CN106198919A - 一种水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置 - Google Patents

Abstract

一种水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，由主体模型箱和三个水头调节箱通过连接导管连接组成。所述主体模型箱为箱型结构，内部被中隔板分隔为填土室、进水室、上出水室、下出水室，各箱室顶部用密封盖密封。所述水头调节箱为上端开口、底部封口的柱形箱，箱壁自上而下分别设置三个导流接头，分别用于进水，出水，以及引流。主体模型箱相应箱室上的导流接头通过连接导管分别与三个水头调节箱的引流导流接头连接，构成整个实验装置，需要时也可由主体模型箱单独发挥作用。本发明结构简单坚固，成本低廉，可调节水在实验土体中的渗流方向，并能有效调节实验土体的水头，可开展多种土层渗流实验，适用范围广，可为科学研究等提供方法和设备。

Description

一种水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置

技术领域

本发明涉及的是一种岩土工程技术领域的实验模拟装置，特别是涉及一种用于土层渗流变形研究方向的室内实验装置。

背景技术

近年我国地面沉降、地面塌陷等灾害频发，对人民的生活生产造成了巨大的影响，引起了政府和学者们的重视，发现其主要原因多由于过渡抽取地下水导致的地下水位变动，尤其在于有压水头条件下的渗流，目前的实验设备难以在较大范围内调节水头大小，以更好地模拟实际调节，也往往只针对一种渗流方向，不便于调节，适用面较窄。

发明内容

目的：设计一种结构简单可靠，用于开展土层渗流特性研究的实验装置，并使该实验装置能按需求定量调节土体内水头大小，以及有效地调节水的渗流路径。

技术方案：本发明一种水头与渗流路径可调节的土层渗透实验装置，由主体模型箱与三个水头调节箱通过三根连接导管连接而成，所述主体模型箱也可根据实验设计单独发挥作用。

所述主体模型箱为箱型结构，内部通过分隔板将内部空间分隔为左侧的进水室、中间的填土室、右侧的上出水室，以及位于填土室与上出水室二者下方的下出水室等四个箱室；相邻箱室之间的隔板上有过水孔连通，且过水孔呈方形阵列排列，其间隙均匀；填土室内有过水孔的隔板处都铺设有透水石板，上出水室与下出水室之间隔板处的每个过水孔旁皆设有活动式隔水橡胶塞，可塞住一旁的过水孔，也可打开；进水室外侧壁上方装有进水导流接头，上出水室外侧壁下方装有上出水导流接头，下出水室外侧壁下方装有下出水导流接头，主体模型箱还配备一个可拆卸的填土室隔水密封盖，盖上装有顶盖导流接头，以及一个可拆卸的进水室密封盖，一个可拆卸的上出水室密封盖，并配备两个隔水板，为一方形硬质塑料板，一面黏接了与填土室两侧隔板上过水孔数量、位置、大小及排列相匹配的软质隔水橡胶塞，可根据实验需要用以堵塞填土室与进水室之间或与上出水室之间的隔板上的过水孔，也可不用。

所述水头调节箱为上端开口、底部封口的柱形箱，箱壁上端设有一个进水导流接头，箱壁下端装有一个引流导流接头和一个出水导流接头。

所述连接导管采用PVC水管，其两端均可连接导流接头或节流阀，并保证连接后满足防漏要求。

所述主体模型箱的顶盖导流接头、进水导流接头、上出水导流接头、下出水导流接头，以及水头调节箱的进水导流接头、引流导流接头、出水导流接头均为钢制的短圆管，一端连接在箱壁上，另一端有内螺纹，可安装节流阀，也可拆卸。

所述主体模型箱的填土室、进水室、上出水室的上端开口处内侧各用胶结剂黏结了一个隔水橡胶垫圈，可使隔水密封盖与模型箱紧密贴合。

所述主体模型箱的正面箱壁为有机玻璃板，有机玻璃板上自底部至顶部蚀刻有标准刻度，可测量箱室内土层厚度或水位高度，且有机玻璃箱壁外围设有“王”字状钢制限位护栏，可限制有机玻璃箱壁的变形，其余侧面的箱壁与内部隔板均为钢板拼装焊接制成；下出水室内部设有三块支撑板，用以限制填土室底板变形，支撑板也上钻有过水孔。

所述水头调节箱材质为有机玻璃，有机玻璃箱壁自底部至顶部蚀刻有标准的刻度，且以底部为零点，可测量箱内水位高度。

所述活动式隔水橡胶塞由一个端固定的不锈钢制转动副构件与一个隔水橡胶塞连接构成，通过转动转动副构件，可以将隔水橡胶塞塞住一旁的过水孔，或将隔水橡胶塞从过水孔中取出。

所述主体模型箱和三个水头调节箱的连接方式为：主体模型箱的进水导流接头与第一个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的顶盖导流接头与第二个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的上出水导流接头或下出水导流接头与第三个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接。

本发明的使用方法如下：1、当实验设计的水位高度及变化幅度在主体模型箱高度范围内时，可单独使用主体模型箱，并且此时无需模型箱顶部的三个可拆卸隔水密封盖，只在填土室里按照实验要求填筑土层，埋设相应测试仪器，并按实验要求在主体模型箱的进水室和上出水室内注水至指定高度，然后进行实验。

2、在主体模型箱上的进水导流接头、上出水导流接头、下出水导流接头、顶盖导流接头上各安装一个节流阀，进水导流接头、顶盖导流接头处安装的节流阀用于控制进水流速和流量，上出水导流接头、下出水导流接头处安装的节流阀用于控制出水流速和流量，并根据蚀刻在有机玻璃箱壁上的刻度校对水位，在无需对水位变化精确控制时也可打开进水室、填土室或上出水室顶部的隔水密封盖直接注水，快速接近试验要求的水位高度；水流可通过室间中隔板上的过水孔和透水石板在各个箱室之间流动，通过调节进水导流接头、上出水导流接头、下出水导流接头三处的节流阀进、出水使得填土室土体两侧的水位达到设计要求。

3、当单独使用主体模型箱且实验要求水在填土室中的土体中水平渗流时，先打开上出水室的隔水密封盖，将上出水室和下出水室之间的过水孔用旁边的活动式隔水橡胶塞封死，并固定好，然后关闭下出水导流接头处安装的节流阀，通过调节进水导流接头处安装的节流阀，或顶盖导流接头处安装的节流阀调节出水流速和流量，从而在填土室土体两侧产生水位差并产生水头，可使得水在土体中自进水室和上出水室之间水平渗流。

4、当单独使用主体模型箱且实验要求水在填土室中的土体中竖向渗流时，先安装并密封好填土室的可拆卸隔水密封盖，打开进水室与上出水室的隔水密封盖，将上出水室和下出水室之间的过水孔用旁边的活动式隔水橡胶塞堵塞，并用隔水板将进水室与填土室、上出水室与填土室之间隔板上的过水孔一一堵塞，并固定好，然后将出水导流接头处安装的节流阀关闭，通过调节进水导流接头处安装的节流阀调节，或顶盖导流接头处安装的节流阀出水，从而在填土室土体上下方产生水头，就使得水在土体中在进水室和下出水室之间竖向渗流。

5、当单独使用主体模型箱且实验要求水在填土室中的土体中二维渗流时，不堵塞任何过水孔，并使之保持通畅，然后关闭上出水导流接头处安装的节流阀，通过调节进水导流接头处安装的节流阀，或下出水导流接头处安装的节流阀调节出水，在填土室土体竖向和水平均产生水头，就使得水在土体中做既可以水平渗流，也可以竖向渗流的二维流动。

6、当实验设计的水位高度及变化幅度大于主体模型箱自身高度范围时，主体模型箱需要与三个水头调节箱连接起来形成一个系统以共同发挥作用，首先将三个水头调节箱放至于设计高度，再向填土室内按实验要求填筑土层，在埋设相应测试仪器后，分别盖上进水室、填土室、上出水室的隔水密封盖，并用隔水密封胶做好密封，然后连接导管将主体模型箱的进水导流接头、顶盖导流接头分别与两个不同的水头调节箱的引流导流接头连接，然后根据实验设计的渗流路径要求，选择性地将主体模型箱的上出水导流接头或下出水导流接头用连接导管与第三个水头调节箱的引流导流接头连接。

7、分别将三个水头调节箱内通过连接导管与主体模型箱连接后，水在水头调节箱和主体模型箱之间可以通过连接导管自由流动，在水头调节箱的进水导流接头和出水导流接头处安装节流阀，通过调节水头调节箱上的进水导流接头处安装的节流阀调节进水流量和流速，通过水头调节箱的出水导流接头处安装的节流阀调节出水流量和流速，以及通过改变水头调节箱与主体模型箱之间的高度差，可使得主体模型箱内填土室中土体所受的水压和水头按实验要求进行精确调节。

8、当主体模型箱与水头调节箱相连接使用时，控制水在填土室内土体中的渗流路径的方法与步骤3、4、5中主体模型箱单独使用时的操作方法基本一致，仅将控制进、出水的主体模型箱上的节流阀改换为连接了该处的水头调节箱上的相应导流接头处安装的节流阀。

本发明优点:装置构造简单，材料和零配件易于获取，成本低廉，制作方便，且可根据实验要求制作成不同尺寸的型号。

通过选择性堵塞或打开主体模型箱内隔板上的过水孔，以及选取主体模型箱上恰当的导流接头进、出水，可以方便且快捷地控制实验土体中的水流渗流路径，满足不同的研究需求，节省实验设备开支。

装置的主体模型箱自身可在小范围内调节填土室内实验土体的静水压力和水头，也可将主体模型箱与水头调节箱连接构成系统，通过调整水头调节箱与主体模型箱之间的相对高度，以及调节水头调节箱内的水位和变化速率来在较大的范围内调节实验土体的静水压力和水头，相比此类的传统装置，其适用性更好。

装置的主体模型箱一侧箱壁与水头调节箱的材质为透明有机玻璃，并蚀刻有刻度，便于确定水位高度，也便于观测填土室内的实验土体的变化。

附图说明

图1为本发明水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置示意图。

图2为主体模型箱结构及配件示意图。

图3为主体模型箱安装隔水密封盖后的内部剖视图。

图4为水头调节箱示意图。

图5为隔水板侧面示意图。

图6为活动式隔水橡胶塞示意图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施情况，以主体模型箱连接三个水头调节箱并且控制水渗流方向为水平方向的一种情况为例。

参照图1至图6，一种水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，它由一个主体模型箱1和三个相同的水头调节箱2、3、4通过三根连接导管连接组成，也可由主体模型箱1单独发挥作用。所述主体模型箱1为箱型结构，内部通过分隔板将内部空间分隔为左侧的进水室13、中间的填土室14、右侧的上出水室21，以及位于填土室14与上出水室21二者下方的下出水室15等四个箱室；相邻箱室之间的隔板上有过水孔连通，且过水孔呈方形阵列排列，其间隙均匀；填土室内有过水孔的隔板处都铺设有透水石板，上出水室21与下出水室15之间隔板处的每个过水孔旁皆设有活动式隔水橡胶塞24，可塞住一旁的过水孔，也可打开；进水室13外侧壁上方装有进水导流接头11，上出水室外侧壁下方装有上出水导流接头22，下出水室外侧壁下方装有下出水导流接头23，主体模型箱还配备一个可拆卸的填土室隔水密封盖17，盖上装有顶盖导流接头16，以及一个可拆卸的进水室密封盖8，一个可拆卸的上出水室密封盖18，并配备两个隔水板7；隔水板7为一方形硬质塑料板，一面黏接了与填土室14两侧隔板上过水孔数量、位置、大小及排列相匹配的隔水橡胶塞29，可根据实验需要用以堵塞填土室14与进水室13之间或与上出水室21之间的隔板上的过水孔，也可不用；所述水头调节箱2、3、4均为上端开口、底部封口的柱形箱，箱壁上端设有一个进水导流接头27，箱壁下端装有一个引流导流接头26和一个出水导流接头27；所述连接导管采用PVC水管，其两端均可连接导流接头或节流阀6，并保证连接后满足防漏要求。

所述主体模型箱的顶盖导流接头16、进水导流接头11、上出水导流接头22、下出水导流接头23，以及水头调节箱的进水导流接头27、引流导流接头26、出水导流接头28均为钢制的短圆管，一端连接在箱壁上，另一端有内螺纹，可安装节流阀6，也可拆卸。

所述主体模型箱的填土室14、进水室13、上出水室21的上端开口处内侧各用胶结剂黏结了一个隔水橡胶垫圈，可使各隔水密封盖与模型箱紧密贴合。

所述主体模型箱的正面箱壁为有机玻璃板，有机玻璃板右侧自底部至顶部蚀刻有标准刻度，可测量箱室内土层厚度或水位高度；有机玻璃箱壁外围设有“王”字状钢制限位护栏12，可限制有机玻璃箱壁的变形，其余侧面的箱壁与内部隔板均为钢板拼装焊接制成；下出水室内部设有三块支撑板25，支撑板25上端与填土室14的底板焊接，下端与下出水室15的底板焊接，用以限制填土室底板变形，支撑板也上钻有过水孔。

所述水头调节箱材质为有机玻璃，有机玻璃箱壁自底部至顶部蚀刻有标准的刻度，且以底部为零点，可测量箱内水位高度。

所述活动式隔水橡胶塞24由一个端固定的不锈钢制转动副构件32与一个隔水橡胶塞31连接构成，通过转动转动副构件32，可以将隔水橡胶塞31塞住一旁的过水孔，或将隔水橡胶塞31从过水孔中取出。

所述主体模型箱和三个水头调节箱的连接方式为：主体模型箱的进水导流接头与第一个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的顶盖导流接头与第二个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的上出水导流接头或下出水导流接头与第三个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接。

实验步骤：

根据实验要求在填土室内填筑土层，并埋设相应测量仪器，然后封闭好填土室、进水室、上出水室各自相对应的隔水密封盖，并在主体模型箱上的下出水导流接头处安装节流阀。

取三个水头调节箱，并分别在其箱壁上的进水导流接头及出水导流处安装节流阀，分别将主体模型箱的进水导流接头、顶盖导流接头、上出水导流接头与三个水头调节箱的引流导流接头通过连接导管连接起来，并根据实验要求分别将三个水头调节箱置于与主体模型箱有一定高差处，并将与进水室连接的水头调节箱编为水头调节箱2，与填土室连接的水头调节箱编为水头调节箱3，与上出水室连接的水头调节箱编为水头调节箱4，最后如图1所示。

首先关闭主体模型箱的下出水导流接头处安装的节流阀，以及三个水头调节箱上的出水导流接头处安装的节流阀，然后根据实验要求，通过三个水头调节箱的进水导流接头处安装的节流阀控制进水，使得水头调节箱及主体模型箱内水位达到实验设计水位，然后根据关闭三个水头调节箱进水导流接头处的节流阀，打开水头调节箱4的出水导流接头处安装的节流阀，并调节至相应位置，使得水头调节箱3内的水位按实验要求下降，记录下降的水位高度和对应的时间，最后读取主体模型箱内填土室内埋设的仪器反馈的数据，完成实验。

Claims (7)

1.一种水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，它由一个主体模型箱和三个同样的水头调节箱通过三根连接导管连接组成，也可由主体模型箱单独发挥作用，其特征在于：所述主体模型箱为箱型结构，内部通过分隔板将内部空间分隔为左侧的进水室、中间的填土室、右侧的上出水室，以及位于填土室与上出水室二者下方的下出水室等四个箱室；相邻箱室之间的隔板上有过水孔连通，且过水孔呈方形阵列排列，其间隙均匀；填土室内有过水孔的隔板处都铺设有透水石板，上出水室与下出水室之间隔板处的每个过水孔旁皆设有活动式隔水橡胶塞，可塞住一旁的过水孔，也可打开；进水室外侧壁上方装有进水导流接头，上出水室外侧壁下方装有上出水导流接头，下出水室外侧壁下方装有下出水导流接头，主体模型箱还配备一个可拆卸的填土室隔水密封盖，盖上装有顶盖导流接头，以及一个可拆卸的进水室密封盖，一个可拆卸的上出水室密封盖，并配备两个隔水板，为一方形硬质塑料板，一面黏接了与填土室两侧隔板上过水孔数量、位置、大小及排列相匹配的隔水橡胶塞，可根据实验需要用以堵塞填土室与进水室之间或与上出水室之间的隔板上的过水孔，也可不用；所述水头调节箱为上端开口、底部封口的柱形箱，箱壁上端设有一个进水导流接头，箱壁下端装有一个引流导流接头和一个出水导流接头；所述连接导管采用PVC水管，其两端均可连接导流接头或节流阀，并保证连接后满足防漏要求。

2.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述主体模型箱的顶盖导流接头、进水导流接头、上出水导流接头、下出水导流接头，以及水头调节箱的进水导流接头、引流导流接头、出水导流接头均为钢制的短圆管，一端连接在箱壁上，另一端有内螺纹，可安装节流阀，也可拆卸。

3.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述主体模型箱的填土室、进水室、上出水室的上端开口处内侧各用胶结剂黏结了一个隔水橡胶垫圈，可使隔水密封盖与模型箱紧密贴合。

4.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述主体模型箱的正面箱壁为有机玻璃板，有机玻璃板右侧自底部至顶部蚀刻有标准刻度，可测量箱室内土层厚度或水位高度；有机玻璃箱壁外围设有“王”字状钢制限位护栏，可限制有机玻璃箱壁的变形，其余侧面的箱壁与内部隔板均为钢板拼装焊接制成；下出水室内部设有三块支撑板，用以限制填土室底板变形；支撑板也上钻有过水孔。

5.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述水头调节箱材质为有机玻璃，有机玻璃箱壁自底部至顶部蚀刻有标准的刻度，且以底部为零点，可测量箱内水位高度。

6.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述活动式隔水橡胶塞由一个端固定的不锈钢制转动副构件与一个隔水橡胶塞连接构成，通过转动转动副构件，可以将隔水橡胶塞塞住一旁的过水孔，或将隔水橡胶塞从过水孔中取出。

7.根据权利要求1所述的水头与渗流路径可调节的土层渗流实验装置，其特征在于：所述主体模型箱和三个水头调节箱的连接方式为，主体模型箱的进水导流接头与第一个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的顶盖导流接头与第二个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接，主体模型箱的上出水导流接头或下出水导流接头与第三个水头调节箱的引流导流接头通过一根连接导管连接。