1.本发明属于盲沟工程技术领域，具体涉及一种启始压力梯度模拟测试装置及其使用方法与应用。
背景技术：2.盲沟是场地地表以下设置的流体排泄通道，为充填碎、砾石及其它粗粒材料并铺以反滤层、透水管的排、截地下水气流体的暗沟。
3.当水库库址分布地层为厚度大、透水性较强的粉砂、砂性土或砾石土地层，而缺乏有效隔水层时，目前普遍通过采用库底土工膜防渗来解决场地地层的渗漏问题，但是出现了以下问题：例如山东省淄博市新城水库采用了0.3mm的厚聚乙烯pe土工膜防渗方案，运营过程中的库水位下降速度1.0～1.5cm/日，截渗沟内水位受库水位影响而变化，表明水库仍有渗漏。
4.当地下水位相对较深，库底土工膜下存在大量孔隙气体；如果地下水位上升，可引起土工膜下气体聚集；但平原水库平面尺寸大，水平向排气的渗流路径长度太大，导致排气困难。因此目前土工膜防渗方案的水库渗漏原因多为土工膜下气胀引发。而膜下气胀的影响因素主要是水库水位下降及地下水位上升。土工膜下设置盲沟时，应考虑盲沟结构排气性和排气效果。虽然盲沟材料属于粗粒料，渗透性高，但是巨大的渗流路径长度不仅大大减小渗压梯度而降低排气量，还会加大启始压力梯度对盲沟排气畅通性的影响。
5.因此，用于土工膜防渗的盲沟排气效果优化，进而规避盲沟设计中出现的排气畅通性与排气量问题，从而减小工程运营维护的风险，成为亟需解决的技术问题。
技术实现要素：6.解决的技术问题：针对上述技术问题，本发明提供一种启始压力梯度模拟测试装置及其使用方法与应用，能有效解决上述盲沟材料选择不当，导致排气效果差，进而引发渗漏的不足之处。
7.技术方案：第一方面，本发明提供一种启始压力梯度模拟测试装置，包括第一稳压腔、试样管、第二稳压腔、第一封盖、第一负压表、第一真空泵、进气管道、第一管道、第二封盖、第二负压表、第二真空泵、出气管道和第二管道；
8.所述第一封盖设于第一稳压腔的顶部，其上开设有4个通孔，4个通孔分别通过连接管与第一负压表、第一真空泵、第一管道和进气管道的一端连接，所述进气管道的另一端与试样管的进气端连接，所述第一管道上设有第一负压调节阀；
9.所述第二封盖设于第二稳压腔的顶部，其上开设有4个通孔，4个通孔分别通过连接管与第二负压表、第二真空泵、第二管道和出气管道的一端连接，所述出气管道的另一端与试样管的出气端连接，所述第二管道上设有第二负压调节阀；
10.所述出气管道上设有气体流量计。
11.优选的，所述进气管道和出气管道的下方均设有支撑架。
12.优选的，所述进气管道上设有第一阀门，所述出气管道上设有第二阀门。
13.优选的，所述试样管为四氟管，且两端设有连接盖，所述连接盖上设有连接孔，试样管两端通过连接孔分别与进气管道和出气管道连接。
14.第二方面，本发明提供一种第一方面所述的装置的使用方法，包括如下步骤：
15.s1、关闭第一阀门和第二阀门，打开第一真空泵，调节第一负压调节阀，当第一负压表的示数达到目标值时，关闭第一真空泵和第一负压调节阀；打开第二真空泵，调节第二负压调节阀，当第二负压表的示数达到目标值时，关闭第二真空泵和第二负压调节阀；
16.s2、打开第一阀门和第一真空泵，使得第一稳压腔内的气体进入试样管内，涂肥皂水于进气管道与试样管的连接处，无明显气泡、漏气现象，则表明进气管道与试样管的连接处密封性良好，关闭第一阀门和第一真空泵，同样操作检测出气管道与试样管的连接处的密封性，确保装置整体密封性符合试验要求；
17.s3、安装装有试样材料的试样管；
18.s4、打开第一阀门和第二阀门，调节第一负压调节阀和第二负压调节阀，使得第一负压表和第二负压表的示数为目标值，在装有试样材料的试样管内形成稳定渗流状态；
19.s5、记录气体流量计的示数v、第一负压表的示数p1和第二负压表的示数p2。
20.第三方面，本发明提供第一方面所述的装置在盲沟材料选择中的应用，包括以下步骤：
21.1)通过模拟测试装置确定气体流量速度v与气压梯度i；其中，
[0022][0023]
式中：v-流量，m3/s；a-试样管横截面积，m2；v-流量速度，kpa/s；g为重力换算系数，取9.832n/kg；ρ
p
为在压力p条件下气体的密度，kg/m3，由下式(2)确定：
[0024][0025]
式中，p为试样管内平均气压，kpa，t为试验时试样温度，℃；μ为气体分子的摩尔质量，对于空气取值为29；
[0026][0027]
式中：i-气压梯度，kpa/m；p1-第一稳压腔内气压，kpa；p2-第二稳压腔内气压，kpa；l-试样管长度，m；
[0028]
2)对步骤1)中的气体流量速度v与气压梯度i采用线性关系函数进行拟合，如下式(4)所示：
[0029]
v＝k(i-ξ)
ꢀꢀ
(4)
[0030]
式中：v-气体流量速度，kpa/s；i-气压梯度，kpa/m；k-气体渗透系数，m/s；ξ-启始压力梯度，kpa/m；
[0031]
3)建立启始压力梯度ξ与渗透系数k的函数关系式，如下式(5)所示：
[0032]
ξ(k)＝a1kbꢀꢀ
(5)
[0033]
式中：a1、b为拟合常数；
[0034]
4)测定盲沟材料的气体渗透系数k，代入式(5)中，得到盲沟的启始压力梯度ξ；
[0035]
5)将盲沟的渗流路径长度l与启始压力梯度ξ求积，得到渗流启动压力差δpm，即：
[0036]
δpm＝l
·
ξ
ꢀꢀ
(6)
[0037]
所述渗流路径长度l为水库库盘土工膜防渗面积area的等效圆半径，即：
[0038][0039]
式中，area-水库库盘土工膜防渗面积，m2；
[0040]
所述渗流启动压力差δpm为盲沟排气启动的最小压力；
[0041]
6)将盲沟排气启动压力差与土工膜膜上覆土重比较，若盲沟排气启动压力差小于土工膜膜上覆土重，则说明选择的盲沟材料可行。
[0042]
有益效果：一方面，本发明提供确定盲沟材料的启始压力梯度模拟测试装置与使用方法，为测定启始压力梯度提供了可靠的技术方案；
[0043]
另一方面，本发明提出盲沟材料选择方法，通过启始压力梯度模拟测试装置测试盲沟材料的气体渗透系数，将材料气体渗透系数代入启始压力梯度的函数式中，求出盲沟材料的启始压力梯度，然后根据盲沟排气的渗流路径长度与启始压力梯度之积，求出盲沟排气启动压力差，最后将盲沟排气启始压力差与膜上覆土重比较，确定盲沟材料类型是否可行，进而规避盲沟设计中出现的排气畅通性与排气量问题，从而减小工程运营维护的风险。
附图说明
[0044]
图1是本发明启始压力梯度模拟测试装置的结构示意图；
[0045]
图2是本发明的试样管装有不同盲沟材料后的示意图，其中(a)为装有中粗砂料的试样管，(b)为装有砾石的试样管，(c)为装有砾石和空管料的试验管；
[0046]
图3是实施例2中气体流量速度v与气压梯度i关系图；
[0047]
图4是实施例2中启始压力梯度ξ与渗透系数k的函数关系图；
[0048]
图5是实施例3中两种盲沟材料示意图；
[0049]
图中序号：1、第一稳压腔，2、试样管，3、第二稳压腔，4、第一封盖，5、第二封盖，6、第一负压表，7、第二负压表，8、第一真空泵，9、第二真空泵，10、进气管道，11、出气管道，12、支撑架，13、气体流量计，14、第一管道，15、第二管道，16、第一阀门，17、第二阀门。
具体实施方式
[0050]
下面结合附图和具体实施例对本发明作详细说明：
[0051]
实施例1
[0052]
如图1-图2所示，一种启始压力梯度模拟测试装置，包括第一稳压腔1、试样管2、第二稳压腔3、第一封盖4、第一负压表6、第一真空泵8、进气管道10、第一管道14、第二封盖5、第二负压表7、第二真空泵9、出气管道11和第二管道15，所述第一封盖4设于第一稳压腔1的顶部，其上开设有4个通孔，4个通孔分别通过连接管与第一负压表6、第一真空泵8、第一管道14和进气管道10的一端连接，所述进气管道10的另一端与试样管2的进气端连接，所述第一管道14上设有第一负压调节阀；所述第二封盖5设于第二稳压腔3的顶部，其上开设有4个
通孔，4个通孔分别通过连接管与第二负压表7、第二真空泵9、第二管道15和出气管道11的一端连接，所述出气管道11的另一端与试样管2的出气端连接，所述第二管道15上设有第二负压调节阀；所述出气管道11上设有气体流量计13。
[0053]
上述进气管道10和出气管道11的下方均设有支撑架12。
[0054]
上述进气管道10上设有第一阀门16，所述出气管道11上设有第二阀门17。
[0055]
上述试样管2为四氟管，且两端设有连接盖，所述连接盖上设有连接孔，试样管2两端通过连接孔分别与进气管道10和出气管道11连接。
[0056]
实施例2
[0057]
四氟管的内径分别取0.5mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm、1.2mm、1.5mm，长度l取0.5m，用于确定气压梯度i与气体渗透系数k的相关性。其中试样管长度l＝0.5m、四氟管内径＝0.5mm时的试验数据如表1所示，
[0058]
表1温度t＝10℃、试样管长度l＝0.5m、四氟管内径＝0.5mm的试验数据
[0059][0060]
备注：内径为0.5mm的四氟管的横截面积a＝0.1963mm2；q＝av，即气体流量为四氟管横截面积a与流量速度v的乘积。
[0061]
然后以气压梯度i为纵坐标，以气体流量速度v为横坐标绘制气压梯度i与气体流量速度v关系图，如图3所示，线性函数方程i＝16.084v+1.9231，相关度r2＝0.9963，截距1.9231为启始压力梯度值，表示当气压梯度i大于1.9231kpa/m后才能启动气体的渗流。进一步计算得到气体渗透系数k＝1/16.084＝6.217cm/s，启始压力梯度ξ＝1.9231kpa/m。
[0062]
分析不同内径的四氟管的试验数据，进而获取相应的气体渗透系数k和启始压力梯度ξ，结果如表2所示：
[0063]
表2四氟管在不同渗透系数k下的启始压力梯度ξ的结果
[0064][0065]
根据表2的结果确定启始压力梯度ξ与渗透系数k的函数关系式如图4所示，得：
[0066]
ξ＝1132k-3.41
ꢀꢀ
(5)
[0067]
即式(5)中a1＝1132，b＝-3.41。
[0068]
实施例3
[0069]
首先，选择典型盲沟结构材料，如图5所示有两种形式的试样管2，即结构a型为砾石与土工盲管组合，结构b型为砾石；然后，测定盲沟材料的气体渗透系数k，再根据
[0070]
ξ＝1132k-3.41
ꢀꢀ
(5)
[0071]
确定启始压力梯度ξ；再者，根据水库的平面尺寸或面积，由式(7)计算盲沟的渗流路径长度，即
[0072][0073]
式中，area-水库库盘土工膜防渗面积，m2；
[0074]
最后根据盲沟排气的渗流路径长度l与启始压力梯度ξ之积，即
[0075]
δpm＝l
·
ξ
ꢀꢀ
(6)
[0076]
求出盲沟排气启动压力差δpm，并将盲沟排气启动压力差δpm与膜上覆土重比较，确定盲沟类型是否可行。
[0077]
例如西夏水库扩容工程面积为2.09km2，即2.09
×
106m2，由式(7)等效于同等面积的圆，求出其半径，作为盲沟从水库中心至围提外侧长度，约815m。根据表3的计算结果，西夏水库扩容工程的膜下盲沟只有采用砾石和盲管的结构形式，才能保证排气通畅性。
[0078]
表3盲沟内不同材料的气体渗透系数
[0079]
盲沟结构类型砾石和盲管砾石1砾石2砾石3平均粒径d
50
(mm，按重量)/351410不等粒系数d
60
/d
10
/2.726.3渗透系数(cm/s)5020105启动压力梯度(kpa/m)0.001820.041450.440634.68370盲沟渗流路径长度(m)815815815815启动压力差(kpa)1.4933.78359.123817.21小于膜上覆土重(20kpa)是否否否盲沟排气可行性判别可行不可行不可行不可行
[0080]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：1.一种启始压力梯度模拟测试装置，其特征在于：包括第一稳压腔（1）、试样管（2）、第二稳压腔（3）、第一封盖（4）、第一负压表（6）、第一真空泵（8）、进气管道（10）、第一管道（14）、第二封盖（5）、第二负压表（7）、第二真空泵（9）、出气管道（11）和第二管道（15）；所述第一封盖（4）设于第一稳压腔（1）的顶部，其上开设有4个通孔，4个通孔分别通过连接管与第一负压表（6）、第一真空泵（8）、第一管道（14）和进气管道（10）的一端连接，所述进气管道（10）的另一端与试样管（2）的进气端连接，所述第一管道（14）上设有第一负压调节阀；所述第二封盖（5）设于第二稳压腔（3）的顶部，其上开设有4个通孔，4个通孔分别通过连接管与第二负压表（7）、第二真空泵（9）、第二管道（15）和出气管道（11）的一端连接，所述出气管道（11）的另一端与试样管（2）的出气端连接，所述第二管道（15）上设有第二负压调节阀；所述出气管道（11）上设有气体流量计（13）。2.根据权利要求1所述的一种启始压力梯度模拟测试装置，其特征在于：所述进气管道（10）和出气管道（11）的下方均设有支撑架（12）。3.根据权利要求1所述的一种启始压力梯度模拟测试装置，其特征在于：所述进气管道（10）上设有第一阀门（16），所述出气管道（11）上设有第二阀门（17）。4.根据权利要求1所述的一种启始压力梯度模拟测试装置，其特征在于：所述试样管（2）为四氟管，且两端设有连接盖，所述连接盖上设有连接孔，试样管（2）两端通过连接孔分别与进气管道（10）和出气管道（11）连接。5.一种权利要求1~4任一项所述的装置的使用方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、关闭第一阀门（16）和第二阀门（17），打开第一真空泵（8），调节第一负压调节阀，当第一负压表（6）的示数达到目标值时，关闭第一真空泵（8）和第一负压调节阀；打开第二真空泵（9），调节第二负压调节阀，当第二负压表（7）的示数达到目标值时，关闭第二真空泵（9）和第二负压调节阀；s2、打开第一阀门（16）和第一真空泵（8），使得第一稳压腔（1）内的气体进入试样管（2）内，涂肥皂水于进气管道（10）与试样管（2）的连接处，无明显气泡、漏气现象，则表明进气管道（10）与试样管（2）的连接处密封性良好，关闭第一阀门（16）和第一真空泵（8），同样操作检测出气管道（11）与试样管（2）的连接处的密封性，确保装置整体密封性符合试验要求；s3、安装装有试样材料的试样管（2）；s4、打开第一阀门（16）和第二阀门（17），调节第一负压调节阀和第二负压调节阀，使得第一负压表（6）和第二负压表（7）的示数为目标值，在装有试样材料的试样管（2）内形成稳定渗流状态；s5、记录气体流量计（13）的示数v、第一负压表（6）的示数p1和第二负压表（7）的示数p2。6.权利要求1~4任一项所述的装置在盲沟材料选择中的应用。7.根据权利要求6所述的应用，其特征在于，包括以下步骤：1）通过模拟测试装置确定气体流量速度v与气压梯度i；其中，
式中：v-流量，m3/s；a-试样管横截面积，m2；v-流量速度，kpa/s；g为重力换算系数，取9.832 n/kg；为在压力p条件下气体的密度，kg/m3，由下式（2）确定：式中，p为试样管内平均气压，kpa，， p1-第一稳压腔内气压，kpa；p2-第二稳压腔内气压，kpa；t为试验时试样温度，℃；为气体分子的摩尔质量，对于空气取值为29；式中：i-气压梯度，kpa/m；l-试样管长度，m；2）对步骤1）中的气体流量速度v与气压梯度i采用线性关系函数进行拟合，如下式（4）所示：式中：k-气体渗透系数，m/s； 휉-启始压力梯度，kpa/m；3）建立启始压力梯度
휉
与气体渗透系数k的函数关系式，如下式（5）所示：式中： a1、b为拟合常数；4）测定盲沟材料的气体渗透系数k，代入式（5）中，得到盲沟的启始压力梯度
휉
；5）将盲沟的渗流路径长度l与启始压力梯度
휉
求积，得到渗流启动压力差
∆
p
m
，即：所述渗流路径长度l为水库库盘土工膜防渗面积area的等效圆半径，即：式中，area-水库库盘土工膜防渗面积，m2；所述渗流启动压力差
∆
p
m
为盲沟排气启动的最小压力；6）将盲沟排气启动压力差与土工膜膜上覆土重比较，若盲沟排气启动压力差小于土工膜膜上覆土重，则说明选择的盲沟材料可行。
技术总结本发明公开了一种启始压力梯度模拟测试装置及其使用方法与应用，本发明一方面提供确定盲沟材料的启始压力梯度模拟测试装置与使用方法，为测定启始压力梯度提供了可靠的技术方案；另一方面提出盲沟材料选择方法，通过启始压力梯度模拟测试装置测试盲沟材料的气体渗透系数，将材料气体渗透系数代入启始压力梯度的函数式中，求出盲沟材料的启始压力梯度，然后根据盲沟排气的渗流路径长度与启始压力梯度之积，求出盲沟排气启动压力差，最后将盲沟排气启始压力差与膜上覆土重比较，确定盲沟材料类型是否可行，进而规避盲沟设计中出现的排气畅通性与排气量问题，从而减小工程运营维护的风险。护的风险。护的风险。
技术研发人员：曹雪山 袁俊平 丁国权 曹怀玉 王骏
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2022.07.21
技术公布日：2022/11/1
