一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法，包括：反应釜、常水头渗透系统、气体通压稳压系统、数据采集系统，反应釜包括：盖板、若干螺杆、穿孔透水板、筒体、陶土板、底座、若干张力计、若干含水率传感器，常水头渗透系统包括：水桶支架、定滑轮、刻度水桶、渗透收集杯、储水箱、抽水泵，气体通压稳压系统包括：空压机和流量计，数据采集系统包括：电子天平、数据采集仪及数据终端。该装置及方法仅通过室内实验和数值模拟即可获取垃圾土水分渗透过程的非饱和水力特性参数，且计算结果准确偏差小，选用的裂隙域、基质域分区的双渗透率预测模型更加符合填埋堆体内部水分的真实流动状态，为垃圾填埋场内部水分迁移状态的评估和调控方案的制定提供了关键技术参数。

A device and method for inverting hydraulic parameters of unsaturated refuse soil

【技术实现步骤摘要】
一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法
本专利技术涉及岩土
，特别涉及反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法。
技术介绍
国内处理城市生活垃圾行之有效的办法是卫生填埋法，具有处理量大、应用型广、工艺简单、费用成本低等优势，卫生填埋的垃圾堆体中水分迁移是影响填埋场无害化、稳定化的重要因素。随着自然降雨的雨水入渗和地下水的补给，填埋堆体内的渗滤液受重力作用，水分经过填埋体上部的非饱和土体达到地下水面，经过了一个由非饱和至饱和的渗透过程，由于堆填垃圾组成成分多样、排列结构复杂和孔隙比较大，往往表现出强烈的异质性和各向异性，会涉及到流体如水-气或水-污染物等两相或多相流体在非饱和垃圾土孔隙中优势流动问题，对于控制环境岩土灾害的发生以及指导优化渗滤液回灌和好氧通风工艺极为不利，掌握垃圾土非饱和带水分的迁移规律即垃圾土的非饱和水力特性具有重要意义。由于垃圾土非饱和水力特性参数的直接测量方法有稳态实验、瞬态剖面法，但耗时时间长、仪器精度差等问题使直接法测定变得极为困难。因此，国内外学者一般通过间接的溢出流量法测定，监测试验过程的相关数据，运用各向同性、均匀性的相关数学模型预测土壤的非饱和水力特性，取得了良好效果。但垃圾较常规土壤具有孔隙比大、异质性强等特征，显然均质性预测模型适用性差，因此将垃圾土大孔隙(裂隙域)和小孔隙(基质域)的水流运动参数分开描述，更具有准确性和普适性。国外少数学者已有基于溢出流量法数值反演非饱和垃圾土水力特性参数，但对累计流出量、基质吸力、含水率数据的实时监测存在一定的误差与缺陷，数据的不完整会引起反演参数的不唯一，误差大、准确性低，且设计的整套装置的系统化程度需要进一步改进与完善。
技术实现思路
本专利技术提供了反演非饱和垃圾土水力参数的装置及方法，解决了现有试验手段实时监测累计流出量、基质吸力、含水率数据存在的误差与缺陷，控制了数据不完整引起反演参数不唯一的技术问题，实现了仅通过室内实验即可获取垃圾土水分优势渗透过程的非饱和水力特性，而且实验过程多级压力步可解决反演参数不唯一的问题，计算结果准确、偏差小，选用的裂隙域、基质域分区的双渗透率预测模型更加符合填埋堆体内部水分的真实流动状态，对控制环境岩土灾害事故、指导优化渗滤液回灌和好氧通风工艺具有重大工程价值。本专利技术所提供的一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置，包括：反应釜、常水头渗透系统、气体通压稳压系统、数据采集系统，其中，所述反应釜包括：盖板、若干螺杆、穿孔透水板、筒体、陶土板、底座、若干张力计、若干含水率传感器，所述盖板固定在所述筒体的顶部；所述底座固定在所述筒体的底部；所述陶土板设置在所述底座上；所述螺杆穿设在所述盖板中；所述穿孔透水板固定在所述螺杆的底部；若干所述张力计设置在所述筒体的不同高度；所述含水率传感器相对所述张力计对称设置在所述筒体上；所述筒体用于装填垃圾土；所述常水头渗透系统包括：水桶支架、定滑轮、刻度水桶、渗透收集杯、储水箱、抽水泵，所述水桶支架固定在试验场地上；所述定滑轮固定在所述水桶支架上；所述刻度水桶通过绳子吊挂在所述定滑轮上；所述刻度水桶与所述储水箱通过输水管连通，所述抽水泵设置在所述输水管上；所述刻度水桶的底部通过三通管连接所述反应釜的筒体及所述渗透收集杯，所述刻度水桶的上部设置溢流口；所述气体通压稳压系统包括：空压机和流量计，所述空压机通过输气管连通所述反应釜的盖板的进气口；所述流量计设置在所述输气管上；所述数据采集系统包括：电子天平、数据采集仪及数据终端，所述渗透收集杯放置在所述电子天平上；所述数据采集仪与所述张力计及所述含水率传感器电性连接；所述数据终端与所述数据采集仪及所述电子天平电性连接。作为优选，所述盖板与所述筒体之间设置密封圈；所述筒体与所述底座之间设置密封圈。作为优选，所述盖板上周向均布4根所述螺杆。作为优选，包括2个所述张力计及2个所述含水率传感器，其中1个所述张力计及对应的所述含水率传感器设置在所述筒体上距离所述盖板7cm的位置，另一个所述张力计及对应的所述含水率传感器设置在所述筒体上距离所述盖板14cm的位置。作为优选，所述筒体采用钛合金材质；所述底座的顶部设置圆锥形凹槽，所述凹槽的中心开设排水口，所述排水口连通所述三通管；作为优选，所述刻度水桶的溢流口通过溢流管连通所述储水箱；所述溢流管上设置有阀门；所述三通管靠近所述刻度水桶的位置设置有阀门；所述三通管靠近所述反应釜的位置也设置有阀门。作为优选，所述空压机的最大出气压力为0.7MPa；所述流量计的量程为0-100KPa。基于同样的专利技术构思，本申请还提供了一种反演非饱和垃圾土水力参数的方法，通过所述反演非饱和垃圾土水力参数的装置完成，包括以下步骤：制备和装填垃圾土样；将所述垃圾土样在所述筒体内密实后，装配好所述穿孔透水板及所述盖板，通过所述螺杆调整所述穿孔透水板至设定位置；采用无气水对所述垃圾土样进行饱和，以计算孔隙度n；通过提升所述刻度水桶的高度，根据达西定律计算所述垃圾土样的饱和渗透系数Ks；模拟垃圾土由饱和态至非饱和态裂隙域排水；模拟垃圾土非饱和状态下的基质域排水；将排水数据代入数值软件中反演计算双渗透率模型所代表的垃圾土水力学特性参数；将模型计算值与试验观测值进行比较，对反演数值进行合理调整，以获取最优、最准确的垃圾土非饱和水力特性参数。作为优选，所述垃圾土样的制备和装填过程为：将从填埋场取回来的垃圾试样放入烘箱，以65-70℃的恒温烘至恒量；将所述垃圾试样的尺寸剪小至最大直径不超过所述筒体内径的1/3，获得所述垃圾土样。作为优选，将所述垃圾土样在所述筒体内密实，具体为：选择设定干密度的所述垃圾土样，称取质量后均分5等份分层击实到所述反应釜的筒体中。作为优选，所述采用无气水对所述垃圾土样进行饱和，具体为：将所述刻度水桶连接到所述反应釜；调整所述刻度水桶的高度，使液面高于所述垃圾土样的底面位置，再缓慢提升所述刻度水桶，每次1cm，保持10分钟再依次提升所述刻度水桶的高度至所述穿孔透水板所在高度；随着所述刻度水桶的上升，水从所述底座的底部向上渗入，使所述垃圾土样缓慢饱和，并记录饱和过程的入水体积，由此计算所述孔隙度n。作为优选，所述模拟垃圾土由饱和态至非饱和态裂隙域排水，具体为：将所述反应釜的底座出口作为出流口，调整至所述穿孔透水板的高度，排出所述反应釜内多余的水分，进而按所述垃圾土样的h/4、2h/4、3h/4、h的高度分梯度调节所述刻度水桶的出水口的高度，h为厚度；监测每个重力步下的所述垃圾土样水分的流出量，进而模拟垃圾土由饱和态至非饱和态裂隙域排水。作为优选，所述模拟垃圾土非饱和状态下的基质域排水，具体为：待重力排水完成后，将底座上的穿孔透水板替换为陶土板，关闭所述反应釜的底部出水口，向所述筒体输入由所述空压机和所述流量计稳压后的5KPa气压，使所述筒体达到平衡；当所述张力计显示的基质吸力值与5KPa误本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置，其特征在于，包括：反应釜、常水头渗透系统、气体通压稳压系统、数据采集系统，其中，/n所述反应釜包括：盖板、若干螺杆、穿孔透水板、筒体、陶土板、底座、若干张力计、若干含水率传感器，所述盖板固定在所述筒体的顶部；所述底座固定在所述筒体的底部；所述陶土板设置在所述底座上；所述螺杆穿设在所述盖板中；所述穿孔透水板固定在所述螺杆的底部；若干所述张力计设置在所述筒体的不同高度；所述含水率传感器相对所述张力计对称设置在所述筒体上；所述筒体用于装填垃圾土；/n所述常水头渗透系统包括：水桶支架、定滑轮、刻度水桶、渗透收集杯、储水箱、抽水泵，所述水桶支架固定在试验场地上；所述定滑轮固定在所述水桶支架上；所述刻度水桶通过绳子吊挂在所述定滑轮上；所述刻度水桶与所述储水箱通过输水管连通，所述抽水泵设置在所述输水管上；所述刻度水桶的底部通过三通管连接所述反应釜的筒体及所述渗透收集杯，所述刻度水桶的上部设置溢流口；/n所述气体通压稳压系统包括：空压机和流量计，所述空压机通过输气管连通所述反应釜的盖板的进气口；所述流量计设置在所述输气管上；/n所述数据采集系统包括：电子天平、数据采集仪及数据终端，所述渗透收集杯放置在所述电子天平上；所述数据采集仪与所述张力计及所述含水率传感器电性连接；所述数据终端与所述数据采集仪及所述电子天平电性连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种反演非饱和垃圾土水力参数的装置，其特征在于，包括：反应釜、常水头渗透系统、气体通压稳压系统、数据采集系统，其中，
所述反应釜包括：盖板、若干螺杆、穿孔透水板、筒体、陶土板、底座、若干张力计、若干含水率传感器，所述盖板固定在所述筒体的顶部；所述底座固定在所述筒体的底部；所述陶土板设置在所述底座上；所述螺杆穿设在所述盖板中；所述穿孔透水板固定在所述螺杆的底部；若干所述张力计设置在所述筒体的不同高度；所述含水率传感器相对所述张力计对称设置在所述筒体上；所述筒体用于装填垃圾土；
所述常水头渗透系统包括：水桶支架、定滑轮、刻度水桶、渗透收集杯、储水箱、抽水泵，所述水桶支架固定在试验场地上；所述定滑轮固定在所述水桶支架上；所述刻度水桶通过绳子吊挂在所述定滑轮上；所述刻度水桶与所述储水箱通过输水管连通，所述抽水泵设置在所述输水管上；所述刻度水桶的底部通过三通管连接所述反应釜的筒体及所述渗透收集杯，所述刻度水桶的上部设置溢流口；
所述气体通压稳压系统包括：空压机和流量计，所述空压机通过输气管连通所述反应釜的盖板的进气口；所述流量计设置在所述输气管上；
所述数据采集系统包括：电子天平、数据采集仪及数据终端，所述渗透收集杯放置在所述电子天平上；所述数据采集仪与所述张力计及所述含水率传感器电性连接；所述数据终端与所述数据采集仪及所述电子天平电性连接。


2.如权利要求1所述的反演非饱和垃圾土水力参数的装置，其特征在于，包括2个所述张力计及2个所述含水率传感器，其中1个所述张力计及对应的所述含水率传感器设置在所述筒体上距离所述盖板7cm的位置，另一个所述张力计及对应的所述含水率传感器设置在所述筒体上距离所述盖板14cm的位置。


3.如权利要求1所述的反演非饱和垃圾土水力参数的装置，其特征在于，所述筒体采用钛合金材质；所述底座的顶部设置圆锥形凹槽，所述凹槽的中心开设排水口，所述排水口连通所述三通管；所述刻度水桶的溢流口通过溢流管连通所述储水箱；所述溢流管上设置有阀门；所述三通管靠近所述刻度水桶的位置设置有阀门；所述三通管靠近所述反应釜的位置也设置有阀门。


4.一种反演非饱和垃圾土水力参数的方法，其特征在于，通过权利要求1～3任一项所述反演非饱和垃圾土水力参数的装置完成，包括以下步骤：
制备和装填垃圾土样；
将所述垃圾土样在所述筒体内密实后，装配好所述穿孔透水板及所述盖板，通过所述螺杆调整所述穿孔透水板至设定位置；
采用无气水对所述垃圾土样进行饱和，以计算孔隙度n；
通过提升所述刻度水桶的高度，根据达西定律计算所述垃圾土样的饱和渗透系数Ks；
模拟垃圾土由饱和态至非饱和态裂隙域排水；
模拟垃圾土非饱和状态下的基质域排水；
将排水过程监测的流出量、水分、水势等数据代入数值软件中反演计算双渗透率模型所描述的垃圾土非饱和水力学特性参数；
将模型计算值与试验观测值...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘磊，张柴，梁冰，万勇，陈亿军，陈峰，马梓涵，孙跃辉，
申请(专利权)人：中国科学院武汉岩土力学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42