一种考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置

1.本实用新型涉及水利及岩土工程试验技术领域，特别涉及一种渗流侵蚀试验装置。


背景技术：

2.水利及地下工程中，由渗流引起的地下结构工程事故频繁发生。“侵蚀”作为大坝、隧道等结构物外侧常出现的土体侵蚀灾害形式，一般由下游处某点渗漏引发，沿着结构物与下部砂层交界面，逆着水流流线的方向逐渐向上游发展，形成侵蚀管道甚至大面积空洞，若处理不当，将形成灾害，造成巨大的环境影响和经济损失。迄今为止，业内仅有基于赫尔
‑ꢀ
肖氏理论的单纯流体的层流试验，主要用于流体力学教学工作。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术，本实用新型提出一种考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置，该装置可以模拟地下结构表面由水利驱动颗粒运动过程，利用该装置可以进行考虑均匀密实粉砂颗粒在水动力作用下驱动颗粒运动引起粉砂侵蚀启动、发展的试验，主要适用于地下结构表面侵蚀启动、发展规律的试验研究。
4.为了解决上述技术问题，本实用新型提出的一种考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置，包括制样装置、gds标准体积控制器、饱和装置、孔压计、ccd相机、无影灯、数据采集及存储设备和渗流侵蚀薄板主体；所述渗流侵蚀薄板主体的结构是：包括上盖板、下板和环形透水石，所述上盖板和下板均为有机玻璃；所述上盖板的中心处设有进出砂孔，所述上盖板的底面设有环形凹槽，所述下板的上面设有透水石槽，所述环形透水石嵌装在所述透水石槽内，所述环形透水石的高度大于所述上盖板底面透水石槽和所述下板上面透水石槽的高度之和，从而在上盖板与所述下板之间形成用于填充砂样的腔室；所述上盖板和所述下板之间设有密封圈；所述透水石槽的底部为环形储水槽，所述储水槽的底部设有多个透气孔；所述进出砂孔、所述透气孔均配有封堵。
5.进一步讲，本实用新型所述的考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置，其中，所述上盖板和所述下板上沿周向均匀布置有六个螺栓连接孔，并配有相同数量的连接螺栓。
6.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
7.本实用新型的二维平面渗流试验装置可以模拟地下结构表面由水利驱动颗粒的运动，是合理、稳定的岩土工程渗流侵蚀试验研究装置，使科研手段更为精确。本实用新型提出的考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置是以赫尔
‑
肖氏原理为基础实现的渗流侵蚀试验，用于研究地下结构物在有渗漏点时，结构外水土流失的启动发展及形成渗流通道的过程与机理。既可以研究水流驱动颗粒的启动机理，又可以反映结构外侧在渗流作用下砂土流失形成管道的规律，具有科研意义。
附图说明
8.图1为本实用新型二维平面渗流试验装置饱和过程的布局示意图；
9.图2为本实用新型二维平面渗流试验装置试验过程的布局示意图；
10.图3
‑
1为本实用新型中渗流侵蚀薄板主体结构示意图；
11.图3
‑
2是图3
‑
1的局部剖视图。
12.图中：
[0013]1‑
制样装置，2
‑
gds标准压力/体积控制器，3
‑
饱和装置，4
‑
孔压计，5
‑
ccd相机，6
‑ꢀ
无影灯，7
‑
数据采集及存储设备，8
‑
赫尔
‑
肖氏薄板，81
‑
上盖板，82
‑
下板，83
‑
环形透水石， 84
‑
进出砂孔，85
‑
凹槽，86
‑
密封圈，87
‑
环形储水槽，88
‑
透气孔，89
‑
封堵，90
‑
试样。
具体实施方式
[0014]
下面结合附图及具体实施例对本实用新型做进一步的说明，但下述实施例绝非对本实用新型有任何限制。
[0015]
如图1和图2所示，本实用新型提出的一种考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置，包括制样装置1、gds标准体积控制器2、饱和装置3、孔压计4、ccd相机5、无影灯6、数据采集及存储设备7和渗流侵蚀薄板主体8。
[0016]
如图3
‑
1和图3
‑
2所示，本实用新型中，所述渗流侵蚀薄板主体8采用赫尔
‑
肖氏圆板，其结构是：包括上盖板81、下板82和环形透水石83，所述上盖板81和下板82均为透明刚性材料；所述上盖板81和所述下板82上沿周向均匀布置有六个螺栓连接孔，并配有相同数量的连接螺栓。所述上盖板81的中心处设有进出砂孔84，所述上盖板81的底面设有凹槽85，所述下板82的上面设有透水石槽，所述环形透水石83嵌装在所述透水石槽内，所述环形透水石83的高度大于所述上盖板81底面透水石槽和所述下板82上面透水石槽的高度之和，从而在上盖板81与所述下板之间形成用于填充试样90的腔室；所述上盖板81和所述下板82之间设有密封圈86；所述透水石槽的底部为环形储水槽87，所述储水槽87的底部设有多个透气孔88；所述进出砂孔84、所述透气孔88均配有封堵。
[0017]
下面结合附图以所述渗流侵蚀薄板主体8为赫尔
‑
肖氏圆板为例对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。图中给出了本实用新型圆形板周围进水中间顶板设出孔的实施例。
[0018]
本实用新型装置的核心是：所述渗流侵蚀薄板主体的赫尔
‑
肖氏圆板为两块透明板中间夹薄砂层，按试验需要设计进出水位置、形状及尺寸，以确保进水一侧水流均匀，其中，还需要设置水流打散构件，具体如何设计该水流打散构件属于本领域公知常识，在此不再赘述。
[0019]
本实用新型中的所述制样装置1为动力可调节真空负压泵，通过透明软管与渗流侵蚀薄板主体结构相连，用于制样时调节系统压力环境。所述gds标准压力/体积控制器用于饱和过程进水并试验过程中提供注入流体。本实用新型中的所述饱和装置3必须保证整个赫尔
‑
肖氏圆板浸入其内的水中，用于试样饱和时提供密闭水环境，其外形及材料不限。在饱和阶段按设计压力选适当量程的孔压计4并联于负压管路用于监测系统压力；在渗流试验阶段选适当量程的孔压计4串联于赫尔
‑
肖氏圆板流体注入一侧，用于实时监测流体注入一侧孔隙压力。所述ccd相机5为高倍ccd相机，用于试验过程中实时监测、记录试验现象。
所述的数据采集及存储设备7用于实现两个功能，第一，实时采集并记录孔压计4、 gds标准压力/体积控制器2的读数，饱和、试验阶段用于实时监测记录速度、压力等数据；第二，用于实时采集保存试验过程中由ccd相机5采集的高清图片。
[0020]
本实施例中，渗流试验时，上盖板81和下板82的外缘设置有用于设置螺栓连接孔的金属框架，螺栓连接孔均设于框架上水流注入一侧，上盖板81和下板82上的多个螺栓连接孔的位置一一对应，以使螺栓顺利穿过，将上盖板81和下板82连接形成封闭整体。设置在所述上盖板81和下板82之间的密封圈86，其具体位置是沿试验时水流方向且为连接螺栓的下游对应位置处，用于确保赫尔
‑
肖氏圆板的腔体密闭不漏水。设置在所述上盖板81 和下板82之间的环形透水石83，其具体位置是沿试验时水流方向且为密封圈86的下游对应位置处，用于向腔体内的试样90中均匀进水。所述上盖板81在嵌装有透水石的凹槽的顶部设可以随时密封的透水石观察孔，该孔与大气连通。本实施例中，在所述下板82的位于透水石下部位置处的环形储水槽87的底部设有四个可以随时密封的透气孔88，与大气连通。在所述上盖板81的水流最下游位置设出口，该出口的尺寸及形状按试验需求设计。本实用新型中所述透水石的尺寸及形状按试验需要定制，本实施例中，该透水石的为环形透水石。
[0021]
利用上述考虑水土耦合流动的二维平面渗流试验装置进行试验的步骤包括：试样填装的饱和处理过程和试样填装完成后的渗流试验过程。
[0022]
步骤一，将赫尔
‑
肖氏圆板按照附图准备完毕，放好密封圈86和环形透水石83。用连接螺栓将上盖板81和下板82连接，将上盖板81顶部的进出砂孔84通过气管连真空负压泵(及附图标注1所指代的制样装置)，将赫尔
‑
肖氏圆板与gds标准压力/体积控制器2连接，通过砂进出口84向赫尔
‑
肖氏薄板的腔体中装入砂土试样90，将赫尔
‑
肖氏圆板密封，将密封连接好的赫尔
‑
肖氏圆板浸入饱和装置3中，打开真空负压泵保持密封赫尔
‑
肖氏圆板内负压，同时打开gds标准压力/体积控制器2设置恒流速进水，观察进水情况，确认板内装满水，关闭真空负压泵，同时打开赫尔
‑
肖氏圆板周围所有透气孔，在肉眼观察所述饱和装置3内无气状态时，确认整个板在水环境中充分进水饱和，试样填装完成；关闭gds标准压力/体积控制器2的进水，将gds标准压力/体积控制器2的进水管从中间的进出砂孔 84拆下接到边缘处环形储水槽87的透气孔88，将孔压计4连于金属框架边缘环形储水槽 87的另外的一个透气口，其余所有孔全部密封，进行渗流试验过程；
[0023]
步骤二，渗流试验过程：在一个遮光的环境中，将经过上述饱和阶段处理后的所述渗流侵蚀薄板主体8正面向上的置于一支架上，将所述ccd相机5置于所述渗流侵蚀薄板主体8的下板的正下方，所述无影灯6置于所述渗流侵蚀薄板主体8的上盖板的正上方，所述无影灯6的光线均匀恒定，所述gds标准体积控制器2通过透明软管连接至所述渗流侵蚀薄板主体8下板底部的一个透气孔88上，所述孔压计4连接于所述渗流侵蚀薄板主体8 下板底部的另一个透气孔上，所述孔压计4、ccd相机5和gds标准体积控制器2均连接至数据采集及存储设备7；打开数据采集及存储设备7，记录所述孔压计4及所述gds标准体积控制器2的实时数据，通过所述gds标准体积控制器2控制进水；
[0024]
改变上盖板81与下板82的板间距，并重复上述步骤一和步骤二，得到试验现象及试验结果，结束试验。
[0025]
本实用新型具有的优点和积极效果是：利用本实用新型提出的试验装置进行试验为业内首个以赫尔
‑
肖氏原理为基础自助开发研制的固体颗粒材料渗流侵蚀试验，用于研
究地下结构物在有渗漏点时，结构外水土流失的启动发展及形成渗流通道的过程与机理。既可以研究水流驱动颗粒的启动机理，又可以反映结构外侧在渗流作用下砂土流失形成管道的规律，具有科研意义。
[0026]
尽管上面结合附图对本实用新型进行了描述，但是本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本实用新型的保护之内。