CN107167410B - 一种周期性往返渗流实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种周期性往返渗流实验装置及方法，包括第一GDS控制器、第二GDS控制器和放置土样的压力室，压力室上端连接顶盖，土样和顶盖之间设置滤纸，压力室下端连接承压台，顶盖上设置上连接管，承压台设置通孔，通孔的直径小于压力室内壁直径，承压台下端连接导流室，导流室出口连接下连接管，下连接管连接第一导管，上连接管通过导管连接第一GDS控制器，第一导管连接第二GDS控制器，上连接管上设置第一阀门，第一导管上连接第二阀门。该装置通过往返渗流试验来模拟水位升降时库岸边坡土体渗流。设置的量筒能收集流失的细颗粒，方便了解试验中土颗粒的流失情况并取出量测。设置的千分表能实时监测周期性往返渗透过程中土样的沉降变形。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程试验领域，特别涉及一种周期性往返渗流实验装置及方法。
背景技术
为发挥水电站的防洪和发电作用，水库水位将在高水位与低水位之间反复涨落，如三峡库区水位常年在145m～175m间运行。每年汛期前，库水位快速降落时，边坡内孔隙水向外流动，碎石土边坡中的可动细颗粒会随孔隙水流失；汛期结束后，水库开始蓄水以增大发电效益，此时库水向岸坡内流动。随着水库水位的周期性涨落，库岸边坡体内水分的反复渗透作用，成为诱发土体细颗粒流失、渗透性能变化和强度性能衰减的主要动力，也是边坡持续位移和渐进破坏的主导因素。目前，已有研究采用现场试验和室内模型试验模拟研究渗透力对边坡稳定性的影响，但针对坡体内水分周期性往返渗透作用对土体细颗粒流失和内部结构影响的装置和方法，尚没有见到相关报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种周期性往返渗流实验装置及方法，模拟水位升降时库岸边坡土体内部渗流，能实现对土样周期性往返渗透作用，并测定渗透对土体结构影响。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是: 一种周期性往返渗流实验装置，包括第一GDS控制器、第二GDS控制器和放置土样的压力室，压力室上端连接顶盖，土样和顶盖之间设置滤纸，压力室下端连接承压台，顶盖和承压台通过螺栓紧固，顶盖上设置上连接管，承压台设置通孔，通孔的直径小于压力室内壁直径，承压台下端连接导流室，导流室出口连接下连接管，下连接管连接第一导管，上连接管通过导管连接第一GDS控制器，第一导管连接第二GDS控制器，上连接管上设置第一阀门，第一导管上连接第二阀门。
优选的方案中，包括量筒，量筒上设置密封盖，密封盖上设置第一连接管和第二连接管，下连接管通过三通连接第一导管和第二连接管，第一导管通过三通连接第一连接管和第二导管，第二导管与第二GDS控制器连接，第一连接管和第二连接管上分别设置第三阀门和第四阀门，所述第一GDS控制器通过第五阀门与导管连接，第二GDS控制器通过第六阀门与第二导管连接。
优选的方案中，所述滤纸为慢速滤纸，慢速滤纸上方设置透水石，土样下方设置多孔承压板，多孔承压板上分布有透水孔。
进一步的方案中，所述承压台设置安装槽，多孔承压板安装在安装槽内。
进一步的方案中，所述透水孔的直径为1mm。
进一步的方案中，所述顶盖上设置千分表，千分表末端接触透水石上表面。
优选的方案中，所述导流室呈漏斗形。
优选的方案中，所述顶盖以及承压台与压力室之间设置密封圈。
相应的，本发明还提供一种周期性往返渗流试验方法，包括四个试验步骤：
a、装样，将原状粗粒实验土样装入压力室，盖上顶盖，通过螺栓紧固顶盖和承压台；
b、库水渗入坡体过程模拟：开启第一阀门和第二阀门，开启第一GDS控制器和第二GDS控制器，并使第二GDS控制器的水压力大于第一GDS控制器的水压，使水通过一导管向上渗流，土样上方设置的滤纸阻碍细颗粒由上部渗出，从而模拟库水渗入坡体，仅增大土体饱和度；
c、坡体内水分渗出模拟：开启第一阀门和第二阀门，调整第一GDS控制器和第二GDS控制器的压力，使第二GDS控制器的水压力小于第一GDS控制器的水压，使水自上向下渗流，土样细颗粒渗出；
d、周期性渗透控制：重复试验步骤b和c，模拟周期性渗透过程及该过程中细颗粒流失量的监测。
另外一种周期性往返渗流试验方法，包括四个试验步骤：
a、装样，将原状粗粒实验土样装入压力室，盖上顶盖，通过螺栓紧固顶盖和承压台；
b、库水渗入坡体过程模拟：开启第一阀门和第二阀门，关闭第三阀门和第四阀门，开启第一GDS控制器和第二GDS控制器，并使第二GDS控制器的水压力大于第一GDS控制器的水压，使水通过第二导管和第一导管向上渗流，从而模拟库水渗入坡体，土样上方设置的滤纸阻碍细颗粒由上部渗出，从而模拟库水渗入坡体，仅增大土体饱和度；
c、坡体内水分渗出模拟：关闭第二阀门，开启第一阀门、第三阀门和第四阀门，调整第一GDS控制器和第二GDS控制器的压力，使第二GDS控制器的水压力小于第一GDS控制器的水压，使水自上向下渗流，土样细颗粒进入量筒，土样细颗粒逐渐沉淀，水流继续流入第二GDS控制器；
d、周期性渗透控制：量筒内细颗粒量不再增大时，关闭所有阀门，取出量筒中的颗粒并量测质量及颗粒级配，再安装量筒后，重复试验步骤b和c，模拟周期性渗透过程及该过程中细颗粒流失量的监测。
本发明提供的一种周期性往返渗流实验装置及方法，具有以下有益效果：
1）GDS控制器能精确控制渗流压力大小，确保了试验精度。
2）通过调节第一GDS控制器和第二GDS控制器的压力，进行往返渗流试验来模拟水位升降时库岸边坡土体内部渗流方向的不同。
3）土样顶部设置滤纸，可保证模拟库水入渗时粗粒土中的细颗粒不会逸出。
4）土样底部设置多孔承压板，可保证模拟过程中坡体内水分向外渗出时不会带走较大的颗粒。
5）量筒能收集流失的细颗粒，方便直观了解试验中土颗粒的流失情况并取出量测。
6）设置的千分表与土样上部透水石相连，能实时监测周期性往返渗透过程中土样的沉降变形。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的压力室结构的剖视图。
图3为本发明的量筒与导管和阀门的连接示意图。
图4为本发明的多孔承压板的结构示意图。
图中：第一GDS控制器1，第二GDS控制器2，压力室3，土样4，滤纸5，透水石6，顶盖7，多孔承压板8，承压台9，导流室10，下连接管11，第一导管12，第一阀门13，第二阀门14，第三阀门15，第四阀门16，量筒17，密封盖18，第一连接管19，第二连接管20，第二导管21，第五阀门22，第六阀门23，千分表24，密封圈25，上连接管701，透水孔801，通孔901，安装槽902。
具体实施方式
如图1~2中，一种周期性往返渗流实验装置，包括第一GDS控制器1、第二GDS控制器2和放置土样4的压力室3，压力室3上端连接顶盖7，土样4和顶盖7之间设置滤纸5，压力室3下端连接承压台9，顶盖7和承压台9通过螺栓紧固，顶盖7上设置上连接管701，承压台9设置通孔901，通孔901的直径小于压力室3内壁直径，承压台9下端连接导流室10，导流室10出口连接下连接管11，下连接管11连接第一导管12，上连接管701通过导管连接第一GDS控制器1，第一导管12连接第二GDS控制器2，上连接管701上设置第一阀门13，第一导管12上连接第二阀门14。
GDS控制器能精确控制渗流压力大小，确保了试验精度。通过调节第一GDS控制器1和第二GDS控制器2的压力，进行往返渗流试验来模拟水位升降时库岸边坡土体内部渗流方向的不同。土样4顶部设置滤纸5，可保证模拟库水入渗时粗粒土中的细颗粒不会逸出。
优选的如图3中，还包括量筒17，量筒17上设置密封盖18，密封盖18上设置第一连接管19和第二连接管20，下连接管11通过三通连接第一导管12和第二连接管20，第一导管12通过三通连接第一连接管19和第二导管21，第二导管21与第二GDS控制器2连接，第一连接管19和第二连接管20上分别设置第三阀门15和第四阀门16，所述第一GDS控制器1通过第五阀门22与导管连接，第二GDS控制器2通过第六阀门23与第二导管21连接。
量筒17能收集流失的细颗粒，方便直观了解试验中土颗粒的流失情况并取出量测。
优选的如图2中，所述滤纸5为慢速滤纸，慢速滤纸上方设置透水石6，土样4下方设置多孔承压板8，多孔承压板8上分布有透水孔801。
土样4底部设置多孔承压板8，可保证模拟过程中坡体内水分向外渗出时不会带走较大的颗粒。
进一步的，所述承压台9设置安装槽902，多孔承压板8安装在安装槽902内。
进一步的，所述透水孔801的直径为1mm。
进一步的，所述顶盖7上设置千分表24，千分表24末端接触透水石6上表面。
设置千分表24与土样4上部透水石6相连，能实时监测周期性往返渗透过程中土样4的沉降变形。
优选的，所述导流室10呈漏斗形。
优选的，所述顶盖7以及承压台9与压力室3之间设置密封圈25。
具体的操作方法如下：
a、装样，将原状粗粒实验土样4装入压力室3，盖上顶盖7，通过螺栓紧固顶盖和承压台；
b、库水渗入坡体过程模拟：开启第一阀门13和第二阀门14，关闭第三阀门15和第四阀门16，开启第一GDS控制器1和第二GDS控制器2，并使第二GDS控制器2的水压力大于第一GDS控制器1的水压，使水通过第二导管21和第一导管12向上渗流，土样4上方设置的滤纸5阻碍细颗粒由上部渗出，从而模拟库水渗入坡体，仅增大土体饱和度；
c、坡体内水分渗出模拟：关闭第二阀门14，开启第一阀门13、第三阀门15和第四阀门16，调整第一GDS控制器1和第二GDS控制器2的压力，使第二GDS控制器2的水压力小于第一GDS控制器1的水压，使水自上向下渗流，土样细颗粒进入量筒17，土样细颗粒逐渐沉淀，水流继续流入第二GDS控制器2；
d、周期性渗透控制：量筒17内细颗粒量不再增大时，关闭所有阀门，取出量筒17中的颗粒并量测质量及颗粒级配，再安装量筒17后，重复试验步骤b和c，模拟周期性渗透过程及该过程中细颗粒流失量的监测。
上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：包括第一GDS控制器（1）、第二GDS控制器（2）和放置土样（4）的压力室（3），压力室（3）上端连接顶盖（7），土样（4）和顶盖（7）之间设置滤纸（5），压力室（3）下端连接承压台（9），顶盖（7）和承压台（9）通过螺栓紧固，顶盖（7）上设置上连接管（701），承压台（9）设置通孔（901），通孔（901）的直径小于压力室（3）内壁直径，承压台（9）下端连接导流室（10），导流室（10）出口连接下连接管（11），下连接管（11）连接第一导管（12），上连接管（701）通过导管连接第一GDS控制器（1），第一导管（12）连接第二GDS控制器（2），上连接管（701）上设置第一阀门（13），第一导管（12）上连接第二阀门（14）；包括量筒（17），量筒（17）上设置密封盖（18），密封盖（18）上设置第一连接管（19）和第二连接管（20），下连接管（11）通过三通连接第一导管（12）和第二连接管（20），第一导管（12）通过三通连接第一连接管（19）和第二导管（21），第二导管（21）与第二GDS控制器（2）连接，第一连接管（19）和第二连接管（20）上分别设置第三阀门（15）和第四阀门（16），所述第一GDS控制器（1）通过第五阀门（22）与导管连接，第二GDS控制器（2）通过第六阀门（23）与第二导管（21）连接。
2.根据权利要求1所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述滤纸（5）为慢速滤纸，慢速滤纸上方设置透水石（6），土样（4）下方设置多孔承压板（8），多孔承压板（8）上分布有透水孔（801）。
3.根据权利要求2所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述承压台（9）设置安装槽（902），多孔承压板（8）安装在安装槽（902）内。
4.根据权利要求2所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述透水孔（801）的直径为1mm。
5.根据权利要求2所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述顶盖（7）上设置千分表（24），千分表（24）末端接触透水石（6）上表面。
6.根据权利要求1所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述导流室（10）呈漏斗形。
7.根据权利要求1所述的一种周期性往返渗流实验装置，其特征在于：所述顶盖（7）以及承压台（9）与压力室（3）之间设置密封圈（25）。
8.根据权利要求1所述的一种周期性往返渗流实验装置的试验方法，其特征在于：包括四个试验步骤：
a、装样，将原状粗粒实验土样（4）装入压力室（3），盖上顶盖（7），通过螺栓紧固顶盖（7）和承压台（9）；
b、库水渗入坡体过程模拟：开启第一阀门（13）和第二阀门（14），开启第一GDS控制器（1）和第二GDS控制器（2），并使第二GDS控制器（2）的水压力大于第一GDS控制器（1）的水压，使水通过一导管（12）向上渗流，土样（4）上方设置的滤纸（5）阻碍细颗粒由上部渗出，从而模拟库水渗入坡体，仅增大土体饱和度；
c、坡体内水分渗出模拟：开启第一阀门（13）和第二阀门（14），调整第一GDS控制器（1）和第二GDS控制器（2）的压力，使第二GDS控制器（2）的水压力小于第一GDS控制器（1）的水压，使水自上向下渗流，土样细颗粒渗出；
d、周期性渗透控制：重复试验步骤b和c，模拟周期性渗透过程及该过程中细颗粒流失量的监测。
9.根据权利要求1至7任一项所述的一种周期性往返渗流实验装置的试验方法，其特征在于：包括四个试验步骤：
a、装样，将原状粗粒实验土样（4）装入压力室（3），盖上顶盖（7），通过螺栓紧固顶盖（7）和承压台（9）；
b、库水渗入坡体过程模拟：开启第一阀门（13）和第二阀门（14），关闭第三阀门（15）和第四阀门（16），开启第一GDS控制器（1）和第二GDS控制器（2），并使第二GDS控制器（2）的水压力大于第一GDS控制器（1）的水压，使水通过第二导管（21）和第一导管（12）向上渗流，土样（4）上方设置的滤纸（5）阻碍细颗粒由上部渗出，从而模拟库水渗入坡体，仅增大土体饱和度；
c、坡体内水分渗出模拟：关闭第二阀门（14），开启第一阀门（13）、第三阀门（15）和第四阀门（16），调整第一GDS控制器（1）和第二GDS控制器（2）的压力，使第二GDS控制器（2）的水压力小于第一GDS控制器（1）的水压，使水自上向下渗流，土样细颗粒进入量筒（17），土样细颗粒逐渐沉淀，水流继续流入第二GDS控制器（2）；
d、周期性渗透控制：量筒（17）内细颗粒量不再增大时，关闭所有阀门，取出量筒（17）中的颗粒并量测质量及颗粒级配，再安装量筒（17）后，重复试验步骤b和c，模拟周期性渗透过程及该过程中细颗粒流失量的监测。
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