[发明专利]一种模拟人工冻结阻渗的实验系统及其试验方法

权利要求书

1.一种模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，包括渗透试验装置、低温冷浴装置和冻结壁监测系统，所述低温冷浴装置与所述渗透试验装置之间连接有冷冻液管路；

所述渗透试验装置包括模型容器和出水量器，所述模型容器的下部对应所述出水量器设有出水口；所述模型容器的内部填充有土壤与感温变色溶液混合的土样，所述感温变色溶液的变色分界温度为0℃；

所述模型容器的侧壁绕设有至少一圈冷冻管，且所述冷冻管的圈数可调，所述冷冻管上还固定有电磁激振子，所述冷冻液管路连通于所述低温冷浴装置和至少一圈所述冷冻管之间；

所述冻结壁监测系统包括数据处理主机、声发射传感器和多个温度传感器，所述数据处理主机分别与所述温度传感器、所述声发射传感器电连接，多个所述温度传感器分散设置在所述模型容器中。

2.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述感温变色溶液为无色防冻液与四氯化铜二乙基铵盐溶液的混合液，所述感温变色溶液低于0℃时呈亮绿色、高于0℃时呈淡黄色。

3.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，每圈所述冷冻管上均设置有至少三个电磁激振子，每圈的至少三个所述电磁激振子呈周向间隔分布，所述电磁激振子的振幅为40μm至70μm、振动频率为10kHz至30kHz。

4.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述渗透试验装置还包括上透水板和下透水板，所述上透水板和所述下透水板上下间隔设置在所述模型容器中，所述上透水板与所述下透水板之间形成土样的容纳腔。

5.根据权利要求4所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述模型容器的上部还设有溢水口，所述溢水口高于所述上透水板的表面布置，所述出水口与所述下透水板处于同一水平位置。

6.根据权利要求5所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述上透水板、所述下透水板分别与所述模型容器的内壁间隙配合，所述上透水板与所述模型容器之间、所述下透水板与所述模型容器之间均为卡扣连接。

7.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述模型容器的形状为圆柱筒，所述模型容器的一侧开设有多个第一测温孔，多个所述第一测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；所述模型容器的另一侧开设有多个第二测温孔，多个所述第二测温孔平行于所述圆柱筒的轴线间隔分布；

所述第一测温孔和所述第二测温孔中均安装有温度传感器，所述第一测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的圆心位置，所述第二测温孔中的温度传感器处于圆柱筒的半径1/2位置。

8.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述声发射传感器设有至少一个，至少一个所述声发射传感器安装在所述模型容器的外侧，所述声发射传感器与所述数据处理主机之间电连接有声发射信号放大器；所述温度传感器与所述数据处理主机之间还电连接有温度采集仪。

9.根据权利要求1所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统，其特征是，所述冻结壁监测系统还包括至少两个工业相机，至少两个所述工业相机对应设置所述模型容器的外部，所述工业相机与所述数据处理主机电连接。

10.一种应用权利要求1至9任一项所述的模拟人工冻结阻渗的实验系统的试验方法，其特征是，包括以下步骤：

S1、先将测试地层的土壤烘干、过筛处理，过筛后的土颗粒与感温变色溶液混合搅拌均匀，密封静置24h得到土样；

S2、将下透水板置于模型容器中并固定位置，土样分层填入模型容器内，土样填筑至各测温孔位置时，将两列温度传感器分别埋入模型容器的中心深度和半径1/2深度处；当土样填筑设定高度后，再将上透水板覆盖在土样上并固定位置；

S3、在模型容器上缠绕设置至少一圈冷冻管，冷冻管通过冷冻液管路与低温冷浴装置进行连通，并在每圈冷冻管上固定电磁激振子；

S4、在模型容器的外壁固定声发射传感器，将声发射传感器和多个温度传感器分别电连接至数据处理主机；并在模型容器的外部设置工业相机，工业相机与数据处理主机电连接，以构建成冻结壁监测系统；

S5、打开进水阀并设定不同流速，待出水口排出的液体流量稳定时，启动低温冷浴装置和电磁激振子，同时打开冻结壁监测系统开始测试；

S6、测试过程中，工业相机定时采集图像信息，以分析冻结壁的发育状况；每隔设定时间更换一次出水量器并读数记录，利用以下公式计算出各个时段的渗透系数k；

其中，α为感温变色溶液相较于纯水的渗透折减系数，V为出水量器的溶液体积，L为土样的填筑高度，A为土样的横截面积，Δh为溢水口与出水口之间的高度差，t为渗流时间。