CN102374958A

CN102374958A - 一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器

Info

Publication number: CN102374958A
Application number: CN2011103017706A
Authority: CN
Inventors: 王立忠; 马丽丽; 国振; 李玲玲
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-10-09
Filing date: 2011-10-09
Publication date: 2012-03-14
Anticipated expiration: 2031-10-09
Also published as: CN102374958B

Abstract

本发明提供了一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，包括取土器部分、冲刷机构部分；取土器部分包括可升降的垂直管状透明盛土容器，盛土容器的底部为活塞；取土器部分还包括能独立于盛土容器升降的盛水容器，盛水容器连接提供压缩空气的装置；所述冲刷机构部分包括处于管状盛土容器上方的平放的冲刷管，冲刷管在盛土容器的正上方设有与盛土容器适配的开口，以供管状盛土容器上升后与冲刷管相接并密封。本发明能够模拟土体渗流冲刷，实现各种不同条件下的试验方案；为研究渗流与冲刷耦合作用下土体颗粒的起动、定性了解渗流冲刷机理、揭示冲刷与土样基本性质之间的定性关系、修正渗流作用下的冲刷公式等提供实验条件。

Description

一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器

技术领域

本发明涉及用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器。

背景技术

水流对土体的冲刷是岩土工程和水利工程中最复杂的问题之一，河岸的崩塌、桥墩与丁坝的失稳等大部分都是由于冲刷所引起构筑物周围土体流失造成的。

土体在经受冲刷时主要受到水流作用力（切应力、上举力）、自身有效重力以及颗粒间的粘结力的影响。水流作用力是水流施加在土体颗粒上促使其起动、悬浮、冲刷的主要动力，而有效重力和颗粒间的粘结力是土体本身所固有的，是使其保持静止不动、抵抗水流运移的主要阻力（即抗冲力）。当水流作用力超过土体抗冲力时，就发生土体颗粒运移、流失；如若土体在承受冲刷作用的同时受到渗流作用，则土体颗粒间的作用力、孔隙水压力等都会产生很大的变化，使土体的抗冲力减小，更容易发生冲刷现象。而冲刷和渗流这两种现象在河岸崩塌等问题中也时常相伴而生，如河岸在渗流作用下由于水流冲刷造成河岸土颗粒物质的移动，从而引起边岸的变形、崩塌等问题。

因此，国内外很多学者针对冲刷和渗流的问题，进行了大量数值模拟，现场及室内实验。如国内的何建新教授在2010年初，发明了渗流力作用下泥沙启动流速试验装置，主要研究渗流力下泥沙起动的潜力，可改变传统的依靠水流拖曳力表层启动泥沙的方式，具有重要的价值，但是该装置冲刷槽不封闭，在水流流速等方面的测量有所欠缺，详见<刘亮，何建新，侯杰，杨力行，“点源渗流作用下泥沙起动试验研究”，水利与建筑工程学报，2011>；Jean-Louis Briaud在1991年发明了一种仪器-—Erosion Function Apparatus（EFA）用来测定土体或岩体的冲刷特性，较准确的不同水流速度下土体或岩体的冲刷速率与切应力之间的关系，最后得到土体或岩体的临界切应力或起动流速，该仪器装置精密，实验过程严谨，但没有考虑土体（或岩体）渗流的情况，详见<Briaud J.-L.，Chen H.-C.，2005，“The EFA, Erosion Function Apparatus: An Overview”，Proceedings of the International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering，Osaka，Japan，September 2005 >。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，能够模拟土体渗流冲刷，实现各种不同条件下的试验方案；为研究渗流与冲刷耦合作用下土体颗粒的起动、定性了解渗流冲刷机理、揭示冲刷与土样基本性质之间的定性关系、修正渗流作用下的冲刷公式等提供实验条件。

为此，本发明采用以下技术方案：它包括取土器部分、冲刷机构部分；

所述取土器部分包括可升降的垂直管状盛土容器，所述盛土容器的底部为活塞，所述盛土容器透明；

所述取土器部分还包括能独立于盛土容器升降的盛水容器，所述盛水容器连接提供压缩空气的装置，所述管状盛土容器的底部与盛水容器之间接通并设有阀；

所述冲刷机构部分包括处于管状盛土容器上方的平放的冲刷管，所述冲刷管在管状盛土容器的正上方设有与管状盛土容器适配的开口，以供管状盛土容器上升后与冲刷管相接并密封；

所述冲刷机构部分在所述开口的上下游分别设有流量计，在所述开口的上游设置流量调节阀，在所述开口的下游连接过滤装置；

所述冲刷管在设置所述开口的区段设有观察窗，所述冲刷管的底部为平底。

在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

所述实验仪器包括支撑台，所述冲刷管设置在支撑台的上方，所述支撑台内在左右方向上被分呈四个区域，自左至右或自右至左依次为：液体动力区，用于设置冲刷用水的增压水泵；渗流水提供区，用于设置所述盛水容器及其升降机构；土样提供区，用于设置盛土容器及其升降机构；气压动力提供及冲刷水过滤区，其下部用于设置向盛水容器提供压缩气体的气压装置，其上部用于设置所述过滤装置。

所述气压装置包括气压泵和储气罐。

所述管状盛土容器底部的活塞与盛水容器之间接通，所述活塞中空，其下部设有与水管连接的接口，其上部具有多个出水孔隙。

盛土容器的升降机构包括盛土容器的安装定位座、蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构中的蜗轮固定在所述安装定位座上并连接有摇轮，蜗杆被固定不动。

所述活塞也被配备有升降机构，所述升降机构包括第二蜗杆、第二蜗轮，所述活塞和第二蜗杆连接，第二蜗轮安装在盛土容器的安装定位座上并连接有摇轮。

盛水容器的升降机构包括盛水容器的安装定位座、蜗轮蜗杆机构，蜗轮固定在所述安装定位座上并连接有摇轮，所述蜗杆被固定不动。

本发明设有水箱，所述水箱的出水管路与所述水泵连接，所述过滤装置的滤过水与所述水箱的进水管路连接。

所述盛水容器具有容积刻度，所述观察窗上设有高度刻度。

所述冲刷管采用横截面为矩形的管。

由于采用本发明的技术方案，本发明在前人研究的基础上，在模拟水流冲刷作用的同时还可对土体施加一个竖直向上的渗流作用，能研究土体或岩体在渗流作用下的水流冲刷特性，最后可得到岩土试样的基本性质、渗流作用及水流流速三者之间的定性关系，对揭示土体承受渗流与冲刷耦合作用的机理等具有重要的意义。

本发明可以用来测定试样在竖直渗流作用下被水流冲刷的情况。试验同时可变换研究土样类型（粘土、粉土、砂土等），水流速度，更改渗流的情况，实现各种不同条件下的试验方案；可研究渗流与冲刷耦合作用下土体颗粒的起动，定性了解渗流冲刷机理，揭示冲刷与土样基本性质之间的定性关系，修正渗流作用下的冲刷公式等。

附图说明

图1为本发明所提供的实施例的总体示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为取土部分的放大示意图。

图4为盛土容器的升降机构的示意图。

具体实施方式

参照附图。本发明包括取土器部分、冲刷机构部分；

所述取土器部分包括可升降的垂直管状盛土容器1，所述盛土容器1的底部为活塞2，所述盛土容器1透明，附图标号10为土样。盛土容器1上还连有活塞2下降的限位螺栓24。

所述取土器部分还包括能独立于盛土容器1升降的盛水容器3，所述盛水容器具有容积刻度。所述盛水容器通过管路31连接提供压缩空气的装置，所述管状盛土容器的底部与盛水容器之间通过管路32接通并设有阀33以控制接通状态和流量，附图标号34为盛水容器的气压表。

所述冲刷机构部分包括处于管状盛土容器1上方的平放的冲刷管4，所述冲刷管4在管状盛土容器1的正上方设有与管状盛土容器1适配的开口41，以供管状盛土容器1上升后与冲刷管4相接并密封；所述冲刷管4在设置所述开口41的区段处设有观察窗42，所述观察窗上设有高度刻度；所述冲刷管的底部为平底，以更好地模拟河流的底部形状，同时，也便于具体地管状盛土容器1与冲刷管4的连接密封，在本实施例中，所述冲刷管4采用横截面为矩形的管，并通过转接头43、44分别与其上游和下游的圆形管连接。在所述观察窗前还设有相机支架45。

所述冲刷机构部分在所述开口的上下游分别设有流量计46、47，在所述开口41的上游设置流量调节阀48，在所述开口的下游连接过滤装置5，所述过滤装置可采用带纱网的过滤桶；

所述实验仪器包括支撑台6，所述冲刷管4设置在支撑台6的上方，所述支撑台6内在左右方向上被分呈四个区域，自左至右或自右至左依次为：

液体动力区100，用于设置冲刷用水的增压水泵7；

渗流水提供区200，用于设置所述盛水容器3及其升降机构；

土样提供区300，用于设置盛土容器1及其升降机构；

气压动力提供及冲刷水过滤区400，其下部用于设置向盛水容器提供压缩气体的气压装置，其上部用于设置所述过滤装置。所述气压装置包括气压泵35和储气罐36。

本实施例中，所述管状盛土容器底部由活塞2与盛水容器3接通，所述活塞中空21，其下部设有与水管连接的接口22，其上部具有多个出水孔隙23。

盛土容器的升降机构包括盛土容器的安装定位座11、蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构中的蜗轮111固定在所述安装定位座11上并连接有摇轮112，蜗杆113被固定不动。摇动摇轮112，因蜗杆不动，蜗轮转动加上下移动，从而带动安装定位座11上升下降，并进而使盛土容器上升下降，当盛土容器到位后，将摇轮制动及安装定位座11侧面的螺钉拧紧，固定好安装定位座11。附图标号14为安装定位座11的升降导向杆。

所述活塞2也被配备有升降机构，所述升降机构包括第二蜗杆213、第二蜗轮211，所述活塞2和第二蜗杆213连接，第二蜗轮211安装在盛土容器的安装定位座11上并连接有摇轮212。摇动摇轮212，蜗轮211转动，因蜗轮211固定在安装定位座11上不能升降，从而带动蜗杆213上下移动，推动活塞2向上移动，上到一定高度时，将摇轮制动即可。

盛水容器的升降机构包括盛水容器的安装定位座37、蜗轮蜗杆机构，蜗轮311固定在所述安装定位座37上并连接有摇轮312，所述蜗杆313被固定不动。盛水容器的升降方法与盛土容器的相同。附图标号30为安装定位座37的升降导向杆。

本发明设有水箱8，所述水箱的出水管路81与所述水泵7连接，附图标号82为出水管路81上的阀，所述过滤装置的滤过水与所述水箱8的进水管路83连接。水泵的出水管路为圆管84，圆管84与冲刷管4之间连接的变截面管85内装有稳流装置，用来稳定水流。

以下结合试验过程对本发明做进一步的描述：

试验前要对土样进行基本性质测试，得到土样的渗透系数K、密度ρ、含水量ω等基本参数。

然后进行装样，将装有土样10的盛土容器1放入相应安装定位座11上，固定好，摇动摇轮112，使盛土容器1上升，顶部到达冲刷管4开口41，停止摇动摇轮112，摇动摇轮212，使活塞2上升，推动土样上升，从观察窗中看到土样顶部与冲刷管4底部持平时，停止摇动摇轮212。

其次开始试验，打开阀门82、48，起动水泵7，同时从观察窗中观察水流流态，直到水流充满冲刷管4。调整阀门48，观测流量计46、47的读数，使得水流流速调整到所需的范围内，记录此时的流量Q₁、Q₂，并打开设置在相机支架45上的高速照相机，全程监控。关闭阀门33，可进行无渗流情况下的冲刷试验，摇动摇轮212，推动土样上升，从观察窗中观测土样上升达到所需的高度时，停止摇动摇轮212，记录此时土样上升的高度H’，并开始计时t₀’；打开阀门33，对渗流作用下土体的冲刷特性进行试验，摇动气压泵摇轮314，直到气压表34指针指向所需要的值时，停止摇动，记录此时的压强值P₀，从盛土容器1中观测土样中水的渗流情况，当水流渗流到土样顶部时，摇动摇轮212，推动土样上升，从观察窗中观测土样上升达到所需的高度时，停止摇动摇轮212，记录此时土样上升的高度H，开始计时t₀，并测量、记录整个渗流过程中盛水容器3与盛土容器1的水头差△h。

最后，从观察窗中观测到土样顶部基本与冲刷管4底部持平时，认为已冲刷完毕，停止计时，记录此时t₁。关闭水泵7、阀门82、48。试验终止。

目的：

试验数据处理阶段应用到以下几个主要参数：

1、水流流速V：水流稳定时，由流量计46、47的读数Q₁、Q₂计算得到，V=

Figure 2011103017706100002DEST_PATH_IMAGE001

, A为冲刷管4的截面面积，采用平均流速；

2、渗透系数K：结合常规土工试验（渗流试验）获得；

3、水头压强P：试验时由气压表34读数P₀及渗流作用时盛水容器3与盛土容器1的水头差△h根据公式P= P₀+ρ _水 g△h计算得到：

4、切应力τ：根据水流流速V由Jean-Louis Briaud在文章中提到的公式

查Moody Chart 得到；

5、冲刷速率Z：渗流情况下由公式计算得到，无渗流情况下由公式

计算得到，H、H’为试验开始时，摇动摇轮212使土样由冲刷管4底部位置上升的高度，t₀、t₀’为冲刷的起始时间，t₁为冲刷的终止时间。

试验时，可改变水流流速值V和水头压强P值，最后得到：

水流流速V不变时，冲刷速率Z与渗透系数K及不同的水头压强P的关系曲线。试样土样的渗透系数K是一定的，水头压强P增大，土体受到的向上渗透力也相应增大，使得土体颗粒的抗冲刷力相应减小，观测此时的冲刷速率Z的变化，与比无渗流情况进行对比。

水头压强P不变时，冲刷速率Z与水流流速V或切应力τ的关系曲线，得到起动流速Vcr或临界切应力τcr。将此渗流作用下的Z—V或Z—τ曲线与无渗流情况下的Z—V或Z—τ曲线进行对比，分析土体在渗流作用下的冲刷机理。

③水流流速V和水头压强P不变，改变渗透系数K，即对不同的土样进行试验，得到不同的冲刷特性，分析验证不同土体的渗流与冲刷耦合作用机制。

Claims

1.一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于它包括取土器部分、冲刷机构部分；

2.如权利要求1所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述实验仪器包括支撑台，所述冲刷管设置在支撑台的上方，所述支撑台内在左右方向上被分呈四个区域，自左至右或自右至左依次为：

液体动力区，用于设置冲刷用水的增压水泵；

渗流水提供区，用于设置所述盛水容器及其升降机构；

土样提供区，用于设置盛土容器及其升降机构；

气压动力提供及冲刷水过滤区，其下部用于设置向盛水容器提供压缩气体的气压装置，其上部用于设置所述过滤装置。

3.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述气压装置包括气压泵和储气罐。

4.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述管状盛土容器底部的活塞与盛水容器之间接通，所述活塞中空，其下部设有与水管连接的接口，其上部具有多个出水孔隙。

5.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于盛土容器的升降机构包括盛土容器的安装定位座、蜗轮蜗杆机构，蜗轮蜗杆机构中的蜗轮固定在所述安装定位座上并连接有摇轮，蜗杆被固定不动。

6.如权利要求5所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述活塞也被配备有升降机构，所述升降机构包括第二蜗杆、第二蜗轮，所述活塞和第二蜗杆连接，第二蜗轮安装在盛土容器的安装定位座上并连接有摇轮。

7.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于盛水容器的升降机构包括盛水容器的安装定位座、蜗轮蜗杆机构，蜗轮固定在所述安装定位座上并连接有摇轮，所述蜗杆被固定不动。

8.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于它设有水箱，所述水箱的出水管路与所述水泵连接，所述过滤装置的滤过水与所述水箱的进水管路连接。

9.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述盛水容器具有容积刻度，所述观察窗上设有高度刻度。

10.如权利要求1或2所述的一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器，其特征在于所述冲刷管采用横截面为矩形的管。