原位测量非饱和土气体扩散系数及渗透系数的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种原位测量非饱和土壤中气体扩散系数及气体渗透系数的装置和方法，该装置主要包括供气装置、测量装置、采气装置。所述的供气装置由含体积浓度为5％

【技术实现步骤摘要】
原位测量非饱和土气体扩散系数及渗透系数的装置和方法


[0001]本专利技术属于环境岩土工程领域，具体涉及一种原位测量非饱和土壤中气体扩散系数及渗透系数的装置和方法。
技术背景
[0002]在非饱和土中，气体是其重要组成部分，评价气体在非饱和土壤中的运移具有重要的工程意义。例如在环境污染治理工程中，污染性气体在非饱和土壤中的运移受到广泛关注。在城市生活垃圾填埋场，垃圾中的有机物降解产生含甲烷与臭气(如硫化氢)等污染性气体，这些气体在土质覆盖层中的运移与分布直接影响填埋场污染性气体减排效果；在化工污染场地，工程上常采用蒸汽抽取的方法收集并降低非饱和土壤中挥发性有机污染物气体(VOC)浓度，VOC在土壤中的运移直接影响污染性场地治理效果。气体在土壤中的运移主要受到气体扩散系数与渗透系数的管控，为了揭示污染性气体在现场非饱和土壤中的运移机理，从而指导场地污染性气体减排工程设计，有必要研发原位测量土壤气体渗透系数与扩散系数的装置及方法。
[0003]当前冯世进等(专利技术专利公开号：CN106053317A)、毕钰璋等(专利技术专利公开号：CN110308070A)、杜延军等(专利技术专利公开号： CN110220823A)通过实验室内小尺度的单元试验装置测量非饱和土壤的气体扩散系数和气体渗透系数，即通过现场取回原状土样再进行气体扩散系数和渗透系数的测量。通常现场取得的原状土样尺寸较小，测试过程中没有考虑气体运移的可变性，这是因为这些现场采集的小尺寸的样本中难以反映现场的孔隙特征，如裂缝、蚯蚓洞、根的存在和有机物大颗粒的存在。其次，从带有裂缝或石块的土壤中取样是相当困难的，即使取到样品，有可能造成样本偏差，甚至在有大石块的土壤场地根本无法取样。此外，由于现场土体的差异性较大，导致现场土体的气体渗透系数与扩散系数存在巨大的空间差异性，通过采集大量的原状土样进行室内单元试验测量相关参数需要耗费巨大的经济与人力成本，不具备可行性。而且原位取样是破坏性活动，在同一测量点的长时间的重复测量也是不可能的。因此，在实验室中使用原状土样测得的气体扩散系数及渗透系数与现场实际情况存在较大差异，而且也难以通过取原状土样进行单元试验刻画现场土体相关参数的空间差异性。
[0004]当前国内已有测量现场土壤气体扩散系数及渗透系数的装置。王洪涛等(专利技术专利公开号：CN102053054A)研发了一种现场测量填埋堆体气体渗透系数的方法，该方法需要在现场搭建大型仪器且计算方法较为复杂，在工程上难以应用；叶勇军等(专利技术专利公开号： CN108680467A)专利技术了一种地下工程原位测定氡扩散系数和可运移氡产生率的方法,该测试方法需要在待测岩壁表面打两个半径不同的孔，在两个孔的孔内均填充两段密封材料，使孔壁与两段密封材料围成
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个圆柱形的空腔作为集氡室，然而该方法需要在测量深度通过钻孔形成一定尺寸的孔洞方能测量，由于钻孔经济成本大，同时需等待密封材料彻底硬化，测量时间较长，不利于工程应用。詹良通等(专利技术专利公开号：CN110455673A)研发了贯入式原位测量非饱和土壤气体渗透系数与扩散系数，但该装置需要通入两次气体，分
别测量土体的气体扩散系数及渗透系数，无法实现通入一次气体同时测量气体扩散系数与渗透系数；此外，该装置在测量土壤扩散系数的时候，需要控制土壤中注气点的压力忽略不计，才能满足土体的气体扩散系数测量的前提条件——土壤中气体依靠扩散运移，在气体通量较大的条件下，注气点的压力难以忽略不计，在操作上存在一定的不便，且延长了测量时间。
[0005]总体而言，当前已有的原位测量非饱和土壤中气体渗透系数及扩散系数的测量装置与方法具有以下缺点：
[0006](1)测量气体扩散系数时间较长。
[0007](2)无法基于一次测量同时获得土体气体扩散系数及渗透系数。
[0008](3)计算方法受经验系数的影响，过于复杂(如需要数值标定、非线性曲线拟合)，难以通过手工准确、快速地计算确定气体渗透系数和扩散系数。
[0009](4)在测量气体扩散系数时候，需要控制或者假设土壤中注气点处气体压力足够小，从而可以忽略气体渗透的影响，即土壤中气体主要通过扩散进行运移。这给实际测量带来一定的不便。
[0010](5)需要耗费巨资在现场搭建测试设施。

技术实现思路

[0011]为了克服上述原位测量非饱和土壤的气体扩散系数与渗透系数的装置与方法的不足，本专利技术的目的是通过向待测深度土壤中一次注入恒定体积流量的气体，便可同时测量非饱和土壤中气体扩散系数及渗透系数的原位测量装置和方法。
[0012]本专利技术采用以下技术方案实现：
[0013]一种原位测量非饱和土壤中气体扩散系数及渗透系数的装置包括含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气)的空气钢瓶、减压阀、稳压阀、稳流阀。含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气)的空气钢瓶的瓶口阀门通过注气管道将减压阀，稳压阀，稳流阀依次紧密地连接起来。所述的多节空心螺纹钢管内部安装注气管道、取气管道，且多节空心螺纹钢管通过杆端内螺纹配合密封橡胶垫旋紧密封连接；所述的多孔透气螺纹钢管内部填充碎石，并将取气管道的开口端固定于多孔透气螺纹钢管的中心，多孔透气螺纹钢管内部填充碎石并将注气管道的开口固定在多孔透气螺纹钢管中心、注气点与取气点位置相距r0，且彼此间的隔绝通过填充密封胶实现。
[0014]所述的测量方法具体包括如下步骤：
[0015]第一步,根据需要测量气体扩散系数及渗透系数的土壤的目标深度，计算出所需的空心螺纹钢管节数，将注气管道、取气管道贯穿在多节空心螺纹钢管内部；将取气管道安装并固定在上部多孔透气螺纹钢管的内部；将注气管道安装并固定在下部多孔透气螺纹钢管的内部；多孔透气螺纹钢管通过密封胶隔绝，并在管内填充碎石；最后将内部安有注气管道和取气管道的空心螺纹钢管、多孔透气螺纹钢管与贯入锥依次通过内螺纹配合密封橡胶垫旋紧连接；
[0016]第二步,通过电钻预钻略小于测量装置的孔，将测量装置贯入到土壤目标深度；
[0017]第三步,通过注气管道将含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气)的空气钢瓶、减压阀、稳压阀、稳流阀、U型压力计、皂膜流量计依次串联起来；
[0018]第四步,打开含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气) 的空气钢瓶的减压阀，通过稳压阀和稳流阀调节并控制稳定的进气体积流量，并配合皂膜流量计进行实时监测。通过注射器采集目标测量深度的土体内部的气体，利用气相色谱仪检测示踪气体浓度；通过U 型压力计监测土体内部压强变化，利用皂膜流量计测量气体体积流量值(q
v
)；待示踪气体浓度值(C0)和气体压力值(P0)趋于稳定时，记录此时示踪气体浓度值(C0)、气体压力值(P0)及气体体积流量值(q
v
)；
[0019]第五步，将测得的示踪气体浓度值(C0)、气体压力值(P0)和气体体积流本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种原位测量非饱和土壤中气体扩散系数及渗透系数的装置其特征在于：所述的供气装置包括：含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气)的空气钢瓶(1)、减压阀(2)、稳压阀(3)、稳流阀(4)。含体积浓度为5％
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10％示踪气体(如惰性气体氦气)的空气钢瓶(1)的瓶口阀门通过注气管道(7)将减压阀(2)，稳压阀(3)，稳流阀(4)依次紧密地连接起来。所述的测量装置包括：U型压力计(5)、皂膜流量计(6)、注气管道(7)、空心螺纹钢管(8)、密封橡胶垫(9)、多孔透气螺纹钢管(10)(11)、贯入锥(12)；所述的多节空心螺纹钢管(8)内部安装注气管道(7)、取气管道(13)，且多节空心螺纹钢管通过杆端内螺纹配合密封橡胶垫(9)旋紧密封连接；所述的多孔透气螺纹钢管(10)内部填充碎石，并将取气管道(13)的开口端固定于多孔透气螺纹钢管(10)的中心，多孔透气螺纹钢管(11)内部填充碎石并将注气管道(7)的开口固定在多孔透气螺纹钢管(11)中心、注气点与取气点位置相距r0，且彼此间的隔绝通过填充密封胶实现。所述的采气装置包括：密封卡套(15)和注射器(14)。2.应用于权利要求1所述的原位测量非饱和土层中气体扩散系数及渗透系数的测试方法，其特征在于：方法包括以下步骤：第一步,根据需要测量气体扩散系数及渗透系数的土壤的目标深度，计算出所需的空心螺纹钢管(8)节数，将注气管道(7)、取气管道(13)贯穿在多节空心螺纹钢管(8)内部；将取气管道(13)安装并固定在上部多孔透气螺纹钢管(10)的内部；将注气管道(7)安装并固定在下部多孔透气螺纹钢管(11)的内部；多孔透气螺纹钢管(10)(11)通过密封胶隔绝，并在管内填充碎石；最后将内部安有注气管道(7)和取气管道(13)的空心螺纹钢管(8)、多孔透气螺纹钢管(10...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯嵩，孙嘉兴，刘红位，詹良通，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：