粗粒土垂直渗透变形试验仪及实验方法与流程

[0001]
本发明涉及水利水电建设技术领域，具体的说是一种测定粗粒土在高水头压力下渗透稳定性的粗粒土垂直渗透变形试验仪和粗粒土垂直渗透变形试验方法。


背景技术：

[0002]
高土石坝筑坝技术近年来在我国快速发展，目前最高坝高已经达到三百米级。我国在这方面已经走在世界的最前沿，掌握了最先进的技术和经验。随着高土石坝技术的发展，大坝安全成为业内关注的焦点问题。坝体渗透变形成为坝体结构安全的重要影响因素。为此水利部2018年将渗透临界坡降列为岩土甲级资质必备参数。因此粗粒土渗透变形试验成为高土石坝筑坝技术中重要的一项试验，为大坝安全评估提供直接的参数。
[0003]
当前国内还没有通过技术鉴定的制式粗粒土渗透变形试验仪。仅《土工试验规程》(gb/t 50123-2019)中给出了粗颗粒土的渗透及渗透变形试验方法与试验装置，各相关科研机构各自制作满足自己特定需求的试验测试模型。这些装置适用的量测范围小、设计粗糙、体积大集成度小，专业性强易用性差，所以研发一整套成熟完善的仪器设备成为迫切的任务。


技术实现要素：

[0004]
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种适用于高水头压力的用于粗粒土垂直渗透变形试验的常水头提供装置，以及包括该常水头提供装置的粗粒土垂直渗透变形试验仪。本发明通过增设与水箱液体连通的溢流槽，对该体积较小的溢流槽进行升降，来达到升降较高的高度，实现高水头压力的土垂直渗透变形试验的高水压供应。
[0005]
本发明提供的用于粗粒土垂直渗透变形试验的常水头提供装置，包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；所述溢流槽与水箱液体相连通水箱。可升降的溢流槽体积小重量轻可方便提升较高的高度，能提供最高可达6.0的水力坡降，满足高水力坡降的试验要求，特别是坝高达300米级工程的试验要求。
[0006]
溢流槽在溢流槽自动提升机构控制下进行升降，可提供不同高度的水压以形成不同水力坡降。此外，溢流槽相对现有的水箱体积大幅减小，提升和下降溢流槽相对水箱变得容易很多。因此，溢流槽可以提升相对试样到更高的高度，通过本发明的常水头提供装置可以提供更高的水力坡降，比如6.0以上。
[0007]
在本发明中，水力坡降为试样地面与顶面的水头差/试样的高度。试样的高度一般为30-50厘米，本发明的溢流槽可提升的高度可以超过3米及以上，当溢流槽提高的高度达到3米时，水力坡降达到6.0。一些实施方式中，溢流槽可以提升的高度通常为0.3-3米。另一些实施方式中，溢流槽可以提升的高度可以超过5米。
[0008]
一些优选的实施方式中，溢流槽内设有竖向的水位控制板，竖向的水位控制板将溢流槽分隔为恒压区和溢流区，恒压区和溢流区顶部液体相连通。通过溢流区的设置除了
能够保证恒压区的水压稳定，也保证了高水头供水的水压稳定性。也为了适应不同高度水头情况下，供水泵供水调整的不及时产生多余的水量，降低对供水泵调整供水功率的精度需求。
[0009]
一些优选的实施方式中，恒压区设有进水口和出水口；溢流区设有溢流口。
[0010]
一些优选的实施方式中，水箱通过供水软管连接供水泵后与恒压区进水口连接；出水口连接水圧管。
[0011]
一些优选的实施方式中，溢流口连接溢流管，所述溢流管另一端与水箱连接。
[0012]
一些优选的实施方式中，溢流槽自动提升机构包括程控电机、导向齿轮、导向绳和支架；溢流槽通过托架和连接块连接在支架上，连接块固定在导向绳上。溢流槽通过托架和连接块与溢流槽自动提升机构的导向绳固定连接实现升降。
[0013]
一些优选的实施方式中，溢流槽提升结构还包括与程控电机电路连接的智能控制模块和数显屏幕。一些实施例中，智能控制模块和数显屏幕可以集成在程控电机上。
[0014]
另一方面，本发明还提供一种粗粒土垂直渗透变形试验仪，包括常水头提供装置、测压管、试样容器和流量测定装置，常水头提供装置分别与试样容器和测压管连接，流量测定装置与试样容器连接；其中，常水头提供装置包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；所述溢流槽与水箱液体相连通。该粗粒土垂直渗透变形试验仪能够进行高水力坡降的粗粒土垂直渗透试验。
[0015]
一些优选的实施方式中，溢流槽内设有竖向隔板，竖向隔板将溢流槽分隔为恒压区和溢流区，恒压区和溢流区顶部液体相连通。
[0016]
一些优选的实施方式中，恒压区设有进水口和出水口；溢流区设有溢流口；水箱通过供水软管连接供水泵后与恒压区进水口连接；溢流口连接溢流管，所述溢流管另一端与水箱连接。
[0017]
一些优选的实施方式中，溢流槽自动提升机构包括程控电机、导向齿轮、导向绳和支架；溢流槽通过托架和连接块连接在支架上，连接块固定在导向绳上；还包括与程控电机电路连接的智能控制模块和数显屏幕。
[0018]
一些优选的实施方式中，试样容器包括试样筒、下透水板、上透水板、斜透水板以及位于试样筒底部的透明漏斗与集砂器。
[0019]
一些优选的实施方式中，试样筒底部设有试样筒进水口，进水口连接水压管；试样筒顶部设有试样筒溢流孔，试样筒溢流孔的内腔设置为方形结构；试样筒侧壁还设有三个的测压孔，每个测压孔通过导线连接一个测压管，三个测压孔分别位于试样筒顶部、中部和底部；在试样筒上还设有排气孔。
[0020]
试样筒的溢流孔设计成内方外圆结构，可快速排泄渗透水流，防止水流擁高的情况发生。有效的防止了水位升高时溢流孔排水不畅，保证试样筒上表面水位恒定。
[0021]
一些实施方式中，测压孔可以设置三个以上，比如，四个、五个、六个等等，这些测压孔均匀排列在试样筒侧壁的竖向上，用于测量试样筒不同高度的试样水压。
[0022]
一些优选的实施方式中，流量测定装置包括集水瓶、流量计和连接管，集水瓶顶部通过连接管与试样筒溢流孔连接，集水瓶底部通过连接管与流量计连接。
[0023]
本发明还提供一种粗粒土垂直渗透变形试验方法，其中，提供本发明的粗粒土垂
直渗透变形试验仪，其具体步骤如下：
[0024]
1.粗粒土垂直渗透变形试验仪检校；
[0025]
2.粗粒土垂直渗透变形指标的测定；
[0026]
3.按《土工试验规程》gb/t 50123-2019规定进行计算整理资料。
[0027]
其中，步骤1中包括：
[0028]
①
按试验要求组装好粗粒土垂直渗透变形试验仪全部组件，开机通电，按屏幕试样饱和按钮，溢流槽自动提升至试样容器顶部以上20cm高度停止，同时供水泵开始工作，水由水箱进入溢流槽，待溢流槽内超过水位控制板高度的水通过溢流口回流到水箱进行新的循环时，打开进水口的阀门和排气孔阀门，对试样容器充水排气，让试样容器内充满水，排除管路中的全部气体后关闭排气孔阀门，检查试样容器不漏水即可；
[0029]
②
测读测压管读数，核验水头差，并确认溢流槽水头与测压管的压差；校准流量计读数，测定流量计读数误差值以确定流量计校准值；
[0030]
步骤2中包括：
[0031]
①
在试样容器中先固定好下透水板，铺设孔径3mm的透水网于下透水板上及试样筒侧壁，将配制成最优含水率的粗粒土试样分层装入试样筒，并分层击实达到预定干密度，最后在试样顶部铺设透水网并放置上透水板；
[0032]
②
打开进水口及排气孔阀门，启动溢流槽自动提升机构，选择水头(溢流槽)提升高度，高度设置为高出试样筒顶面20cm；溢流槽提升至该设定高度后，进行试样的饱和程序：保持溢流槽的水持续流入到试样筒中，待排气孔无气泡排出且有稳定水流流出时，关闭排气口阀门，观察测压管水位及气泡排出情况，待试样筒的溢流孔有稳定水流排出时，可以确认整个饱和过程结束；
[0033]
③
设置水力坡降数值，换算成溢流槽提升高度，使溢流槽提升至设定的高度后开始试验：观察测压管读数，核对水力坡降实际值与设置值偏差，观察流量计读数，当流量计读数趋于稳定时读取数值，间隔10分钟再次读数，连续三次读数偏差不大于5％时，可停止本级水力坡降试验；重新设置下一级水力坡降值进行试验，水力坡降值可选范围0.1～6.0；
[0034]
④
不断提高水力坡降值进行渗透试验，直至土样出现细颗粒跳动、冒气泡、颗粒移动、土体悬浮、透明漏斗中水流变浑浊、渗流量及测压管水位急剧变化情况，及时记录数据后结束试验。
[0035]
有益效果
[0036]
本发明的常水头提供装置及粗粒土垂直渗透变形试验仪通过设计单独的可提升的溢流槽，使溢流槽与水箱分离，并采用溢流槽和水箱之间循环水流设计，结合小巧的溢流槽用于被提升来提供高水压，实现高水力坡降，大大减小了设备的体积以及运行的能耗。避免了为得到较高的水头差，必须将水箱提升到较高位置，因此需要大功率动力装置且处于高位的水箱降低了试验装置的稳定性；提高渗透水力坡降控制范围，水力坡降可达6.0及以上。并且，粗粒土垂直渗透变形试验仪设置了渗流收集器，将断续水流转换成稳定水流，以利于自动流量计的采样和测量，解决了渗流量自动精准测量的难题。本发明的试验仪重量小、集成度高，试样安装简便省力试验效率高。
附图说明
[0037]
图1为粗粒土垂直渗透变形试验仪的结构示意图。
[0038]
图2为试样筒溢流孔的结构平面示意图。
[0039]
图3为常水头提供装置的结构示意图。
[0040]
图4为常水头提供装置的电气连接图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明，但本发明不限于实施例。
[0042]
如图1所示，本发明的粗粒土垂直渗透变形仪包括四部分：常水头提供装置、测压管系统、试样容器及流量测定装置。常水头提供装置用于提供高水头压力水，测压管系统用于测压，试样容器用于试样的实验，流量测定装置用于量测水的流量。这四个部分的功能结构相对独立，通过管路及阀门连接形成一个整体完成整个试验过程。
[0043]
其中，如图3所示，常水头提供装置包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构等部件；溢流槽与溢流槽提升结构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；溢流槽与水箱液体相连通。溢流槽(20)通过托架(65)和连接块(64)与溢流槽自动提升机构(26)的支架(63)滑动连接以及与导向绳(62)固定连接实现升降。溢流槽(20)通过供水管(23)与底部固定不动的水箱(25)连接，由供水泵(24)供水。溢流槽20内设有竖向的水位控制板，竖向的水位控制板将溢流槽20分隔为恒压区(202)和溢流区(201)，恒压区和溢流区顶部液体相连通。一个具体的实施例中，水位控制板不延伸至溢流槽顶部，水位控制板与溢流槽顶部之间的空隙用于水的溢流。另一些实施例中，水位控制板延伸至溢流槽顶部，将恒压区202和溢流区201分隔为液体不连通的两个区域，在水位控制板的顶部设有通孔，恒压区的水通过通孔流入溢流区。溢流槽恒压区底部设有出水口，该出水口与水压管(22)连接，水压管(22)另一端同试样容器底部的进水孔(15)连接。溢流槽恒压区上部设有进水口，该进水口与供水管连接，供水管与位于水箱内的供水泵连接，通过供水泵和供水管将水箱内的水运送至溢流槽的恒压区。溢流区底部设有溢流口，该溢流口连接溢流管(21)，溢出的水经溢流管(21)返回水箱。通过水压管(22)，溢流槽将水头压力提供给试样容器，并作用于试样(30)。
[0044]
溢流槽自动提升机构(26)包括程控电机(55)、导向齿轮(61)、导向绳(62)和支架(63)，其中，如图3所示，支架的顶部和底部各设有一个导向齿轮，两个导向齿轮间绕接有用于传动的导向绳，在导向绳上固定有连接块(64)，该连接块套接在支架上，当导向绳在导向齿轮的带动下上下运动时，带动连接块在支架上上下滑动。溢流槽通过托架(65)与连接块固定连接，从而在连接块上下滑动时，溢流槽也上下移动，从而可以提升或下降溢流槽的高度，提供合适的水压。导向齿轮与程控电机电路连接，由程控电机控制导向齿轮的正向转动或反向转动，使与导向齿轮连接的导向绳上行或下行。如图4所示，程控电机(55)通过驱动器(56)与智能控制模块(57)，数显屏幕(58)电路连接，其中，智能控制模块电源(51)与智能控制模块连接供电，驱动器电源(52)与驱动器连接供电，以及通过溢流槽下降开关(53)和溢流槽上升开关(54)来进行操作控制，从而通过屏幕菜单按钮可以进行水头升降高度、试样饱和、渗透试验启动、停止等功能。智能模块接收到屏幕菜单的操作指令后通过程控电机及供水泵来实现各种功能。更为具体的，智能控制模块(57)和数显屏幕(58)可以集成在程控电机(55)上。
[0045]
所述的试样容器包括：试样筒(6)作为试样盛装容器，主要盛装粗粒土试样(30)，承受制样过程中的冲击力并在整个试验过程中起到饱和容器和渗透容器的作用。下透水板(7)位于试样筒下部，承受样品的重量并使试样同仪器其它部分隔离。上透水板(5)位于试样筒顶部，与试样上表面紧密接触起到隔离试样作用，并可承受垂直荷载作用于试样，用于测试土体在垂直荷载作用下的渗透变形参数。斜透水板(8)位于试样筒内的下部，其呈一定倾角的位于下透水板下方，坡度为1：1，用于排除水中含气。在试样筒的侧壁上还设有三个或级以上的测压孔，测压孔位于上透水板和下透水板之间，在斜透水板的下部的进样筒侧壁上设有排气孔(14)。排气孔(14)为二通阀门，进行试样饱和前打开阀门，排除试样容器中的气体。排气结束后关闭阀门进行试样饱和。在试样筒的底部侧壁设有试样筒进水口(15)，进水口(15)与溢流槽连接，接收来自溢流槽的水流及水头压力并作用于试样形成渗透水流和水力坡降。透明有机玻璃漏斗(9)底部安装集砂器(10)，集砂器(10)收集试验过程中从试样中逸出的砂粒，透明有机玻璃漏斗(9)用来观察渗透过程中水流混浊状况以判断渗透变形是否达到临界状态。溢流孔(1)为内方外圆结构，如图2所示，外壁(111)为圆形结构，方便与连接管连接，内壁(112)为方形结构，使溢流孔内部不易形成表面张力，阻止水的流动，用于溢流水快速排出。集砂器(10)与透明有机玻璃漏斗(9)之间及透明有机玻璃漏斗(9)与试样筒(6)之间均采用橡胶密封圈进行密封。
[0046]
测压管主要测量溢流槽提供的水压力及试样容器各部位的水压力，监测水位变化情况。测压管材质为钢化玻璃并刻记刻度，可以准确测量与之连接部位的水位高度。测压管包括：测压管(16)与试样容器的测压孔(11)连接，测量水压力经过试样后的水压。测压管(17)与试样容器的测压孔(12)连接，测量水压力经过二分之一试样高度后的水压。测压管(18)与试样容器的测压孔(13)连接，测量试样底部的水压。测压管(19)与常水头提供装置的水压管(22)连接，显示常水头提供装置提供的水头压力。
[0047]
流量测定装置包括：溢流孔(1)与集水瓶(2)连接，将渗透过程产生的溢流水排出到集水瓶(2)，集水瓶(2)将断续排出的溢流水转换成稳定的水流经流量计(3)排到水槽(4)中。集水瓶(2)的设计提高了流量测定的准确性。具体的，集水瓶通过连接管(27)与水槽连通，并且，流量计安装在连接管上。此外，在连接管(27)上还可以设有阀门，用于控制集水瓶与水槽的液体流动。水槽(4)设计刻度线，可以测定某时间段内流量，同流量计(3)读数比较可校核流量的测定的准确性，以提高流量测定的精密度。一些实施例中，集水瓶底部设置为倒锥形结构。在开始流量测试前，先关闭连接管上的阀门，使试样容器溢流孔流出的水先流动到集水瓶中，待集水瓶中的水积到一定的量，比如到集水瓶容积的一半，再打开阀门进行流量测试，这样，能够保证检测的水流为连续的水流，保证流量检测的准确性。
[0048]
利用本发明粗粒土垂直渗透变形试验仪进行粗粒土垂直渗透变形试验的步骤如下：
[0049]
1.粗粒土垂直渗透变形试验仪检校
[0050]
①
按试验要求组装好粗粒土垂直渗透变形试验仪全部组件，开机通电，按屏幕试样饱和按钮进行试样饱和，溢流槽(20)自动提升至试样容器顶部以上20cm高度停止，同时供水泵(24)开始工作，水由水箱(25)进入溢流槽(20)，溢流槽(20)内超过水位控制板高度的水回流到水箱进行新的循环；打开进水孔(15)的阀门和排气孔(14)阀门，对试样容器充水排气，让渗流容器内充满水，排除管路中的全部气体后关闭排气孔阀门，检查试样容器不
漏水即可；
[0051]
②
测读测压管(16)、测压管(17)、测压管(18)、测压管(19)读数，核验水头差，并确认溢流槽(20)水头与测压管(19)的压差；校准流量计读数，测定流量计读数误差值以确定流量计校准值。
[0052]
2.粗粒土垂直渗透变形指标的测定
[0053]
①
在试样容器内固定好下透水板(7)，铺设孔径3mm的透水网于下透水板上及试样筒侧壁，将配制成最优含水率的粗粒土试样分层装入试样筒，并分层击实达到预定干密度，最后在试样顶部铺设透水网并放置上透水板(5)；
[0054]
②
打开进水孔(15)及排气孔(14)阀门，启动溢流槽自动提升机构(26)，选择水头提升高度(也即溢流槽提升高度)，高度设置为高出试样筒(6)顶面20cm；溢流槽(20)自动提升至设定高度后，进行试样的饱和程序；保持溢流槽的水持续流入到试样筒中，待排气孔(14)无气泡排出且有稳定水流流出时，关闭排气口阀门；观察测压管水位及气泡排出情况；待溢流孔(1)有稳定水流排出时，可以确认整个饱和过程结束。
[0055]
③
设置水力坡降数值，换算成溢流槽提升高度，使溢流槽提升至设定的高度后开始试验：观察测压管读数，核对水力坡降实际值与设置值偏差。观察流量计读数，当流量计读数趋于稳定时读取数值，间隔10分钟再次读数，连续三次读数偏差不大于5％时，可停止本级水力坡降试验，重新设置下一级水力坡降值进行试验，水力坡降值可选范围0.1～6.0。
[0056]
④
不断提高水力坡降值进行渗透试验，直至土样出现细颗粒跳动、冒气泡、颗粒移动、土体悬浮、水流变浑浊、渗流量及测压管水位急剧变化情况，及时记录数据后结束试验。
[0057]
3.按《土工试验规程》gb/t 50123-2019规定进行计算整理资料。