[0001] 本发明涉及渗透性测量设备技术领域，具体地，涉及一种渗透系数测量装置和基于该渗透系数测量装置的渗透系数测量方法。

[0002] 坝基岩土材料按颗粒级配特点可分为基质支撑型和颗粒支持型两种结构形式，不同结构形式的材料渗透破坏特性差别很大。目前对于岩土材料渗透特性的研究多是通过现
场测定获得其渗透系数，如简易试坑渗水试验、钻孔注水试验及抽水试验测定。然而由于水
电站大坝范围长，堆积体分布范围广，当地条件复杂多变，很多岩土力学特性和渗透性的数
据难以在现场及时获取，给应急风险管控带来了困难。相关技术中的渗透系数测量装置不
能快速准确地分析坝基岩土的渗透系数和破坏模式。

[0034] 下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

[0035] 下面结合图1描述本发明实施例的渗透测量组件。

[0036] 本发明实施例的渗透系数测量装置包括渗透测量组件1和供水组件2。

[0037] 渗透测量组件1设有筒体11以适于测量筒体11的内腔111中土样14的渗透系数，筒体11设有抽气口112，以适于对内腔111中的土样14进行真空抽气至饱和状态，筒体11设有
透明窗口，以适于通过透明窗口观察内腔111中土样14的破坏形式。

[0038] 具体地，筒体11内适于容纳待测量的土样14，如果松散堆积体材料含有低渗透性的黏性土粒，可以通过抽气法饱和，相比水头饱和法可以节省时间并达到较高的饱和度，以
便于测量土样14的饱和渗透系数。

[0039] 筒体11中的土样14持续饱和渗透后会发生渗透破坏，通过透明窗口可在筒体11外侧观测土样14的渗透破坏形式，判断土样14发生的是管涌破坏还是流土破坏。

[0040] 供水组件2与渗透测量组件1相连，供水组件2适于向内腔111中供入设定压力的水以测量内腔111中土样14的渗透系数，供水组件2的出水压力可调以测量不同渗透压力条件
下土样14的渗透特性。

[0041] 具体地，通过供水组件2向筒体11内通入水以测量土样14的渗透系数，供水组件2向筒体11中供水的水压可调，一方面能够通过改变向土样14施加的水头压力测量土样14发
生渗透破坏时的起始水力梯度，另一方面可以通过调节供水组件2供水的压力动态升高土
样14的水力梯度，在不同水力梯度作用下测定土样14的渗透系数。

[0042] 本发明实施例的渗透系数测量装置设置了抽气口112，在实验前可以对土样14较好的真空抽气饱和，对饱和渗透系数的测量较为准确。而相关技术中采用现场试验的方法
不能直接对材料抽气饱和，从而不能准确测定土样14的饱和渗透系数。

[0043] 本发明实施例的渗透系数测量装置的供水组件2的供水压力可以根据需要进行调节，可以测量特定的渗透压力下土样14的材料参数，也可以通过多组试验测量不同渗透压
力条件下土样14材料渗透特性的变化规律并判定渗透破坏的临界水头压力。

[0044] 本发明实施例的渗透系数测量装置的至少部分筒体11由透明的有机耐磨玻璃制成，不仅可以测定土样14的渗透系数，如图1所示，在一些实施例中还设置了高清高速摄像
机，可以对不同时刻对应的实验过程进行实时拍摄记录，可以对发生渗透破坏时筒体11内
的土样14颗粒运动现象进行观察和描述，判定不同级配组成土样14的破坏模式。

[0045] 由此，本发明实施例的渗透系数测量装置具有能够快速准确地分析坝基岩土的临界水力坡降和破坏模式的优点。

[0046] 在一些实施例中，渗透测量组件1还包括第一测压管12和第二测压管13，筒体11沿竖直方向延伸，筒体11内侧形成内腔111，内腔111中设有透水板113，土样14填充于透水板
113的上侧，第一测压管12与筒体11相连且第一测压管12与筒体11连接位置位于透水板113
的下侧，第二测压管13与筒体11相连且第二测压管13与筒体11连接位置位于土样14的上
侧。

[0047] 具体地，筒体11沿竖直方向延伸，筒体11内设有沿水平方向延伸的透水板113，透水板113只能允许水通过，并阻隔土样14穿过，从而将土样14保持在透水板113的上侧，当对
土样14进行渗透系数的测量时，供水组件2供入筒体11的水从透水板113的下侧穿过透水板
113并流至土样14中，水流渗透经过土样14并从土样14的上侧排出从而完成渗透过程。

[0048] 由于土样14的渗透系数特征，当水流从土样14的一侧渗透至土样14的另一侧时，土样14两侧的产生渗透压力差值，土样14两侧的渗透压差距与土样14的渗透系数正相关，
从而通过测量土样14两侧的压力差即可获得土样14的渗透系数。

[0049] 第一测压管12与筒体11连接位置在透水板113的下侧，第二测压管13与筒体11连接位置在土样14的上侧，从而通过测量第一测压管12与筒体11连接处的压力和第二测压管
13与筒体11连接处的压力的差值可以获得土样14的渗透系数。

[0050] 第一测压管12和第二测压管13沿竖直方向延伸，以适于根据第一测压管12内液面高度获得土样14下侧的压力、根据第二测压管13内液面高度获得土样14上侧的压力。

[0051] 具体地，第一测压管12与筒体11的内腔111连通，且第一测压管12与筒体11的连接位置位于透水板113的下侧，第一测压管12沿竖直方向延伸，第二测压管13与筒体11的内腔
111连通，且第二测压管13与筒体11的连接位置位于土样14的上侧，第二测压管13沿竖直方
向延伸。

[0052] 由此，第一测压管12和第二测压管13上都设有刻度，通过读取第一测压管12和第二测压管13内水面高度的差即可得到土样14上下两侧的压力差，进而得到土样14的渗透系
数。

[0053] 在一些实施例中，筒体11还设有进水口114和出水口115，进水口114设于透水板113的下侧，进水口114适于与供水组件2相连，出水口115设于筒体11的上侧，抽气口112设
于出水口115的上侧。

[0054] 具体地，进水口114、出水口115和抽气口112都可以单独关闭，在对筒体11内的土样14进行抽真空饱和时，关闭进水口114和出水口115使筒体11保持气密性，并将抽气口112
与抽真空设备相连以抽取筒体11内的空气，在测量筒体11内的土样14的渗透系数时，打开
进水口114和出水口115并关闭抽气口112，使供水组件2供入筒体11的水从透水板113的下
侧穿过透水板113并流至土样14中，水流渗透经过土样14并从土样14的上侧排出从而完成
渗透过程。

[0055] 供水组件2包括水箱21、导轨22和软管23，软管23连接在水箱21和筒体11之间，水箱21内适于存储测试用水，导轨22沿竖直方向延伸，水箱21可滑移地设于导轨22以适于调
整进水口114处的水压。

[0056] 具体地，水箱21可相对于导轨22滑移并可固定在导轨22上的任意位置，导轨22上设有刻度以控制水箱21沿导轨22滑移的高度，水箱21与筒体11之间通过软管23相连以使水
箱21可在沿竖直方向滑移的过程中与筒体11保持连接。

[0057] 水箱21设有进液口和出液口，进液口的高度低于出液口的高度，软管23与水箱21连接位置的高度低于进液口的高度，在本发明实施例的渗透系数测量装置工作时，进液口
与供水水网相连以持续向水箱21内供水，并使水箱21内的水位维持在水箱21的排液口处，
进而控制水箱21内的水量不变，将水箱21的高度作为可控制的变量进行测量。

[0058] 在一些实施例中，筒体11为透明材料，以在土样14的外周侧形成透明窗口。

[0059] 具体地，筒体11的侧壁由透明的有机耐磨玻璃制成，不仅可以测定土样14的渗透参数，还可以对土样14发生渗透破坏时筒体11内的土样14颗粒运动现象进行观察和描述，
判定不同级配组成土样14的破坏模式。

[0060] 下面结合图2描述本发明实施例的渗透系数测量方法。

[0061] 本发明实施例的渗透系数测量方法基于上述任一实施例中的渗透系数测量装置，渗透系数测量方法包括如下步骤：

[0062] 将设定干密度值的土样14在内腔111中的透水板113的上侧填充至设定高度；

[0063] 若土样14材料为细颗粒黏性土，打开抽气口112并通过抽气口112抽取内腔111中的空气直至土样14达到真空饱和；

[0064] 打开进水口114并向内腔111中供水，直至水流渗至第一测压管12的上侧并渗流稳定；

[0065] 根据第一测压管12内液面高度尺寸和第二测压管13内液面高度尺寸之差获得土样14的渗透系数；

[0066] 调整水箱21的高度尺寸直至观测到筒体11中的土样14发生渗透破坏，并得到土样14开始渗透破坏的起始水力梯度与土样14渗透破坏形式。

[0067] 具体地，在对土样14的渗透特性进行测量前先将土样14按设计的干密度值在透水板113的上侧击实到预定高度，分层装填，然后测量土样14的实际厚度。根据该组土样14的
颗粒级配选择饱和方法，如果是粗颗粒无粘性土可以选择水头饱和法，对于细颗粒黏性土
采用抽气饱和法进行饱和。

[0068] 在一些实施例中，根据第一测压管12内液面高度尺寸和第二测压管13内液面高度尺寸之差获得土样14的渗透系数包括如下步骤：

[0069] 测量设定时间内从出水口115流出的液体的体积，读取第一测压管12内液面与筒体11底部在竖直方向上的间距，读取第二测压管13内液面与筒体11底部在竖直方向上的间
距；

[0070] 土样14的渗透系数根据如下的公式获得：

[0071]

[0072] 式中：K为所测土样14的渗透系数，D为筒体11的内径，L为筒体11的内腔111中土样14的高度尺寸，H1为第一测压管12内液面与筒体11底部在竖直方向上的间距，H2为第二测压
管13内液面与筒体11底部在竖直方向上的间距，Q为从出水口115量取的液体的体积，t为出
水口115量取的液体的时间。

[0073] 具体地，先关闭筒体11的抽气口112，打开出水口115，通过进水口114向筒体11中充分施加水头压力并渗流稳定，如附图2所示。施加的初始水头高度可以通过测压管1上的
刻度读取(H1)；经过筒内土体高度为L(即渗流路径长度为L)后的水头高度从测压管2上的
刻度读取为(H2)，用量筒量取出水口115固定时间t内流出液体的量为Q，筒体11的直径为D，
通过上式即可计算土样14的渗透系数。

[0074] 在一些实施例中，水箱21的高度尺寸为水箱21底部与筒体11底部在竖直方向上的间距，调整水箱21的高度尺寸包括如下步骤：

[0075] 根据土样14的颗粒度选择水箱21的初始高度、单次调整水箱21高度的数值和相邻两次调整水箱21高度的间隔时间。

[0076] 在一些实施例中，渗透系数测量方法还包括如下步骤：

[0077] 在调整水箱21的高度尺寸的同时观察土样14上表面；

[0078] 当土壤表面发生细颗粒跳动的面积占比超过第一设定阈值时，降低单次调整水箱21高度的数值；

[0079] 当土壤表面发生细颗粒跳动的面积占比超过第二设定阈值时，判断为土样14发生渗透破坏，并根据土样14的流态判断土样14的渗透破坏形式。

[0080] 具体地，当需要分析土样14的破坏模式时，可以在试验中不断升高水箱21的高度，使得水头分为多次加载，以观察从开始到变形破坏的渗流全过程。

[0081] 试验首先根据试样的粗、细料含量选择初始渗透坡降、渗透坡降递增值和升高水头的间隔时间，粗料含量较多的试样间隔时间为30min，而细料含量较多的试样间隔时间为
1h。稳定一段时间后测量第一测压管12的水位，获得水头压力，并观察从土样14上侧渗出的
水的浑浊程度、细颗粒的跳动及测压管水位的变化等。

[0082] 当土样14表面三分之一的表面积出现细颗粒跳动时，认为土样14的水头压力接近临界水力坡降或破坏水力坡降，此时通过降低水箱21单次升高的高度或增大相邻两侧调整
水箱21高度的间隔时间，以适当减小水力坡降增值，从而获取较为精确的测量结果。

[0083] 当土样14表面三分之二的表面积出现细颗粒跳动或有成群土粒涌动时，认为土样14发生渗透破坏，通过第一测压管12的水位获得土样14的水头压力，并观察土样14发生的
渗透破坏形式为管涌破坏还是流土破坏，从而获得土样14的开始渗透破坏的起始水力梯度
和该水力梯度下发生渗透破坏的破坏形式。

[0084] 在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0085] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者
隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三
个等，除非另有明确具体的限定。

[0086] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以
是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的
普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

[0087] 在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在
第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示
第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第
一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

[0088] 在本发明中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实
施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示
例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书
中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

[0089] 尽管已经示出和描述了上述实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域普通技术人员对上述实施例进行的变化、修改、替换和变型
均在本发明的保护范围内。