CN103115859B - 一种多工况的浑水渗流测压装置 - Google Patents

Abstract

一种多工况的浑水渗流测压装置，属于岩土工程和环境工程技术领域，主要用于悬浮质的淤塞作用对渗流的影响的研究。本发明用于在室内模拟浑水渗流过程，结构简单，操作方便。本发明包括浑水搅拌机构、浑水流量控制与测量机构、升降机构、测压机构及样本收集机构，浑水搅拌机构是由搅拌机固定在搅拌箱上组成，在浑水搅拌机构的下方设置有浑水流量控制与测量机构，浑水流量控制与测量机构由导管和流量计组成；在浑水流量控制与测量机构的下方设置有升降机构，升降机构由支撑柱、支撑杆、夹具及上、下底盘组成；在上、下底盘之间设置有测压机构，测压机构由测压外壳、测压计、滤沙网、土柱及上、下伸缩导管组成；样本收集机构由收集盘和底盘组成。

Description

一种多工况的浑水渗流测压装置

技术领域

本发明属于岩土工程和环境工程技术领域，特别是涉及一种多工况的浑水渗流测压装置，主要用于悬浮质的淤塞作用对渗流的影响的研究。

背景技术

随着中国社会经济的快速发展，对矿产资源的需求也在急剧增加，矿业开发规模也随着急剧增大，其中涉及的安全问题近年来逐渐引起国家和社会的高度关注和重视。尾矿库是一个具有高势能的人造泥石流重大危险源，其运行状况的好坏，不但关乎矿山企业的经济效益问题，而且关系到尾矿库区下游和其周边地区人民的生命和财产安全问题。

在土体内部，当水流速度和孔隙水压力达到一定值时，在土体骨架孔隙中的细小颗粒会随水流动，从而形成浑水渗流问题。浑水入渗与清水入渗的本质区别在于前者渗流过程中存在着颗粒的沉积和滞留，使得渗流的路径和渗透特征发生改变。在尾矿库中，随着渗透特征的改变，会引起尾矿库坝体排渗体中的孔隙渗流通道发生淤堵，使得坝体浸润面的位置即浸润线升高，进而会导致溃坝或者坝体的坍塌，因此，研究尾矿库的稳定性问题的实质是研究浑水入渗作用下坝体排渗体的淤堵变形问题。

在水土保持和节水灌溉等领域，在我国黄土高原地区通过引洪灌溉，在黄河流域通过引用含有大量泥沙的黄河水灌溉，来充分利用有限的水资源，在缓解旱情和改良土壤质地等方面取得了一定效果，其中就涉及到浑水入渗问题。在浑水入渗的过程中，浑水中携带的泥沙会沉积入渗到土壤中，影响土壤的入渗能力。通过对浑水入渗机理的研究，可以使浑水入渗理论更好的服务于水土保持、节水灌溉、土壤侵蚀、暴雨产汇流计算等方面。

淤堵在多孔介质中时有发生，它通过堵塞多孔介质孔隙，进而影响到多孔介质的传热、传力（渗流）、传质（物理迁移）。尾矿库发生物理淤堵的机理主要体现在：尾矿浆浑水中的细粒组分在渗流过程中，部分粗颗粒沉积在坝体上表面，堵塞了坝体多孔介质的孔隙渗流通道，同时成为坝体一部分，导致渗流路径的改变或者堵塞，阻碍浑水的继续渗透，而后随水流入渗的细小颗粒进入坝体孔隙中运移、沉积，使得坝体结构逐渐密实，进而导致渗透率下降，浸润线升高。当孔隙水压力逐渐增大，而且与致密层相连的下层土中仍然有孔隙，那么细小颗粒会继续在孔隙压力作用下下渗，直到土体足够密实，不会再出现细小颗粒下渗，就会进一步导致浸润线升高。土水共同作用决定了尾矿库的运行状态。可见，淤堵问题是这整个作用过程的关键因素。

本专利申请的发明人之一金佳旭在硕士论文中进行的浑水渗流试验中，采用的试验装置浑水出口有一水平连接管，该部分会造成浑水中大颗粒碎石的沉积，同时一次只能完成一个土柱的试验。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种多工况的浑水渗流测压装置，该测压装置用于在室内模拟不同水压力、不同流速、不同级配粒径土柱下的浑水渗流过程，结构简单，操作方便，易于控制，并且管道不容易被浑水颗粒堵塞。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种多工况的浑水渗流测压装置，包括浑水搅拌机构、浑水流量控制与测量机构、升降机构、测压机构及样本收集机构，浑水搅拌机构是由搅拌机固定在搅拌箱上组成，搅拌机的扇叶设置在搅拌箱内；在搅拌箱上设置有浑水导入口，在搅拌箱的侧壁上部设置有溢水孔；搅拌箱底部为浑水分流底片，在浑水分流底片上设置有若干浑水分流出口；在浑水搅拌机构的下方设置有若干浑水流量控制与测量机构，浑水流量控制与测量机构与浑水分流出口一一对应；所述浑水流量控制与测量机构由导管和流量计组成；导管上端与浑水分流出口相连通，在导管上设置有阀门和流量计；在浑水流量控制与测量机构的下方设置有升降机构，所述升降机构由支撑柱、夹具、支撑杆及上、下底盘组成，支撑柱为竖直设置，所述支撑柱的上端固定在搅拌箱底部，在支撑柱上设置有上、下底盘，在上、下底盘上分别设置有若干通孔，且上、下底盘上的通孔一一对应；在上、下底盘之间设置有支撑杆，在支撑杆上设置有夹具；在上、下底盘之间设置有测压机构，测压机构由测压外壳、测压计、滤沙网、土柱及上、下伸缩导管组成，测压外壳的两端分别与上、下伸缩导管的一端相连通；所述浑水流量控制与测量机构的导管的下端与上伸缩导管的另一端通过上底盘的通孔相连通，下伸缩导管的另一端设置在下底盘的通孔内，在所述下伸缩导管上设置有出水开关；所述测压外壳和上、下伸缩导管均为竖直设置；测压外壳下端与下伸缩导管连通处为排水口，在测压外壳底部的排水口上设置有滤沙网；在测压外壳内、滤沙网的上方设置有土柱，所述测压外壳通过夹具固定在支撑杆上；在测压外壳侧壁上的不同高度设置有若干测压计；样本收集机构由收集盘和底盘组成，所述支撑柱下端通过收集盘固定在底盘上，收集盘与动力源相连接，且收集盘在动力源的带动下能够以支撑柱为中心旋转。

所述浑水分流底片与搅拌箱为分体式。

所述搅拌箱、浑水分流底片、支撑柱及上、下底盘的轴心在同一直线上。

所述测压外壳上端通过倒置漏斗与上伸缩导管相连接。

所述浑水分流出口、浑水流量控制与测量机构及测压机构数量均为四个。

在所述收集盘上设置有隔板，通过隔板将收集盘面积分为相等的若干区域，使每个测压装置的排水口在旋转过程中对应的区域面积均相等。

本发明的有益效果：

本发明解决了用清水试验代替浑水试验造成试验数据不真实的问题，既可以做清水渗流试验也可以做浑水渗流试验。具有设计简单合理、易于控制与操作、数据可视化的特点，具体优势如下：

1、本发明可以同时进行若干组试验，工作效率大幅度提高，适用范围更加广泛；

2、由于浑水流量控制与测量机构和测压机构能够保持直立状态，所以避免了横向淤堵；

3、本发明采用流量计和测压计实现了观测过程的可视化，实验数据精准，贴近实际情况。

附图说明

图1是本发明的多工况的浑水渗流测压装置的结构示意图；

图2是本发明的浑水搅拌机构的结构示意图；

图3是本发明的浑水流量控制与测量机构的结构示意图；

图4是本发明的升降机构的结构示意图；

图5是本发明的测压机构的结构示意图；

图6是本发明的样本收集机构的结构示意图；

其中，1--搅拌机，2--土柱，3--浑水导入口，4--搅拌箱，5--扇叶，6--溢水孔，7--浑水分流底片，8--浑水分流出口，9--导管，10--流量计，11--阀门，12--上底盘，13—上伸缩导管，14--测压外壳，15--测压计，16--滤沙网，17--排水口，18--下底盘，19--支撑柱，20--夹具，21--支撑杆，22--出水开关，23--底盘，24--收集盘，25--塞管，26--下伸缩导管。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种多工况的浑水渗流测压装置，包括浑水搅拌机构、浑水流量控制与测量机构、升降机构、测压机构及样本收集机构，浑水搅拌机构是由悬挂式搅拌机1固定在搅拌箱4上组成，搅拌机1的扇叶5设置在搅拌箱4内，用于搅拌搅拌箱4内的浑水，防止沙粒沉积，最大限度保证浑水浓度；在搅拌箱4上设置有浑水导入口3，在搅拌箱4的侧壁上部设置有溢水孔6，以便高于溢水孔6的水排到搅拌箱4的外部，所述浑水导入口3和溢水孔6的高度均高于搅拌箱4内扇叶5的高度；搅拌箱4底部为浑水分流底片7，在浑水分流底片7上设置有若干浑水分流出口8，用于将浑水通过导管9输送到测压机构；在浑水搅拌机构的下方设置有若干浑水流量控制与测量机构，浑水流量控制与测量机构与浑水分流出口8一一对应；所述浑水流量控制与测量机构由导管9和流量计10组成，流量计10设置在导管9内，用来测量通过导管9的浑水流速；导管9上端与浑水分流出口8通过塞管25相连通，在流量计10上方的导管9内设置有阀门11，用来控制通过导管9的浑水流速；在浑水流量控制与测量机构的下方设置有升降机构，所述升降机构由支撑柱19、夹具20、支撑杆21及上、下底盘组成，支撑柱19为竖直设置，所述支撑柱19的上端固定在搅拌箱4底部，在支撑柱19上设置有上、下底盘，在上、下底盘上分别设置有若干通孔，且上、下底盘上的通孔一一对应；在上、下底盘之间设置有支撑杆21，在支撑杆21上设置有夹具20；在上、下底盘之间设置有测压机构，测压机构由测压外壳14、测压计15、滤沙网16、土柱2及上、下伸缩导管组成，测压外壳14的两端分别与上、下伸缩导管的一端相连通；所述浑水流量控制与测量机构的导管9的下端与上伸缩导管13的另一端通过塞管25设置在上底盘12的通孔内，并且相连通，下伸缩导管26的另一端设置在下底盘18的通孔内，在所述下伸缩导管26上设置有出水开关22；所述测压外壳14和上、下伸缩导管均为竖直设置，防止沙粒横向淤堵；测压外壳14下端与下伸缩导管26连通处为排水口17，在测压外壳14底部的排水口17上设置有滤沙网16，防止碎石颗粒堵塞排水口17；在测压外壳14内、滤沙网16的上方设置有土柱2，土柱2是一种试验样品，用于分析土体内部结构；所述测压外壳14通过夹具20固定在支撑杆21上，通过夹具20位置的改变能够改变测压外壳14的高度，从而改变水压强；在测压外壳14侧壁上的不同高度设置有三个测压计15，测压计15的探头设置在测压外壳14内部，用于测量不同高度的水压；样本收集机构由收集盘24和底盘23组成，所述支撑柱19下端通过收集盘24固定在底盘23上，收集盘24与动力源相连接，且收集盘24在动力源的带动下能够以支撑柱19为中心旋转。

所述浑水分流底片7与搅拌箱4为分体式，便于清洗。

所述搅拌箱4、浑水分流底片7、支撑柱19及上、下底盘的轴心在同一直线上。

所述测压外壳14上端通过倒置漏斗与上伸缩导管13相连接，使水流均匀的淋在土柱2上。

所述倒置漏斗与测压外壳14通过螺栓连接，便于更换测压外壳14内的不同级配粒径的土柱2。

所述浑水分流出口8设置有四组，便于在浑水浓度相同的情况下进行四组对照试验；所述浑水流量控制与测量机构设置有四组；所述测压机构设置有四组，便于测量不同工况、不同土柱2内的级配粒径下的静水压强。

在所述收集盘24上设置有隔板，通过隔板将收集盘24面积分为相等的若干区域，使每个测压装置的排水口17在旋转过程中对应的区域面积均相等。

所述收集盘24以支撑柱19为中心旋转的转速为360°/h，即6°/min，在所述收集盘24上设置的每两个隔板形成的区域夹角为30°，因此转过一个隔板区域的时间正好为5min。

为了保证每个测压机构的排水口17对应的区域面积相等，将每个测压机构的排水口17设置在收集盘24不同半径的环形区域上方，所述环形区域的半径的推导过程如下，如图6所示，所述收集盘24由五个同心圆组成，其半径分别为：r₀,r₁,r₂,r₃,r₄；

由圆的面积公式可知，五个同心圆的面积分别为：

S₀=πr₀ ²,S₁=πr₁ ²,S₂=πr₂ ²,S₃=πr₃ ²,S₄=πr₄ ²；

A、B、C、D四个测压机构的排水口17对应的收集盘24上的圆环的面积分别为：

S_A=πr₁ ²-πr₀ ²,S_B=πr₂ ²-πr₁ ²；

S_C=πr₃ ²-πr₂ ²,S_D=πr₄ ²-πr₃ ²；

由于四个环形区域的面积相等，则有：

S_A=S_B=S_C=S_D；

即            πr₁ ²-πr₀ ²=πr₂ ²-πr₁ ²=πr₃ ²-πr₂ ²=πr₄ ²-πr₃ ²；

提取公因子变形为：

π(r₁ ²-r₀ ²)=π(r₂ ²-r₁ ²)=π(r₃ ²-r₂ ²)=π(r₄ ²-πr₃ ²)；

约去π，令该恒等式等于常数k：

r₁ ²-r₀ ²=r₂ ²-r₁ ²=r₃ ²-r₂ ²=r₄ ²-r₃ ²=k；

则有：

r₁ ²-r₀ ²=k；r₂ ²-r₁ ²=k；r₃ ²-r₂ ²=k；r₄ ²-r₃ ²=k；

累加上述各式，可以得到：

r₄ ²-r₀ ²=4k；

解得：

$k=\frac{{r_4}^2-{r_0}^2}{4}$ ；

所以：

${r_1}^2={r_0}^2+\frac{{r_4}^2-{r_0}^2}{4}=\frac{{r_4}^2+3{r_0}^2}{4}$ ， ${r_2}^2={r_1}^2+k=\frac{{r_4}^2+3{r_0}^2}{4}+\frac{{r_4}^2-{r_0}^2}{4}=\frac{{{2r}_4}^2+2{r_0}^2}{4}$ ，

${r_3}^2={r_2}^2+k=\frac{{{2r}_4}^2+2{r_0}^2}{4}+\frac{{r_4}^2-{r_0}^2}{4}=\frac{{{3r}_4}^2+{r_0}^2}{4}$ 。

在本实施例中，已知：

r₀=100mm，r₄=600mm ，

带入上式得：

r₁=312.25mm，r₂=430.12mm，r₃=522.02mm。

下面结合附图说明本发明的一次使用过程：

如图2所示，将配置好的浑水样品通过浑水导入口3输送到搅拌箱4内，浑水搅拌机构通过搅拌机1带动扇叶5继续对浑水样品进行进一步搅拌，超过溢水孔6的浑水样品通过溢水孔6排出。

如图3所示，经过搅拌机1搅拌均匀的浑水样品从浑水分流出口8流入导管9中，调节设置在导管9上的阀门11来控制浑水样品流速快慢，从而实现改变浑水流速的目的。通过设置在导管9内的流量计10,计量流经每个导管9的浑水样品流量与流速快慢。

如图4、图5所示，从导管9流出的浑水样品通过上伸缩导管13进入测压外壳14内，通过设置在测压外壳14侧壁不同高度的三个测压计15，测量不同深度的静水压强；浑水样品依次经过测压外壳14内的土柱2、滤沙网16及下伸缩导管26排到测压机构外部，通过装入不同的土柱2改变土柱2的级配粒径；测压外壳14可在夹具20作用下沿着支撑杆21上下移动，在移动过程中需保持上、下伸缩导管竖直，防止泥沙横向沉积，由于测压外壳14的上下移动和上、下伸缩导管的伸缩可以改变测压外壳14与搅拌箱4之间的距离，从而实现改变测压外壳14中土柱2的净水压力的目的。

如图6所示，将从测压机构流出的浑水样品引流到收集盘24内，收集盘24在齿轮组传动下做匀速圆周运动，齿轮组由电动机带动运动。与测压机构的下伸缩导管26连接的软导管的底端初始时刻对应设置在收集盘24不同半径的环形区域内，且在标号为1的隔块内。由于收集盘24以支撑柱19为中心匀速旋转，且转速为6°/min，转过一个数字标号的区域的时间正好为5min，一个小时内恰好旋转一周。由于每个隔块的面积相等，只需观察隔块内水的高度就可以观察体积的改变，所以可以更好的观察在1个小时内的浑水样品的体积。收集得到的样品用于分析不同时间流出的浑水的浓度。

本发明在不同工况下的调整措施如下表：

表1 本发明在不同工况下的调整措施

表2 不同工况组合调整措施

试验组	1	2	3	4
					相同	①②③	①②④	①③④	②③④
不同	④	③	②	①
					方法	d	c	b	a

Claims (5)

1.一种多工况的浑水渗流测压装置，其特征在于包括浑水搅拌机构、浑水流量控制与测量机构、升降机构、测压机构及样本收集机构，浑水搅拌机构是由搅拌机固定在搅拌箱上组成，搅拌机的扇叶设置在搅拌箱内；在搅拌箱上设置有浑水导入口，在搅拌箱的侧壁上部设置有溢水孔；搅拌箱底部为浑水分流底片，在浑水分流底片上设置有若干浑水分流出口；在浑水搅拌机构的下方设置有若干浑水流量控制与测量机构，浑水流量控制与测量机构与浑水分流出口一一对应；所述浑水流量控制与测量机构由导管和流量计组成；导管上端与浑水分流出口相连通，在导管上设置有阀门和流量计；在浑水流量控制与测量机构的下方设置有升降机构，所述升降机构由支撑柱、夹具、支撑杆及上、下底盘组成，支撑柱为竖直设置，所述支撑柱的上端固定在搅拌箱底部，在支撑柱上设置有上、下底盘，在上、下底盘上分别设置有若干通孔，且上、下底盘上的通孔一一对应；在上、下底盘之间设置有支撑杆，在支撑杆上设置有夹具；在上、下底盘之间设置有测压机构，测压机构由测压外壳、测压计、滤沙网、土柱及上、下伸缩导管组成，测压外壳的两端分别与上、下伸缩导管的一端相连通；所述浑水流量控制与测量机构的导管的下端与上伸缩导管的另一端通过上底盘的通孔相连通，下伸缩导管的另一端设置在下底盘的通孔内，在所述下伸缩导管上设置有出水开关；所述测压外壳和上、下伸缩导管均为竖直设置；测压外壳下端与下伸缩导管连通处为排水口，在测压外壳底部的排水口上设置有滤沙网；在测压外壳内、滤沙网的上方设置有土柱，所述测压外壳通过夹具固定在支撑杆上；在测压外壳侧壁上的不同高度设置有若干测压计；样本收集机构由收集盘和底盘组成，所述支撑柱下端通过收集盘固定在底盘上，收集盘与动力源相连接，且收集盘在动力源的带动下能够以支撑柱为中心旋转；在所述收集盘上设置有隔板，通过隔板将收集盘面积分为相等的若干区域，使每个测压装置的排水口在旋转过程中对应的区域面积均相等。

2.根据权利要求1所述的多工况的浑水渗流测压装置，其特征在于所述浑水分流底片与搅拌箱为分体式。

3.根据权利要求1所述的多工况的浑水渗流测压装置，其特征在于所述搅拌箱、浑水分流底片、支撑柱及上、下底盘的轴心在同一直线上。

4.根据权利要求1所述的多工况的浑水渗流测压装置，其特征在于所述测压外壳上端通过倒置漏斗与上伸缩导管相连接。

5.根据权利要求1所述的多工况的浑水渗流测压装置，其特征在于所述浑水分流出口、浑水流量控制与测量机构及测压机构数量均为四个。