CN107167411B - 渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置及试验方法。试验装置由变水头控制及液体循环系统、垂直加载渗透系统、激光控制系统和图像采集系统4个部分组成，能够开展非稳定渗流在不同应力、不同细料含量、不同级配等状态下内管涌渗透试验研究以及渗流过程中的颗粒流失及变形破坏特征研究。本发明还提供一种渗流应力耦合模拟侵蚀型内管涌的可视化试验方法，具体通过变水头控制及液体循环系统，对垂直加载渗透系统中处于应力场下的管涌土样施加水头差，实现渗流‑侵蚀‑应力三场耦合内管涌试验。本发明工序简明、制作简单、可直接深入观察、经济可操作性强，从而可以初步揭示渗流应力耦合内管涌细观机理，为后续研究提供试验基础。
Description
技术领域
本发明涉及渗流模型试验装置和试验方法，特别涉及一种渗流应力耦合模拟侵蚀型内管涌的可视化试验装置和试验方法，属于岩土工程渗流试验领域。
背景技术
深层覆盖层具有结构松散、岩性不连续、成因类型复杂、物理力学性质不均匀等特点。随着近些年来我国水电建设快速发展，在地质条件较差的深厚覆盖层上建设高坝、超高坝已成为我国西南水电建设所必须面临的问题，并引起了广泛的关注。深厚覆盖层的渗透稳定是影响大坝安全的关键科学问题。而工程实践统计表明，在高渗透强度长期作用下，基础、堤身、堤身与地基结合部均可能发生侵蚀型内管涌，因此，我国高坝、超高坝的建设需求必将对坝体分区填筑料防渗设计提出更高要求。
随着地下开采和与工程建设规模的扩大，渗透问题破坏灾害成为工程和理论界高度关注的重要问题。而深厚覆盖层、坝基或堤身内部的渗透稳定实质是内部侵蚀型管涌问题。相较于传统管涌，侵蚀型内管涌隐蔽性强、危害性大，侵蚀型内管涌的发展将进一步加剧地基或填充区材料物理力学性质的不均匀性，造成地基不均匀沉降，破坏坝体心墙或坝基混凝土防渗墙，甚至引起面板与堆石体脱开，威胁大坝安全。控制深厚覆盖层内地基的侵蚀型内管涌危害，必须对其发生、发展机理进行深入研究，进而建立能预测其发生、发展的概化数学模型，为工程设计及管理人员提供参考，从而实现对堤坝运营期侵蚀型内管涌发生、发展的预警及灾害管控的目的。
针对土体的侵蚀型内管涌问题，国内外的许多学者进行了大量的研究，已取得了众多的研究成果。现有研究表明，侵蚀型内管涌发生的水力条件与级配、细料含量、应力状态等多个因素相关，但目前尚未形成统一结论。而当前侵蚀型内管涌试验研究或多或少还存在一些不足：
1、一般基于缩尺模型，辅以相关监测手段，然而获得的往往是模型边界面（表观）或内部少量离散点信息，无法对内管涌本质特征——细颗粒运移及流失规律进行动态、全息的获取；
2、大多在稳定渗流条件下进行，与工程实际情况相差甚远；
3、所考虑的影响因素相对比较单一；
4、孔隙水压力的测定多为外置孔压管测定，测量过程繁琐且难免有读数不准的情况。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种能够考虑渗流应力耦合因素，并直观观察侵蚀型内管涌细颗粒动态运移的室内模型试验装置及试验方法。
为解决上述技术问题，本发明提供一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，包括变水头控制及液体循环系统、垂直加载渗透系统、激光控制系统和图像采集系统，所述变水头控制及液体循环系统通过进流管和出流管与垂直加载渗透系统相连接，并通过水泵维持循环；所述的垂直加载渗透系统利用反力架和若干千斤顶对模型箱内的试样施加竖直向下的荷载，所述出流管处设置有流量计，所述模型箱侧壁均匀布设有若干组微型孔压计及土压力传感器，所述垂直加载渗透系统的透明土样区中装入透明土、透明液及荧光粒子代表骨架颗粒、液体及填充颗粒；所述的激光控制系统使激光透过光纤聚焦透镜产生共面集中的激光，融合透明土、激光激发荧光、示踪综合效应获取不同截面骨架及填充颗粒轮廓；所述的图像采集系统利用模型箱后的LED光源照射来提高图像识别度，并利用模型箱前的高速相机进行动态拍摄，以捕捉细颗粒运移特征及内部结构性变化。
进一步地，所述变水头控制及液体循环系统中的上游水箱通过实验平台智能控制升降速率模拟非稳定变水头，并通过进流管与所述的垂直加载渗透系统相连，通过溢流管和抽流管与循环水槽相连；所述循环水槽与垂直加载渗透系统通过出流管相连。
进一步地，所述垂直加载渗透系统的模型箱为盒型的透明模型箱；所述透明模型箱固定在地面上，其上部固定一块水平的可透砂压力板，其下部安置有通过千斤顶控制上下移动的透水加载盒；所述可透砂压力板与所述透水加载盒之间为透明土样区。
进一步地，所述透水加载盒内填充物为砾石；所述可透砂压力板顶面与出流口下缘齐平；所述出流口覆有透水纱布。
进一步地，所述激光控制系统的轴线垂直于所述透明模型箱侧板，所述激光源和光纤聚焦透镜组合使用，所述激光控制系统通过平移控制支架调整激光照射的位置。
进一步地，所述高速相机的轴线垂直于所述激光控制系统的轴线，且两轴线的交点位于透明土样区内。
进一步地，所述模型箱侧壁均匀布设5组微型孔压计及土压力传感器。
本发明还提供了一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.准备好试验所必须的材料，包括模拟骨架颗粒的透明土、模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液和模拟填充细粒的示踪荧光透明土粒子；
b.在水箱和循环水槽内注入具有相同折射率并添加有荧光染色剂的孔隙流体，用止水夹夹住进流管；
c.通过开闭进流管控制模型箱水位，利用水下分层抛填法装样，按照预先设计的方案，在骨料中填充示踪荧光粒子；
d.装样完毕后关闭进流管，固定试样上方的可透砂压力板，利用千斤顶将位于试样下方的透水加载盒向上顶升，使微型土压力传感器示数达到预定值；
e.开启激光控制系统的镭射激光光源照射透明土剖面，诱发孔隙流体中的荧光染色剂和具有荧光特性的示踪粒子，观察透明土样并通过高速相机采集图像；
f.开启水泵和进流管，通过逐级升高水头来进行渗透试验；
g.实时记录水头差高度、流量计示数和微型孔压计示数，同时管涌现象发生后用铲刀每隔固定时间将透砂压力板上表面的细料由出砂口铲出，晒干后分别进行称量以得到出砂量变化规律。
进一步地，制备透明土样时，采用符合试验方案粒径级配的硼硅酸玻璃或其它透明土颗粒混合具有相应折射率的孔隙流体及荧光染料组成。
进一步地，分层装样时，选用具有荧光激发特性的细粒透明土作为填充料。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果在于：
1、本发明创新性地融合透明土试验技术、激光诱发荧光显像技术及示踪粒子技术来开展侵蚀性内管涌试验研究及机理分析，建设内管涌渗透可视化模型试验平台，开展多因素下内管涌渗透试验，研究应力状态(σ)、渗流水头边界条件(△H/t)、细料含量(Ff)、控制特征粒径比(Dc35/d85)对内管涌的影响，获取颗粒流失率、孔隙率、渗透强度等的演变规律，建立流失率与各因素关联及孔隙率演变本构方程，揭示内管涌发生机理，为后续研究提供试验基础；
2、本发明克服了之前相关学者利用γ射线密度计、CT扫描和X射线技术等研究土体内部颗粒变化特征中无法有效区分粗细骨料、价格较为昂贵、对试验设备和试验技术要求较高等缺点，室内模型设备易于操作和调整，且采用渗流循环系统，可有效降低成本；
3、常规的研究土体侵蚀型内管涌试验一般是通过水在土样中的渗流力来施加体积力，但体积力的大小和施加的均匀性不能够控制，而本发明的侵蚀型内管涌试验模拟的力场是均匀力场，试验材料各部分是均匀受力的，其模拟的误差相较于其他内管涌试验要小，并且可以通过调整轴向力的大小，模拟在不同应力条件下土体的侵蚀型内管涌的特征，从而克服了常规试验中的一些缺点；
4、本发明扩大了透明土颗粒的应用范围，将其应用于室内侵蚀型内管涌试验，在试验过程中可以观测到土体颗粒侵蚀运移、流失等特征。
附图说明
图1为本发明的渗流循环系统示意图；
图2为本发明的渗透主体装置立体图；
图3为本发明的渗透主体装置正视图；
图4为本发明的渗透主体装置俯视图。
其中，Ⅰ为变水头控制及液体循环系统，Ⅱ为垂直加载渗透系统，Ⅲ为激光控制系统，Ⅳ为图像采集系统，1为水箱，2为溢流管，3为进流管，4为透明模型箱，5为反力架，6为千斤顶，7为可透砂压力板，8为透水加载盒，9为进流口，10为出流口，11为出砂口，12为激光源，13为光纤聚焦透镜，14平移控制支架，15为高速相机，16为流量计，17为孔压计，18为循环水槽，19为出流管，20为抽流管，21为水泵，22为透明土样区。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1至图2所示，一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，包括变水头控制及液体循环系统Ⅰ、垂直加载渗透系统Ⅱ、激光控制系统和Ⅳ图像采集系统Ⅲ，变水头控制及液体循环系统Ⅰ具有液体循环功能，利用溢流管2、进流管3、出流管19和抽流管20将水箱1、循环水槽18和透明模型箱4中的三处水体进行联系，并通过水泵21维持循环；垂直加载渗透系统Ⅱ利用反力架和若干千斤顶6对透明模型箱4内的试样施加竖直向上的荷载，出流管19处设置有流量计16，侧壁均匀布设有若干组微型孔压计及土压力传感器17；激光控制系统Ⅲ使激光透过光纤聚焦透镜13产生共面集中的激光，并可以通过平移控制支架14调整激光照射的位置；图像采集系统Ⅳ利用透明模型箱4后的LED光源照射来提高图像识别度，并利用透明模型箱4前的高速相机15进行动态拍摄。
所述变水头控制及液体循环系统Ⅰ中的水箱1可以自由升降，并通过进流管3与垂直加载渗透系统Ⅱ相连，通过溢流管2和抽流管20与循环水槽18相连；所述变水头控制及液体循环系统Ⅰ中的循环水槽18和垂直加载渗透系统Ⅱ通过出流管19相连。
所述的装样区各方向尺寸为10cm，以考虑透明土透射路径长度限制且避免尺寸效应影响；所述垂直加载渗透Ⅱ系统选用盒型的透明模型箱4，可避免激光和荧光的折射；所述透明模型箱4固定在地面上，其上部可固定一块水平的可透砂压力板7，其下部安置有通过千斤顶6控制上下移动的透水加载盒8；所述可透砂压力板7与所述透水加载盒8之间为透明土样区22；所述透水加载盒8内填充物为砾石，起缓冲作用；所述可透砂压力板7顶面与出流口10下缘齐平；所述出流口10覆有透水纱布，阻止细料通过。
所述激光发射系统Ⅲ轴线垂直于所述透明模型箱4侧板，所述激光源12和光纤聚焦透镜13组合使用，所述平移支架14能够平稳移动以调整激光源12与所述透明模型箱4的距离。
所述高速相机15轴线垂直于所述激光发射系统Ⅲ的轴线，且两轴线的交点位于透明土样区22内；所述透明模型箱4侧壁均匀布设5组微型孔压计及土压力传感器17；所述出流管19上安装有流量计16，具有显示和储存瞬时流量和累计流量数据的功能。
同时，一种渗流应力耦合模拟侵蚀型内管涌的可视化试验方法，包括以下步骤：
a.准备好透明土样，包括骨架颗粒和填充细粒以及适量示踪荧光粒子；
b.在水箱1和循环水槽18内注入具有相同折射率的添加有荧光染色剂的孔隙流体，用止水夹夹住进流管3；
c.通过开闭进流管3控制透明模型箱4水位，利用水下分层抛填法装样，按照预先设计的方案，将特定位置的部分填充细粒用示踪荧光粒子；
d.装样完毕后关闭进流管3，固定试样上方的可透砂压力板7，利用千斤顶6将位于试样下方的透水加载盒8向上顶升，使微型土压力传感器示数达到预定值；
e.开启LED光源和激光控制系统Ⅲ的镭射激光光源12照射透明土剖面，诱发孔隙流体中的荧光染色剂和具有荧光特性的示踪粒子，观察透明土样并通过高速相机15采集图像；
f.开启水泵21和进流管3，通过逐级升高水头来进行渗透试验；
g.实时记录水头差高度、流量计16示数和微型孔压计及土压力传感器17示数，同时管涌现象发生后用铲刀每隔固定时间将透砂压力板上表面的细料铲出，晒干后分别进行称量以得到出砂量变化规律；
制备透明土样时，采用符合试验方案粒径级配的硼硅酸玻璃或其它透明土颗粒混合具有相应折射率的孔隙流体及荧光染料组成。
分层装样时，在透明土中掺入少量具有荧光特性的颗粒作为追踪细颗粒运移特征的示踪粒子，以展现细粒侵蚀起动、运移、沉积、堵塞及成拱等过程。
进行试验时，按照制定的试验方案，调整水头控制系统，施加不同载荷，进行不同条件下的试验，用激光源照射透明土剖面，诱发孔隙流体中的荧光染色剂和具有荧光特性的示踪粒子，观察透明土样并通过高速相机采集图像。
在进行模拟侵蚀型内管涌的可视化试验时，所需要测定的参数有载荷压力、围压、孔隙水压力、流量等。
本发明所述的一种渗流应力耦合模拟侵蚀型内管涌的可视化试验装置和试验方法，其创新点在于，融合透明土实验技术、激光诱发荧光显像技术及示踪粒子技术来开展侵蚀性内管涌试验研究及机理分析，不仅克服了之前相关学者利用CT扫描和X射线技术研究土体内部颗粒变化特征中无法有效区分粗细骨料、价格较为昂贵、对试验设备和试验技术要求较高等缺点，而且可以通过调整轴向力的大小，模拟非稳定渗流在不同应力、不同细料含量、不同级配等状态下土体的侵蚀型内管涌的特征，从而提供了一种可直接深入观察、制作简单、试验方便、可便于调整施加于土体上均布荷载大小、能够真实反映土体侵蚀型内管涌细颗粒运移特征及内部结构性变化的渗流应力耦合模拟侵蚀型内管涌的可视化试验装置和试验方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，包括变水头控制及液体循环系统、垂直加载渗透系统、激光控制系统和图像采集系统，所述变水头控制及液体循环系统通过进流管和出流管与垂直加载渗透系统相连接，并通过水泵维持循环；所述的垂直加载渗透系统利用反力架和若干千斤顶对模型箱内的试样施加竖直向下的荷载，所述出流管处设置有流量计，所述模型箱侧壁均匀布设有若干组微型孔压计及土压力传感器，所述垂直加载渗透系统的透明土样区中装入透明土、透明液及荧光粒子代表骨架颗粒、液体及填充颗粒；所述的激光控制系统使激光透过光纤聚焦透镜产生共面集中的激光，融合透明土、激光激发荧光、示踪综合效应获取不同截面骨架及填充颗粒轮廓；所述的图像采集系统利用模型箱后的LED光源照射来提高图像识别度，并利用模型箱前的高速相机进行动态拍摄，以捕捉细颗粒运移特征及内部结构性变化。
2.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述变水头控制及液体循环系统中的上游水箱通过实验平台智能控制升降速率模拟非稳定变水头，并通过进流管与所述的垂直加载渗透系统相连，通过溢流管和抽流管与循环水槽相连；所述循环水槽与垂直加载渗透系统通过出流管相连。
3.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述垂直加载渗透系统的模型箱为盒型的透明模型箱；所述透明模型箱固定在地面上，其上部固定一块水平的可透砂压力板，其下部安置有通过千斤顶控制上下移动的透水加载盒；所述可透砂压力板与所述透水加载盒之间为透明土样区。
4.根据权利要求3所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述透水加载盒内填充物为砾石；所述可透砂压力板顶面与出流口下缘齐平；所述出流口覆有透水纱布。
5.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述激光控制系统的轴线垂直于所述透明模型箱侧板，所述激光源和光纤聚焦透镜组合使用，所述激光控制系统通过平移控制支架调整激光照射的位置。
6.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述高速相机的轴线垂直于所述激光控制系统的轴线，且两轴线的交点位于透明土样区内。
7.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置，其特征是，所述模型箱侧壁均匀布设5组微型孔压计及土压力传感器。
8.基于权利要求1-7中任意一项所述的一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.准备好试验所必须的材料，包括模拟骨架颗粒的透明土、模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液和模拟填充细粒的示踪荧光透明土粒子；
b.在水箱和循环水槽内注入具有相同折射率并添加有荧光染色剂的孔隙流体，用止水夹夹住进流管；
c.通过开闭进流管控制模型箱水位，利用水下分层抛填法装样，按照预先设计的方案，在骨料中填充示踪荧光粒子；
d.装样完毕后关闭进流管，固定试样上方的可透砂压力板，利用千斤顶将位于试样下方的透水加载盒向上顶升，使微型土压力传感器示数达到预定值；
e.开启激光控制系统的镭射激光光源照射透明土剖面，诱发孔隙流体中的荧光染色剂和具有荧光特性的示踪粒子，观察透明土样并通过高速相机采集图像；
f.开启水泵和进流管，通过逐级升高水头来进行渗透试验；
g.实时记录水头差高度、流量计示数和微型孔压计示数，同时管涌现象发生后用铲刀每隔固定时间将透砂压力板上表面的细料由出砂口铲出，晒干后分别进行称量以得到出砂量变化规律。
9.根据权利要求8所述的基于一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置的方法，其特征在于，制备透明土样时，采用符合试验方案粒径级配的硼硅酸玻璃或其它透明土颗粒混合具有相应折射率的孔隙流体及荧光染料。
10.根据权利要求8所述的基于一种渗流应力耦合内管涌渗透可视化模型试验装置的方法，其特征在于，分层装样时，选用具有荧光激发特性的细粒透明土作为填充料。
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