基于PIV技术三维观测管涌装置及方法与流程

本发明属于水利工程技术领域,涉及堤坝质量的检测分析方法，具体说是一种基于piv技术三维观测管涌装置及方法。

背景技术：

我国长期受到洪水等灾害的侵扰，黄河与长江中下游的平原地区其洪灾最为频繁与厉害，其中堤防的破坏中管涌、漫顶、崩岸和整体失稳等各种破坏形式组合，经过各项灾害统计后，其堤坝各项灾害中，其中管涌的危害最大。黄河与长江的沿岸经济建设需要建设一个避免洪灾危害的安全的建设环境，需要对管涌所产生的非线性的动态过程中的水土相互作用产生的渗流场，其细粒土颗粒在渗流过程中系统几何特性以及水利特性的复杂变化，得到孔隙率、水头、水头梯度等量的动态变化，因此，在整个渗流过程中，对于土颗粒的移动特性、细土颗粒流失的分布特性，以及渗透通道的贯穿进行观测与分析。

目前，对于渗透参数以及管涌机理的研究的观测手段一般有如下几种方式：1）不同的专家运用电场或者高清数码摄像机等手段进行分析观测，但是，应用点流场模拟渗流场，无法模拟出颗粒流动特性，对于管涌作用的机理以及后期恶化等现象无法观测；2）用高清数码以及先进数字图像实验分析手段，可以对管涌进行线管研究，但是，仅仅可以检测到不同细粒的土颗粒在不同水头梯度的压力下其位移的大小，以及宏观的表层颗粒的流动变化，不能对于其管涌内部的细土颗粒进行观测，也无法对细土的颗粒移动方向以及流速等流体特征观测；3）利用通用piv平台，设计激光组，利用不同的追踪粒子，根据激光组的照射频率与拍照频率相结合，根据追踪粒子的流动来拍摄其管涌出现的位置以及相关颗粒情况，但是，其由于追踪粒子的价格较高，因而此数量较少，不能完全反应土层的具体破坏特征，且其激光发射源位置要求较高，一般只能针对某一断面进行拍摄，不能够三维显示管涌出现的具体位置以及相关破坏形式。

现有piv粒子图像测速技术其包括硬件与软件两大部分，硬件为示踪粒子以及成像系统（激光器，ccd摄像机，采集计算机），软件为图像后期处理系统，利用一般的反光性能良好的示踪粒子，根据激光的反射进行反应其粒子的移动位置以及方向，并通过ccd摄像机的拍摄，从而反映出示踪粒子的位移以及不同时刻流速以及相关方向。

如何设计一种基于piv技术三维观测管涌装置及方法，针对传统的piv粒子图像测速技术，利用其矢量图技术，采用新的光源形式替代其激光光源，有效地解决piv激光无法将激光照射面定位管涌口，并且能够有效地反应其荧光砂的管涌的矢量场。这是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于piv技术三维观测管涌装置及方法，采用piv粒子图像测速技术,新的光源形式替代原有的激光光源，有效地解决piv激光无法将激光照射面定位管涌口，并且能够有效地反应其荧光砂的管涌的矢量场；其实验方法简单，测定精度高；另外，可以实现多因素条件下三维观测管涌的测定方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于piv技术三维观测管涌装置，其特征在于，包括透明填充模型箱、注水池及piv粒子图像测速系统，所述piv粒子图像测速系统包括示踪粒子及成像系统，所述成像系统包括两个观察屏照明系统、两架ccd摄像机及计算机采集系统，两架所述的ccd摄像机与所述计算机采集系统连接，所述透明填充模型箱上，其两个相邻的侧面上各装配一所述观察屏照明系统，其底面开设进水孔，其顶面为可拆卸安装的顶板，所述顶板中间为可开闭的管涌口，所述注水池设置在高于所述透明填充模型箱的位置，所述注水池底部引出一水管与所述进水孔连接，所述管涌口连接一导管，所述导管另一端引入一沉淀容器，所述示踪粒子用于配置试验用土并填充入所述透明填充模型箱内。

对上述技术方案的改进：所述水管上设置有水阀及水压控制器，所述观察屏照明系统为医用观察屏，所述医用观察屏与所述计算机采集系统连接，两架所述的ccd摄像机分别设置在所述透明填充模型箱的正前方和一侧方。

对上述技术方案的进一步改进：所述透明填充模型箱为长方体形有机玻璃箱体，在所述透明填充模型箱的两竖向边角处各设置一刻度尺。

对上述技术方案的进一步改进：所述透明填充模型箱底部填充至少30cm厚度的卵石层作为进水缓冲区。

对上述技术方案的进一步改进：所述示踪粒子为陶瓷颗粒，所述试验用土还包括细颗粒的染色荧光砂及粗颗粒的透明砂。

一种基于piv技术三维观测管涌装置的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在透明填充模型箱内底部放置卵石形成卵石层作为注水缓冲区；

（2）示踪粒子选用陶瓷颗粒，细砂土选用荧光砂，将不同粒径的荧光砂染成不同颜色的染色荧光砂，相同粒径的染色荧光砂颜色一致，按照粒径大小预先将陶瓷颗粒分别与粒径一致的染色荧光砂混合配置，至少配置成两组粒径不同的目标流失土颗粒组；

（3）根据地层的信息，将不同粒径的透明砂与所述目标流失土颗粒组的土样配置成管涌发生的粒径土样，形成混合地层的试验用土，混合地层的试验用土中易发生管涌颗粒为目标流失土颗粒组；

（4）在卵石层上方依据相关设计对相关土层的厚度进行设计，根据透明填充模型箱上的刻度尺进行设置地层厚度，根据实验需求配置不同级配的土层；

（5）根据采用的透明砂，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入注水池中；

（6）准备完毕后，先打开两个观察屏照明系统，将观察屏调至最高亮度，观察在透明砂中吸光的染色荧光砂的分布状况，然后，将两架ccd摄像机分别从透明填充模型箱的正面和一侧面对透明填充模型箱进行拍摄；

（7）打开顶板的管涌口，调至初始水压，打开ccd摄像机，其水位线逐渐上升，启动管涌的启动水位可以根据水压控制器调定施压水压，直至管涌口开始出水时停止，并根据试验需求逐步提升水压，提升到产生管涌的试验水头梯度，每次水头压力至少增加0.02mp，直至试验土层出现管涌，其压力为最大水头压，并记录其上升的水流逐步出现管涌通道的过程；

（8）通过两台ccd摄像机拍摄出的图像数据传至计算机采集系统，并由电脑程序建立三维模型分析细颗粒荧光砂的流场，测定染色荧光砂在不同时间内的空间区域的三维分布形状变化，标记并记录不同粒径的陶瓷颗粒的位置变化以及流动速度；

（9）对所述管涌口通过导管流到沉淀容器中的溶液，通过烘干试验测定其流失的细颗粒质量，并对烘干后的细颗粒进行筛分，试验确定流失细颗粒的级配情况。

对上述技术方案的改进：所述步骤（2）中，所述陶瓷颗粒与染色荧光砂的重量配比为1：9；所述步骤（3）中，将混合地层的试验用土级配成不良级配，使混合地层试验用土的不均匀系数cu>5，或者，使混合地层的试验用土的曲率系数cc<1或cc>3。

对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（5）中，配置消除折射率的孔隙液的具体方法，在试验之前用烧杯安装放置好试验配置好的透明砂之后，贴烧杯壁插入透明砂中一根贴着刻度尺测试棒，并紧靠处也放置一根相同的刻度尺，并注入浓度为12%的盐溶液，在烧杯后面打光，观测其刻度的差距，如果刻度向上偏移，则减少盐浓度，按一定比例进行微量调整；如果刻度向下偏移，则反之，最终调整溶液至刻度相同后，配置完成孔隙液。

本发明与现有技术相比的优点和积极效果是：

1．本发明有效地解决了传统管涌实验装置难以观测土体中管涌的细颗粒管涌通道的过程，通过不同层的染色荧光砂，不仅可以分析出其每层不同级配的染色荧光砂的管涌转移速度与数量，还通过荧光不同颜色的闪烁方便piv软件的捕捉。

2．本发明有效的解决了相关管涌试验只能观测二维的管涌现象，而通过两台ccd摄像机同步拍摄，进而有效观测管涌的细荧光砂三维流动状态。

3．本发明采用了医用观察屏的无闪烁，亮度稳定性高、无暗区、无闪烁，其光源可瞬间发光。有效地解决了piv激光无法将激光照射面定位管涌口，且解决了激光设置复杂的弊端，并且能够有效地反应其染色荧光砂的管涌的矢量场。

4．本发明中利用管涌口的导管传输到沉淀容器里，依据沉降量，进行烘干筛分后，并可以分析沉降级配的流失砂量，有效地提高了分析土体管涌的机理。

5．本发明中上游的注水池，通过调整其不同高度来调节水头梯度，调节方便。

附图说明

图1是本发明一种基于piv技术三维观测管涌装置的正面示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明一种基于piv技术三维观测管涌装置中透明填充模型箱的立体结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细描述：

参见图1、图2，本发明一种基于piv技术三维观测管涌装置的实施例，包括透明填充模型箱6、注水池1及piv粒子图像测速系统，所述piv粒子图像测速系统包括示踪粒子及成像系统，所述成像系统包括两个观察屏照明系统、两架ccd摄像机5及计算机采集系统4，两架ccd摄像机5与所述计算机采集系统4连接。在上述透明填充模型箱6两个相邻的侧面上各装配一观察屏照明系统，在透明填充模型箱6的底面上开设进水孔12，透明填充模型箱6顶面为可拆卸安装的顶板6.1，顶板6.1中间为可开闭的管涌口7。注水池1设置在高于透明填充模型箱6的位置，注水池1底部引出一水管2与上述进水孔12连接。上述管涌口7连接一导管8，导管8另一端引入一沉淀容器9。上述示踪粒子用于配置试验用土并填充入透明填充模型箱6内。

进一步地，上述水管2上设置有水阀及水压控制器3，水阀包括第一水阀10、第二水阀11，第一水阀10设置在注水池1下方，第二水阀11设置在透明填充模型箱6的下方。上述观察屏照明系统为医用观察屏，两个医用观察屏分别为第一医用观察屏14和第二医用观察屏15，第一医用观察屏14设置透明填充模型箱6的后侧面上，第二医用观察屏15设置透明填充模型箱6的右侧面上，如图3所示。两架ccd摄像机5分别设置在透明填充模型箱6的正前方和左侧方。

再进一步地，上述透明填充模型箱6为长方体形有机玻璃箱体，在透明填充模型箱6的两竖向边角处各设置一刻度尺。

优选地，上述透明填充模型箱6内的底部填充至少30cm厚度的卵石层13作为进水缓冲区。上述示踪粒子为陶瓷颗粒，上述试验用土还包括细颗粒的染色荧光砂及粗颗粒的透明砂。

本发明一种基于piv技术三维观测管涌装置的测定方法的具体实施方式，包括如下步骤：

（1）在透明填充模型箱6内底部放置卵石形成卵石层13作为注水缓冲区；

（2）示踪粒子选用陶瓷颗粒，细砂土选用荧光砂，将不同粒径的荧光砂染成不同颜色的染色荧光砂，相同粒径的染色荧光砂颜色一致，按照粒径大小预先将陶瓷颗粒分别与粒径一致的染色荧光砂混合配置，至少配置成两组粒径不同的目标流失土颗粒组；

（3）根据地层的信息，将不同粒径的透明砂与所述目标流失土颗粒组的土样配置成管涌发生的粒径土样，形成混合地层的试验用土，混合地层的试验用土中易发生管涌颗粒为目标流失土颗粒组；

（4）在卵石层上方依据相关设计对相关土层的厚度进行设计，根据透明填充模型箱上的刻度尺进行设置地层厚度，根据实验需求配置不同级配的土层；

（5）根据采用的透明砂，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入注水池1中；

（6）准备完毕后，先打开两个观察屏照明系统，将观察屏调至最高亮度，观察在透明砂中吸光的染色荧光砂的分布状况，然后，将两架ccd摄像机分别从透明填充模型箱的正面和一侧面对透明填充模型箱6进行拍摄；

（7）打开顶板6.1上的管涌口7，调至初始水压，打开ccd摄像机5，其水位线逐渐上升，启动管涌的启动水位可以根据水压控制器3调定施压水压，直至管涌口7开始出水时停止，并根据试验需求逐步提升水压，提升到产生管涌的试验水头梯度，每次水头压力至少增加0.02mp，直至试验土层出现管涌，其压力为最大水头压，并记录其上升的水流逐步出现管涌通道的过程；

（8）通过两台ccd摄像机5拍摄出的图像数据传至计算机采集系统4，并由电脑程序建立三维模型分析细颗粒荧光砂的流场，测定染色荧光砂在不同时间内的空间区域的三维分布形状变化，标记并记录不同粒径的陶瓷颗粒的位置变化以及流动速度；

（9）对管涌口7通过导管8流到沉淀容器9中的溶液，通过烘干试验测定其流失的细颗粒质量，并对烘干后的细颗粒进行筛分，试验确定流失细颗粒的级配情况。

进一步地，上述步骤（2）中，所述陶瓷颗粒与染色荧光砂的质量配比为1：9；所述步骤（3）中，将混合地层试验用土级配成不良级配，使混合地层的试验用土的不均匀系数cu>5，或者，使混合地层的试验用土的曲率系数cc<1或cc>3。

再进一步地，上述步骤（5）中，配置消除折射率的孔隙液的具体方法，在试验之前用烧杯安装放置好试验配置好的透明砂之后，贴烧杯壁插入透明砂中一根贴着刻度尺测试棒，并紧靠处也放置一根相同的刻度尺，并注入浓度为10%-15%（质量浓度）的盐溶液，在烧杯后面打光，观测其刻度的差距，如果刻度向上偏移，则减少盐浓度，按一定比例进行微量调整；如果刻度向下偏移，则反之，最终调整溶液至刻度相同后，配置完成孔隙液。

以下为本发明基于piv技术三维观测管涌装置的一个具体实施例：

针对某水坝的管涌的防治工作进行指导，需要对水坝下层的土层进行管涌渗透的模拟，采用本发明应用对管涌的启动机制以及相关破坏现象，进行分析。

针对该水坝的相关地层进行勘察，分析出起水坝下的地层有三层，由上至下，第一层为砾石层其颗粒大小为5mm<d<20mm;第二层土为中沙，其级配为0.10mm<d<0.5mm,第三层土为粉粒砂土0.005mm<d<0.16mm。

其中，第一层的颗粒级配大致为5mm<d<10mm的颗粒为68%，10mm<d<20mm为32%土层厚度1m。

第二层的颗粒级配大致为0.10mm<d<0.12mm的颗粒为32%；0.12<d<0.25mm的颗粒为25%，0.25mm<d<0.46mm为43%，土层厚度为2m。

第三层的颗粒级配大致为0.005mm<d<0.075mm的颗粒为62%，0.075mm<d<0.12mm为14%，0.12mm<d<0.16mm的颗粒为24%，土层厚度为2m。

经调查其水库存水的水头梯度最高为8m，最低为3m，而堤坝后的地层的水头梯度为4m。

针对此种情况进行如下实验设计：

首先，配置易流失的目标流失土颗粒组，包括：目标流失土颗粒组为第三层的粒径为0.005mm<d<0.075mm的颗粒，以及粒径为0.075mm<d<0.12mm的颗粒，粒径为0.12mm<d<0.16mm的颗粒；第二层的粒径为0.10mm<d<0.12mm的颗粒。因此，选取粒径为0.005mm<d<0.075mm的红色荧光砂以及陶瓷颗粒，按照红色荧光砂：陶瓷颗粒=9：1的质量比混合第一种目标流失土颗粒组；选取粒径为0.075mm<d<0.12mm的颗粒的黄色荧光砂以及陶瓷颗粒；按照黄色荧光砂：陶瓷颗粒=9：1的质量比混合第二种目标流失土颗粒组；选取粒径为0.12mm<d<0.16mm的颗粒的绿色荧光砂颗粒以及陶瓷颗粒，按照绿色荧光砂：陶瓷颗粒=9：1的质量比混合第三种目标流失土颗粒组；第二层选取粒径为0.10mm<d<0.12mm的蓝色荧光砂以及陶瓷颗粒，按照蓝色荧光砂：陶瓷颗粒=9：1的质量比混合第四种目标流失土颗粒组。

其次配置相关地层土样，依据不同的同层的配比，第一层，选用5mm<d<10mm的颗粒为68%，10mm<d<20mm为32%的透明砂进行混合配置第一层土样，第二层选用0.12<d<0.25mm的颗粒为25%，0.25mm<d<0.46mm为43%的透明砂与第四种目标流失土颗粒组32%配置第二层土样，第三层选用62%的第一种目标流失土颗粒组、14%的第二种目标流失土颗粒组，24%第三种目标流失土颗粒组配置第三层土样。

最后，依据地质勘查的结果，在透明填充模型箱6中进行比例缩小的模型试验，根据地层的总高度为5m，透明填充模型箱高度为2m，因此，缩小比例为5：2，设置第三层土样高度为0.8m，第二层为0.8m，第一层为0.4m，进行铺设。

配置消除折射率的孔隙液，用烧杯安装放置好试验配置好的透明砂之后，贴烧杯壁插入砂土中一根贴着刻度尺测试棒（木棍等均可），并紧靠处也放置一根相同的刻度尺，并注入浓度为10%-15%（质量浓度）的盐溶液，在烧杯后面打光，观测其刻度的差距，如果刻度向上偏移，则减少盐浓度(以百分之零点二的比例进行调整)，如果向下偏移，则反之；最终调整溶液至刻度相同后，孔隙液配置完毕，并将配置好的孔隙液注入注水池1中。

打开第一医用观察屏14和第二医用观察屏15，并启动两台ccd摄像机5，并调整第一医用观察屏14和第二医用观察屏15的亮度，直至ccd摄像机5能够清晰测试出示踪粒子以及各个层的荧光粒子的位置，并打开ccd摄像机5，调整焦位，建立起相关三维空间的模型。

启动水压控制器3，依据模型的比例最初的初水头设置为0mpa，打开顶板6.1上的管涌口7，并逐渐施加水压，通过水压控制器3调至初始水压，其水位线逐渐上升，在启动的管涌的启动水位可以根据水压控制器3调定施压水压，直至管涌口7开始出水时停止，并根据试验需求提升到管涌的试验水头梯度，每次水头压力增加0.02mp，直至试验土层出现管涌，其压力为最大水头压，并记录其上升的水流逐步出现管涌通道的过程。

通过两台ccd摄像机5拍摄出的图像数据传至计算机采集系统4，并由电脑程序建立三维模型分析细颗粒荧光砂的流场，测定荧光砂在不同时间内的空间区域的三维分布形状变化，标记并记录不同粒径的示踪粒子的位置变化以及流动速度。

对管涌口7通过导管8流到沉淀容器9中的溶液，通过烘干试验测定其流失的细颗粒质，并对烘干后的细颗粒进行筛分试验确定流失颗粒的级配情况。

本发明的工作原理及应用效果分析如下：

1.本发明有效地解决了传统管涌实验装置难以观测土体中管涌的细颗粒的管涌的通道的过程，对于可能发生管涌的粒径土颗粒采用粒径一致的染色荧光砂与陶瓷颗粒混合而成，并在透明砂组成的不同地层的级配中进行试验，且进行三维的观测，能够有效地分析出不同染色的区域空间移动变化来计算颗粒的流失量以及流失规律。可以有效分析不同水头梯度下不同粒径的染色荧光砂的在不同地层中流失的位置变化规律以及与不同水头梯度的关系等。

2.本发明采用了陶瓷颗粒作为示踪粒子，陶瓷颗粒具有反光亮度高，质量均匀的特点，将不同粒径的陶瓷颗粒与其对应粒径的染色荧光砂混合，在观测过程中，通过对陶瓷颗粒在管涌中的流动速度由piv测试出，从而确定该粒径的土颗粒在管涌通道流动的速度，并且能够多种粒径土颗粒同时发生管涌时，同时测定不同颗粒的管涌流动速度，水头梯度在不同土层中的损失量。因为其不同相同粒径的质量较为均匀一致，从而能够通过陶瓷颗粒的流速以及质量来实时计算在不同土层中不同水头梯度在土层中水头梯度的损失量。

3.本发明通过两台ccd摄像机5同步拍摄，有效地解决了相关管涌试验只能观测二维的的管涌现象，进而有效观测管涌的细荧光砂三维流动状态。

4.本发明在启动管涌的启动水位可以根据水压控制器3调定施压水压，方便观察不同粒径的土颗粒的启动水压力，通过逐步增加压力等级，来确定所测试管涌的不同颗粒被冲刷的水头梯度。

5.本发明用食盐水作为孔隙液，由于一般透明砂试验采用水存在大量的水与光的折射，并且作为光的折射作用将会严重影响试验的观察，对于管涌所出现的各种现象观测产生不利影响。因此，在试验前采用食盐与水进行拌合，根据采用粗颗粒的透明砂的不同，拌合测试出消除该粒径的透明砂折射的孔隙液体介质，食盐材料较为易得，且相对于煤油等油脂类调整折射油脂类，不易燃，具有较好的调教折射率的作用。

6．本发明采用了医用观察屏的无闪烁，亮度稳定性高、无暗区、无闪烁，其光源可瞬间发光作为试验的背光材料。有效的解决了piv激光无法将激光照射面定位管涌口，且完全去除激光复杂的设置的需求，并且能够有效的观测其荧光砂的管涌的矢量场。

7．本发明中利用管涌口7连接的导管8传输到沉淀容器9中的溶液，依据沉降量，进行烘干筛分后，并分析了沉降级配的流失砂量，有效地提高了分析土体的管涌的机理。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。