一种环刀入渗试验装置
技术领域
本发明涉及渗透试验装置，具体为一种环刀入渗试验装置。
背景技术
入渗是水分进入土壤的物理现象，以单位时间内入渗水量或以历时入渗曲线来表示。与土壤侵蚀，水土流失作物灌溉管理等方面密切相关。很多学者认为入渗性能的测量是土壤性质的指示器，因此有众多的土壤入渗率测量方法，如环刀法，双环法、圆盘入渗仪器、人工降雨法等。其中环刀法由于操作简单，计算方法直观，经济等特点，应用广范。环刀法，采用圆环，将圆环压入土内，再将圆环与土柱一同取出；在圆环的一端连接一相同的空圆环，将其垂直放在一集液漏斗上，在空圆环中加水，并保证其水位不变，记录一定时间内入渗水量，除以圆环面积，计算入渗速率。由于环刀入渗试验需要每分钟记录一次入渗水量，同时的要控制水位的恒定，操作要求高，在操作过程中容易出错导致试验误差。同时，现有的土壤入渗和侵蚀试验方法是通过建立缩尺的边坡坡面，进行人工降雨冲刷坡面，收集径流烘干后记录侵蚀产沙量，在模型箱底部设有孔洞收集入渗液，记录入渗量，这往往忽略了，由水力作用的所导致的细小的土颗粒在土体孔隙间的迁移量，随着土颗粒的迁移会形成新的水流通道，并带着附近的土颗粒，这种迁移作用在一定程度上会改变土体的结构特性，从而导致工程事故的发生，如道路塌陷，边坡滑坡等。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种简单便携、精确控制水位、提高测量准确性、可测定入渗产沙量的环刀入渗试验装置。
技术方案：本发明所述的一种环刀入渗试验装置，包括水箱、水头控制室、环刀和集液漏斗，水头控制室通过管道与水箱相连，管道上设置电控水阀，环刀分别与水头控制室、集液漏斗相连，水头控制室包括浮球开关、压缩螺栓和筒体，浮球开关通过压缩螺栓与筒体相连，浮球开关与电控水阀相连，通过浮球开关的升降控制进水启停。
管道上设置流量计，流量计与计算机相连，通过计算机采集水流量。集液漏斗下方设置盛水装置。盛水装置在电子秤上方，电子秤与计算机相连。电子秤可由相同功能的压力传感器代替。通过计算机采集电子秤和流量计的数据，计算渗透速率和入渗产沙量。
浮球开关的杆件上设置刻度，便于调整水头控制室内水位高度。压缩螺栓的螺纹为上大下小的锥形螺纹，且与筒体顶部的三瓣接口相匹配，可调节压缩螺栓的松紧，使浮球开关沿其杆件上下移动，从而调整水位高度。
筒体、集液漏斗与支撑装置相连。支撑装置包括支腿、立柱、斜杆一、连接杆一、斜杆二、连接杆二、托环和夹持部，立柱与支腿、斜杆一、连接杆一、斜杆二和连接杆二相连，托环与连接杆一、集液漏斗相连，夹持部与连接杆二、筒体相连。立柱与斜杆一、连接杆一、斜杆二、连接杆二之间可以180°转动，便于组装拆卸。
环刀内放置待测土体。水头控制室的筒体与环刀通过防水胶带密封，便于安装试样，防止水从接缝处流出。
工作原理：通过伸入水头控制室的浮球开关时实控制水位的升降。当水位下降时，浮球下降，打开电控水阀，进水；当达到设定水位时，浮球开关上升到预定高度，关闭电控水阀，停止进水。调节压缩螺栓的松紧可调整或固定浮球开关，开关可以上下升降，设定水位的高底。通过数采型电子称和流量计，利用计算机采集每分钟的流出量和流入量，从而计算待测试样的入渗速率和渗失量。
渗透速率计算公式为V＝(Qn×10)/(Tn×S)，入渗产沙量计算公式为M＝Qs-Qn。式中，V为待测土体的渗透速率；Qn为试验过程中灌入水量(毫升)；Tn为试验时间；S为环刀的面积，Qs为试验过程中的流出量。
有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：
1、拆卸和安装简便，不需要借助任何工具即可完成实验装置的安装，进行试验；
2、通过浮球开关实时控制水位，利用流量计、电子秤全自动采集渗入和渗出量，大大减少了科研人员的工作量；
3、可以在不同更换土体的情况下，进行不同水头压力下的试验，通过浮球开关实现对水位的控制，在试验的过程中实时添加水，保持水位的高度，从而提高试验的准确性；
4、能够进行入渗产沙量的测定。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明水头控制室2的半剖图；
图3是本发明水头控制室2的立体图；
图4是本发明支撑装置11的结构示意图；
图5是本发明的控制原理图。
具体实施方式
以说明书附图所示的方向为上、下、左、右。
如图1，入渗试验装置主要包括三大部分，水头控制系统、入渗液体收集装置以及数据采集系统。水头控制系统包括电控水阀6、水头控制室2；入渗液体收集装置包括支撑装置11、集液漏斗4、盛水装置9；数据采集系统包括流量计7和电子秤10。电控水阀6通过管道5、流量计7和水箱1上的出水口连接。流量计7通过管道5与水头控制室2上的进水接口连接。环刀3内放置待测土体，环刀3顶部与水头控制室2相连，底部与集液漏斗4相连，集液漏斗4的集液口外壁为阶梯型结构，内径与环刀3刃口相互配合。集液漏斗4置于支撑装置11上。入渗液通过集液漏斗4收集，流动到入渗液盛水装置9。试验开始时，水流通过电控水阀6，通过流量计7计算流量，利用计算机8采集流量计7上的流量数据。盛水装置9收集到渗流液时，电子秤10即刻通过数据传输接口采集入渗量数据，传输给计算机8。
如图2～3，通过浮球开关201控制电控水阀6的开合。浮球开关201从水头控制室3的筒体203顶部中间嵌入筒体203，浮球开关201的杆件上标有刻度，通过压缩螺栓202固定，通过调节压缩螺栓202的松紧使浮球开关201的杆件上下移动，从而调节水位高度。压缩螺栓202螺母为内螺纹为上大下小的锥形螺纹，与水头控制室2顶部的三瓣接口配合，随着压缩螺栓202的螺母的旋入三瓣接口产生变形向内加紧从而固定浮球开关201。当达到设定水位时，浮球上浮，浮球开关201断开，关闭电控水阀6停止供水，水位下降同时浮球下降，浮球开关201接通，打开电控水阀6开始供水，如此反复可以精确控制水位。水头控制室2的内外径与环刀3保持一致，将其与浮球开关201和进水管道5连接完成后，通过防水胶带与环刀3无刃口的一端连接，放置于集液漏斗4上。
如图4，支撑装置11的立柱112与斜杆一113、连接杆一114、斜杆二115、连接杆二116铰接，底端与两个支腿111固连。通过斜杆一113、斜杆二115使得连接杆一114、连接杆二116与立柱112成90°固定。连接杆一114与用于放置集液漏斗4的托环117搭接，连接杆二116与用于夹紧水头控制室2的夹持部118搭接，试验完成后可将支撑装置11折叠收纳。
如图5，电源12为交流电源，为水头控制室2、电控水阀6、流量计7和电子秤10供电。浮球开关201通过导线与电源12和电控水阀6连接，通过浮球开关201内的磁铁204控制浮球开关201-电源12-电控水阀6这一回路的闭合。流量计7一端通过管道5与电控水阀6管道接口连接，另一端与通过管道5与水头控制室2的进水口连接，通过导线与电源12相连接，并通过数据传送线与计算机8相连接。电子秤10通过导线与电源12相连接，通过数据传送线与计算机8相连接。
上述环刀入渗装置的安装方法，包括如下步骤：
(1)支撑装置11打开固定；
(2)将集液漏斗4放置于支撑装置11的托环117中，盛水装置9放置于电子秤10上；
(3)将浮球开关201通过压缩螺栓202固定在水头控制室2的筒体203上，设定水位高度；
(4)将供水管道5连接在水头控制室2入水口；
(5)将流量计7、电子称10与计算机8连接；
(6)将水头控制室2和环刀3及待测土柱通过防水胶带连接，放置在集液漏斗4上，并通过支撑装置11的夹持部118固定；
(7)开始试验。
试验从漏斗中滴出第一滴水开始，连续采得4组数据相同试验判定试样达到稳渗，渗透速率计算公式为V＝(Qn×10)/(Tn×S)，入渗产沙量计算公式为M＝Qs-Qn。
式中，V为待测土体的渗透速率；Qn为试验过程中灌入水量(毫升)；Tn为试验时间；S为环刀的面积，Qs为试验过程中的流出量。
