本发明涉及一种大变形全密闭的水平潜蚀可视化测量装置。
背景技术：
缺级土是建造土石坝、河堤等重大工程的主要材料，然而缺级土中粗细颗粒的级配由场地决定，往往并不理想。若采用级配不良的缺级土，土石坝、河堤中的细粒土易沿粗粒土的孔径流失，易发生土体的渗透破坏灾害，严重威胁到人民的生命和财产安全。
针对缺级土的潜蚀破坏，有研究学者研制了轴向应力可达1.0mpa的垂直渗透破坏试验装置，并使用该装置研究了在不同轴向应力下砂砾石土试验的潜蚀破坏特性。还有一些研究学者研制了渗流-侵蚀-应力耦合管涌试验装置，该装置能够比较真实地模拟出原状土体状态，能实时测量土体几何和水力等特性的演变过程，并利用该装置开展了无围压、等向受压和三轴受压渗透破坏试验。然而这两种潜蚀破坏测量装置的渗流方向为垂直方向，与缺级土应力方向一致，不符合工程实际工况。
为了获取水平潜蚀破坏的特性，文献《堤基渗流破坏影响因素试验研究及数值模拟》提出了一种获取水平渗流的渗透破坏测试装置。装置中，水流从左到右进行渗流，在下流获取细粒土的流失情况。然而，这种装置垂直方向密封性存在困难，并没有考虑垂直应力对土体的影响。换言之，这种装置并不可用于研究深层土体的潜蚀破坏特性。
中国发明专利2011102311746公开一种用于高应力条件下土体和结构接触渗透仪，然而此发明专利提出的装置由传统的三轴渗透仪改造而成，仅可施加围压和轴压，并不能考虑垂直应力条件下水平渗透的潜蚀破坏。中国发明专利2015102147113公开一种水平接触面剪切变形的水平渗透仪，可以用于对土体水平接触面或土体与结构物水平接触面在剪切变形情况下进行水平渗透特性。然而，此装置顶部加压装置采用密封条和顶盖密封，在大变形情况下密闭性不佳，此装置不可用于大变形情况下渗透特性的测量，无法适用于潜蚀条件。而且，此装置无法定量测量土体的竖向变形和土体渗透特性。
综上所述，现在的装置尚不能同时考虑垂直应力和水平渗流情况下土体潜蚀破坏特性的测量，难以准确描述土体潜蚀破坏的特性。
技术实现要素：
针对以上技术问题，本发明公开了一种大变形全密闭的水平潜蚀可视化测量装置，可直接获取侧限条件下垂直应力可控的缺级土水平渗透过程中的细粒土水平流失、水平极限水力梯度和土体可视化变形。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种大变形全密闭的水平潜蚀可视化测量装置，其包括供水装置、缺级土测试容器、轴向加载装置和出流收集装置，所述缺级土测试容器包括顶盖，所述缺级土测试容器的左、右侧面为侧面多孔板，所述缺级土测试容器的前侧面设有可以观察缺级土测试容器内部的透明板，对待测缺级土的细粒土进行染色，并将待测缺级土放置于所述缺级土测试容器内，所述顶盖位于待测缺级土的上方，所述侧面多孔板的内部孔隙尺寸不小于1mm；
所述缺级土测试容器的左、右侧面的外部连接有侧面集水槽，所述侧面集水槽与侧面多孔板之间形成集水腔体，左、右侧中的一侧的集水腔体设有进水口，所述进水口与供水装置连接；左、右侧中的另一侧的集水腔体设有出水口，所述出流收集装置包括流量传感器和颗粒收集装置，所述出水口通过流量传感器和颗粒收集装置连接；
所述轴向加载装置包括压力控制器、位于所述顶盖与待测缺级土之间的水囊和囊内平板，所述压力控制器将液体从顶盖中注入水囊。
采用此技术方案，该装置可同时考虑压实和应力方向引发的渗透水平向潜蚀破坏，综合分析细粒土流失量、潜蚀破坏的发展和临界水力梯度的响应。待测缺级土承受应力由轴向加载装置施加，即压力控制器通过加入液体到水囊，施加压力给囊内平板，从而使压力加载在待测缺级土上，该压力方向垂直向下，而水流渗透方向由水平供水装置从进水口流入到集水腔体内，通过侧面多孔板中的孔隙流经待测缺级土，最后从侧面多孔板流出，从出水口到达出流收集装置，这个测试过程中，施加的应力方向和水流渗透方向垂直。
所述待测缺级土前侧为透明有机玻璃板，可对渗透过程中土体进行实时观察，还可采用粒子图像测速技术和染色识别技术从整体上获取缺级土潜蚀破坏过程中土体大变形和细粒土流失信息。
作为本发明的进一步改进，所述顶盖和待测缺级土之间设有由柔性材料制成的水囊，所述水囊用于装置的密封和垂直应力的施加，所述囊内平板位于柔性材料的内部。所述柔性材料可紧贴缺级土测试容器腔体内壁及待测缺级土的上表面，即使在土样发生大变形条件下，腔体仍可保证完全密封并将竖向应力均匀施加在待测缺级土，还可通过水囊内水量变化获取待测缺级土潜蚀破坏过程中的体积变化。
作为本发明的进一步改进，所述待测缺级土由颜色差异较大的染色细粒土和粗粒土组成。
作为本发明的进一步改进，所述侧面集水槽的上部或顶部设有排气孔，所述侧面集水槽的侧壁设有孔压传感器。
作为本发明的进一步改进，所述缺级土测试容器的后侧面上设有多个孔压传感器。
作为本发明的进一步改进，所述多个孔压传感器沿水平方向分布在缺级土测试容器的后侧面上。
作为本发明的进一步改进，所述孔压传感器的数量不少于4个。
作为本发明的进一步改进，所述压力控制器包括依次连接的空气压缩机、减压阀、活塞压力罐和液压表，所述顶盖设有进水口，所述空气压缩机通过减压阀与活塞压力罐连接，所述活塞压力罐通过液压表与顶盖的进水口连接。
作为本发明的进一步改进，所述缺级土测试容器的前侧面包括透明有机玻璃板和不锈钢外框，所述有机玻璃板设在不锈钢外框中。透过所述有机玻璃板，可利用粒子图像测速技术和染色识别技术对土体变形和土颗粒流动进行测量。其中，所述土体变形和土颗粒流动包括土体变形量和土颗粒流失量。
作为本发明的进一步改进，所述侧面多孔板与待测缺级土接触的一侧设有滤网。
作为本发明的进一步改进，所述侧面多孔板的孔径为5~15mm。进一步优选的，所述侧面多孔板的孔径为10mm。
作为本发明的进一步改进，所述柔性材料采用液体硅胶制作。
作为本发明的进一步改进，所述缺级土测试容器放置在垫板上。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，可直接获取侧限条件下垂直应力可控的缺级土水平渗透过程中的细粒土水平流失、水平极限水力梯度和土体可视化变形等结果；而且，设备简单，易于操作。
附图说明
图1是本发明的大变形全密闭的水平潜蚀的可视化测量装置的结构示意图。
附图标记包括：1-供水装置；2-缺级土测试容器；21-顶盖；22-侧面多孔板；23-进气口；3-待测缺级土；4-侧面集水槽；5-集水腔体；6-进水口；7-出水口；8-流量传感器；9-颗粒收集装置；10-压力控制器；11-囊内平板；12-水囊；13-排气孔；14-孔压传感器；21-顶盖；22-侧面多孔板。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
如图1所示，一种大变形全密闭的水平潜蚀的可视化测量装置，其包括供水装置1、缺级土测试容器2、轴向加载装置和出流收集装置，所述缺级土测试容器2包括顶盖21，所述缺级土测试容器2的左、右侧面为侧面多孔板22，所述缺级土测试容器2的前侧面设有可以观察缺级土测试容器2内部的透明板，对待测缺级土3的细颗粒进行染色，并将待测缺级土3放置于所述缺级土测试容器2内，所述顶盖21位于待测缺级土3的上方，所述侧面多孔板22的内部孔隙尺寸为8~12mm；所述缺级土测试容器2的左、右侧面的外部连接有侧面集水槽4，所述侧面集水槽4与侧面多孔板22之间形成集水腔体5，左侧的集水腔体5设有进水口6，所述进水口6与供水装置1连接，所述进水口6与供水装置1之间设有流量传感器8；右侧的集水腔体5设有出水口7，所述出流收集装置包括流量传感器8和颗粒收集装置9，所述出水口7通过流量传感器8和颗粒收集装置9连接；所述轴向加载装置包括压力控制器10、位于所述顶盖21与待测缺级土3之间的水囊12和囊内平板11，所述水囊12采用柔性材料制成，所述水囊12用于装置的密封和垂直应力的施加，所述囊内平板11位于柔性材料的内部；所述压力控制器10将液体从顶盖21中注入水囊12中，从而将压力垂直通过囊内平板11施加在待测缺级土3上。其中，所述供水装置1为液压供水装置。
如图1所示，所述侧面集水槽4的上部或顶部设有排气孔13，所述侧面集水槽4的侧壁设有孔压传感器14。所述缺级土测试容器2的后侧面上设有多个孔压传感器。所述多个孔压传感器沿水平方向分布在缺级土测试容器2的后侧面上。所述安装于缺级土测试容器2后侧面上的孔压传感器的数量不少于4个。
所述压力控制器10包括依次连接的空气压缩机、减压阀、活塞压力罐和液压表，所述顶盖21设有进水口，所述活塞压力罐通过液压表与顶盖21的进水口连接。所述缺级土测试容器2的前侧面包括透明有机玻璃板和不锈钢外框，所述有机玻璃板设在不锈钢外框中。所述侧面多孔板22与待测缺级土3接触的一侧设有滤网。
所述待测缺级土3由染色的细粒土和粗粒土组成，且细粒土和粗粒土颜色差异较大，对不同时刻所拍摄的土样照片进行处理，得到细粒土在局部土样的面积比例变化，由此获得侧限条件下垂直应力可控的缺级土水平渗透过程中的细粒土水平流失信息。
根据不同时刻所拍摄的土样照片，利用粒子图像测速技术可得到土体变形信息。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。