CN107505448A - 地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置、系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置、系统及试验方法，所述模型装置主要由开有破损口的圆管、中间土槽、两侧水槽及一些测量设备构成，水槽与土槽之间通过透水板隔开。破损口一旦打开，渗流侵蚀便在中间土槽中发生，两侧水槽的侧面按高度设置多个溢流孔，通过底部进水口的补充进水和溢流孔的溢流控制水槽水位，以此改变土体的水位条件。过程中可进行水土流失量、地表沉降、侵蚀面积变化等多个参数的测量。破损口一旦再次堵上，侵蚀停止，试验结束。本发明可利用现有的技术，模拟地下水入渗、地表加荷、循环动荷载、水位变化等各种工况下地下渗流侵蚀乃至地表塌陷过程，为系统全面研究地下管线破损引起的路面侵蚀塌陷奠定技术基础。

Description

地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置、系统及试验方法

技术领域

本发明涉及研究地下渗流侵蚀规律及城市地面塌陷的综合试验模型装置和试验方法，属于土体渗透破坏研究的模型试验仪器领域。

背景技术

随着我国城市道路建设的快速发展和车辆的增加，路面荷载越来越大，近年来，发生路面塌陷的事故也猛然增加。通过调查研究发现，地下管线破损是引起路面塌陷的最主要因素。破损管线为地下水的渗流提供了新的路径出口，引发的侵蚀性水土流失会导致管线周围土体松弛，继而产生空洞，在交通荷载的作用下这些空洞不断发展扩大，最终发生塌陷事故。

而我国城市地下管线已建成有数百万公里。这些管线大量埋设，且错综复杂，给路面塌陷事故带来了巨大隐患。我国管线多建成于上世纪六七十年代，如今已走过近50年，多数管线开始达到龄期而老化破损。我国出现路面塌陷事故才刚刚开始，相关研究也处于起步阶段，已有的研究渗流侵蚀导致的地面塌陷机理的相关试验装置很少，且有很多的不足。而物理模型试验是研究实际工程问题常用的手段。

在本发明之前，中国专利申请CN 106018736 A公开了一种管道渗漏引发地面塌陷的试验装置，用于研究有内水压管道破损时的渗漏试验，但其研究的对象是有压管道，土层中并无地下水，发生的管道破损渗漏也不属于渗流侵蚀的范畴，研究的工程背景有其局限性，同时此装置未对路面塌陷进行相关参数测量，水土流失量也没有称量，试验数据不够准确。

因此，需要发明一种地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置及试验方法，能够模拟不同土质条件、地下水位形式、管道破损特征和地面荷载条件等各种工况，为系统研究无压管道破损引起的地下水入渗侵蚀过程及地面塌陷机理奠定基础。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可模拟地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置、系统及试验方法，可以模拟不同土质条件、地下水位形式、管道破损特征和地面荷载条件等各种工况，系统研究管道破损引起的渗流侵蚀过程及地面塌陷机理，为解决城市地面塌陷问题提供理论依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明提供一种地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，其特征在于：包括发生渗流侵蚀试验的有机玻璃材质的土槽，两个用于控制地下水位的水槽，模拟破损管线的具有破损口的圆管，两块透水板；

所述土槽中可装填不同性质的土样；

两个水槽分别位于所述土槽的两侧，且所述水槽的底部均有带阀门的进水口，通过所述阀门来控制进水量，水槽壁按高度处设有若干溢流孔，通过打开不同高度处的溢流孔来控制恒定地下水位；

所述土槽与两个水槽之间分别各设置一个透水板；所述透水板上开设有孔洞，所述孔洞都被透水石填充，以保证水槽与土槽间只有水的交换；

所述土槽背面开有一圆孔，开孔位于后槽壁的底端中部，且开孔与圆管直径相当，所述圆管通过所述开孔可插入安装在土槽的底部；所述圆管一端封闭，从此端插入所述开孔中，所述圆管的另一端开放，此开放端用于流出水土并收集；

所述圆管上开设有一破损口；试验开始前，所述破损口由一个与其尺寸相同的橡胶条堵住；试验开始时，将橡胶条拔出，所述破损口被打开，侵蚀在土槽中发生；试验结束后，再用橡胶条堵上所述破损口，以停止渗流。

进一步，所述圆管长度大于所述土槽的宽度，所述圆管的开放端可以延伸出所述土槽的槽壁。

本发明还提供一种系统，该系统包括所述地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，其特征在于：还包括小型激光测距仪，流失水土收集测量装置，摄像机和采集终端；

所述流失水土收集测量装置包括水土分离室，第一电子秤，集水容器，第二电子秤；所述水土分离室的一侧面由透水石构成；所述第一电子秤设置在所述水土分离室的下方，用于称量湿土质量；所述第二电子秤设置在集水容器的下方，用于称量流失水质量；且第一电子秤、第二电子秤分别与所述采集终端连接；

所述流失水土收集测量装置位于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的圆管开放端的下方，在试验时，从所述圆管流出的混合水土进入水土分离室后，通过该水土分离室由透水石构成的侧面进入集水容器；第一电子秤和第二电子秤分别将各自测量的土和水流失数据传给采集终端；

所述小型激光测距仪与采集终端连接，且安装于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的上部，在试验时每间隔一段时间记录一次地表沉降量，并将地表沉降量数据传给采集终端；

所述摄像机与采集终端连接，且置于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前，在试验时进行渗流侵蚀录像，并将影像数据传给采集终端。

进一步，该系统还包括有水泵，所述水泵将集水容器中的水重新输入地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的进水口，以实现整个系统用水的循环。

进一步，该系统还包括模拟地表动荷载的偏心轮；在研究动荷载的影响时，所述偏心轮置于地表用于施加循环荷载。

本发明还提供一种地下管线破损引起的渗流侵蚀试验方法，其特征在于包括步骤：

S1，试验开始前，检查所需仪器，清洗地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，安装带有相应破损口的圆管，并用橡胶条堵住破损口；

S2，土样配比并铺设；

首先，在土槽的前土槽壁上涂抹薄凡士林层，以尽量消除渗流时边界效应的影响；然后，配好所需级配土样，并使土样在土槽1中自由下落，下落中不断提高水位，并保证水位高于土体高度，且使撒落土样完全饱和；土体达到预设高度后，完成土样铺设；

S3，安装测量仪器；

首先，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置上部安装小型激光测距仪；然后，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前架设一台摄像机，用来拍摄侵蚀过程；接着，在圆管开放端下方放置好流失水土收集测量装置；同时将这些测量仪器均与采集终端连接；

S4，拔出圆管的破损口处的橡胶条，开始渗流侵蚀，土体在水的渗流力作用下，随水一起通过破损口进入圆管；各测量仪器实时将各侵蚀参数传给采集终端；且在试验中，通过对进水口进水流量的控制和相应高度溢流孔的打开来保持地下水位高度；

S5，试验结束后，降低水位至0；对侵蚀土体进行强度贯入试验；

S6，清空地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置中的水土，收集不同高度土层处的土样，在烘干之后，进行筛分试验，分析侵蚀后土层级配变化。

根据以上技术方案，本发明可实现的有益效果是：

(1)模型简单实用，在渗流侵蚀过程中可以明显的观测地表沉陷过程、渗流侵蚀状态等具体破坏情况，可视化地上展示了侵蚀破坏过程。

(2)可研究不同土质条件、地下水位形式、管道破损特征和地面荷载条件等各种工况下的渗流侵蚀影响过程。

(3)管道可自由拆卸，土样装填和清理更加方便，同时可通过更换不同管道，对有压水管的渗漏亦可研究。

附图说明

图1是本发明地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的结构示意图。

图2是本发明透水板的结构示意图。

图3是本发明具有破损口的圆管的结构示意图。

图4是本发明模型装置左视图及流失水土收集测量装置布置图。

图中：1-土槽；2-水槽；3-圆管；4-透水板；5-进水口；6-溢流孔；7-小型激光测距仪；8流失水土收集测量装置；9-摄像机；10-采集终端；11-偏心轮；12-破损口；13-橡胶条；14-透水石；15-水土分离室；16-第一电子秤；17-集水容器；18-第二电子秤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。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4所示，本发明提供一种地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置与系统。

如图1所示，地下管线破损引起的渗流侵蚀模型系统包括地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，小型激光测距仪7，流失水土收集测量装置8，摄像机9，采集终端10和模拟地表动荷载的偏心轮11。

其中，地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置包括发生渗流侵蚀试验的有机玻璃材质的土槽1，两个用于控制地下水位的水槽2，模拟破损管线的具有破损口的圆管3，两块透水板4。

土槽1中可装填不同性质的土样，不同高度土样处铺设一薄彩砂层。

两个水槽2分别位于土槽1的两侧，水槽2的底部均有带阀门的进水口5，通过所述阀门来控制进水量，水槽壁的不同高度处均设有溢流孔6，通过打开不同高度处的溢流孔6来控制恒定地下水位。

土槽1与水槽2之间设置透水板4，即土槽1与两个水槽2之间分别各设置一个透水板4。进一步，如图2所示，所述透水板4上开设有很多排列整齐的圆形孔洞，这些孔洞又分别都被透水石14填充，以保证水槽2与土槽1间只有水的交换，只允许水透过，且限制土通过。

圆管3可安装在土槽1的底部并可拆卸。进一步，如图3所示，所述圆管3上开设有一破损口12，所述破损口12的位置和尺寸可根据要求在圆管3制作时确定好。试验开始前，该破损口12由一个与该破损口12形状尺寸相同的橡胶条13堵住；试验开始时，将橡胶条13拔出，圆管3的破损口12被打开，侵蚀在土槽1中发生；试验结束后，再用橡胶条13堵上破损口12。

结合图4可知，在土槽1后面的槽壁底端开有一与圆管3直径相当的圆形的开孔，圆管3可从此开孔插入或拆下；由此，本发明所述模型装置可对带有不同破损特征的多种圆管进行试验。进一步，圆管3一端封闭，从此端插入上述开孔中，圆管3的另一端开放，此开放端用于流出水土；破损口12靠近圆管3封闭端的顶上，以便渗流侵蚀在土槽前侧发生；圆管3长度大于土槽1的宽度，以便圆管3的开放端可以伸出土槽1的槽壁。在每次试验前，所述圆管3与土槽1槽壁的开孔在交接处都用硅胶密封。

如图4所示，流失水土收集测量装置8包括水土分离室15，电子秤16，集水容器17，电子秤18；第一电子秤16、第二电子秤18分别与所述采集终端10连接。进一步，所述流失水土收集测量装置8位于圆管3开放端(伸出端)的下方，从圆管3流出的混合水土进入水土分离室15，水土分离室15一侧面由透水石构成，水将从该侧面进入集水容器17，水土分离室15下方有一个称量湿土质量的电子秤16，集水容器17下方有一个称量流失水质量的电子秤18，两电子秤可以实时将土和水流失数据传至采集终端10。在优选的实施方式中，可以将集水容器17中的水通过水泵重新输入进水口5，以实现整个装置用水系统的循环。

试验时，摄像机9与采集终端10连接，且其置于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前进行渗流侵蚀录像，并将影像数据传给采集终端10；小型激光测距仪7与采集终端10连接，且其安装于所述装置的上部，且每间隔一段时间记录一次地表沉降量，并将数据传给采集终端10；流失水土收集测量装置8用以收集从圆管3的开放端流出的水土，并将水土流失数据传给终端10；由此，本发明提供的模型系统在试验时，可以达到数据采集的自动化。在研究动荷载的影响时，可将动荷载偏心轮11置于地表施加循环荷载。

本发明还提供一种基于上述装置的地下管线破损引起的渗流侵蚀试验方法，其具体步骤如下：

S1，试验开始前，检查所需仪器，清洗地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，安装带有相应破损口12的圆管3，并用橡胶条13堵住破损口12。

S2，土样配比并铺设。首先，在土槽1的前土槽壁上涂抹薄凡士林层，以尽量消除渗流时边界效应的影响；然后，配好所需级配土样，并使土样在土槽1中自由下落，下落中不断提高水位，并保证水位高于土体高度5cm，且使撒落土样完全饱和；每隔10cm土层，铺一层级配相同的红色土样，以便直接观察土体的侵蚀状态；土体达到预设高度后，完成土样铺设。如果必要，还需对土样进行加压固结。

S3，安装测量仪器。首先，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置上部安装小型激光测距仪7；然后，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前架设一台摄像机9，用来拍摄侵蚀过程；接着，在圆管3开放端(伸出端)下方放置好流失水土收集测量装置8；同时将这些测量仪器均与采集终端10连接。如需研究地表循环动荷载对侵蚀破坏的影响时，则将动荷载偏心轮10置于地表并打开。

S4，拔出圆管3的破损口12处的橡胶条13，开始渗流侵蚀，土体在水的渗流力作用下，随水一起通过破损口12进入圆管13。各测量仪器实时将各侵蚀参数传给采集终端10。试验中，通过对进水口5进水流量的控制和相应高度溢流孔6的打开来保持地下水位高度(保持两侧水槽2水位恒定)，注意进水量不可低于流失水量。进一步，可透过透明土槽壁观察内部侵蚀发展过程。

S5，试验结束后，降低水位至0。对侵蚀土体进行强度贯入试验。

S6，最后，清空地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置中的水土，收集不同高度土层处的土样，在烘干之后，进行筛分试验，分析侵蚀后土层级配变化。

本发明可实现的有益效果是：

(1)模型装置简单实用，在渗流侵蚀过程中可以明显的观测地表沉陷过程、渗流侵蚀状态等具体破坏情况，可视化地展示了侵蚀破坏过程。

(2)可研究不同土质条件、地下水位形式、管道破损特征和地面荷载条件等各种工况下的渗流侵蚀影响过程。

(3)管道(圆管)可自由拆卸，土样装填和清理更加方便，同时可通过更换不同管道(圆管)，对有压水管的渗漏亦可研究。

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，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，其特征在于：包括发生渗流侵蚀试验的有机玻璃材质的土槽(1)，两个用于控制地下水位的水槽(2)，模拟破损管线的具有破损口的圆管(3)，两块透水板(4)；

所述土槽(1)中可装填不同性质的土样；

两个水槽(2)分别位于所述土槽(1)的两侧，且所述水槽(2)的底部均有带阀门的进水口(5)，通过所述阀门来控制进水量，水槽壁按高度设有若干个溢流孔(6)，通过打开不同高度处的溢流孔(6)来控制恒定地下水位；

所述土槽(1)与两个水槽(2)之间各设置一个透水板(4)；所述透水板(4)开有若干孔洞，所述孔洞都被透水石(14)填充，以保证水槽(2)与土槽(1)间只有水的交换；

所述土槽(1)后面的槽壁底端开有一与圆管(3)直径相当的圆形孔，所述圆管(3)通过所述开孔可插入安装在土槽(1)的底部；所述圆管(3)一端封闭，从此端插入所述开孔中，所述圆管(3)的另一端开放，此开放端用于流出水土；

所述圆管(3)上开设有一破损口(12)；试验开始前，所述破损口(12)由一个与该破损口(12)形状尺寸相同的橡胶条(13)堵住；试验开始时，将橡胶条(13)拔出，则所述破损口(12)被打开，侵蚀在土槽(1)中发生；试验结束后，再用橡胶条(13)堵上所述破损口(12)。

2.根据权利要求1所述的地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，其特征在于：所述圆管(3)长度大于所述土槽(1)的宽度，所述圆管(3)的开放端可以延伸出所述土槽(1)的槽壁。

3.一种包括权利要求1所述的地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的系统，其特征在于：还包括小型激光测距仪(7)，流失水土收集测量装置(8)，摄像机(9)和采集终端(10)；

所述流失水土收集测量装置(8)包括水土分离室(15)，第一电子秤(16)，集水容器(17)，第二电子秤(18)；所述水土分离室(15)的一侧面由透水石构成；所述第一电子秤(16)设置在所述水土分离室(15)的下方，用于称量湿土质量；所述第二电子秤(18)设置在集水容器(17)的下方，用于称量流失水质量；且第一电子秤(16)、第二电子秤(18)分别与所述采集终端(10)连接；

所述流失水土收集测量装置(8)位于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的圆管(3)开放端的下方，在试验时，从所述圆管(3)流出的混合水土进入水土分离室(15)后，通过该水土分离室(15)由透水石构成的侧面进入集水容器(17)；第一电子秤(16)和第二电子秤(18)分别将各自测量的土、水流失数据传给采集终端(10)；

所述小型激光测距仪(7)与采集终端(10)连接，且安装于由地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的上部，在试验时每间隔一段时间记录一次地表沉降量，并将地表沉降量数据传给采集终端(10)；

所述摄像机(9)与采集终端(10)连接，且置于地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前，在试验时进行渗流侵蚀录像，并将影像数据传给采集终端(10)。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：还包括有水泵，所述水泵将集水容器(17)中的水重新输入地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置的进水口(5)，以实现整个系统用水的循环。

5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：还包括模拟地表动荷载的偏心轮(11)；在研究动荷载的影响时，所述偏心轮(11)置于地表用于施加循环荷载。

6.一种地下管线破损引起的渗流侵蚀试验方法，其特征在于包括步骤：

S1，试验开始前，检查所需仪器，清洗地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置，安装带有相应破损口(12)的圆管(3)，并用橡胶条(13)堵住破损口(12)；

S2，土样配比并铺设；首先，在土槽(1)的前土槽壁上涂抹薄凡士林层，以尽量消除渗流时边界效应的影响；然后，配好所需级配土样，并使土样在土槽1中自由下落，下落中不断提高水位，并保证水位高于土体高度，且使撒落土样完全饱和；土体达到预设高度后，完成土样铺设；

S3，安装测量仪器；首先，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置上部安装小型激光测距仪(7)；然后，在地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置前架设一台摄像机(9)，用来拍摄侵蚀过程；接着，在圆管(3)开放端下方放置好流失水土收集测量装置(8)；同时将这些测量仪器均与采集终端(10)连接；

S4，拔出圆管(3)的破损口(12)处的橡胶条(13)，开始渗流侵蚀，土体在水的渗流力作用下，随水一起通过破损口(12)进入圆管(13)；各测量仪器实时将各侵蚀参数传给采集终端(10)；且在试验中，通过对进水口(5)进水流量的控制和相应高度溢流孔(6)的打开来保持地下水位高度；

S5，试验结束后，降低水位至0；对侵蚀土体进行强度贯入试验；

S6，清空地下管线破损引起的渗流侵蚀模型装置中的水土，收集不同高度土层处的土样，在烘干之后，进行筛分试验，分析侵蚀后土层级配变化。