专利名称：管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置及方法
技术领域：
本发明涉及土工参数室内测试技术领域，特别涉及一种岩土工程中的一种无粘性土管涌临界水力梯度与颗粒流失规律的室内试验联合测定方法及测定装置。
背景技术：
管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象，是引起的堤防破坏而导致洪灾的主要原因。管涌主要发生的无粘性土中，是渗透破坏的一种重要形式。每年世界各地都有大量因管涌造成大坝破坏的事故发生，严重威胁人民生命财产安全，因此管涌的防治与预警是关乎民生的重要问题。掌握管涌发生的判别条件是进行管涌防治与预警的首要问题。管涌的发生判别一般采用的临界水力梯度法，国内外研究与工程人员进行了大量的研究，开展了一系列的管涌模型试验，探索了不同土体中管涌发生的临界水力梯度，已逐渐掌握了土体临界水力梯度确定的试验确定方法。在管涌的防治与预警中，不仅要需要掌握管涌在何种条件下会发生，还需要对管涌的发展速度等进行评估，通过理论分析、经验判断以及数值模拟的手段，对管涌的发生发展进行预测与预警。其中必然涉及的问题就是利用何种指标评判一种土体在某种条件下管涌发展速度，从而实现管涌发展程度的预测。随着人们对管涌发生发展规律及机理认识的加深，发现管涌过程中颗粒的流失率是管涌发展速度的控制参数。颗粒流失率指管涌过程中一定水力梯度条件下颗粒的流失量与时间的比值，表示的是管涌过程中颗粒流失的快慢。然而目前，管涌的室内试验测试方法仅对管涌临界条件的确定研究较多，仅通过临界水力梯度无法获得表征管涌发展速度的相关参数，同时尚未形成成熟的管涌土体颗粒流失率测定技术。
发明内容
有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种土体管涌临界水力梯度与颗粒流失规律的联合测定装置及方法。本测定方法通过室内模型试验进行管涌发生临界水力梯度和管涌发展过程中的颗粒流失率的联合测定，在试验中采用不同的土体颗粒组成以及土体初始孔隙率进行试验，确定管涌临界水力梯度以及颗粒流失规律与土体颗粒组成和土体初始孔隙率之间的关系。本发明的目的之一是提出一种管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置；本发明的目的之二是提出一种管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法。本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，包括容纳试样的模型筒、砂水收集盒、下游集水箱和数据采集系统；所述模型筒装入根据设定的土体颗粒配制测试所需要的土体，并产生发生管涌破坏时的涌出水与土颗粒；所述砂水收集盒，用于收集从模型筒涌出的水与土颗粒；所述下游集水箱，用于将收集的涌出水与土颗粒分离开；所述数据采集系统，用于获取模型筒压力变化值、下游集水箱的流量值和涌出土颗粒的重量值。进一步，所述模型筒包括入水口、缓冲区和设置于模型筒侧壁的至少一个孔隙水压力传感器；所述入水口设置于模型筒底部，所述入水口用于提供上游渗流驱动水头；所述缓冲区设置于模型筒内底部；所述模型筒内的缓冲区与试样之间设置隔砂透水板，所述隔砂透水板上放置试样；所述孔隙水压力传感器与数据采集系统连接。进一步，所述模型筒顶部涌出的水与砂通过砂水收集盒进行收集；所述砂水收集盒通过导流管将从模型筒顶部涌出的水与砂汇入下游水箱中；所述下游水箱上部设置溢流口 ；所述下游水箱液面处设置有用于测量涌出水流量的流量传感器；所述流量传感器与数据米集系统相连。 进一步，所述下游水箱内放置砂水分离筒，所述砂水分离筒用于收集从水砂收集盒通过导流管汇入的涌出水与砂；所述砂水分离筒通过设置于底部的过滤网将涌出水与砂分离；所述砂水分离筒完全浸没在水面以下；所述砂水分离筒通过吊缆与重力传感器相连；所述重力传感器与数据采集系统相连。进一步，所述模型筒的直径为测定土体的最大粒径的10-12倍，筒内试样高度为直径的2 3倍，缓冲区高度为模型筒直径的O. 8^1. 2倍；所述砂水收集盒的底面为倾斜平面，与水平面的夹角为10° 30°。本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的
本发明提供的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，包括以下步骤
51:制备室内测定试样；
52:室内测定的初始化；
53:测定管涌发生临界水力梯度通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度;
54:测定管涌发展颗粒流失率收集涌出的水和土体颗粒，在水下将收集的涌出水与土颗粒分离开，并在水下测量收集到的涌出土颗粒的浮重量，通过某小段时间内涌出土颗粒的浮重量增量与时间之间的关系计算土颗粒流失率P ;
55:测定水力梯度影响颗粒流失率按上述步骤进行重复测试，在得到试样的临界水力梯度后，分别提高上游水头至不同的水力梯度，获取土体颗粒流失率与水力梯度之间的关系;
56:测定土体性质影响管涌临界水力梯度及颗粒流失率取不同颗粒组成以及不同初始孔隙率的试样，重复测定步骤S1-S5，测定土体颗粒组成以及初始孔隙率对土体管涌临界水力梯度以及颗粒流失率的影响；
57:根据临界水力梯度和颗粒流失率处理测试结果建立土体颗粒组成控制参数，建立土体初始孔隙率与管涌临界水力梯度、管涌发展颗粒流失率之间的关系。进一步，所述步骤S3中的管涌发生临界水力梯度的测定具体步骤如下
分级提升水头高度，直至土体发生管涌破坏，记录管涌时水头差，测量管涌发生时的渗透流量；通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度i 。进一步，所述步骤S4中管涌发展颗粒流失率的测定具体步骤如下
在测得管涌的临界水力梯度后1:，保持模型筒底部水头高度不变，收集试样顶面涌出的水和土体颗粒，在水面下将收集的涌出水与土颗粒分离开，并在水面下测量收集到的涌出土颗粒的浮重量仏根据以下公式计算土颗粒的流失率
权利要求
1.管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于包括容纳试样的模型筒、砂水收集盒、下游集水箱和数据采集系统；所述模型筒装入根据设定的土体颗粒配制测试所需要的土体，管涌破坏时由模型筒顶面流出涌出水与土颗粒；所述砂水收集盒， 用于收集从模型筒涌出的水与土颗粒；所述下游集水箱，用于将收集的涌出水与土颗粒分离开；所述数据采集系统，用于获取模型筒压力变化值、下游集水箱的流量值和涌出土颗粒的重量值。
2.根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于所述模型筒包括入水口、缓冲区和设置于模型筒侧壁的至少一个孔隙水压力传感器；所述入水口设置于模型筒底部，所述入水口用于提供上游渗流驱动水头；所述缓冲区设置于模型筒内底部；所述模型筒内的缓冲区与试样之间设置隔砂透水板，所述隔砂透水板上放置试样；所述孔隙水压力传感器与数据采集系统连接。
3.根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于所述模型筒顶部涌出的水与砂通过砂水收集盒进行收集；所述砂水收集盒通过导流管将从模型筒顶部涌出的水与砂汇入下游水箱中；所述下游水箱上部设置溢流口 ；所述下游水箱液面处设置有用于测量涌出水流量的流量传感器；所述流量传感器与数据采集系统相连。
4.根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于所述下游水箱内放置砂水分离筒，所述砂水分离筒用于收集并分离从水砂收集盒通过导流管汇入的涌出水与砂；所述砂水分离筒通过设置于底部的过滤网将涌出水与砂分离；所述砂水分离筒完全浸没在水面以下；所述砂水分离筒通过吊缆与重力传感器相连; 所述重力传感器与数据采集系统相连。
5.根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于所述模型筒的直径为测定土体的最大粒径的1(Γ12倍，筒内试样高度为直径的疒3 倍，缓冲区高度为模型筒直径的O. 8^1. 2倍；所述砂水收集盒的底面为倾斜平面，与水平面的夹角为10。 30。。
6.利用权利要求1-5任一项所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置来进行的测定方法，其特征在于包括以下步骤51:制备室内测定试样；52:室内测定的初始化；53:测定管涌发生临界水力梯度通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度;54:测定管涌发展颗粒流失率收集涌出的水和土体颗粒，在水下将收集的涌出水与土颗粒分离开，并在水下测量收集到的涌出土颗粒的浮重量，通过某小段时间内涌出土颗粒的浮重量增量计算土颗粒流失率// ；55:测定水力梯度影响颗粒流失率按上述步骤进行重复测试，在得到试样的临界水力梯度后，分别提高上游水头形成不同的水力梯度，获取土体颗粒流失率与水力梯度之间的关系；56:测定土体性质影响管涌临界水力梯度及颗粒流失率取不同颗粒组成以及不同初始孔隙率的试样，重复测定步骤S1-S5，测定土体颗粒组成以及初始孔隙率对土体管涌临界水力梯度以及颗粒流失率的影响；S7:根据临界水力梯度和颗粒流失率处理测试结果建立土体颗粒组成控制参数，建立土体初始孔隙率与管涌临界水力梯度、管涌发展颗粒流失率之间的关系。
7.根据权利要求6所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，其特征在于所述步骤S3中的管涌发生临界水力梯度的测定具体步骤如下分级提升水头高度，直至土体发生管涌破坏，记录管涌时水头差，测量管涌发生时的渗透流量；通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度i 。
8.根据权利要求6所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，其特征在于所述步骤S4中管涌发展颗粒流失率的测定具体步骤如下在测得管涌的临界水力梯度后1:，保持模型筒底部水头高度不变，收集试样顶面涌出的水和土体颗粒，在水面下将收集的涌出水与土颗粒分离开，并在水面下测量收集到的涌出土颗粒的浮重量仏根据以下公式计算土颗粒的流失率其中，Ps为土颗粒的密度，Pir水为的密度，Δ6为某小段时间 至 +Λ 内涌出土颗粒的浮重量增量，//为管涌过程中的土颗粒流失率。
9.根据权利要求6所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，其特征在于所述步骤S6中土体性质影响管涌临界水力梯度及颗粒流失规律的测定管涌发展颗粒流失率的测定具体步骤如下以土体的最小粒径久in和最大粒径久ax，以及特征粒径dw、i/30> dm、dm为土体颗粒组成的控制参数，以初始孔隙率为土体密实程度的控制参数，并通过改变相关的控制参数制备不同的土体试样，重复测定步骤Sf S5，测量不同颗粒组成以及不同初始孔隙率条件下的管涌临界水力梯度以及颗粒流失率，得出土体颗粒组成和密实程度对管涌发生临界水力梯度以及土体颗粒流失率的关系。
全文摘要
本发明公开了一种管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置及方法，测定装置包括容纳试样的模型筒、用于收集从模型筒涌出的水与土颗粒的砂水收集盒、用于将收集的涌出水与土颗粒分离开的下游集水箱和数据采集系统；数据采集系统，用于获取模型筒压力变化值、下游集水箱的流量值和涌出土颗粒的重量值。本发明实现了土体管涌过程中颗粒流失率有效测定；可进行管涌临界水力梯度和土体颗粒流失率两个参数的测定，节约了测定成本，节省了测定所需要的时间，提高了效率；提高了测定结果的准备性；实现了初始孔隙率、水力梯度、土体组成等对管涌过程中土体颗粒流失率影响的确定。
文档编号G01N33/24GK103018424SQ20121053104
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月11日 优先权日2012年12月11日
发明者梁越, 王俊杰, 刘明维, 刘楠楠 申请人:重庆交通大学