不同水流速度下充填物变化过程观测装置及方法与流程

本发明涉及一种充填物变化过程观测装置及方法，尤其是一种用于变流速下充填物变化过程实时观测的装置及方法。

背景技术：

隧道(洞)及地下工程是交通、水利水电等国家基础设施工程建设的控制性工程，涉及公路、铁路、水电、跨流域调水以及矿山资源开发等诸多工程领域。特别是随着国家科技战略发展规划的逐步实施，交通路网向遍布崇山峻岭的西部纵深拓展。然而，隧道施工过程中遭遇的突水涌泥灾害极其严重，其复杂的动态演化过程的研究是控制灾害发生和治理灾害的有效途径。科学工作者通过各种研究手段对地下工程施工过程中所遇到的突水涌泥灾害进行研究，但是实际工程中难于观测到岩溶管道中充填物的变化情况，实验成为观测充填物变化的有效手段。

充填型岩溶管道突涌水过程物理模拟优劣的关键是能否实时的观测到充填物在水流作用下的变化情况。目前，用于观测岩溶管道充填物变化过程的仪器较少，试验系统的可视性较差，实时观测充填物的变化情况存在较大的困难。现有部分科学工作者试图通过模拟透明相似材料来观测实验过程，但是相似材料并不能完全体现出充填物的性质，试验结果的可靠性大大降低。另一方面，相应的模拟装置和方法还有待成熟。

技术实现要素：

本发明的目的是为克服上述现有充填型岩溶管道型突涌水过程模拟技术的不足，提供一种透明可视观测装置及方法。此装置水流速度可调节，可以满足不同水流速度下充填物变化情况的研究。搭载高速摄像技术进行实时信息获取，有利于提高试验结果的可分析性，提高试验研究的精确性；充填物自动粒径分级及流速实时监测装置，保证了试验过程各粒径充填物质量的可测性，以及流体流过滤网的流速。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种用于不同水流速度下充填物变化情况观测装置，包括试验水管，所述的试验水管的一端为进水口，另一端为出水口，在试验水管进水口安装有水流速度调节装置，在试验水管内设有一段填料区，沿着水流动方向，在填料区的前面设有隔水板，在填料区的后面间隔设有不同粒径的筛网，在水力冲刷与筛网的过滤作用下，填料区的充填物运移并且自动粒径分级，同时通过流速调节装置调节水流速度来观测不同水流速度下充填物变化情况。

进一步的，所述的填料区的外侧设有摄像机，对整个过程进行记录。

试验时，水经过进水口进入试验水管内部，通过试验水管进水口处安装的速度调节装置可以调节水流速度大小。安装在试验水管侧壁上的流速计可以实时的获取到水流的速度，通过数据连接线将流速信息显示在流速显示器上。可拆卸的透明观测装置，安装高透明度的钢化玻璃顶板，左侧区域为装有透水隔板的填料区，根据试验水管侧壁上预留卡槽设置三层不同粒径的筛网，筛网连接流速传感接收装置。在水力冲刷与筛网作用下，充填物运移并且自动粒径分级，由高速摄像机实现全过程记录，内部信息可以实时获取。筛网连接的流速传感接收装置，可以实时的将流速的变化显示在流速传感接收装置上。通过流速调节装置即可达到观测不同水流速度下充填物变化情况的目的。

所述水流速度调节装置，利用螺栓连接固定在进水口的后方，实现对水流速度大小的调节。

进一步的，在试验水管的侧壁上还安装有流速计，能够实时监测流速变化，并且通过数据连接线将流速信息传输到流速显示器上。

进一步的，所述试验水管的其中一段为透明观测装置，其安装在水管中部，可根据试验需求进行多组试验，观测装置设计为可拆卸组合式，便于更换不同的充填物进行试验，大大提高了试验的效率和可操作性；透明观测装置选用高透明度的钢化玻璃制作，利用防水密封设计将其固定于模型水管之上，可以直接观测装置的内部充填物变化情况。

所述透明观测装置的充填物后方配有三个不同粒径筛网，孔径分别为2mm，5mm，8mm，分别置于材料区后方的一定距离之内保持150mm的距离，直接观察颗粒运移情况。

所述三个不同粒径筛网，分别连接到流速传感接收装置上，实时的获取流体经过填充物后流速的变化。

所述透明观测装置的两侧固定高速摄像机，高速摄像机对整个试验过程充填物运移全过程进行记录，高速摄像机和流速传感接收装置连接到计算机系统，经过数据整理分析，完全再现不同水流速度下充填物变化情况以用于对充填物变化过程的分析。

一种用于变流速下实时观测充填物运移情况实验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)组装可拆卸透明观测装置，

在试验水管的填料区填筑一定颗粒级配标准的充填物，安装不同粒径的筛网，由高强度透明钢化玻璃防水密封覆盖填料区，完成透明观测装置安装；

(2)安装流速调节装置，流速计，流速显示器和高速摄像机；

(3)打开进水口，待流体充满透明观测装置的左侧区域，调节流速调节装置，观察流速显示器；待水流速稳定在目标流速值，打开高速摄像机进行实时拍摄，同时打开流速传感接收装置，将获得数据传至计算机系统；

(4)当筛网间的水流速度趋于稳定时，关闭进水口，拆下透明观测装置，分别称取筛网间隔内充填物的质量，记录数据上传计算机系统与步骤(2)数据一起分析；

(5)调节流速调节装置的不同流速，更换不同颗粒级配充填物，重复上述步骤进行试验。

本发明解决了不同水流速度下充填物变化情况难以观测的问题，实现了水流速度可调节，充填物不同粒径单独研究其运移规律，具有以下优点：

1、试验系统的水流速度调节装置，通过对流速调节阀的控制实现对水流速度的调节，得到试验中期望的流速。

2、试验系统的透明观测装置设计为可拆卸组合式，方便了填料工作，提高了试验的效率和可操作性。

3、观测装置选用高透明度的钢化玻璃，可以直接观测装置的内部信息。材料区后方配有三个不同粒径筛网，分别连接到流速传感接收装置上，可以实时的获取流体经过填充物后流速的变化。

4、模型水管一侧固定高速摄像机，实现了对整个试验过程充填物运移全过程的记录。将流速监测信息与高速摄像机记录信息连接到计算机系统，经过数据整理分析，可以再现充填型岩溶管道型渗透失稳过程，揭示其不同流速、不同颗粒级配下充填物渗透失稳机理。

附图说明

图1是本发明的原理示意图；

图2是本发明的筛网示意图；

其中1.进水口；2.水管侧壁；3.速度调节装置；4.流速计；5.填料区；6.密封橡胶垫；7.流速传感接收装置；8.流速显示器；9.高速摄像机；10.钢化玻璃板；11.紧固螺栓；12.出水口；13.筛网；14.卡槽；15.计算机系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，用于变流速下实时观测充填物运移情况的实验装置，包括进水口1；试验水管2；速度调节装置3；流速计4；材料区5；密封橡胶垫6；流速传感接收装置7；流速显示器8；高速摄像机9；钢化玻璃顶板10；紧固螺栓11；出水口12；筛网13；卡槽14；计算机系统15；

试验水管2的一端为进水口1，另一端为出水口12，在试验水管进水口1安装有水流速度调节装置3，且在试验水管2的内壁上设有流速计4；

在试验水管2内设有一段填料区5，沿着水流动方向，在填料区5的前面设有隔水板，在填料区的后面间隔设有不同粒径的筛网13，在水力冲刷与筛网13的过滤作用下，填料区的充填物运移并且自动粒径分级，同时通过流速调节装置调节水流速度来观测不同水流速度下充填物变化情况。

进一步的，所述的填料区的外侧设有高速摄像机9，对整个过程进行记录。

试验时，水经过进水口进入试验水管内部，通过试验水管进水口处安装的速度调节装置可以调节水流速度大小。安装在试验水管侧壁上的流速计可以实时的获取到水流的速度，通过数据连接线将流速信息显示在流速显示器上。可拆卸的透明观测装置，安装高透明度的钢化玻璃顶板，左侧区域为装有透水隔板的填料区，根据试验水管侧壁上预留卡槽设置三层不同粒径的筛网，筛网连接流速传感接收装置7。在水力冲刷与筛网作用下，充填物运移并且自动粒径分级，由高速摄像机实现全过程记录，内部信息可以实时获取。筛网连接的流速传感接收装置，可以实时的将流速的变化显示在流速传感接收装置上。通过流速调节装置即可达到观测不同水流速度下充填物变化情况的目的。

所述水流速度调节装置，利用螺栓连接固定在进水口的后方，实现对水流速度大小的调节。

进一步的，在试验水管1的侧壁上还安装有流速计4，能够实时监测流速变化，并且通过数据连接线将流速信息传输到流速显示器8上。

进一步的，所述试验水管的其中一段为透明观测装置，其安装在水管中部，可根据试验需求进行多组试验，观测装置设计为可拆卸组合式，便于更换不同的充填物进行试验，大大提高了试验的效率和可操作性；透明观测装置选用高透明度的钢化玻璃板10制作，利用防水密封设计将其固定于模型水管之上，可以直接观测装置的内部充填物变化情况。

所述透明观测装置的充填物后方配有三个不同粒径筛网，孔径分别为2mm，5mm，8mm，分别置于材料区后方的一定距离之内保持150mm的距离，直接观察颗粒运移情况。

所述三个不同粒径筛网13，分别连接到流速传感接收装置上，实时的获取流体经过填充物后流速的变化。

所述透明观测装置的两侧固定高速摄像机，高速摄像机对整个试验过程充填物运移全过程进行记录，高速摄像机和流速传感接收装置连接到计算机系统，经过数据整理分析，完全再现不同水流速度下充填物变化情况以用于对充填物变化过程的分析。

其中测得的水流速度实时的显示在流速显示器8上，筛网13由卡槽14预留装配通道安装到观测装置中。筛网13连接到流速传感接收装置7，最后流速显示器8与高速摄像机9的信息统一连接到计算机系统15。

一种用于变流速下实时观测充填物运移情况实验装置的试验方法，包括以下步骤：

(1)组装可拆卸透明观测装置，在填料区5填筑一定颗粒级配标准的充填物，由卡槽14处自上而下安装三个不同粒径的筛网13，由高强度透明钢化玻璃板10防水密封覆盖，通过紧固螺栓11紧固，完成观测装置安装。安装流速调节装置3，流速计4，流速显示器8、高速摄像机9等设备。

(2)打开进水口1，待流体充满观测装置左侧区域，调节流速调节装置3，观察流速显示器待8流速稳定在目标流速值，打开高速摄像机9进行实时拍摄，同时打开流速传感接收装置7，将获得数据传至计算机系统15。

(3)待筛网13处由监测装置监测到的流速趋于稳定，关闭进水口1，拆下观测装置，分别称取筛网13间隔内充填物的质量，记录数据上传计算机系统15与步骤2数据一起分析。

(4)调节不同流速，更换不同颗粒级配充填物，重复上述步骤进行试验。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。