一种接触冲刷试验装置及试验方法与流程

本发明属于岩土渗流试验领域，特别涉及一种接触冲刷试验装置及试验方法。

背景技术：

接触冲刷是指流体通过不同粒径的土层或砂层接触面时带走细小颗粒的现象,是一种典型且常见的渗流破坏形式,广泛存在于土石坝与地基接触面、建筑基础与地基接触面、土坝与涵洞接触面等工程中。

目前已有部分装置可以进行接触冲刷的相关试验。例如中国发明专利（申请公布号：cn108982271a）公开的一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置和试验方法，可以观测水平渗流时不同水力梯度下接触冲刷的发展过程。中国发明专利（申请公布号：cn104790338a）公开的一种接触冲刷水工模型，可模拟土石结合部的接触冲刷过程，且便于观测。

然而，现有试验装置均只能进行单一（通常为水平）流动方向下的接触冲刷试验。而事实上，接触冲刷可能出现在任何流动方向上。

技术实现要素：

鉴于背景技术所存在的技术问题，本发明所提供的一种接触冲刷试验装置及试验方法，可根据不同水压差条件下，进行多种接触冲刷试验；另外还可以模拟不同流动方向下的接触冲刷试验；本装置结构简单，操作方便，比较经济实用。

为了解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案来实现：

一种接触冲刷试验装置及试验方法，包括供水装置、排水装置、试验砂箱装置和测量装置，供水装置通过水管与试验砂箱装置连接，供水装置与试验砂箱装置之间的水管设有测量装置，试验砂箱装置通过水管与排水装置连接；

试验砂箱装置包括试验砂箱，试验砂箱放置在活动平板上；试验砂箱两侧相对的内壁处设有挡砂板，挡砂板上设有若干网孔，试验砂箱内且位于两挡砂板之间的空间用于填充试样砂土；活动平板通过升降装置固定在水平支撑板上。

优选的方案中，所述的供水装置包括上游水箱，上游水箱底部设有升降台，上游水箱下部设有上游水箱出水管，上游水箱出水管与上游软管连接，上游水箱出水管上设有上游水箱阀门；

上游软管与砂箱左侧水管连接，上游软管上设有测量装置，砂箱左侧水管与试验砂箱连接；试验砂箱外壁为透明有机玻璃。

优选的方案中，所述的排水装置包括下游水箱，下游水箱下部设有下游水箱进水管，下游水箱进水管与下游软管连接；

下游软管与砂箱右侧水管连接，砂箱右侧水管与试验砂箱连接。

优选的方案中，所述的测量装置为流量计。

优选的方案中，所述的试验砂箱内的挡砂板通过竖向卡槽固定，挡砂板插入至竖向卡槽内，竖向卡槽固定在试验砂箱内壁上。

优选的方案中，所述的试验砂箱两侧分别设有左侧挡板和右侧挡板，试验砂箱通过左侧挡板和右侧挡板固定在活动平板上。

优选的方案中，所述的升降装置包括低位千斤顶和高位千斤顶，低位千斤顶和高位千斤顶将试验砂箱固定在水平支撑板上。

优选的方案中，所述的试样砂土包括第一砂土层和第二砂土层，第一砂土层填充在试验砂箱下部，第二砂土层填充在试验砂箱上部。

优选的方案中，所述的砂箱左侧水管和砂箱右侧水管分别安装在两个挡砂板所在的试验砂箱外壁处，且砂箱左侧水管和砂箱右侧水管安装高度位于第一砂土层和第二砂土层交界的平面处。

本专利可达到以下有益效果：

1、通过调节供水装置的出水压力可以模拟不同高差下的水压，从而进行水头差或水力梯度控制下的接触冲刷试验；供水装置采用上游水箱和升降台来给定不同的水压差，其结构简单，操作方便，制作成本低，使得本装置比较经济实用；

2、试验装置中包含流量计，从而可以通过调节供水装置使得箱体中渗流保持在某一速率上，进而进行渗流速度控制下的接触冲刷试验；

3、试验砂箱底部的升降装置采用低位千斤顶和高位千斤顶，调节低位千斤顶和高位千斤顶，可进行不同流动方向下的接触冲刷试验；

4、挡砂板采用竖向卡槽固定，挡砂板拆卸和安装比较方便，通过更换不同尺寸网孔的挡砂板，可以进行不同粒径分布的砂土接触冲刷试验；

5、试验砂箱中可填充砂土之外的其他试样，例如土石混合体、矿石、垃圾土等，从而进行不同试样中的接触冲刷试验；

6、试验砂箱外壁为透明有机玻璃，从而可以观测试验砂箱内试验过程，试验过程可以进行动态观测；

7、上游水箱和下游水箱中可以灌入多种液体，例如去离子水、含盐溶液（氯化钠、氯化镁等）、含碱液（氢氧化钠、氢氧化钙等）、含酸液（碳酸、盐酸）等，从而进行不同液体环境下的接触冲刷试验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明试验砂箱结构图；

图3为本发明挡砂板结构图。

图中：上游水箱1、升降台2、上游水箱出水管3、上游水箱阀门4、上游软管5、流量计6、左侧水管7、试验砂箱8、竖向卡槽9、挡砂板10、左侧挡板11、右侧挡板12、活动平板13、水平支撑板14、低位千斤顶15、高位千斤顶16、砂箱右侧水管17、下游软管18、下游水箱进水管19、下游水箱阀门20、下游水箱21、第一砂土层22、第二砂土层23、网孔24。

具体实施方式

优选的方案如图1至图3所示，一种接触冲刷试验装置及试验方法，包括供水装置、排水装置、试验砂箱装置和测量装置，供水装置通过水管与试验砂箱装置连接，供水装置与试验砂箱装置之间的水管设有测量装置，试验砂箱装置通过水管与排水装置连接；

试验砂箱装置包括试验砂箱8，试验砂箱8放置在活动平板13上；试验砂箱8两侧相对的内壁处设有挡砂板10，挡砂板10上设有若干网孔24，试验砂箱8内且位于两挡砂板10之间的空间用于填充试样砂土；活动平板13通过升降装置固定在水平支撑板14上。

进一步地，供水装置包括上游水箱1，上游水箱1底部设有升降台2，升降台2为剪叉升降装置，上游水箱1下部设有上游水箱出水管3，上游水箱出水管3与上游软管5连接，上游水箱出水管3上设有上游水箱阀门4；

上游软管5与砂箱左侧水管7连接，上游软管5上设有测量装置，砂箱左侧水管7与试验砂箱8连接；试验砂箱8外壁为透明有机玻璃；

上游水箱1放置于升降台2上，上游水箱1中水位可根据需要进行调节，升降台2也可根据需要调节高度，从而形成不同的水力梯度。

进一步地，排水装置包括下游水箱21，下游水箱21下部设有下游水箱进水管19，下游水箱进水管19与下游软管18连接；

下游软管18与砂箱右侧水管17连接，砂箱右侧水管17与试验砂箱8连接。

进一步地，所述的测量装置为流量计6，一般选用电磁流量计，具体型号可以根据试验需求选取。

进一步地，试验砂箱8内的挡砂板10通过竖向卡槽9固定，挡砂板10插入至竖向卡槽9内，竖向卡槽9固定在试验砂箱8内壁上。

进一步地，试验砂箱8两侧分别设有左侧挡板11和右侧挡板12，试验砂箱8通过左侧挡板11和右侧挡板12固定在活动平板13上。

进一步地，升降装置包括低位千斤顶15和高位千斤顶16，低位千斤顶15和高位千斤顶16将试验砂箱8固定在水平支撑板14上；

活动平板13与水平支撑板14之间通过低位千斤顶15和高位千斤顶16连接，通过调节低位千斤顶15和高位千斤顶16可使活动平板13成为不同的倾角。

进一步地，试样砂土包括第一砂土层22和第二砂土层23，第一砂土层22填充在试验砂箱8下部，第二砂土层23填充在试验砂箱8上部；

挡砂板10上布满了网孔24，网孔24尺寸需根据第一砂土层22和第二砂土层23定制，且网孔24尺寸应小于第一砂土层22和第二砂土层23的最小颗粒尺寸，从而实现通水不通砂的目的；

第一砂土层22和第二砂土层23具有不同的粒径尺寸分布，第一砂土层22和第二砂土层23具有不同的颜色，通常可采用不同颜色的石英砂来进行试验，例如常见的白色石英砂、红色石英砂及蓝色石英砂等；其中白色石英砂一般为天然石英砂提纯制备，红色和蓝色石英砂通常为人工染色；

第一砂土层22和第二砂土层23除了可以采用不同颜色的石英砂，也可以采用其他材料，例如土石混合体、矿石、垃圾土等。

进一步地，砂箱左侧水管7和砂箱右侧水管17分别安装在两个挡砂板10所在的试验砂箱8外壁处，且砂箱左侧水管7和砂箱右侧水管17安装高度位于第一砂土层22和第二砂土层23交界的平面处。

一种接触冲刷试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤一，关闭上游水箱阀门4和下游水箱阀门20，通过调节上游水箱1和下游水箱21的水位及升降台2的高度，使上下游水位差满足试验要求；使试验砂箱8两侧水力梯度满足试验要求；具体原理如下:

以地面为基准面,假设上游水箱1水位高度为h1，砂箱左侧水管7高度为h2，砂箱右侧水管17高度为h3，下游水箱21水位高度为h4，砂箱左侧水管7与砂箱右侧水管17间距为l，则试验砂箱8两端水头差为（h1-h2）-（h4-h3），即h1-h2+h3-h4，水力梯度为(h1-h2+h3-h4)/l；

若进行水平渗流条件下的接触冲刷试验，此时需使得水力梯度(h1-h4)/l达到需模拟的数值；若进行其他渗流方向下的接触冲刷试验，水力梯度尚需在步骤六中进行调节；

步骤二，通过调节低位千斤顶15和高位千斤顶16，使活动平板13保持水平，随后将挡砂板10插入竖向卡槽9中；

步骤三，在试验砂箱8中逐层填入第一砂土层22，装填的时候按照一遍砂一遍土的顺序装填，使水面始终保持在第一砂土层22表面以上1-2cm，从而避免第一砂土层22中含有气泡；

步骤四，第一砂土层22装填至砂箱中部，即砂箱左侧水管7和砂箱右侧水管17连线附近时停止装填，将第一砂土层22表面抹平；

步骤五，随后装填第二砂土层23，第二砂土层23的装填方法与第一砂土层22的装填方法一致；第二砂土层23一直装填至接近试验砂箱8顶部位置为止；

步骤六，若进行非水平渗流方向下的接触冲刷试验，需通过调节低位千斤顶15和高位千斤顶16，使活动平板13发生倾斜，并达到试验所需的角度，通过调节上游水箱1和下游水箱21的水位及升降台2的高度，使得水力梯度(h1-h2+h3-h4)/l满足试验需求；

步骤七，打开上游水箱阀门4和下游水箱阀门20，开始进行试验，试验中通过流量计6记录流量和流速变化，并实时记录流量和流速，记录频率根据试验需求确定，一般不应低于1次/分钟，并观测第一砂土层22和第二砂土层23界面处的接触冲刷现象。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。