本发明属于土工合成材料试验技术领域，尤其是涉及一种用于淤堵与常水头渗透的试验装置及其试验方法。
背景技术
常水头渗透试验适用于砂类土或颗粒较粗的无凝聚性材料；利用常水头渗透装置测出渗透量，不同点的水头高度，从而计算出渗流速度和水力梯度，最终计算得出渗透系数。
土工合成材料淤堵试验适用于土工合成材料滤层试验，测定一定水流条件下土与土工织物系统及其交界面上的渗透系数和渗透比，以及测定土工织物含泥量，以判断土工合成材料作为某种土的滤层，是否会产生不允许的淤堵。淤堵是指土工合成材料工作时，土体中的小颗粒通过土工合成材料的过程中，聚集土工织物的表面，或者形成一层弱透水层，或者堵塞土工织物过滤通道的端部，或者滞留在土工织物内部，从而导致土工织物透水性降低。
目前，针对土工合成材料的试验项目繁多，实验室需要配备较多的试验仪器设备，需要耗费大量的试验经费，占据试验空间大，试验成本高，操作步骤繁杂。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种结构简单、操作简单、占用空间小、降低实验室成本、试验测试性能高的用于淤堵与常水头渗透的试验装置。
本发明的技术方案如下：
一种用于淤堵与常水头渗透的试验装置，包括试验机构、测压机构和进出水机构，所述测压机构和进出水机构安装在试验机构上；
所述试验机构包括试验台和安装在试验台上的试验筒，所述试验筒的底部通过试验筒底板安装在所述试验台上，所述试验筒的顶部设有试验筒顶板，在所述试验筒顶板的顶部可拆卸地安装有顶盖，所述试验筒上开设有测压孔和溢水口，所述试验筒包括可拆卸的第一试验筒和第二试验筒，所述第一试验筒与第二试验筒通过法兰盘连接，所述第一试验筒与所述第二试验筒之间设有筛网，所述试验筒底板的底部开设有出水孔；
所述测压机构包括安装在所述试验台上的测压管和刻度尺，所述刻度尺设置在所述测压管的一侧，所述测压管与所述测压孔连通，所述测压管靠近测压孔的一端安装有阀门；
所述进出水机构包括安装在试验台上的滑动支架、滑动支架连接杆和出水容器，所述滑动支架连接杆安装在上所述滑动支架上，所述出水容器通过容器底板安装在滑动支架连接杆上，所述出水容器通过出水管与所述试验筒底板的出水孔连通，所述出水管远离出水孔的一端上设有出水管接头，且延伸至所述出水容器的内部，用于与外部水源连接，所述出水容器的底部开设有出水口。
在上述技术方案中，所述法兰盘包括上法兰盘和下法兰盘，在所述上法兰盘与下法兰盘之间安装所述筛网。
在上述技术方案中，所述测压孔的数量为7个，且分别开设在所述试验筒的两侧，在所述试验筒的左侧依次为第一测压孔、第二测压孔、第三测压孔，在所述试验筒的右侧依次为第四测压孔、第五测压孔、第六测压孔和第七测压孔，七个所述测压孔分别对应连接第一测压管、第二测压管、第三测压管、第四测压管、第五测压管、第六测压管和第七测压管，在相对应的所述测压管上分别安装有第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门和第七阀门。
在上述技术方案中，每个所述阀门与其对应的所述测压管之间安装有过滤网。
在上述技术方案中，所述测压孔的孔径为3-6mm。
在上述技术方案中，所述溢水口上设有溢水口阀门。
在上述技术方案中，所述试验筒顶板上开设有第一排气孔和第一进水孔，所述顶盖上开设有与所述第一排气孔、第一进水孔的位置相对应的第二排气孔和第二进气孔，所述第一排气孔、第二排气孔用于与排气管连接，所述第一进水孔、第二进气孔用于与进水管连接，在所述排气管上安装有排气阀门，在所述进水管上安装有进水阀门。
一种利用用于淤堵与常水头渗透的试验装置的常水头渗透试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.在所述上法兰盘和下法兰盘中间安装所述筛网，通过螺栓和密封圈连接且密封所述上法兰盘和下法兰盘，以使所述第一试验筒和第二试验筒连接且密封；
步骤2.关闭第一阀门、第二阀门、第三阀门和第五阀门，打开溢水口阀门，将出水管接头与外部水源连通，通过出水管向试验筒内注水，注水至水位高于所述筛网的位置；
步骤3.将试样分层装入所述试验筒内，每层试样2-3cm，每层试样在装完后通过所述出水管向试验筒充水至试样的顶面，最后一层试样应高出所述第七阀门的位置3-4cm，并在试样顶面铺厚度为2cm的砾石层，之后继续充水至水从所述溢水口流出；
步骤4.检查所述第四测压管、第六测压管、第七测压管中的水位，调节测压管中的水位，使其与所述溢水口的水位齐平；
步骤5.调节所述出水管在滑动支架上的位置，直至出水管的顶端管口位置高于所述溢水口的位置，将进水管放入所述试验筒内，使水由顶部注入试验筒，之后降低出水管的顶端管口的位置至所述试样上部1/3高度处，以形成水位差使水渗入试样，水经由所述出水口流出，之后调节所述进水管中的水流速，以使进入所述试验筒的水量大于渗流的水量，所述溢水口始终有水溢出，保持所述试验筒内水位不变，试样处于常水头下渗透；
步骤6.在所述测压管水位稳定后，测量并记录第四测压管、第六测压管和第七测压管中的水位，按规定时间记录所述出水口渗出水量，测量进水处与出水处的水温；
步骤7.调节所述出水管的顶端管口位置至所述试样的中部，重复上述步骤5-步骤6测量出渗出水量和水温；
步骤8.调节所述出水管的顶端管口位置至所述试样下部的1/3处，重复上述步骤5-步骤6测量出渗出水量和水温，直至不同水力坡降下测定的数据接近时，试验结束。
一种利用用于淤堵与常水头渗透的试验装置的土工合成材料垂直渗透试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.所述出水管接头与外部水源连通，通过所述出水管向所述试验筒注水，直至水位高于筛网的顶面；
步骤2.将饱和处理的试样放在所述下法兰盘上，通过螺栓与密封圈将所述第一试验筒和第二试验筒连接且密封，所述顶盖安装在所述试验筒上；
步骤3.关闭第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，调整所述出水管的顶端管口位置至试验筒的中下部，通过与所述顶盖上连通的进水管向所述试验筒中注水，直至所述试验筒两侧的所述第一测压管和出水管接头的顶面的水头高度差为50mm；
步骤4.调节所述进水管的水流流速，使水头差达到70mm，记录水头差，待水头稳定至少30s，在10-60s内将量具放置在所述出水口下，用于收集通过试样的水量；
步骤5.调整水头差分别为所述最大水头差的0.8、0.6、0.4和0.2倍时，重复上述步骤4，从最高流速开始至最低流速结束；
步骤6.分别记录试验时的水温。
一种利用用于淤堵与常水头渗透的试验装置的土工合成材料淤堵试验方法，该方法包括以下步骤：
步骤1.在所述下法兰盘上依次放置筛网和试样，通过螺栓和密封圈连接且密封所述第一试验筒和第二试验筒；
步骤2.在所述试验筒内装入高度为100mm的土样；
步骤3.通过螺栓将所述顶盖安装在所述试验筒上，并安装密封圈，用于保证顶盖与试验筒间的密封性，并且打开排气管上的排气阀门；
步骤4.关闭第七阀门和溢水口阀门，所述出水管与外部水源连通，控制进水水头小于25mm，以使水从土样底部缓慢流入饱和土样，直至水位上升至土样顶面5-20mm后，之后从进水管向所述试验筒内注水，在所述排气阀门不再有气泡冒出后关闭排气阀门，以使所述试验筒内充满水；
步骤5.调节所述出水管的顶端管口位置及进水管的水流流速，使其水力梯度达到1.0，在所述测压管内的水位稳定后，保持进水水头为常水头水，通过试样进行渗流，每小时测量读取所述测压管内的水位与渗水量，连续测量读取24h；
步骤6.分别调整水力梯度为2.5、4.0及10.0，每调整一次水力梯度，需等待所述测压管水位稳定后并在该水力梯度下至少渗流1.5h，当调整水力梯度为10.0时，每小时测量读取所述测压管内的水位与渗水量，连续测量读取24h；
步骤7.结束试验，取出土工合成材料试样，清除浮土，烘干称重。
本发明具有的优点和积极效果是：
1.测试无凝聚性材料时，在试验装置上设置的测压孔的位置和数量以及与相配合的测压管及阀门、溢水口的位置调节，以使试验装置也可以在对土工合成材料进行垂直渗透试验及淤堵试验时正常使用，不会产生影响。
2.采用一台试验装置，能够满足三项试验的要求以及相关试验规程的要求，并且操作十分简单，占用空间小，且降低实验室成本，节约试验资源。
3.在试验筒上采用可拆卸的顶盖，能够根据不同试验项目灵活运用调整试验装置，其结构简单，使用方便。
附图说明
图1是本发明的用于淤堵与常水头渗透的试验装置结构示意图。
图中：
1、试验台2、试验筒201、第一试验筒
202、第二试验筒3、试验筒底板4、顶盖
5、测压孔6、溢水口7、法兰盘
701、上法兰盘702、下法兰盘8、筛网
9、测压管10、刻度尺11、滑动支架
12、滑动支架连接杆13、出水容器14、容器底板
15、出水管16、出水管接头17、出水口
18、溢水口阀门19、试验筒顶板20、第一阀门
21、第二阀门22、第三阀门24、第四阀门
25、第五阀门26、第六阀门27、第七阀门
28、第一测压管29、第二测压管30、第三测压管
31、第四测压管32、第五测压管33、第六测压管
34、第七测压管
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明，决不限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本发明的用于淤堵与常水头渗透的试验装置，包括试验机构、测压机构和进出水机构，测压机构和进出水机构安装在试验机构上；试验机构包括试验台1和安装在试验台1上的试验筒2(采用有机玻璃管，其内径为100mm)，试验筒2的底部通过试验筒底板3安装在试验台1上，试验筒2的顶部设有试验筒顶板19，试验筒顶板19上开设有进水孔和排水孔，在试验筒顶板19的顶部可拆卸地安装有顶盖4，在试验筒顶板19上开设有第一排气孔和第一进水孔，在顶盖4上开设有与第一进水孔、第一排水孔相配合的第二进水孔与第二排气孔，便于进水管与排水管分别穿过第二进水孔、第一进水孔及第二排气孔、第一排气孔，从而进入到试验筒2内，与试验筒2内连通，在排气管上安装有排气阀门，在进水管上安装有进水阀门；在试验筒2的左侧开设有第一测压孔、第二测压孔、第三测压孔，在试验筒2的右侧开设有第四测压孔、第五测压孔、第六测压孔、第七测压孔及溢水口6，每个测压孔5分别对应连接第一测压管28、第二测压管29、第三测压管30、第四测压管31、第五测压管32、第六测压管33、第七测压管34以及溢水管，分别在测压管9及溢水管上安装有第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22、第四阀门24、第五阀门25、第六阀门26、第七阀门27以及溢水口阀门18，每个测压孔5的孔径为3-6mm，第二测压孔与第四测压孔在同一水平线上，第三测压孔与第五测压孔在同一水平线上，第一、第二、第三测压管之间对应的测压孔中心间距为50mm，第四、第五、第六测压管之间对应的测压孔中心间距为50mm，第六、第七测压管对应的测压孔中心间距为100mm，在对应的阀门与测压管9之间安装有过滤网，用于过滤土体的采用铜丝制成的过滤网；试验筒2包括可拆卸的第一试验筒201和第二试验筒202(第一试验筒201高度为300-400mm，第二试验筒202高度为100-150mm)，第一试验筒201与第二试验筒202通过上法兰盘701与下法兰盘702连接，并通过o型密封圈将上法兰盘701与下法兰盘702之间密封，以保证第一试验筒201与第二试验筒202之间的密封性好，在上法兰盘701与下法兰盘702之间可拆卸的安装有筛网8(例如金属制成的网)，在试验筒底板3的底部开设有出水孔，用于与进出水机构中的出水管15连通；测压机构包括安装在试验台1上的测压管9(测压管9的内径为6mm，长度为1000-1500mm)和刻度尺10(刻度尺的最小分度值为1mm)，刻度尺设置在测压管9的一侧，测压管9与测压孔5连通，每个测压管9与其对应的阀门之间安装有一层过滤网(采用铜丝制成的铜丝网，用于过滤土体)，进出水机构包括安装在试验台1上的滑动支架11、滑动支架连接杆12和出水容器13，滑动支架连接杆12安装在上滑动支架11上，出水容器13通过容器底板14安装在滑动支架连接杆12上，出水容器13通过出水管15与试验筒底板3的出水孔连通，出水管15远离出水孔的一端上设有出水管接头16，且延伸至出水容器13的内部，用于与外部水源连接，出水容器13的底部开设有出水口17。
在使用上述试验装置，针对砂土等无凝聚性材料进行常水头渗透试验方法，该方法步骤如下：
步骤1.在上法兰盘701与下法兰盘702中间安装筛网8，在上、下法兰盘中间安装o型密封圈用以密封，通过螺栓固定上法兰盘和下法兰盘，用于固定连接第一试验筒201和第二试验筒202；
步骤2.关闭第一阀门20、第二阀门21、第三阀门22和第五阀门25，打开溢水口阀门18，将出水管接头16与外部水源连通，通过出水管15向试验筒2内注水，至水位高于筛网8的位置，其中筛网8为小孔径金属网，孔径为1mm；
步骤3.将试样分层装入试验筒2内，每层试样2cm，每层试样在装完后通过出水管15向试验筒2充水至试样的顶面，最后一层试样应高出第七阀门7位置3cm，并在试样顶面铺厚度为2cm的砾石层作为缓冲层，之后继续充水至水从溢水口6流出；
步骤4.检查第四测压管31、第六测压管33、第七测压管34中的水位，当测压管9的水位与溢水口6的水位不一致时，使用吸耳球调整测压管中的水位，直至与溢水口6的水位齐平；
步骤5.调节出水管15在滑动支架11上的位置，直至出水管15的顶端管口位置高于溢水口6的位置，将进水管放入试验筒2内，使水由顶部注入试验筒2，之后降低出水管15顶端管口的位置至试样上部1/3高度处，以形成水位差，使水渗入试样，水经由出水口17流出，之后调节进水管中的水流速，以使进入试验筒2的水量大于渗流的水量，溢水口6始终有水溢出，保持试验筒2内水位不变，试样处于常水头下渗透；
步骤6.在测压管9水位稳定后，测量并记录第四测压管31、第六测压管33和第七测压管34中的水位，按规定时间记录出水口17渗出水量，测量进水处与出水处的水温；
步骤7.调节出水管15的顶端管口位置至试样的中部，重复上述步骤5-步骤6测量出渗出水量和水温；
步骤8.调节出水管15的顶端管口位置至试样下部的1/3处，重复上述步骤5-步骤6测量出渗出水量和水温，直至不同水力坡降下测定的数据接近时，结束试验。
其中，常水头渗透系数按下式计算：
式中kt——水温t℃时试样的渗透系数，cm/s；
q——渗透水量，cm3；
l——两测压孔中心间的试样高度，10cm；
a——试样横截面积，cm2；
h——平均水位差，cm；
t——时间，s。
实施例2
在使用上述试验装置，针对土工合成材料垂直渗透试验方法，该方法步骤如下：
步骤1.出水管接头16与外部水源连通，通过出水管15向试验筒2内注水，直至水位高于筛网8的顶面；
步骤2.将饱和处理过的试样放在下法兰盘702上，通过螺栓与o型密封圈将第一试验筒201和第二试验筒202连接且密封，用于固定试样，并且将顶盖4安装在试验筒2的试验筒顶板19上；
步骤3.关闭第二阀门21、第三阀门22、第四阀门24、第五阀门25和第六阀门26，调整出水管15的顶端管口位置至试验筒2的中下部，通过与顶盖4上连通的进水管向试验筒2中注水，直至试验筒2两侧的第一测压管28和出水管口的水头高度差为50mm；
步骤4.调节进水管的水流流速，使水头差达到70mm(误差为±5mm)，记录水头差，待水头稳定30s，在10-60s的时间内，将量具放置在在出水口17下，用于收集通过试样的水量；
步骤5.调整水头差分别为最大水头差的0.8、0.6、0.4和0.2倍时，分别重复上述步骤4，从最高流速开始至最低流速结束；
步骤6.分别记录试验时的水温。
垂直渗透系数为单位水力梯度下垂直于土工织物平面流动的水的流速，按下式计算：
式中k——水温为t时的垂直渗透系数(mm/s)；
q——渗透水量，mm3；
δ——试样厚度，mm；
a——试样过水面积，mm2；
h——试样两侧的水头差，mm；
t——时间，s。
实施例3
在使用上述试验装置，针对土工合成材料淤堵试验方法，该方法步骤如下：
步骤1.在下法兰盘702上依次放置筛网8和试样，通过螺栓和o型密封圈连接且密封第一试验筒201和第二试验筒202，用于固定试样；
步骤2.在试验筒2内装入高度为100mm的土样；
步骤3.通过螺栓将顶盖4安装在试验筒2上，并在顶盖4与试验筒2之间安装有o型密封圈，用于保证顶盖4与试验筒2间的密封性，并且打开排气管上的排气阀门；
步骤4.关闭第七阀门27和溢水口阀门18，出水管15与外部水源连通，控制进水水头小于25mm，以使水从土样底部缓慢流入，饱和土样，直至水位上升至土样顶面后，之后从进水管向试验筒2内注水，在排气阀门不再有气泡冒出后关闭排气阀门，以使试验筒2内充满水；
步骤5.调节出水管15的顶端管口位置及进水管的水流流速，使其水力梯度达到1.0，在测压管9内的水位稳定后，保持进水水头为常水头，并打开出水口上的阀门，水通过试样进行渗流，每小时测量读取测压管9内的水位与渗水量，连续测量读取24h；
步骤6.分别调整水力梯度为2.5、4.0及10.0，每调整一次水力梯度，需等待测压管9水位稳定后并在该水力梯度下渗流1.5h，当调整水力梯度为10.0时，每小时测量读取测压管9内的水位与渗水量，连续测量读取24h；
步骤7.结束试验，取出土工合成材料试样，清除浮土，烘干称重。
梯度比按下式计算：
式中gr——梯度比；
δ——土工合成材料厚度，mm；
h1-2——第一测压管和第二测压管的水位差，mm；
h2-3——第二测压管和第三测压管的水位差，mm；
l1、l2——渗径长，mm。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的等同变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。