用于河湖沉积物渗透性测试的的制作方法

用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置
技术领域
1.本实用新型涉及水文地质试验装备技术领域，尤其是涉及一种在河流、湖泊、水库以及沼泽、湿地等场所开展沉积物渗透性试验用的河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型试验管装置。


背景技术：

2.1951年，美国学者hvorslev根据大量的室内渗透仪试验以及现场试验案例数据的观测与统计分析，推导了不同边界条件以及试验方案下求取渗透系数的公式，在此基础上形成了利用竖管在多孔介质中直接测定渗透系数的方法，奠定了竖管试验的基础。之后，竖管试验逐步被推广应用于科研教学以及水文地质勘察应用等领域。
3.21世纪以来，国内外许多研究者对野外现场竖管试验进行了较深入的研究。陈洵洪（2000）在美国内布拉斯州的republican river通过大量野外试验证明了该方法在确定河床沉积物渗透系数及各向异性方面的实用性，束龙仓（2002）、迟宝明在美国内布拉斯州的普拉特河（platte river）、中国江苏省张家港市的暨阳湖分别做了现场竖管试验，得到了可靠的河床沉积物、湖底沉积物渗透系数结果。竖管试验由于其原理清晰，操作简单方便而被广大的学者所采用。
4.长期以来，在推广和应用野外现场竖管试验时，大部分学者和工程技术人员多把注意力放在竖管试验方法的应用、竖管试验计算公式的推导和改进、以及竖管试验结果的分析等方面，对竖管试验仪本身的关注较少，并没有针对竖管试验仪在使用中存在的问题以及局限性进行相关改进。
5.在河湖沉积物水平向渗透试验的实际操作过程中，通常采用pvc材质或者塑料材质的直管，利用异形接头进行垂直搭接，组合成一套传统的“l”型的竖管试验仪（见图1）进行试验。在试验过程中，管内水头观测多是利用测尺进行人工观测，也有部分学者直接将智能水位计放入竖管底部进行试验水位的测量。
6.采用人工测量方式，受竖管空间和结构的限制，存在测量误差大、精度低、操作不便利等缺陷。例如，对于管内水位和管内沉积物的量测而言，从竖管上部利用测尺测读的管内水位，由于读数的视角与水面存在较大的角度，读数偏差不可避免。
7.采用智能水位计时，由于管内空间无稳定的搭载位置，智能水位计的安置比较随意。一般是利用绳子牵引，垂直吊放至竖管底部，智能水位计的放置状态常常是未知的。当同一个试验点开展多组试验时，智能水位计的状态可能存在多种情况：或者斜靠着管壁，或者平放于管底，或者垂直吊装于管底，甚至可能出现倒置等情况，甚至特殊情况下会被沉积物所覆盖导致无法正常工作。由于随意放置的智能水位计，其姿态的差异具有随机性，导致其记录的管内水位观测误差具有随机性和偶然性，进而使得试验获取的数据对比性变差。
8.除了测量方式的局限外，现有“l”型的竖管试验仪还存在材质适应性差的问题。作为一种现场原位专业水文地质试验仪器，大部分试验人员在试验准备阶段完成半成品加工，然后运至试验地点组装后开展试验。由于试验仪器的材质选择性少，质量参差不齐，直
管搭接一般采取专用胶水或者缠绕止水胶带等方式现场搭接，其密封性往往无法保障，即使搭接质量较好，在将“l”型竖管试验仪的水平段推入试验地层的过程中，承受外力的接头部位容易发生变形进而导致管体密封性遭到破坏，从而使试验成功率大大降低。
9.当在比较松散的沉积物中，如松散的粉砂、粉细砂、泥质粉砂层开展竖管试验时，由于试验时“l”型竖管试验仪的垂直管内是充水状态，进入水平段的饱和沉积物在后端的临空侧无法保持直立状态，由于其形状不规则，管内水平方向沉积物长度lh的测量误差往往较大，导致试验计算结果的置信度大幅降低。


技术实现要素：

10.为了解决上述问题，本实用新型提供一种适用范围广、操作方便、智能化水平高的用于河湖沉积物渗透性测试的
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型竖管装置，具体可采取如下技术方案：
11.本实用新型所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，包括
12.试验管，为由插入段、顶推段和测量段构成的
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型管结构，所述插入段和顶推段同轴设置，所述顶推段为闭口结构，所述测量段垂直设置在插入段和顶推段的交接处；
13.测量组件，包括设置在插入段的滤水封盖、设置在所述顶推段的转向轮和智能水位计、设置在测量段的收卷轮，所述滤水封盖、转向轮和收卷轮通过传动链相连，所述传动链的竖直段上设置有测量尺。
14.所述测量段的开口端设置有管帽，所述管帽上设置通气孔。
15.所述顶推段的管体端部通过旋接设置的“一”字型手柄形成所述闭口结构，顶推段的管体内顶部设置有用于安装所述智能水位计的固定槽。
16.所述插入段的管体开口端为便于插入沉积物的倒角型结构，所述倒角型结构的裁切角度为25-30
°
。
17.所述插入段、顶推段和测量段的管内径相同，且插入段的壁厚小于顶推段和测量段的壁厚；测量段的最小高度为80cm，插入段的长度大于管径的5倍且小于测量段的高度，顶推段的长度大于15cm且小于插入段的长度。
18.所述滤水封盖垂直于插入段的中心轴，且与插入段的管体内径相适配，滤水封盖上的过滤孔直径为1-1.5mm，且滤水封盖的有效孔隙率≥30%。
19.所述转向轮为双链条轮，所述收卷轮为单链条轮，所述传动链分为水平设置的第一段和竖直设置的第二段，所述第一段一端与转向轮的第一链条位相连，另一端通过缓冲弹簧与滤水封盖相连；所述第二段的一端与转向轮的第二链条位相连，另一端与所述收卷轮相连。
20.所述收卷轮的一侧配套设置有用于使其单向转动的棘齿。
21.所述传动链的第一段沿插入段的中心轴设置。
22.所述传动链的第二段上设置有用于连接所述测量尺的插装槽。
23.本实用新型提供的用于河湖沉积物渗透性测试的
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型竖管装置，通过改进管道结构设计，优化竖管与水平管之间的连接模式，增加测量尺与沉积物水平压进的联动机构，同时与地下水智能监测设备进行有机结合，提高了试验设备的适用性，扩大了适用场景，使其在一般沉积物地层条件和复杂条件（如硬度偏高的河湖沉积物地层）下均具有较强的适应性，进而形成一套结构简单、便于制造、成熟标准、使用方便、测量精度高、可循环重复利
用的成套设备。
24.与现有技术对比，其具有以下优点：
25.1）增强了竖管试验设备在有限空间和复杂沉积物地层内获取试验参数的便利性、可操作性和准确性，大大提高了复杂条件下的试验精度；
26.2）可准确又直接地量测
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型竖管试验仪水平管内沉积物的长度；
27.3）对于常期沉积作用形成的河流、湖泊沉积物，尤其是古沉积物或者漫滩沉积物，以及含砾沉积物，能够通过顶推段承受较大的水平推进力，保障装置的整体密闭性；
28.4）利用地下水智能监测设备以及测量尺组成测试系统，减少相关参数的获取误差，提高获取试验数据的精度，进而减少时间和人力资源成本。
附图说明
29.图1是现有“l”型竖管试验仪的结构示意图。
30.图2是本实用新型的结构示意图（省略刻度尺）。
31.图3是图2中试验管的分解示意图。
32.图4是图2中测量组件的结构示意图。
33.图5是图2中转向轮的结构示意图。
34.图6是图2中收卷轮的结构示意图。
35.图7是图2中试验管插入段开口端的剖面图。
36.图8是图4中插装槽的结构示意图。
具体实施方式
37.下面结合附图对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的施工过程，但本实用新型的保护范围不限于下述实施例。
38.本实用新型所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
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型竖管装置，可针对于河流、湖泊、水库以及沼泽、湿地等场所的底质沉积物进行水平向渗透系数原位竖管试验。
39.本实用新型包括
40.试验管，为由插入段、顶推段和测量段构成的倒t型管结构，所述插入段和顶推段同轴设置，所述顶推段为闭口结构，所述测量段垂直设置在插入段和顶推段的交接处；
41.测量组件，包括设置在插入段的滤水封盖、设置在所述顶推段的转向轮和智能水位计、设置在测量段的收卷轮，所述滤水封盖、转向轮和收卷轮通过传动链相连，所述传动链的竖直段上设置有测量尺。
42.具体地，如图2-8所示，试验管为一体成型外观呈
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字形的异形管，其中的竖管为测量段1，其两侧的横管分别为插入段2和顶推段3。上述测量段1、插入段2和顶推段3的管内径相同，且插入段2的壁厚小于顶推段3和测量段1的壁厚；根据试验场地的具体情况，测量段1的高度不应小于80cm，水平管段的长度根据试验需要进行设计，但应满足以下条件：插入段2的长度大于管径的5倍且小于测量段1的高度，顶推段3的长度大于15cm且小于插入段2的长度。
43.为了防止试验管内的水体在试验期间蒸发散失，同时，为了保持试验管内的水体
与外界连通，使其在试验期间承受正常的大气压力，测量段1的顶部安装有带有通气孔11的管帽12。上述管帽12可采用卡接或螺纹连接等方式与测量段1安装相连，且通气孔11位于管帽12圆心处，直径不大于1cm。
44.顶推段3与插入段2同轴设置，且分置在测量段1的两侧。因此，将试验管推入沉积物地层的过程中，顶推段3的尾部可作为受力部位，有效防止试验管的横管和竖管交接处发生变形。不仅避免了管体密封失效，而且能够延长装置使用寿命，可以多次重复使用。
45.进一步地，为了方便地将试验管推入沉积物地层之中，顶推段3的封闭端采用管体与带有手柄31的密封塞32相配合的结构。上述手柄31的密封塞32为一体化的实心结构，密封塞32位于两者的几何中心，头部以丝扣形式与管体相连，尾部向两侧延伸，形成一字型的手柄31。上述手柄31的宽度以10cm～15cm为宜，向沉积层中推进时，在手柄31处施加外力。
46.为了使试验管能够顺利向沉积层中推进，插入段2的管体开口端为便于插入沉积物的倒角型结构（见图7），且倒角型结构的裁切角θ为25-30
°
。
47.优选地，顶推段2的管体顶部还设置有用于安装智能水位计4的内螺纹固定槽21。
48.测量组件的主要功能为：
①
通过位于插入段2的滤水封盖5对进入管体内的河湖沉积物形成支撑，使其在饱水临空的情况下，避免发生变形，从而能够准确获得河湖沉积物进入插入段2的长度值；
②
滤水封盖5不影响外界水体进入1.3试验管内，同时能够对水体中的漂浮杂质等异物进行过滤；
③
通过转向轮6、收卷轮7和传动链8的配合，实现力传递的方向改变，能够将河湖沉积物对滤水封盖5的水平推移量直观地反应到测量尺9的刻度变化上，从而方便、快速、准确地进行读数；
④
通过智能水位计4，能够精准连续地对管内水位进行监测。
49.上述滤水封盖5为与插入段2管体内径相适配的圆形结构，其厚度为2-4mm，表面不规则分布有大小一致的过滤孔，有效孔隙率不小于30%，过滤孔可为桥式、圆形等，其中圆形过滤孔的直径为1-1.5mm。为了使进入插入段2的河湖沉积物饱水临空面保持竖直状态，滤水封盖5应垂直于插入段2的中心轴设置，随着进入管内沉积物的增多，滤水封盖5在插入段2内逐渐向测量段1方向移动。
50.转向轮6和收卷轮7用于带动传动链8移动和转向，上述转向轮6为具有第一链条位和第二链条位的双链条轮（见图5），收卷轮7为只有一个链条位的单链条轮（见图6），传动链8则分为独立设置的第一段81和第二段82。具体地，转向轮6通过支架安装在顶推段3靠近测量段1处，其第一链条位与传动链8的第一段81固定相连，第一段81的另一端通过缓冲弹簧10与滤水封盖5相连。当滤水封盖5向测量段1方向的移动过程中，第一段81逐渐缠绕在转向轮6的第一链条位上（即呈现收卷状态）。收卷轮7通过支架安装在测量段1靠近顶部处，其与传动链8的第二段82固定相连，第二段81的端部与转向轮6的第二链条位固定相连且部分进行缠绕（即呈现收卷状态）。当滤水封盖5向测量段1方向的移动时，随着转向轮6的转动，第二段81逐渐放卷，另一端逐渐缠绕在收卷轮7上进行收纳（即呈现收卷状态）。为了防止在此过程中，传动链8发生意外滑脱，在收卷轮7的一侧配套安装有用于使其单向转动的棘齿。在上述结构中，第一段81和第二段82的移动长度相同，因此，在第二段82上安装测量尺9，即会准确地反应沉积物进入插入段2的长度。
51.上述转向轮6和收卷轮7交错分布，两者相对的一面均与第二段82切向设置，从而使第二段82与测量段1同向竖直设置；同时，第一段81沿插入段2的中心轴水平向设置。因
此，传动链8整体呈l形结构。缓冲弹簧10采用外涂防腐涂层的高弹性钢制材料制成，其主要功能为：收缩、传动和缓冲。传动链8通常采用外涂防腐层的精钢链条，宽度为25mm，厚度为0.3-0.4mm，且第一段81和第二段82的长度至少为2.0m。上述第二段82上安装有用于连接测量尺9的插装槽11。如图8所示，插装槽11设置在插装块111的顶部，且为与测量尺9相适配的内螺纹槽，插装块111的侧面则为与第二段82相接的连接块112。
52.测量尺9的底部与插装槽10螺接相连，其为截面直径不超过1.0cm的柱状体。一般地，测量尺9的长度不超过第二段81的长度，其最小刻度为1mm，零刻度设置在顶部。优选地，当第二段81处于张紧状态，且在转向轮6上完全卷绕、同时在收卷轮7上不发生卷绕仅连接时，测量尺9的上部零刻度与测量段1的上沿齐平。
53.智能水位计4安装在顶推段2管体顶部的内螺纹固定槽21内，其用于对竖管试验过程中测量段1（即竖管段）内水头值的连续变化情况进行数据采集与存储。智能水位计4应选择能够对各种水体的压力与温度进行自动监测的型号。优选地，智能水位计4应选择压敏陶瓷电容传感器测量水下压力。陶瓷电容传感器具有稳定性好的特点，长期使用无漂移，同时经过高密度的压力校正，即使是微小的水位变化也可以测量并记录。优选地，智能水位计4选用成熟定型产品mini-diver经济型智能水压计。其主要技术参数为：长度90mm，直径22mm，重量约55g，集传感器、数采仪、无线通讯模块于一体，采用316l不锈钢外壳，其水压测量范围：0
–
10/20/50/100 mh2o，分辨率0.2/0.4/1.0/2.0 cmh2o，温度测量范围：-20℃
‑ꢀ
80℃，分辨率0.01℃。
54.特别地，通过大量调研和对以往实际使用经验的总结，本实用新型的试验管优选强度和耐磨性好、透明度高、密度小、抗拉伸和抗冲击能力强的透明pmma材质或pma材质的亚克力管。其加工成型工艺推荐采用浇铸成型（即热成型）工艺。当然，也可采用其他材质如金属、高分子材料等。
55.本实用新型在使用时，主要包括如下步骤：
56.第一步，抬起收卷轮7一侧的棘齿，调整转向轮6和收卷轮7的状态，使滤水封盖5与插入段2的进口端齐平，然后放下棘齿；
57.第二步，设置智能水位计4的工作频率，使其记录几个大气压力值，然后进行检查，确保读数正常后，将其安装在顶推段2管体顶部的内螺纹固定槽21内；
58.第三步，在试验管的顶推段3安装带有手柄31的密封塞32，检查其密封性，确保其不漏水；
59.第四步，对试验点进行前处理，使试验目标层位的河床沉积物产生一个规整的台阶，方便试验管插入段2的插装作业；
60.第五步，将测量尺9安装在传动链8第二段82的插装槽10内，确保其固定良好，无倾斜；
61.第六步，对手柄31施加外力，将插入段2缓慢推入试验地层，待测量尺9稳定后，读数，并进行记录，记为lh；
62.第七步，从插装槽10内取下测量尺9，并将试验管内灌满河水，然后将管帽12安装在测量段1的顶部；
63.第八步，等待至预定试验时间，缓慢将插入段2从试验地层中拔出，取下密封塞32和手柄31，排出管体内的水，取出智能水位计4，并读取试验数据，完成试验。
64.需要说明的是，在本实用新型的描述中，诸如“前”、“后”、“左”、“右”、“垂直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系的术语是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

技术特征：
1.一种用于河湖沉积物渗透性测试的
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型竖管装置，其特征在于：包括试验管，为由插入段、顶推段和测量段构成的
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型管结构，所述插入段和顶推段同轴设置，所述顶推段为闭口结构，所述测量段垂直设置在插入段和顶推段的交接处；测量组件，包括设置在插入段的滤水封盖、设置在所述顶推段的转向轮和智能水位计、设置在测量段的收卷轮，所述滤水封盖、转向轮和收卷轮通过传动链相连，所述传动链的竖直段上设置有测量尺。2.根据权利要求1所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述测量段的顶部开口端设置有管帽，所述管帽上设置通气孔。3.根据权利要求2所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述顶推段的管体端部通过旋接设置的“一”字型手柄形成所述闭口结构，顶推段的管体内顶部设置有用于安装所述智能水位计的固定槽。4.根据权利要求3所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述插入段的管体开口端为便于插入沉积物的倒角型结构，所述倒角型结构的裁切角度为25-30
°
。5.根据权利要求4所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述插入段、顶推段和测量段的管内径相同，且插入段的壁厚小于顶推段和测量段的壁厚；测量段的最小高度为80cm，插入段的长度大于管径的5倍且小于测量段的高度，顶推段的长度大于15cm且小于插入段的长度。6.根据权利要求5所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述滤水封盖垂直于插入段的中心轴，且与插入段的管体内径相适配，滤水封盖上的过滤孔直径宜为1-1.5mm，且滤水封盖的有效孔隙率≥30%。7.根据权利要求6所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述转向轮为双链条轮，所述收卷轮为单链条轮，所述传动链分为水平设置的第一段和竖直设置的第二段，所述第一段一端与转向轮的第一链条位相连，另一端通过缓冲弹簧与滤水封盖相连；所述第二段的一端与转向轮的第二链条位相连，另一端与所述收卷轮相连。8.根据权利要求7所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述收卷轮的一侧配套设置有用于使其单向转动的棘齿。9.根据权利要求8所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述传动链的第一段沿插入段的中心轴设置。10.根据权利要求9所述的用于河湖沉积物渗透性测试的
“⊥”
型竖管装置，其特征在于：所述传动链的第二段上设置有用于连接所述测量尺的插装槽。

技术总结
本实用新型公开了一种用于河湖沉积物渗透性测试的


技术研发人员：卜新峰 万伟锋 王俊智 杨金林 顾龙龙 陈晓光
受保护的技术使用者：黄河勘测规划设计研究院有限公司
技术研发日：2023.01.17
技术公布日：2023/7/14