模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及其方法与流程

本发明涉及一种模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及其方法，属于实验理论技术领域。特别适用于土石材料渗流机理与防渗抗渗措施实验研究，同时还可应用于大型水工、土工建筑物与复杂结构在大埋深、高围压、多向渗流条件下渗流变形与破坏的机理实验研究，使小比尺室内渗流模型试验满足大型工程的防渗抗渗与渗透破坏的研究与应用。

背景技术：

第一次全国水利普查数据显示，我国已建成水库大坝近10万座，其中100m级高土石坝已达数百座。随着国家资源建设开发重心的迁移，大量中西部水资源逐步提上开发利用日程，一系列200m级乃至300m级特高土石坝已立项调研或开工建设。渗流是岩土工程领域土石坝的三大问题之一，世界范围内包括溃坝在内超过2/3的大坝安全问题与都与渗流密切相关，中西部水利开发所建设的高坝水库往往地处偏僻且库区容量大，一旦因渗流引起安全问题后果不容设想，因此加强特高土石坝渗流机理与防渗措施研究迫在眉睫。

目前国内外针对渗流的实验装置以三轴渗流仪与水槽渗流仪为主，模型规模及尺寸较小，难以还原土石坝填筑坝料的真实级配，直接影响渗流研究的真实性与可靠性；同时，如上提及已有渗流实验装置大都限定为单向渗流，而水库高坝中渗流路径及其复杂，只针对单一的水平或者竖向渗流开展研究显然无法满足实际工程与理论研究需要；大型渗流实验方面，尽管部分仪器可满足相似准则采用真实级配开展渗透实验，但应力加载方式与应力水平仍与实际高坝有较大差距，不具备实验条件对特高土石坝的渗流特性进行深入、有效研究。

技术实现要素：

基于以上考虑，为全面、可靠对高围压下的渗流特性开展研究并分析相关防渗抗渗措施，弥补已有实验设备与装置的不足，本发明提出一种模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及方法，该装置与方法能够有效还原多种复杂应力下土石材料中的渗流情况，同时可实现三个方向不同应力的稳定加载和精准控制，本发明的装置能够实施开展水平、竖直等多种渗流路径的渗流实验。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及方法，包括供水水箱、模型箱、压力装置、颗粒收集装置，其特征在于，所述模型箱分为外部箱体与内部空腔，外部箱体与内部空腔都为长方体构造，箱体顶面钢板向外延伸构成一个顶部钢板操作平台，顶部钢板操作平台的上方设有顶部盖板；该外部箱体的前面(正前向)、后面(正后)、左面(左侧)、右面(右侧)与底面(底部)都由钢板所制，左面(左侧)、后面(正后)、底面(底部)钢板中的一部分为活动钢板(分别称为“侧向活动钢板”，“底部活动钢板”，“正后活动钢板”)，所述活动钢板可沿板面垂直方向前后滑动；其余的钢板为固定钢板；原始状态下固定钢板与活动钢板处于一个平面并构成外部箱体；左面(左侧)、前面(正前向)钢板整块为固定钢板；所述模型箱内部空腔位于外部箱体左下角前部，当活动钢板被推动至箱体内部到达最大推动位置时，活动钢板、固定钢板和内部空腔边壁即在模型箱内部生成一个空室；所述顶部盖板上面设有顶部颗粒收集腔体；所述的压力装置包含液压油缸和反力架，液压油缸由左侧液压油缸、正后向液压油缸、底部液压油缸三部分组成，左侧液压油缸共计油缸一组，油缸与左侧活动钢板的第一钢板接触，正前向液压油缸共计油缸二组，油缸与正前向活动钢板接触，底部液压油缸共计油缸二组，油缸与底部活动钢板接触；每组液压油缸对应一套反力支架，反力支架位于各油缸外侧，反力支架通过反力肋板以及连杆与油缸连接。

所述的顶部钢板操作平台为模型箱顶部外沿钢板构成的平台，便于实验开展前击实土样以及实验结束打开顶部盖板后从上部观察土样。

该钢板操作平台3关键作用在于为顶部盖板4提供刚性固定面，顶部钢板操作平台3为一长方形平面，四个顶角处开设有与顶部盖板4固定用液压螺母16相配套螺母孔。若无顶部钢板操作平台3，模型箱顶部与顶部盖板4接触部位只有4面边壁，固定有难度，且在实验过程尤其是三向加载时难以提供有效刚性支撑。

更具体地说，本发明中的所述供水水箱为单腔室构造，内含一个水位调节容器与加压泵，水箱通过供水管道经由加压泵与外部水源直接连通，水位调节容器位于水箱内壁控制箱体水位，腔体底部中心位置开有孔槽，pvc水管一端连接该孔槽，另一端连接模型箱，pvc水管靠近水箱孔槽处安装有入流流量阀与入流流量计。

模型箱分为外部箱体与内部空腔，外部箱体与内部空腔都为长方体构造，外部箱体除顶部外其余五面都由钢板所制，箱体顶面钢板向外延伸构成一个顶部钢板操作平台，顶部钢板操作平台四个顶角位置开设有液压螺母对应螺孔。左侧、正后、底部钢板一部分为活动钢板，活动钢板可沿板面垂直方向前后滑动，其余部分钢板为固定钢板，原始状态下固定钢板与活动钢板处于一个平面并构成外部箱体；右侧、正前向钢板整块为固定钢板，顶部为一盖板，盖板尺寸与顶部钢板操作平台相同，可完全贴合在顶部钢板操作平台上并在平台四个顶角位置对应螺孔处开有槽孔，使得盖板能够通过液压螺母固定在顶部钢板操作平台上。模型箱内部空腔位于外部箱体左下角前部，当活动钢板被推动至箱体内部到达最大推动位置时，活动钢板、固定钢板和内部空腔边壁即在模型箱内部形成一个实验内腔；右侧固定钢板、顶部盖板为双层构造，包括第一钢板与第二钢板，第一钢板在第二钢板外侧，第一钢板与第二钢板完全贴合重叠，第一钢板可进行替换，第二钢板不可替换。

所述颗粒收集装置由顶部颗粒收集腔体与右侧出流处对应颗粒收集腔体构成，顶部颗粒收集腔体为一不锈钢长方体结构，腔体内横向、纵向分布有多组分隔刚板，顶部颗粒收集腔体固定于顶部盖板第一钢板之上，顶部颗粒收集腔体底部，即与顶部盖板第一钢板接触面处开有槽孔，顶部颗粒收集腔体顶面开设有较大出水孔，出水孔处套有出水软管；右侧颗粒收集腔体为一不锈钢长方体结构，腔体内横向、纵向分布有多组分隔刚板，右侧颗粒收集腔体固定于侧向渗水口第一钢板外侧，侧向颗粒收集腔体内侧，即与右侧固定钢板第一钢板接触面处开有槽孔，右侧颗粒收集腔体外侧面开设有较大出水孔，出水孔处套有出水软管。

所述左侧、正后、底部活动钢板与内腔边壁间设有橡胶止水条。

所述左侧活动钢板上设有进水口，进水口通过安装pvc水管与外界供水装置连接。

所述底部活动钢板上设有进水口，进水口通过安装pvc水管与外界供水装置连接。

所述左侧活动钢板进水口处pvc水管上装有入流流量控制阀和入流流量计。

所述底板活动钢板进水口处pvc水管上装有入流流量控制阀和入流流量计。

所述正前向固定钢板上开有若干视窗口，视窗口采用有机玻璃进行密封。

所述正前向固定钢板上预留有若干细孔槽，模型箱内部布置传感器后传感器电线可由孔槽接出。

所述第一钢板上有若干细孔，第二钢板上有若干粗孔，每一个粗孔圆心处对应一个细孔。

所述顶部颗粒收集腔体底部槽孔分布、直径与顶部盖板第二钢板完全一致。

所述右侧颗粒收集腔体底部槽孔分布、直径与侧向固定钢板第二钢板完全一致。

所述顶部颗粒收集腔体处出水软管上装有出流流量阀和出流流量计。

所述右侧颗粒收集腔体处出水软管上装有出流流量阀和出流流量计。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置使用方法，其特征在于如下使用步骤：

步骤一：确定实验用土石材料类型，选择并插入对应细孔孔径的第一钢板；

步骤二：还原所有三组液压油缸行程，使所有活动钢板回到初始状态，即活动钢板与固定钢板处于同一水平面；

步骤三：打开顶部盖板，将实验岩土料分层装填入模型箱外部箱体；

步骤四：土石材料装填一定厚度后埋入研究所需传感器，在顶部钢板操作平台进行土石材料分层压实作业，记录各层土石材料质量和最终填筑高度；

步骤五：待土石材料装填完毕后合上顶部盖板，通过液压螺母将顶部盖板固定在顶部钢板操作平台上表面。

步骤六：左侧活动钢板或者底部活动钢板处进水口通过pvc水管接入外部水源，打开进水口处入流流量阀并保持一定开度，保证入流流量计上流量稳定且读数较小，打开出流流量阀；

步骤七：观察并记录出流流量计读数，出流读数逐渐稳定且接近入流读数后关闭入流流量阀，出流流量阀保持打开状态；

步骤八：启动液压油缸，按照设定功率向接触活动钢板施加推力，液压油缸推动活动钢板过程中控制一定速率，确保稳定推动至液压油缸行程最大值；

步骤九：再次打开入流流量阀，通过改变外部供水装置水头对入流水施加设定压力并保持稳定，而后间隔固定时间记录出流流量值；

步骤十：若出流流量稳定不变，记录一定出流组次后关闭入流流量阀；若出流流量缓慢变化，采用影像记录设备持续记录有机玻璃观测窗内变化情况，持续记录出流量直至出流量超过预设控制值，关闭入流流量阀；

步骤十一：应用darcy公式k＝δq/isδt计算实验岩土料渗透系数；公式中，k为待求土石材料渗透系数，δt为渗流持续时间，δq为δt时刻记录出流量，s为过流断面截面积，i为渗流水力梯度。

本发明能够有效还原多种复杂应力下土石材料中的渗流情况，同时可实现三个方向不同应力的稳定加载和精准控制，本发明的装置能够实施开展水平、竖直等多种渗流路径的渗流实验。弥补了现有技术发明专利规模及尺寸较小无法还原土石坝填筑坝料真实级配情况、应力水平低下影响渗流研究真实性与可靠性等不足；同时克服了已有渗流实验装置大都限定为单向渗流的不足。

附图说明

下面结合附图和实施案例对本发明专利作进一步说明：

图1为本发明专利的结构示意图(后视图)；

图2为本发明专利的加载系统示意图；

图3为本发明专利的中面板俯视图；

图4为本发明专利底座仰视图；

图5为本发明专利顶板俯视图；

图6为本发明专利中面板所示a面示意图(后视图)；

图7为本发明专利中面板所示b面示意图(正视图)；

图8为本发明专利中面板所示c面示意图(左视图)；

图9为本发明专利中面板所示d面示意图(右视图)。

附图标记的含义为：1-底座液压油缸反力架，2-侧板支架，3-顶部钢板操作平台，4-顶部盖板，5-底部活动钢板，6-底部固定钢板，7-后部液压油缸反力架，8-后部活动钢板，9-侧向活动钢板，10-顶部颗粒收集腔体，11-侧向液压油缸，12-底部液压油缸，13-后部液压油缸，14-底部进排水口，15-顶部面板渗水口，16-液压螺母，17-视窗口，18-传感器电线孔槽，19-侧向进水口，20-侧向面板渗水口。

具体实施方式

实施例1，一种模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及方法，参照附图：实验装置包括供水水箱、模型箱、压力装置、颗粒收集装置，模型箱分为外部箱体与内部空腔，外部箱体与内部空腔都为长方体构造，外部箱体顶面钢板向外延伸并构成顶部钢板操作平台3，平台上设有顶部盖板4；外部箱体的其余五面都由钢板所制，分别为底部固定钢板6和侧向固定钢板。左侧、正后、底部钢板中的一部分为活动钢板，如：底部活动钢板5，后部活动钢板8，侧向活动钢板9。所述活动钢板可沿板面垂直方向前后滑动；其余的钢板为固定钢板；原始状态下固定钢板与活动钢板处于一个平面并构成外部箱体；右侧、正前向钢板整块为固定钢板；所述模型箱内部空腔位于外部箱体左下角前部，当活动钢板被推动至箱体内部到达最大推动位置时，活动钢板、固定钢板和内部空腔边壁即在模型箱内部生成一空室；所述外部箱体顶面钢板向外延伸构成一顶部钢板操作平台3，顶部钢板操作平台四个顶角位置开设有液压螺母对应螺孔；顶部钢板操作平台3顶部设置顶部盖板4，顶部盖板4在顶部钢板操作平台3四个顶角位置对应螺孔处开有槽孔，顶部盖板4可通过液压螺母16与顶部钢板操作平台3贴合固定。所述顶部盖板4上面设有顶部颗粒收集腔体10；所述的压力装置包含液压油缸和反力架，液压油缸由左侧液压油缸11、正后向液压油缸(后部液压油缸)13、底部液压油缸12三部分组成，左侧液压油缸共计油缸一组，油缸与左侧活动钢板的第一钢板接触，正前向液压油缸共计油缸二组，油缸与正前向活动钢板接触，底部液压油缸共计油缸二组，油缸与底部活动钢板接触；每组液压油缸对应一套反力支架，反力支架位于各油缸外侧，反力支架通过反力肋板以及连杆与油缸连接。其中，底座液压油缸反力架1，侧板支架2，后部液压油缸反力架7。图中，底部进排水口14，顶部面板渗水口15，液压螺母16，视窗口17，传感器电线孔槽18，侧向进水口19，侧向面板渗水口20。

包括如下步骤：

步骤一：确定实验用土石材料类型，选择并插入对应细孔孔径的第一钢板；

步骤二：还原所有三组液压油缸行程，使所有活动钢板回到初始状态，即活动钢板与固定钢板处于同一水平面；

步骤三：打开顶部盖板，将实验岩土料分层装填入模型箱外部箱体；

步骤四：土石材料装填一定厚度后埋入研究所需传感器，在顶部钢板操作平台进行土石材料分层压实作业，记录各层土石材料质量和最终填筑高度；

步骤五：待土石材料装填完毕后合上顶部盖板，通过液压螺母将顶部盖板固定在顶部钢板操作平台上表面。

步骤六：左侧活动钢板或者底部活动钢板处进水口通过pvc水管接入外部水源，打开进水口处入流流量阀并保持一定开度，保证入流流量计上流量稳定且读数较小，打开出流流量阀；

步骤七：观察并记录出流流量计读数，出流读数逐渐稳定且接近入流读数后关闭入流流量阀，出流流量阀保持打开状态；

步骤八：启动液压油缸，按照设定功率向接触活动钢板施加推力，液压油缸推动活动钢板过程中控制一定速率，确保稳定推动至液压油缸行程最大值；

步骤九：再次打开入流流量阀，通过改变外部供水装置水头对入流水施加设定压力并保持稳定，而后间隔固定时间记录出流流量值；

步骤十：若出流流量稳定不变，记录一定出流组次后关闭入流流量阀；若出流流量缓慢变化，采用影像记录设备持续记录有机玻璃观测窗内变化情况，持续记录出流量直至出流量超过预设控制值，关闭入流流量阀；

步骤十一：应用darcy公式k＝δq/isδt计算实验岩土料渗透系数；公式中，k为待求土石材料渗透系数，δt为渗流持续时间，δq为δt时刻记录出流量，s为过流断面截面积，i为渗流水力梯度。

本发明的有益效果：

本发明首次设计了一种全新的模拟土石材料多向渗流的真三轴实验装置及方法，能够有效还原多种复杂应力下土石材料中的渗流情况，实现三个方向不同应力的稳定加载和精准控制，本发明的装置能够开展实现水平、竖直等多种渗流路径的渗流实验。有效满足土石材料渗流机理与防渗抗渗措施实验研究，同时还可应用于大型水工、土工建筑物与复杂结构在大埋深、高围压、多种渗流方向条件下渗流变形与破坏的机理实验研究。