可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法与流程

本申请属于土体接触冲刷试验模拟技术领域，涉及一种运用于可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，通过设定试样所受上覆压力、调节试样两端的水头差来模拟接触冲刷，利用监测设备观察记录接触冲刷的发生与演变过程，研究不同粗细粒径比与不同上覆压力作用下接触冲刷的产生与发展过程，揭示特定水力条件下土层界面处的渗蚀机理。

背景技术：

我国很多地区的地层以砂土为主，抗渗蚀力较弱，在雨滴击溅和地下水侵蚀的作用下容易发生水土流失。接触冲刷是指渗流沿着两种渗透系数差别很大的地层界面运动时，细颗粒被带走的现象，与管涌、流土、接触流土共同构成了四种工程中十分常见的典型渗透破坏类型。接触冲刷通常在土体内部土层界面处产生，逐渐发展可至土层表面，其破坏往往具有很强的隐蔽性，地表出现破坏现象时，地层内部的破坏已十分严重，再进行减灾措施为时已晚。该问题在实际工程中不容忽视，已经得到学者与工程师的广泛关注。

目前对于接触冲刷方面的研究大都采用有限元数值模拟，但上述方法不能很好地考虑水-土的相互作用，所建立的数值计算模型与实际情况存在偏差，无法全面解释接触冲刷的发生发展机理。且由于接触冲刷发生在土体内部，现场试验的可操作性不强，无法直接探究其内部破坏与灾变过程的作用机理。使得实际工程在施工和后期维护过程中面临巨大的安全威胁。

技术实现要素：

本申请的目的在于，提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置及试验方法，以克服目前试验研究手段中颗粒流失率计算精度不高、接触冲刷现象较难观测等缺陷；同时本申请装置结构清晰，操作性强，能反映土体在不同上覆压力下接触冲刷的发生和演变规律。

本申请的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，包括压力室、试样盒、试样加压设备、试样加压通道、入口端流量计、试样加压通道阀门、入口端压力传感器、压力室加压设备、压力室加压通道阀门、变频水泵、冲刷出口通道、冲刷出口通道阀门、出口端流量计、出口端压力传感器、图像采集设备；

试样盒可拆卸地安装在压力室内；试样盒中可拆卸地设置两个带滤网的多孔隔板，两个多孔隔板将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒入口端处的多孔隔板上设置有滤网；试样盒出口端处的试样盒侧壁上设置有滤网。

试样盒装样部用以盛放试样，且其顶部通过橡胶膜密封；试样包括粗颗粒和细颗粒，细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上，且粗颗粒的粒径小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板的孔径，细颗粒的粒径大于滤网的孔径并小于多孔隔板的孔径；试样盒入口端处的滤网覆盖整个多孔隔板，以防止细颗粒从试验盒入口端流失；试样盒出口端处的滤网仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板，细颗粒仅可通过粗颗粒间隙从试验盒出口端处的多孔隔板中被冲出；

试样盒入口端的顶部安装有入口端压力传感器，试样盒出口端的顶部安装有出口端压力传感器；试样盒入口端通过试样加压通道与压力室外的试样加压设备连通，试样加压通道上安装有入口端流量计和试样加压通道阀门；试样盒出口端通过冲刷出口通道与压力室外的变频水泵连接，冲刷出口通道上安装有冲刷出口通道阀门和出口端流量计；

压力室顶部安装有顶盖阀和排气阀，压力室通过压力室加压通道与压力室外的压力室加压设备连通，压力室加压通道上安装有压力室加压通道阀门；

压力室侧壁为透明的，图像采集设备设置在压力室侧壁外，其包括粒子图像测速装置、高速摄像机，粒子图像测速装置用以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度，高速摄像机用以记录试验现象。

进一步，压力室包括底座、顶盖、压力室螺栓、压力室侧壁；

顶盖上安装顶盖阀和排气阀，顶盖下方安装压力室侧壁，顶盖通过压力室螺栓与底座连接；

底座为凸台结构，凸台结构的中央为试样盒承台，凸台结构的外缘依次连接压力室侧壁和压力室螺栓；压力室侧壁与凸台结构的连接处设置有橡胶垫片，橡胶垫片内嵌在凸台结构中。

进一步，试样盒包括试样盒侧壁、连接板；

试样盒侧壁安装在连接板上，且试样盒侧壁与连接板之间设置有止水橡胶；连接板可拆卸地安装在底座上。

进一步，两个多孔隔板可拆卸地设置在试样盒侧壁中，且两个多孔隔板的上部内侧各自粘贴一块覆膜隔板，两块覆膜隔板之间设置橡胶膜，橡胶膜粘贴在两块覆膜隔板及试样盒侧壁的内侧。

进一步，试样加压通道、压力室加压通道、冲刷出口通道均穿设在底座中。

进一步，粗颗粒采用透明的大直径塑料颗粒，细颗粒采用有色的小直径塑料颗粒。

进一步，还包括处理器；

处理器分别与入口端压力传感器、出口端压力传感器，用以监测试验过程中试样盒入口端及试样盒出口端的水压力并计算前述两端的水头差；

处理器还与试样加压设备连接，用以调节试样加压设备使前述两端的水头差达到试验设计的要求。

进一步，处理器还分别与粒子图像测速装置、高速摄像机连接，用以采集图像以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度及记录接触冲刷发展全过程。

本申请还提供一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验方法，包括：

步骤1：关闭压力室加压通道阀门，打开顶盖阀和排气阀，通过顶盖阀向压力室注水至水从排气阀溢出；

步骤2：关闭顶盖阀和排气阀，打开压力室加压通道阀门，调节压力室加压设备对试样施加上覆压力至预定值；加压过程中，如果发现气泡，应停止加压，打开排气阀，排出气泡后继续；

步骤3：打开试样加压通道阀门，关闭冲刷出口通道阀门，使水充满整个试样盒；

步骤4：在冲刷试验前，启动粒子图像测速装置与高速摄像机；

步骤5：打开冲刷出口通道阀门，保持试样加压设备加载水头恒定，打开变频水泵，调节试样加压设备加载水头与变频水泵的功率，保证试验过程中试样加压通道、冲刷出口通道及试样盒内被水充满；

步骤6：调节试样加压设备的加载水头，观察小直径塑料颗粒运移特征以及大直径塑料颗粒与小直径塑料颗粒界面状况，实时监测并记录入口端流量计、出口端流量计、入口端压力传感器和出口端压力传感器的数据；继续调节试样加压设备的加载水头，并观察接触冲刷现象的产生与发展；

步骤7：试验结束后，拆除试样加压设备、压力室加压设备和变频水泵，排出压力室内液体，打开压力室，拆下试样盒；

步骤8：倒置试样盒，拆下连接板，收集试样盒出口端被冲出来的有色的小直径塑料颗粒，并根据颗粒颜色判断流失小直径塑料颗粒原来的位置；

步骤9：将流失的小直径塑料颗粒烘干后称重，以便计算颗粒流失率。

与现有技术相比，本申请的有益效果在于：

通过本申请提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验模拟装置，能够对可变上覆压力下不同粗细粒径比土层接触冲刷的发生条件和演变规律进行试验模拟，反映颗粒运移特征和渗蚀演变过程，且在实验室内定性模拟不同粒径比的土颗粒接触冲刷过程，能细观地观测颗粒在不同上覆压力及水头压力条件下的渗蚀破坏机制；而且，本申请的仪器设备构造简单，操作方便，能够快速和高效的对工程土体的工程特性进行评估，为工程的进行提供实用的参数。

附图说明

图1为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的正视图；

图2为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的俯视图；

图3为本申请实施例提供的可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置的左视图。

图中：1、底座；2、顶盖；3、压力室螺栓；4压力室侧壁；5、顶盖阀；6排气阀；7、入口端流量计；8、冲刷出口通道阀门；9、试样加压设备；10、试样加压通道；11、压力室加压通道；12、压力室加压设备；13、冲刷出口通道；14、变频水泵；15、橡胶膜；16、滤网；17、多孔隔板；18、覆膜隔板；19、试样盒侧壁；20、大粒径塑料颗粒；21、小粒径塑料颗粒；22、止水橡胶；23、连接板；24、试样室螺栓；25、连接板螺栓；26、粒子图像测速装置(piv)；27、高速摄像机；28、出口端压力传感器；29、橡胶垫片；30、试样加压通道阀门；31、压力室加压通道阀门；32、出口端流量计；33、入口端压力传感器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本申请进行详细说明。

实施例1

如图1至图3所示，一种可变上覆压力下土体接触冲刷试验装置，包括底座1、顶盖2、压力室螺栓3、压力室侧壁4、顶盖阀5、排气阀6、入口端流量计7、截止阀8、试样加压设备9、试样加压通道10、压力室加压通道11、压力室加压设备12、冲刷出口通道13、变频水泵14、橡胶膜15、滤网16、多孔隔板17、覆膜隔板18、试样盒侧壁19、大粒径塑料颗粒20、小粒径塑料颗粒21、止水橡胶22、连接板23、试样盒螺栓24、连接板螺栓25、粒子图像测速装置(piv)26、高速摄像机27、压力传感器28、橡胶垫片29、试样加压通道阀门30、压力室加压通道阀门31、出口端流量计32、入口端压力传感器33。

底座1承载着整个装置，是压力室的底板，且穿设有流体进出压力室的通道。底座1呈圆形，可由金属或橡胶材料加工制成。底座1中央是矩形的试样盒承台，试样盒承台上预设多排连接板螺栓孔，用以通过连接板螺栓25安装连接板23，不同排距的连接板螺栓孔可以通过不同尺寸的连接板23匹配安装不同尺寸的试样盒。底座1外缘内嵌有橡胶垫片29，橡胶垫片29是压力室侧壁4与底座1的接触的止水装置。底座1的最外缘开设有四个及以上的螺栓孔，用以通过压力室螺栓3与底座1连接。底座1内部穿设有三条通道，分别是试样加压通道10、压力室加压通道11、冲刷出口通道13，这三条通道通过接头分别与外部设备及试样盒或压力室连接。

顶盖2的材质与底座1一致，其通过压力室螺栓3与底座1相连。顶盖2上设有顶盖阀5和排气阀6，可通过顶盖阀5向压力室注液，可通过排气阀6排出气泡，避免压力失准。

压力室侧壁4由耐高压透明钢化玻璃制成，其下部与底座1通过橡胶垫片29紧密接触，其上部固定在顶盖2上。通过压力室侧壁4可以观察、跟踪和记录实验过程中试样盒内颗粒运移现象。

粒子图像测速装置26和高速摄像机27设置在压力室侧壁外，粒子图像测速装置26用以跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度，高速摄像机27用以记录试验现象。

试样盒包括试样盒侧壁19、止水橡胶22、连接板23、橡胶膜15、覆膜隔板18、滤网16和多孔隔板17。其中，止水橡胶22与滤网16为柔性材料，如橡胶片，塑料膜，塑料滤网等，其余均由刚性材料组成，如有机玻璃等。为了观测试验现象并保证可加工性，试样盒侧壁19采用耐压透明有机玻璃材质。

试样盒侧壁19为“回字”矩形框架，其安装在连接板23上；连接板23可拆卸地安装在底座1上，且试样盒侧壁19与连接板23之间设置止水橡胶22以保证水密性。

试样盒侧壁19的内部依次非固定安装两个带滤网16的多孔隔板17，多孔隔板17与试样盒侧壁19之间可以通过粘结在试样盒侧壁19上的插槽进行非固定连接；两个多孔隔板17将试样盒内部空间依次分隔为试样盒入口端、试样盒装样部和试样盒出口端；试样盒入口端及试样盒出口端均安装有顶板；两个多孔隔板17的上部内侧各设有一块覆膜隔板18，覆膜隔板18可以通过胶水黏贴于试样盒侧壁19的前后两内侧及试样盒入口端或试样盒出口端的顶板上；两覆膜隔板18之间设置橡胶膜15，由易变形的橡胶膜15代替刚性顶板可以便于向试样盒装样部中的试样施加可变压力，橡胶膜15的四边可以通过胶水分别与两块覆膜隔板18及试样盒侧壁19的前后两内侧粘结，以保证橡胶膜15留有较大的变形余地。

试样盒入口端处的多孔隔板17上安装有滤网16，滤网16可以通过胶粘剂黏贴于多孔隔板17，以防止细颗粒透过多孔隔板17的孔洞流出。

在本申请中，试样包括粗颗粒和细颗粒，且细颗粒填装在下，粗颗粒填装在上，以便于更容易观察试验现象及效果；粗颗粒可以采用透明的大直径塑料颗粒20，细颗粒可以采用有色的小直径塑料颗粒21，以使得细颗粒运移过程可视化。

进一步，大直径塑料颗粒20的粒径应小于试样盒装样部的尺寸并大于多孔隔板17的孔径；小直径塑料颗粒21的粒径应大于滤网16的孔径并小于多孔隔板17的孔径；同时，试样盒入口端处的滤网16覆盖整个多孔隔板17，以防止细颗粒从试验盒入口端流失；试样盒出口端处的滤网16仅覆盖细颗粒填装部分的多孔隔板17，细颗粒仅可通过粗颗粒间隙从试验盒出口端处的多孔隔板17中被冲出。

在完成装样后，设置止水橡胶22，并将连接板23与试样盒侧壁19通过试样盒螺栓24紧密连接，之后通过连接板螺栓25将连接板23与底座1可拆卸地连接。

试样盒入口端顶部安装有入口端压力传感器33，试样盒出口端顶部安装有出口端压力传感器28；试样盒入口端通过试样加压通道10与压力室外的试样加压设备9连通，试样加压通道10上安装有入口端流量计7和试样加压通道阀门30；试样盒出口端通过冲刷出口通道13与压力室外的变频水泵14连接，冲刷出口通道13上安装有冲刷出口通道阀门8和出口端流量计32。

试样加压设备9可以对试样盒中的试样进行水力加载，调节试样加压设备9的水头，使得试样入口端与出口端产生不同的水头差以探究接触冲刷机理。试样加压通道阀门30用以启动或停止水力加载，入口端流量计7用以测量试样盒入口端的水流量，入口端压力传感器33用以监测试验盒入口端的水压力。

变频水泵14用以控制调节试样盒出口端的水流量以满足更多的试验设计工况，冲刷出口通道阀门8用以控制冲刷过程的启动与停止，出口端流量计7用以测量试样盒出口端的水流量，出口端压力传感器28用以监测试样盒出口端的水压力。

压力室通过压力室加压通道11与压力室外的压力室加压设备12连通，压力室加压通道11上安装有压力室加压通道阀门31。压力室加压设备12用以通过试样盒顶部的橡胶膜15对试样施加上覆压力。压力室加压通道阀门31用以控制上覆加压的启动与停止。

进一步，本申请还可以包括处理器；处理器分别与入口端压力传感器33、出口端压力传感器28，用以监测试验过程中试样盒入口端及试样盒出口端的水压力并计算前述两端的水头差；处理器还与试样加压设备9连接，用以调节试样加压设备9使前述两端的水头差达到试验设计的要求。处理器还分别与粒子图像测速装置26、高速摄像机27连接，用以实时跟踪和测量接触冲刷发生后流场中粒子移动速度及记录接触冲刷发展全过程。

本申请装置的安装及装样过程如下：

1)将橡胶膜15黏贴于试样盒侧壁19和覆膜隔板18上，并确保紧密粘合；

2)将入口端压力传感器33与出口端压力传感器28分别安装于试样两侧的试样盒入口端与试样盒出口端的顶部上；

3)将滤网16黏贴于试样盒入口端的多孔隔板17上；

4)倒置试样盒，橡胶膜15一侧朝下，将多孔隔板17通过粘结在试样盒侧壁19上的卡条与试样盒进行非固定连接；

5)透明的大直径塑料颗粒20称重，分层装样；

6)有色的小直径塑料颗粒21称重，并按照不同颜色，分块装样，上下分层，左右分条，外观上为一定尺寸的矩形色块；

7)加止水橡胶22，并将试样盒侧壁19与连接板23通过试样盒螺栓24紧密连接；

8)正置试样盒，拧紧连接板螺栓25，将试样盒固定在底座1上；

9)对齐压力室侧壁4与橡胶垫片29，拧紧压力室螺栓3；

10)将试样加压通道10、压力室加压通道11、冲刷出口通道13穿过底座1内部，并分别与外部设备及试样盒或压力室连接；

11)架设粒子图像测速装置26与高速摄像机27，至此装置的安装及装样完毕。

进一步，本申请试验方法如下：

步骤1：关闭压力室加压通道阀门31，打开顶盖阀5和排气阀6，通过顶盖阀5向压力室注水至水从排气阀6溢出；

步骤2：关闭顶盖阀5和排气阀6，打开压力室加压通道阀门31，调节压力室加压设备12对试样施加上覆压力至预定值；加压过程中，如果发现气泡，应停止加压，打开排气阀6，排出气泡后继续；

步骤3：打开试样加压通道阀门30，关闭冲刷出口通道阀门8，使水充满整个试样盒；

步骤4：在冲刷试验前，启动粒子图像测速装置26与高速摄像机27；

步骤5：打开冲刷出口通道阀门8，保持试样加压设备9的加载水头恒定，打开变频水泵14，调节试样加载设备9的加载水头与变频水泵14的功率，保证试验过程中试样加压通道10、冲刷出口通道13和试样盒内被水充满；

步骤6：调节试样加压设备9的加载水头，观察小直径塑料颗粒21运移特征以及大直径塑料颗粒20与小直径塑料颗粒21界面状况，实时监测并记录入口端流量计7、出口端流量计32、入口端压力传感器和出口端压力传感器28的数据；继续调节试样加压设备9的加载水头，并观察接触冲刷现象的产生与发展；

步骤7：试验结束后，拆除试样加压设备9、压力室加压设备12和变频水泵14，排出压力室内液体，打开压力室，拆下试样盒；

步骤8：倒置试样盒，拆下连接板，收集试样盒出口端被冲出来的有色的小直径塑料颗粒21，并根据颗粒颜色判断流失小直径塑料颗粒21原来的位置；

步骤9：将流失的小直径塑料颗粒21烘干后称重，以便计算颗粒流失率。

综上可知，通过本申请提供的技术方案可以得到特定粗细颗粒粒径比下接触冲刷发生的临界水力梯度和细观特征。调整粗细颗粒粒径比重复上述试验步骤可以得到一系列粒径比与对应临界水力梯度值，有助于定量研究接触冲刷发生机理。而且，通过改变压力室的压力值使得试样承受不同的上覆压力，还可模拟不同地层深度处的接触冲刷。通过不同上覆压力下一系列粒径比土层接触冲刷的模拟试验，可以得出上覆压力和粒径比对接触冲刷发生临界水力梯度的影响，记录试样在接触冲刷作用下的颗粒运移特征和渗蚀演变过程，可观测和记录试样内部渗蚀发展与试样表面变形。

上述描述仅是对本申请较佳实施例的描述，并非是对本申请范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本申请技术方案保护的范围。