一种模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统及测试方法与流程

本发明涉及一种边坡稳定性影响因素的测试技术，尤其是一种用于测定岩土体管道流对岩土体稳定性影响的测试装置和方法。

背景技术

岩土体中的贯通管道、非贯通管道和孔隙共同构成一个复杂的多孔网络体系。其中，贯通管道是地下水与地表水之间相互转换的主要路径，是地下水与岩土体之间水力联系的重要通道，也是岩土体失稳破坏常常追踪的边界条件。岩土体管道流极大地影响了交通、水利水电和矿山等工程的施工安全和正常运行，其研究受到工程界和学术界的广泛关注。

土木工程领域对岩土体中水运动的描述，普遍采用线性darcy定律。该定律适于单一均匀多孔介质、雷诺数re上限为[1,10]的线性层流。基于线性darcy渗流理论，计算相对均匀岩土体孔隙介质的流场并据此评价流固耦合作用下的力学响应是可行的。然而，当re超出线性层流上限或岩土体存在贯通管道集中渗漏通道时，仍用darcy理论计算则会产生显著误差。1868年，著名的俄国流体学家布辛习涅斯基提出了newton流体在光滑平行板缝中的运动学理论。在该理论构架体系下，也能推导出光滑等直径圆形管道中流体的运动方程。在求解含贯通管道岩土体介质的地下水渗流问题时，目前普遍采用开口立方定律。然而，具体计算时大多将管道的壁面视为不透水边界，该假设隐含管道所赋存的岩土体基质也具不透水性(注：岩土体基质指包含孔隙结构和非贯通管道多孔介质部分)，同时还假定管道内不含散粒充填物，这与实际相比仍存在较大偏差。因此，尚需提升和完善经典的地下水渗流运动理论，从而更准确地描述含充填物的贯通管道岩土体多孔介质的流场特征，以及更合理地评价地下水渗流作用下岩土体的力学响应。查阅国内外相关文献资料，有关管道流的研究鲜有考虑水流对管道壁面产生的拖曳力作用。

技术实现要素：

为了更好地研究贯通管道壁面水流拖曳力对岩土体稳定性的影响，本发明提供了一种模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统及测试方法。

本发明所采用的技术方案是：模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统，包括底板，铺设于底板上的内部具有贯通管道的模拟岩土层以及水箱；所述底板包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，所述升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；所述模拟岩土层中的贯通管道包括靠近固定端的上游端口和靠近升降端的下游端口，所述下游端口配置有与端口形状匹配的阻水塞；所述水箱侧壁开设有若干水箱出水口，水箱出水口的设置高度不低于上游端口的高度，水箱出水口与上游端口通过导水管连通，水流通过阀门控制，阀门打开时，水箱中的水能够进入贯通管道中；所述水箱上还设置有溢流口，溢流口的设置高度高于水箱出水口的设置高度。

现有的管道水流在贯通管道壁面产生的拖曳力计算没有一定的理论，本发明提出了一套水流对贯通管道壁面产生的拖曳力测试技术。

为此，本发明研制了上述模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统，使用该系统可实现水流对岩土介质中贯通管道壁面拖曳力的测定。

容易理解的，本发明贯通管道的上游端口应当与水源相连，水源的选择不限，但需要保证水流能够平缓均匀的进入贯通管道中，以实现模拟自然管道流的目的，因此贯通管道的上游端口不能与带压水龙头等设备连接。为便于测试，最好是配备专用的储水容器为贯通管道供水。

本发明中我们为了提高测试的准确性和便捷性，设计了本装置匹配的水箱作为供水媒介。如图1中所示，水箱侧壁开设有若干水箱出水口，水箱出水口的设置高度不低于上游端口的高度，水箱出水口与上游端口通过导水管连通，水流通过阀门控制，阀门打开时，水箱中的水能够进入贯通管道中。通过水箱中水位的调节和水箱出水口的设置位置即可控制水的流动速度，从而保证水流能够平缓均匀的进入贯通管缝。为了使水箱中的水流能够均匀流入贯通管缝，水箱出水口的设置高度应当不低于上游端口的高度，以模拟自然条件下在重力作用下沿贯通管缝流动的自然水流；容易理解的，为防止流速过快，水箱出水口的设置高度也不能过于高于上游端口的高度。

此外我们还在水箱上设置溢流口，溢流口的作用在于控制水箱的水位，使在整个测试过程中水的流速始终稳定不变，以更准确的模拟自然条件下的管道流。本发明中我们将溢流口设置在高于水箱出水口的位置，这样通过注水与溢流的平衡，可将水位稳定在溢流口的位置。同时容易理解的，若果溢流口位置过分高于水箱出水口位置，会导致水箱出水口处压强过大，出水速度过快从而影响测试的准确性。

本发明中的升降装置应当能够实现带动升降端平稳连续升降的功能，以便于准确测定岩土体开始产生滑动时的倾斜角度。例如采用图1所述的升降支架，该支架的升降可采用液压或气压驱动来实现。除此之外容易想到也可以采用其他能够实现上述功能的升降装置，例如还可以采用滑轮组作为升降装置。

利用本发明的测试装置能够测试不同的岩土层中各种形态的贯通管道的管道流拖曳力，测试时需根据待测试地质情况对模拟岩土层进行制作和铺设。例如在将本装置用于测试岩层中的管道流拖曳力时，可在底板上先铺设一层砂垫层，然后在砂垫层上放置混凝土层模拟岩层，在岩层中根据实际情况设置贯通管道，再在管道中填充粉质黏土层模拟管道填充物。各岩土层的铺设厚度和密度以及管道形态等情况应当根据待测试地质条件按照尺寸相似原理进行铺设。本发明所述“尺寸相似原理”指的是按照所模拟的实际地质条件中各岩层和土层的厚度以及分布比例，管道形态，填充物分布情况对模拟岩土层及其管道进行选择、制作和铺设。

本发明还公开了一种模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试方法，包括以下步骤：

a、选好实验场地，安装本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统；

b、根据待测试地质条件在底板上铺设好内部具有贯通管道的模拟岩土层，用配置好的阻水塞将贯通管道的下游端口堵住；然后往水箱中注水，直至水位淹没溢流口，然后打开溢流口，同时继续注水，使水箱中水位在溢流口位置保持平衡；

c、静水实验：通过升降装置调节底板至水平放置，然后打开阀门向贯通管道中注水，使水充满贯通管道后即关闭阀门；

d、调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，直至底板上的模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时底板的倾斜角度α；

e、动水实验：还原底板至水平放置并按照与步骤b相同的方式在底板上铺设好内部具有贯通管道的模拟岩土层，用配置好的阻水塞将贯通管道的下游端口堵住，然后打开阀门向贯通管道中注水，使水充满贯通管道；

f、拔掉阻水塞，同时调整升降装置，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持阀门为开启状态并调整水流量确保贯通管道中始终充满水流，直至底板上的模拟岩土层刚好发生滑动时立刻停止调整升降装置，并测量此时底板的倾斜角度β；

g、根据实验结果计算出水流对贯通管道壁面的拖曳力。

采用该方法即可实现利用本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统进行水流对岩土层中贯通管道壁面拖曳力的测定。

本发明的有益效果是：本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统及测试方法适用于强降雨或排水条件下水流对岩土层中贯通管道壁面拖曳力的测定，从而为量化强降雨或排水条件下管道拖曳力对岩土体失稳的影响提供参考和贡献。

附图说明

图1是实施例一的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统结构示意图。

图2是实施例二的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统结构示意图。

图3是实施例一的模拟岩土层横截面结构图。

图4是实施例二的模拟岩土层横截面结构图。

图5是静水实验条件下内部具有贯通管道的岩土体受力分析图。

图6是动水实验条件下内部具有贯通管道的岩土体受力分析图。

图中标记为：1-底板，2-模拟岩土层，21-砂垫层，22-混凝土层，23-粉质黏土填充层，3-贯通管道，31-上游端口，32-下游端口，33-阻水塞，4-水箱，5-水箱出水口，6-导水管，7-阀门，8-溢流口，9-升降支架，g-具有贯通管道的岩土体自重，f-贯通管道中水体对岩土体的压力，ff-下层岩体对具有贯通管道的岩土体的摩擦力，α-静水试验条件下测得的底板倾斜角度，β-动水试验条件下测得的底板倾斜角度，fd-水流对贯通管道壁面产生的拖曳力，fn-下层岩体对具有贯通管道的岩土体的支持力，p-贯通管道中水对阻水塞的压力。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3和图4所示，本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统，包括底板1，内部具有贯通管道3的模拟岩土层2以及水箱4，所述底板1包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，所述升降端与由液压驱动的升降支架9相连，升降支架9可连续调节升降端在竖直方向上的高度；所述模拟岩土层2设置于底板1上，包括铺设在底板1上的砂垫层21和铺设在砂垫层21上的混凝土层22，贯通管道3设置于混凝土层22内部，所述贯通管道3内壁具有粉质黏土填充层23；贯通管道3包括上游端口31和下游端口32，所述下游端口32配置有与端口形状匹配的阻水塞33。所述水箱4侧壁开设有若干水箱出水口5，水箱出水口5的设置高度不低于上游端口31的高度，水箱出水口5与上游端口31通过导水管6连通，水流通过阀门7控制，阀门7打开时，水箱4中的水能够进入贯通管道3中；所述水箱4上还设置有溢流口8，溢流口8的设置高度高于水箱出水口5的设置高度。

实施例一：

按照以下步骤利用本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统对水流对圆形管道壁面产生的拖曳力进行测定：

(1)选好实验场地，安装上述的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统；

(2)根据待测试地质条件按照尺寸相似原理在底板上铺设一层砂垫层21，在砂垫层21上铺设混凝土层22模拟岩层，贯通管道3设置于混凝土层22内部，管道横截面为圆形，贯通管道3内壁设置有用于模拟管道填充物的粉质黏土填充层23。然后用配置好的阻水塞33将贯通管道3的下游端口32堵住；然后往水箱4中注水，直至水位淹没溢流口8，然后打开溢流口8，同时继续注水，使水箱4中水位在溢流口8位置保持平衡；

(3)静水实验：通过升降支架调节底板1至水平放置，然后打开阀门7向贯通管道3中注水，使水充满贯通管道3后停止注水；

(4)调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，直至底板1上的混凝土层22刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时底板1的倾斜角度α；

(5)动水实验：还原底板1至水平放置并按照与步骤b相同的方式在底板1上铺设好模拟岩土层2并设置好其内部的贯通管道3，然后打开阀门7向贯通管道3中注水，使水充满贯通管道3；

(6)拔掉阻水塞33，同时调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向贯通管道3中注水并调整水流量确保贯通管道3中始终充满水流，直至底板1上的混凝土层22刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时底板1的倾斜角度β；

(7)根据实验结果计算出水流对贯通管道3壁面的拖曳力。

实施例二：

按照以下步骤利用本发明的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统对水流对矩形管道壁面产生的拖曳力进行测定：

(1)选好实验场地，安装上述的模拟岩土体中管道水流壁面拖曳力效应的测试系统；

(2)根据待测试地质条件按照尺寸相似原理在底板上铺设一层砂垫层21，在砂垫层21上铺设混凝土层22模拟岩层，贯通管道3设置于混凝土层22内部，管道横截面为矩形，贯通管道3内壁设置有用于模拟管道填充物的粉质黏土填充层23。然后用配置好的阻水塞33将贯通管道3的下游端口32堵住；然后往水箱4中注水，直至水位淹没溢流口8，然后打开溢流口8，同时继续注水，使水箱4中水位在溢流口8位置保持平衡；

(3)静水实验：通过升降支架调节底板1至水平放置，然后打开阀门7向贯通管道3中注水，使水充满贯通管道3后停止注水；

(4)调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，直至底板1上的混凝土层22刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时底板1的倾斜角度α；

(5)动水实验：还原底板1至水平放置并按照与步骤b相同的方式在底板1上铺设好模拟岩土层2并设置好其内部的贯通管道3，然后打开阀门7向贯通管道3中注水，使水充满贯通管道3；

(6)拔掉阻水塞33，同时调整升降支架9，使升降端缓慢向下倾斜，该过程中保持向贯通管道3中注水并调整水流量确保贯通管道3中始终充满水流，直至底板1上的混凝土层22刚好发生滑动时立刻停止调整升降支架9，并测量此时底板1的倾斜角度β；

(7)根据实验结果计算出水流对贯通管道3壁面的拖曳力。

应当理解，上述实施例一和实施例二中采用在混凝土层中设置横截面为圆形和矩形的贯通管道进行测定，仅仅是出于便于模型制作的考虑，根据本发明的测定原理可知，本发明的测定装置和方法还可适用于其他形态包括不规则形态的贯通管道壁面水流拖曳力的测定。

计算方法：

通过对具有贯通管道的岩土体(在实施例一和实施例二中具有贯通管道的岩土体指的是混凝土层)进行力的平衡分析，代入静水试验条件下计算出的摩阻力ff，从而计算出水流对贯通管道壁面的拖曳力fd。

具有贯通管道的岩土体在静水实验和动水实验条件下的受力分析分别如图5、图6所示。

拖曳力计算公式如下：

式中：

g代表具有贯通管道的岩土体自重，

f代表贯通管道中水体对岩土体的压力，

ff代表下层岩体对具有贯通管道的岩土体的摩擦力(在实施例一和实施例二中表示砂垫层对混凝土层的摩擦力)，

α代表静水试验条件下测得的底板倾斜角度，

β代表动水试验条件下测得的底板倾斜角度，

fd代表水流对贯通管道壁面产生的拖曳力。