左右的双加压腔室的液位调节机构，从而实现左右的双加压腔室液位高度的自由控制。

　　优选地，试样室是由底座、顶盖，腔室三部分组成。试样腔室与加压腔室为一体化铸造而成，保证了整体性和密闭性。试样腔室底座由带有凹槽的底座组成。试样固定腔室和加压腔室一体铸造组成腔室，制作材料为亚克力玻璃。顶盖由金属材料制成，顶盖顶部有圆形凹槽，通过连杆与反力架加载系统的横杆相连。试样室左右分别安装两块相同的透水石板，保证溶液均匀进入试样室。试样室正面开有多个浓度检测窗口，每个窗口内塞有橡皮塞保证密闭性。丁基橡皮塞内插有浓度探针，并与数据采集终端相连。

　　优选地，加压室包括腔室、腔室底座、活塞三个部分。加压腔室与试样固定腔室一体铸造加工，加压腔室底座同样是与试样腔室底座为同一整体。活塞为半圆柱形，由亚克力玻璃制成，四周有橡胶圈密封。活塞可自由上、下移动，通过连杆与反力架系统的横杆相连。加压室底部开孔，安装有插管口，通过接头与加压系统相连。

　　优选地，反力架由底座、顶部横杆、竖向受力杆和连杆组成。连杆分别与加压室的活塞、试样室顶盖连接，将荷载传递到顶部横杆，再由两根螺杆平均分担荷载。

　　采用本发明装置进行测试的方法所依托的试验装置，构造简单，设计轻巧，操作方便，一体化性能好，作用广泛。本发明所提出的一种多功能土体渗透及截污能力测试试验装置，可以通过控制活塞与压力测控箱，开展黏土-膨润土竖向帷幕在不同水土接触面积、水头差以及双向压力情况下污染物运移规律研究，模拟污染物在黏土-膨润土中的运移情况，达到评价竖向帷幕阻滞污染物能力的目的。

　　与现有技术相比，本发明具有如下显而易见的突出实质性特点和显著技术进步:

　　1.本发明装置针对垃圾填埋场竖向防渗帷幕研究，提供一套测试填埋场竖向防渗帷幕的截污能力和检测污染物运移规律的试验装置，可开展不同水头差、水土接触面积、压力方向和盐溶液等条件下竖向防渗帷幕的污染物截断性能测试;

　　2.本发明装置的加压系统可向试验装置内提供稳定浓度的盐溶液，同时浓度检测系统可以实时监测土体中各位置污染物浓度的变化规律;待浓度值稳定后，可换算出土样截断污染物的效率和截断量;

　　3.本发明装置的最大创新点在于可开展水头差控制、水土接触面积、溶液浓度监测、正反向压力等多因素试验，可通过控制变量的方法，探究水头差、水土接触面积、压力方向以及盐溶液对竖向防渗帷幕截污能力的影响;

　　4.本发明装置亦可与数值模拟相结合，通过本模型装置测得的参数，在数值模拟软件中建立相应的竖向防渗帷幕模型，预估垃圾填埋场竖向隔离墙的服役年限和垃圾填埋场污染物扩散范围;

　　5.本发明装置能够达到多种试验目的，实现对填埋场渗滤液截断性能的研究。试验装置制样方法及制作工艺简单，制作材料容易取得，操作简便。