CN105021504B - 一种用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统及装置。所述的水头压力控制系统包括蓄水装置及向渗透变形装置供水的供水管，该供水管包括供水主管和至少一根与供水主管连通的供水支管；供水主管的一端与蓄水装置连通，另一端与各供水支管连通，在供水主管上还设有一排水管；各供水支管上未与供水主管连接的一端则分别与各渗透变形装置中的进水管连通；供水主管上依次设置有定量泵、第一蓄能器、调速阀、减压阀、第二蓄能器和压力表；排水管设于第一蓄能器和调速阀之间，其上设有溢流阀；各供水支管上分别设有一截止阀及一压力表。本发明所述装置结构简单，可持续、稳定且精确地控制实验过程中渗透变形水压力，提高实验数据的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种抗渗透变形试验装置，具体涉及一种用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统及装置。
背景技术
针孔渗透变形试验用于在岩溶塌陷试验中测试具有裂隙面或者较大孔隙土体的抗渗透变形破坏能力。目前采用的试验水头压力控制系统主要采用水箱或者水泵超量供水，通过提升或降低进水管端口实现其自由水面的高度控制，进而实现对进入渗透变形装置的水头压力的控制。其不足之处在于：试验过程需不断提降进水管，操作繁琐，空间占用大；提升高度受场地限制，提供压力范围有限，压力越高精度控制的难度越大，影响试验的测试范围及精度。
公开号为CN103345278A的发明专利公开了一种常水头大流量渗透变形水压力自动控制装置，包括供水箱，供水箱底部设有进水管，供水箱的底部通过送水管与渗透变形仪的底部连通，所述的送水管上设有增压泵、自动水流调节阀和压力表。该发明通过设置的增压泵和自动水流调节阀确保给渗透变形仪提供常水头大流量和在一定程度上压力稳定的渗透变形水，确保实验数据较现有传统技术更为精确和稳定，但仅通过设定一个调节阀的出口压力是难以实现整个实验过程中水头压力的持续恒定，另外，泵和调节阀的开启闭合必然导致系统压力的脉冲波动，实验数据的精度必然受影响；此外，增压泵与调节阀构建的常水头压力系统缺乏压力系统保护装置，容易造成泵或调解阀的损坏或者失灵，形成安全隐患和实验的中断；再者，该装置也仅能够同时实现一组抗渗透变形试验，难以同时多组试验进行，效率相对低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单，可持续、稳定且精确地控制实验过程中渗透变形水压力的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统及装置。
本发明所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，包括蓄水装置以及向渗透变形装置供水的供水管，其中：
所述供水管包括一供水主管和至少一根与该供水主管连通的供水支管，所述供水支管的数量对应于渗透变形装置的数量；所述供水主管的一端与蓄水装置连通，另一端与各供水支管连通，在供水主管上还设置有一与其连通的排水管；各供水支管上未与供水主管连接的一端则分别与各渗透变形装置 中的进水管连通；
所述的供水主管上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵、第一蓄能器、调速阀、减压阀、第二蓄能器和压力表；所述的排水管设置于第一蓄能器和调速阀之间，在排水管上设置有溢流阀；
所述各供水支管上分别设置有一个截止阀及一个压力表。
上述技术方案中，所述的定量泵可以是叶片泵或蠕动泵；所述的蓄水装置可以是设置在地面上的水池或水箱。所述排水管上的溢流阀可以是先导型溢流阀或直动型溢流阀，优选采用先导型溢流阀；排水管的出口端可以直接伸入蓄水装置中或者是将其出口端设置于蓄水装置能够承接其出水的范围内，也可以再用另外一个可以盛接水的装置来盛接由排水管排出的水，从水资源的循环利用及节约将水由其它盛水装置再导入蓄水装置所需能耗等方面考虑，优选是将排水管的出口端直接伸入蓄水装置中或者是将其出口端设置于蓄水装置能够承接其出水的范围内。所述的减压阀优选采用直动型减压阀。
本发明所述水头压力控制系统，通过在供水主管上从入水口端至其出水口端方向依次设置定量泵、第一蓄能器、调速阀、减压阀、第二蓄能器和压力表，再在第一蓄能器和调速阀之间设置排水管并在其上排水管上设置溢流阀，可以持续、稳定且精确地控制实验过程中向渗透变形装置供入的渗透变形水压力，有效地提高了所得试验数据的精度与可靠性；另一方面，本发明所述水头压力控制系统采用插装式不同特制弹簧的减压阀和蓄能器组合能够实现多个可调范围段的恒定压力输出，满足不同试样的渗透变形试验需求，增大了水头压力的可调节范围(传统水箱约在0～10m的供压，而本申请可以实现实现0～30m范围内的供压)；另外，采用第一蓄能器、溢流阀、调速阀组合能够提供流量与压力为恒定的水流至减压阀入口，便于实现高精度的压力控制，与此同时，实现水压系统压力不超过工作安全值，保证各个部件的工作安全。
本发明还包括一种用于针孔渗透变形试验的装置，该装置包括水头压力控制系统和若干个渗透变形装置，其中：
所述的水头压力控制系统包括蓄水装置以及向渗透变形装置供水的供水管，其中：
所述供水管包括一供水主管和至少一根与该供水主管连通的供水支管，所述供水支管的数量对应于渗透变形装置的数量；所述供水主管的一端与蓄水装置连通，另一端与各供水支管连通，在供水主管上还设置有一与其连通的排水管；各供水支管上未与供水主管连接的一端则分别与各渗透变形装置中的进水管连通；
所述的供水主管上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵、第一蓄能器、调速阀、减压阀、第二蓄能器和压力表；所述的排水管设置于第一蓄能器和调速阀之间，在排水管上设置有溢流阀；
所述各供水支管上分别设置有一个截止阀及一个压力表；
所述的渗透变形装置包括第一盖体、第二盖体和采样和制样用的环刀，其中：
所述第一盖体具有一个由其表面向第一盖体内部凹进的第一腔室，该第一腔室的形状与环刀的外形相匹配，在第一盖体上还设置有与该第一腔室连通的进水管和排气管；
在第二盖体的其中一个表面上开设有一个向第二盖体内部凹进的第二腔室及与该第二腔室连通的第三腔室，所述第二腔室的形状与环刀的外形相匹配，所述第二腔室和第三腔室的中心轴线重合，且第二腔室的口径大于第三腔室的口径；在第三腔室中填充有第二过滤介质，在第二盖体上还设置有与所述第三腔室连通的出水管；
所述第一盖体和第二盖体呈第一盖体上第一腔室的开口和第二盖体上第二腔室的开口正对的方式设置，并通过连接件可拆卸地连接在一起；
所述的环刀置于由第一盖体的第一腔室和第二盖体的第二腔室构成的空间中，且环刀上刀刃一端的底部置于第二盖体上第二腔室与第三腔室的连接部，环刀上远离刀刃的一端至第一腔室的底部之间填充有第一过滤介质，在环刀的外周壁与第一腔室的内周壁及第二腔室的内周壁之间设置有密封件；此时，第一盖体上进水管的中心轴线、第一腔室的中心轴线、第二腔室的中心轴线、第三腔室的中心轴线、环刀的中心轴线以及出水管的中心轴线重合。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在水头压力控制系统的结构中，所述的定量泵可以是叶片泵或蠕动泵；所述的蓄水装置可以是设置在地面上的水池或水箱。所述排水管上的溢流阀可以是先导型溢流阀或直动型溢流阀，优选采用先导型溢流阀；排水管的出口端可以直接伸入蓄水装置中或者是将其出口端设置于蓄水装置能够承接其出水的范围内，也可以再用另外一个可以盛接水的装置来盛接由排水管排出的水，从水资源的循环利用及节约将水由其它盛水装置再导入蓄水装置所需能耗等方面考虑，优选是将排水管的出口端直接伸入蓄水装置中或者是将其出口端设置于蓄水装置能够承接其出水的范围内。所述的减压阀优选采用直动型减压阀。的定量泵为叶片泵或蠕动泵。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，为了固定密封件的位置，进一步提高密封效果，还可以在第一腔室的内周壁上开设至少一道环形凹槽，在第二腔室的内周壁上开设至少一道环形凹槽，将密封件置于所述的环形凹槽中。所述的密封件的数量与环形凹槽的数量相当。优选是在第一腔室的内周壁和第二腔室的内周壁上分别开设二道环形凹槽。所述的密封件可以是现有技术中常用的密封件，通常为O形密封圈。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，所述的第一过滤介质为砾石。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，所述的第二过滤介质为形状呈环形的透水石，该透水石的外径与第三腔室的口径 相匹配，其内径等于或稍大于出水管的口径；在该透水石置于第三腔室中时，其轴线与出水管的中心轴线重合。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，所述的连接件与现有技术相同，优选为螺栓、螺母。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，在排气管上还设置有截止阀。
上述用于针孔渗透变形试验的装置中，在渗透变形装置的结构中，所述环刀的结构与现有技术相同，在本申请中它用于取样和制样，具体的取样与制样方法与现有技术相同。采用环刀进行取样制样，与传统土工试验结合，可联合测试土样的体积、密度、质量等参数，实现一个样品的多次利用；还可进行不同尺寸与厚度规格的针孔渗透变形试验。而将内部有制好的试样的环刀直接置于由第一盖体的第一腔室和第二盖体的第二腔室构成的空间中，减少了填装工序，提高了效率。为了更精确地控制进行测试的试样的厚度，优选是在环刀的外周壁上标示有表示距离的刻度表。
与现技术相比，本发明所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特点在于：
1、采用特殊结构设计的水头压力控制系统，可以持续、稳定且精确地控制实验过程中向渗透变形装置供入的渗透变形水压力，有效地提高了所得试验数据的精度与可靠性；另一方面，本发明所述水头压力控制系统采用插装式不同特制弹簧的减压阀和蓄能器组合能够实现多个可调范围段的恒定压力输出，满足不同试样的渗透变形试验需求，增大了水头压力的可调节范围(传统水箱约在0～10m的供压，而本申请可以实现实现0～30m范围内的供压)；另外，采用第一蓄能器、溢流阀、调速阀组合能够提供流量与压力为恒定的水流至减压阀入口，便于实现高精度的压力控制，与此同时，实现水压系统压力不超过工作安全值，保证各个部件的工作安全。
2、通过更换不同类型尺寸的环刀与切入深度进行取样，可以满足不同尺寸针孔渗透变形试样的抗渗透变形试验；还可联合测试土样的体积、密度、质量等参数，实现一个样品的多次利用。
3、将内部有制好的试样的环刀直接置于由第一盖体的第一腔室和第二盖体的第二腔室构成的空间中，不仅减少了填装工序，提高了效率，还避免了现有技术中因填装时采用凡士林进行润滑可能出现的渗漏现象。
4、本发明所述结构中，将第二盖体上的第二腔室的口径设置成大于第三腔室的口径，并将内置有试样的环刀的刀刃一端的底部置于第二盖体上第二腔室与第三腔室的连接部(即第二腔室大于第三腔室部分的底部)，从而有效地避免了水流出现壁流现象，使水流尽可能地实现直接通过试样中的针孔进而从出水管流出(假设水流在环刀内壁出现壁流现象，这些水流也会沿着第二腔室与第三腔室的连接部再流入第三腔室中，这会延长水流的线路，也就增大了水流的阻力，而因试样中存在针孔，水流流经针孔再从出水管流出的阻力明显小于上述出现壁流现象时的阻力，因此，水流会选择从阻力小的通道流至出水管(即流经针孔再从出水管流出))，从而保证水按照试验设计从针孔中流动，提高实验数据的可靠性。
5、进一步地，在常规环刀的外壁要示刻度，达到精确控制测试土体试样厚度的目的。
附图说明
图1为本发明所述水头压力控制系统一种实施方式的结构示意图；
图2为本发明所述水头压力控制系统另一种实施方式的结构示意图；
图3为本发明所述水头压力控制系统再一种实施方式的结构示意图；
图4为本发明所述用于针孔渗透变形试验的装置一种实施方式的结构示意图；
图5为图4所示实施方式中渗透变形装置的结构示意图；
图6为图4所示实施方式中环刀的结构示意图；
图7为将图4所示实施方式的装置应用于桂林某河流季节性水位波动引起河岸区域地下水位波动造成塌陷可能性进行评估而进行的针孔渗透变形试验时其中一个试样破坏半对数曲线图(渗透水头、平均流量随总水头变化半对数线图)，其中，渗透水头(cm)，平均流量(ml/sec)；
图8为将图4所示实施方式的装置应用于桂林某河流季节性水位波动引起河岸区域地下水位波动造成塌陷可能性进行评估而进行的针孔渗透变形试验时其中一个试样破坏后的图片。
图中标号为：
1供水管；1-1供水主管；1-2供水支管；2定量泵；3第一蓄能器；4调速阀；5减压阀；6第二蓄能器；7压力表；8截止阀；9溢流阀；10排水管；11蓄水装置；12渗透变形装置；13盛水容器；14试样；15第一盖体；16进水管；17排气管；18环刀；18-1刻度表；19O形密封圈；20第二盖体；21第二过滤介质；22第一过滤介质；23出水管；24螺栓；25螺母。
具体实施方式
下面结合具体附图对本发明作进一步的详述,以更好地理解本发明的内容。
本发明所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，包括蓄水装置11以及向渗透变形装置12供水的供水管1，其中：
所述供水管1包括一供水主管1-1和至少一根与该供水主管1-1连通的供水支管1-2，所述供水支管1-2的数量对应于渗透变形装置12的数量；所述供水主管1-1的一端与蓄水装置11连通，另一端与各供水支管1-2连通，在供水主管1-1上还设置有一与其连通的排水管10；各供水支管1-2上未与供水主管1-1连接的一端则分别与各渗透变形装置12中的进水管16连通；
所述的供水主管1-1上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵2、第一蓄能器3、调速阀4、减压阀5、第二蓄能器6和压力表7；所述的排 水管10设置于第一蓄能器3和调速阀4之间，在排水管10上设置有溢流阀9；
所述各供水支管1-2上分别设置有一个截止阀8及一个压力表7。
图1为本发明所述水头压力控制系统一种实施方式的结构示意图。在图1所述的实施方式中，本发明所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，包括蓄水装置11以及向渗透变形装置12供水的供水管1，其中：所述供水管1包括一供水主管1-1和一根与该供水主管1-1连通的供水支管1-2，所述供水主管1-1的一端与蓄水装置11连通，另一端与供水支管1-2连通，在供水主管1-1上还设置有一与其连通的排水管10；所述供水支管1-2上未与供水主管1-1连接的一端则与渗透变形装置12中的进水管16连通。所述的供水主管1-1上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵2、第一蓄能器3、调速阀4、减压阀5、第二蓄能器6和压力表7；所述的排水管10设置于第一蓄能器3和调速阀4之间，在排水管10上设置有溢流阀9。所述的供水支管1-2上从其进水口端至其出水口端依次设置有一个截止阀8及一个压力表7。在本实施方式中，所述的定量泵2为叶片泵，所述的蓄水装置11为水池，所述供水主管1-1的入水口端伸入水池(最好是使供水主管1-1入水口端置于水池中的液面以下，更好是将供水主管1-1入水口端置于接近水池底部的位置)；所述排水管10的出水口端伸入蓄水装置11中。
图2为本发明所述水头压力控制系统另一种实施方式的结构示意图。在图2所述的实施方式中，本发明所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，包括蓄水装置11以及向渗透变形装置12供水的供水管1，其中：所述供水管1包括一供水主管1-1和两根与该供水主管1-1连通的供水支管1-2，所述供水主管1-1的一端与蓄水装置11连通，另一端与各供水支管1-2连通，在供水主管1-1上还设置有一与其连通的排水管10；所述各供水支管1-2上未与供水主管1-1连接的一端分别与各渗透变形装置12中的进水管16连通。所述的供水主管1-1上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵2、第一蓄能器3、调速阀4、减压阀5、第二蓄能器6和压力表7；所述的排水管10设置于第一蓄能器3和调速阀4之间，在排水管10上设置有溢流阀9。所述每根供水支管1-2上从供水管1的进水口端至其出水口端依次设置有一个截止阀8及一个压力表7。在本实施方式中，所述的定量泵2为蠕动泵，所述的蓄水装置11为水池，所述供水主管1-1的入水口端伸入水池(最好是使供水主管1-1入水口端置于水池中的液面以下，更好是将供水主管1-1入水口端置于接近水池底部的位置)；在排水管10的下方设置有另一个蓄水装置11(为另一个水池)，所述排水管10的出水口端伸入该蓄水装置11中。
图3为本发明所述水头压力控制系统再一种实施方式的结构示意图。在图3所述的实施方式中，本发明所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控 制系统，包括蓄水装置11以及向渗透变形装置12供水的供水管1，其中：所述供水管1包括一供水主管1-1和三根与该供水主管1-1连通的供水支管1-2，所述供水主管1-1的一端与蓄水装置11连通，另一端与各供水支管1-2连通，在供水主管1-1上还设置有一与其连通的排水管10；所述各供水支管1-2上未与供水主管1-1连接的一端分别与各渗透变形装置12中的进水管16连通。所述的供水主管1-1上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵2、第一蓄能器3、调速阀4、减压阀5、第二蓄能器6和压力表7；所述的排水管10设置于第一蓄能器3和调速阀4之间，在排水管10上设置有溢流阀9。所述每根供水支管1-2上从供水管1的进水口端至其出水口端依次设置有一个截止阀8及一个压力表7。在本实施方式中，所述的定量泵2为叶片泵，所述的蓄水装置11为水池，所述供水主管1-1的入水口端伸入水池(最好是使供水主管1-1入水口端置于水池中的液面以下，更好是将供水主管1-1入水口端置于接近水池底部的位置)；所述排水管10的出水口端伸入蓄水装置11中。
图4为本发明所述用于针孔渗透变形试验的装置一种实施方式的结构示意图。在图4所述的实施方式中，本发明所述的用于针孔渗透变形试验的装置包括水头压力控制系统、三个渗透变形装置12以及三个用于分别盛接从三个渗透变形装置12流出的水的盛水容器13，每个渗透变形装置12的结构相同，其中：
所述的水头压力控制系统，包括蓄水装置11以及向渗透变形装置12供水的供水管1，其中：所述供水管1包括一供水主管1-1和三根与该供水主管1-1连通的供水支管1-2，所述供水主管1-1的一端与蓄水装置11连通，另一端与各供水支管1-2连通，在供水主管1-1上还设置有一与其连通的排水管10；所述各供水支管1-2上未与供水主管1-1连接的一端分别与各渗透变形装置12中的进水管16连通。所述的供水主管1-1上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵2、第一蓄能器3、调速阀4、减压阀5、第二蓄能器6和压力表7；所述的排水管10设置于第一蓄能器3和调速阀4之间，在排水管10上设置有溢流阀9。所述每根供水支管1-2上从供水管1的进水口端至其出水口端依次设置有一个截止阀8及一个压力表7。在本实施方式中，所述的定量泵2为叶片泵，所述的蓄水装置11为水池，所述供水主管1-1的入水口端伸入水池(最好是使供水主管1-1入水口端置于水池中的液面以下，更好是将供水主管1-1入水口端置于接近水池底部的位置)；所述排水管10的出水口端伸入蓄水装置11中。
所述的渗透变形装置12如图5所示，包括第一盖体15、第二盖体20和环刀18，其中：
所述第一盖体15具有一个由其表面向第一盖体15内部凹进的第一腔室，该第一腔室的形状及大小与环刀18的外形相匹配，在第一腔室靠近其开口一端的内周壁上开设有二道环形凹槽，在第一盖体15上还设置有与该第一腔室 连通的进水管16和排气管17，在排气管17上设置有截止阀8；
在第二盖体20的其中一个表面上开设有一个向第二盖体20内部凹进的第二腔室及与该第二腔室连通的第三腔室，所述第二腔室的形状及大小与环刀18的外形相匹配，在第二腔室的内周壁上开设有二道环形凹槽；所述第二腔室和第三腔室的中心轴线重合，且第二腔室的口径大于第三腔室的口径；在第三腔室中填充有第二过滤介质21，在第二盖体20上设置有与所述第三腔室连通的出水管23，出水管23上设置有截止阀8；
所述第一盖体15和第二盖体20呈第一盖体15上第一腔室的开口和第二盖体20上第二腔室的开口正对的方式设置，并通过连接件可拆卸地连接在一起；
所述的环刀18用于采样和制样(按现有常规技术采好样后，沿着环刀18的中心轴线在试样14上制作一个针孔，所述针孔的轴线与环刀18的中心轴线重合)，其结构如图6所示，在环刀18的外周壁上标示有表示距离的刻度表18-1，刻度表18-1从环刀18的刀刃一端开始沿环刀18的轴向长度标示。所述环刀18置于由第一盖体15的第一腔室和第二盖体20的第二腔室构成的空间中(即环刀18的一部分置于第一腔室中，一部分置于第二腔室中)，所述环刀18上刀刃一端的底部直接抵压于第二盖体20上第二腔室与第三腔室的连接部上，环刀18上远离刀刃的一端至第一腔室的底部(即与第一腔至的开口相对的内壁面)之间填充有第一过滤介质22，在环刀18的外周壁与第一腔室的内周壁及第二腔室的内周壁之间设置有4个密封件，这些密封件分别置于第一腔室和第二腔室内周壁上的环形凹槽中；此时，第一盖体15上进水管16的中心轴线、第一腔室的中心轴线、第二腔室的中心轴线、第三腔室的中心轴线、环刀18的中心轴线以及出水管23的中心轴线重合。
在本实施方式中，所述的第一过滤介质22为砾石；所述的第二过滤介质21为形状呈环形的透水石，该透水石的外径与第三腔室的口径相匹配，其内径等于或稍大于出水管23的口径，在该透水石置于第三腔室中时，其轴线与出水管23的中心轴线重合；所述的连接件为螺栓24和螺母25，所述的密封件为O形密封圈19。
在本实施方式中，所述盛接渗透变形装置12流出的水(即从渗透变形装置12的出水管23流出的水)的盛水容器13为量杯。
测试时，先用渗透变形装置12进行取样与装填。首先，取出环刀18，完成取样制样(取好样后沿着环刀18的中心轴线制作一个针孔，孔径的大小根据实验进行设定)；再取与环刀18大小匹配的第二盖体20，将匹配的密封件放入第二盖体20内周壁上的环形凹槽中压实，将第二过滤介质21放入第二盖体20的第三腔室内压实，再将环刀18的刀刃端压入第二盖体20中，直至刀刃抵压在第二盖体20上第二腔室的底部；取规格匹配的第一盖体15，关闭排气阀，将第一过滤介质22填充入第一盖体15上的第一腔室中(部分填充，通常是填充至距第一腔室开口端的15mm～20mm处)，压平；将已经插 接好环刀18的第二盖体20作为一个整体，将远离环刀18刀刃一端的端部插入第一盖体15上的第一腔室内，直至该端部与第一过滤介质22面接触；最后通过螺栓24、螺母25将前盖与后盖进行连接，并适度调节前盖与后盖端面距离，达到最佳位置。安装完毕后，再将各渗透变形装置12的进水管16分别与各供水支管1-2通过接头连接。各供水支管1-2上与各针孔渗透变形装置12连接好后，再依次打开相应供水支管1-2上的各截止阀8。
根据试验设计最高压力值调节溢流阀9安全工作压力值并锁定，根据渗透变形装置12的数量计算试验所需最大流量值，调节调速阀4获取试验所需流量并进行锁定，对每个压力表7进行校核。首先需要对每一个渗透变形装置12进行24小时饱水，先对减压阀5出口压力值进行设定(可根据具体试验进行设定，如调整为0.001Mpa)，并依次打开所有待测试的渗透变形装置12所在供水支管1-2上的截止阀8(未接渗透变形装置12的供水支管1-2上的截止阀8关闭)，打开各渗透变形装置12中排气管17上的截止阀8，并关闭渗透变形装置12上各出水管23上的截止阀8，然后启动定量泵2，进行24小时饱水。
24小时后，关闭各渗透变形装置12上的排气阀，结束试验饱水工作，然后关闭各供水支管1-2上的截止阀8，再依次打开各渗透变形装置12出水管23上的截止阀8(出水管23的出水口下方放置有量杯)，准备测试记录工作。
根据试验设计，每隔20～30min调节一次减压阀5出口压力值，每次调节压力增加一定的数值(可根据试验进行具体设定，如0.002Mpa等)，分别记录供水主管1-1、供水支管1-2的压力值、各个渗透变形装置12对应量杯测得的流量值、观察水体浑浊度。逐步增加压力值，直至对应的量杯水体变浑，流量突然变大，导致试验破坏，关闭与对应渗透变形装置12连接的供水支管1-2上的截止阀8，完成试样14试验。当所有试验均破坏时，完成一组实验。关闭定量泵2，打开溢流阀9，将各组试验装置拆离，对系统进行排水，完成试验。
将图4所示实施方式的装置(其中针孔的孔径为1mm)应用于桂林某河流因季节性水位波动引起河岸区域地下水位波动造成塌陷可能性进行评估，取该区域土样进行针孔渗透变形试验，试样14破坏半对数曲线图如图7所示，可见，当观察渗流量与水头呈突变时，表明土体开始大规模破坏，拐点值可定位其临界渗透水头压力，具体表现为水体变浑、出现颗粒状土体流出，测试试样14中的孔径变大，如图8所示。
Claims (10)
1.一种用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，包括蓄水装置(11)以及向渗透变形装置(12)供水的供水管(1)，其特征在于：
所述供水管(1)包括一供水主管(1-1)和至少一根与该供水主管(1-1)连通的供水支管(1-2)，所述供水支管(1-2)的数量对应于渗透变形装置(12)的数量；所述供水主管(1-1)的一端与蓄水装置(11)连通，另一端与各供水支管(1-2)连通，在供水主管(1-1)上还设置有一与其连通的排水管(10)；各供水支管(1-2)上未与供水主管(1-1)连接的一端则分别与各渗透变形装置(12)中的进水管(16)连通；
所述的供水主管(1-1)上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵(2)、第一蓄能器(3)、调速阀(4)、减压阀(5)、第二蓄能器(6)和压力表(7)；所述的排水管(10)设置于第一蓄能器(3)和调速阀(4)之间，在排水管(10)上设置有溢流阀(9)；
所述各供水支管(1-2)上分别设置有一个截止阀(8)及一个压力表(7)。
2.根据权利要求1所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，其特征在于：所述的定量泵(2)为叶片泵或蠕动泵。
3.根据权利要求1或2所述的用于针孔渗透变形试验的水头压力控制系统，其特征在于：所述的蓄水装置(11)为水池或水箱。
4.一种用于针孔渗透变形试验的装置，包括水头压力控制系统和若干个渗透变形装置(12)，其特征在于：
所述的水头压力控制系统包括蓄水装置(11)以及向渗透变形装置(12)供水的供水管(1)，其中：
所述供水管(1)包括一供水主管(1-1)和至少一根与该供水主管(1-1)连通的供水支管(1-2)，所述供水支管(1-2)的数量对应于渗透变形装置(12)的数量；所述供水主管(1-1)的一端与蓄水装置(11)连通，另一端与各供水支管(1-2)连通，在供水主管(1-1)上还设置有一与其连通的排水管(10)；各供水支管(1-2)上未与供水主管(1-1)连接的一端则分别与各渗透变形装置(12)中的进水管(16)连通；
所述的供水主管(1-1)上从入水口端至其出水口端方向依次设置有定量泵(2)、第一蓄能器(3)、调速阀(4)、减压阀(5)、第二蓄能器(6)和压力表(7)；所述的排水管(10)设置于第一蓄能器(3)和调速阀(4)之间，在排水管(10)上设置有溢流阀(9)；
所述各供水支管(1-2)上分别设置有一个截止阀(8)及一个压力表(7)；
所述的渗透变形装置(12)包括第一盖体(15)、第二盖体(20)和采样和制样用的环刀(18)，其中：
所述第一盖体(15)具有一个由其表面向第一盖体(15)内部凹进的第一腔室，该第一腔室的形状与环刀(18)的外形相匹配，在第一盖体(15)上还设置有与该第一腔室连通的进水管(16)和排气管(17)；
在第二盖体(20)的其中一个表面上开设有一个向第二盖体(20)内部凹进的第二腔室及与该第二腔室连通的第三腔室，所述第二腔室的形状与环刀(18)的外形相匹配，所述第二腔室和第三腔室的中心轴线重合，且第二腔室的口径大于第三腔室的口径；在第三腔室中填充有第二过滤介质(21)，在第二盖体(20)上还设置有与所述第三腔室连通的出水管(23)；
所述第一盖体(15)和第二盖体(20)呈第一盖体(15)上第一腔室的开口和第二盖体(20)上第二腔室的开口正对的方式设置，并通过连接件可拆卸地连接在一起；
所述的环刀(18)置于由第一盖体(15)的第一腔室和第二盖体(20)的第二腔室构成的空间中，且环刀(18)上刀刃一端的底部置于第二盖体(20)上第二腔室与第三腔室的连接部，环刀(18)上远离刀刃的一端至第一腔室的底部之间填充有第一过滤介质(22)，在环刀(18)的外周壁与第一腔室的内周壁及第二腔室的内周壁之间设置有密封件；此时，第一盖体(15)上进水管(16)的中心轴线、第一腔室的中心轴线、第二腔室的中心轴线、第三腔室的中心轴线、环刀(18)的中心轴线以及出水管(23)的中心轴线重合。
5.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：所述水头压力控制系统中的定量泵(2)为叶片泵或蠕动泵。
6.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：渗透变形装置(12)中，在第一腔室的内周壁上开设有至少一道环形凹槽，在第二腔室的内周壁上开设有至少一道环形凹槽，所述的密封件置于所述的环形凹槽中。
7.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：渗透变形装置(12)中，所述的第一过滤介质(22)为砾石；所述的第二过滤介质(21)为形状呈环形的透水石，该透水石的外径与第三腔室的口径相匹配，其内径等于或稍大于出水管(23)的口径；在该透水石置于第三腔室中时，其轴线与出水管(23)的中心轴线重合。
8.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：所述的连接件为螺栓(24)、螺母(25)。
9.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：所述的排气管(17)上设有截止阀(8)。
10.根据权利要求4所述的用于针孔渗透变形试验的装置，其特征在于：所述环刀(18)的外周壁上标示有表示距离的刻度表(18-1)。
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