CN108035301B - 一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法，该装置包括数字观测系统、水头调节系统和防渗效果模拟装置；所述的数字观测系统由透明土、CCD相机、激光器以及计算机组成；所述的水头调节系统通过供水管与透明模型箱左侧壁相连；所述透明模型箱内部的左侧设置有多层多孔板，多层多孔板的右侧放置有透明土，透明土中插入悬挂式防渗墙，悬挂式防渗墙正上方安放防渗墙升降装置；所述悬挂式防渗墙的右侧的透明土中插入工程桩，工程桩的上方放置加载板和砝码；透明模型箱的正前方安放CCD相机；透明模型箱的右侧安放激光器；本发明利用了透明土技术和计算机图像处理软件实现了渗流应力耦合作用下悬挂式防渗墙防渗效果的模拟和工程桩间土体位移的直接可视化观测，试验装置简单，可重复使用，经济可行性高。
Description
技术领域
本发明属于水利工程试验领域，尤其涉及一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法。
背景技术
在水利工程领域，防渗墙因其结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简便以及造价低等优点，尤其是在处理坝基渗漏、坝后“流土”、“管涌”等渗透变形隐患问题上效果良好，在国内外得到了广泛的应用和发展。按照墙体是否插到岩基或者不透水层，可将防渗墙分为封闭式防渗墙和悬挂式防渗墙。工程中一般采用悬挂式防渗墙，因此对它的研究也就相对更多。由于水利工程往往处于渗流应力等多场耦合的复杂环境下，对其防渗效果的评估变得相当困难。若防渗墙贯入土体的深度过大，会带来工程造价的增加，导致经济上的浪费；若防渗墙贯入土体的深度不够，则会导致防渗效果不佳，甚至会酿成严重的工程事故。所以如何合理确定渗流应力耦合下防渗墙贯入深度成为工程界和学术界普遍关注的问题。
在本专利前，有关防渗墙的专利大都专注于其施工方法的发明和创新，由于土体的不透明性，鲜有涉及其防渗效果的模拟。透明土材料是利用透明颗粒与其具有相同折射率的孔隙流体配置而成的材料，因其能够与土体的具有相同的工程物理性质而在模型试验中得到了广泛的应用。利用透明土材料和计算机3图像处理软件来进行渗流应力耦合作用下防渗墙防渗效果模拟和工程桩间土体位移的可视化观测，操作方便，经济合理，是未来水利工程测试技术的发展趋势。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，利用透明土技术和计算机图像处理软件，提出一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法，解决了多场复杂环境下悬挂式防渗墙防渗效果难以评估以及桩间土体位移难以测量的难题，该试验装置不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，该装置包括数字观测系统、水头调节系统和防渗效果模拟装置，其特征在于：所述的数字观测系统由透明土、CCD相机、激光器以及计算机组成，所述的水头调节系统通过供水管与透明模型箱左侧壁相连，所述透明模型箱内部的左侧设置有多层多孔板，多层多孔板的右侧放置有透明土，透明土中插入悬挂式防渗墙，悬挂式防渗墙正上方安放防渗墙升降装置，所述悬挂式防渗墙的右侧的透明土中插入工程桩，工程桩的上方放置加载板和砝码，透明模型箱的正前方安放CCD相机，透明模型箱的右侧安放激光器，利用激光器在透明土中形成散斑场，设置悬挂式防渗墙贯入透明土一定深度，通过CCD相机对渗流应力耦合下的透明土进行连续拍摄，后借助计算机图像处理软件对所得的散斑场进行分析，从而模拟了渗流应力耦合下悬挂式防渗墙的防渗效果。
优选的，所述的悬挂式防渗墙正上方安放防渗墙升降装置，所述的防渗墙升降装置与计算机相连，可控制悬挂式防渗墙贯入土体的深度。
优选的，所述的防渗墙升降装置中设置红外线测距仪，以校核悬挂式防渗墙贯入土体的深度。
优选的，所述的透明模型箱的侧壁间隔布置测压管，用以监测试验过程土体中测压管水头的变化。
优选的，所述的悬挂式防渗墙为长方体形的有机钢化玻璃板；
一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置的试验方法，包括以下步骤，
1)在合适的环境中安放、组装试验器材，按试验所模拟的工程土的性质配置相应透明土，并将其分层放置于透明模型箱中；
2)工程桩打入透明土后，在其上部放置加载板和一定质量的砝码；
3)利用防渗墙升降装置将悬挂式防渗墙贯入透明土一定深度；
4)打开激光器，调整其光线入射角度，使激光垂直打入透明土中形成明亮的散斑场；
5)打开CCD相机并连接计算机，调整其可视范围，使其能够包含整个透明土，设置其以幅/s的速度进行连续拍摄并传送至计算机；
6)在供水箱内注入与透明土具有相同折射率的孔隙流体，打开某一水位控制阀和供水管水阀，使得供水箱内的流体依次通过供水管和多层多孔板进入透明模型箱内，开展渗流试验；
7)逐一提升供水箱的水位控制阀，直至工程桩发生渗流失稳时停止试验；
试验结束后，通过计算机处理软件PIV分析获得的试验过程中散斑场的照片，得到渗透破坏过程中工程桩间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果的模拟。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)模型试验装置简单，拆卸方便，可重复使用并广泛应用于水利工程试验领域；
2)本发明创新性地将透明土技术和计算机图像处理软件相结合用以研究悬挂式防渗墙的防渗效果，实现了渗流应力耦合作用下防渗墙防渗效果的模拟，为实际工程中合理确定悬挂式防渗墙贯入土体的深度提供依据；与之前仅考虑一种影响因素对悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置不同，本发明不仅可以直接观测渗流应力多场复杂环境下悬挂式防渗墙的防渗效果，还设置工程结构物模型作为参照以考虑试验过程中桩-土位移的变化，所得试验结果更具参考性。
附图说明
图1为本发明试验装置的正视系统示意图
图2为本发明试验装置的侧视系统示意图
其中：1为供水箱；2为供水管；3为计算机；4为供水箱水阀；5为流量计；6为CCD相机；7为多层多孔板；8为测压管；9为防渗墙升降装置；10为悬挂式防渗墙；11为砝码；12为加载板；13为透明模型箱；14为透明土；15为底座；16为激光器；17为红外线测距仪；17为工程桩；18为水位控制阀。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：
第一步：在一个平整的光学平台上安放透明模型箱13和底座15，并保证试验所处的环境光线均匀；本实例中所采用的透明模型箱13的尺寸为1000（长）×400（宽）×500（高）（单位：mm），其上部开口，底部与底座15相连；透明模型箱13的材料选用透光性满足要求的树脂玻璃；在透明模型箱13内部的左侧设多层多孔板7以模拟真实条件下渗透流体对透明土14的冲击作用；在透明模型箱13内部等距布置7根测压管以实时监测试验过程中测压管水头的变化；
按照试验所模拟的工程土的物理力学性质（主要包括孔隙比、含水率、粘聚力、摩擦角等）设计透明土14的配合比；本实例所采用的制备方法是将正十二烷与十五号白油在一定的温度下（本实例中为24℃）按一定的质量比（本实例中为1：4）组成混合溶液，并与熔融石英砂颗粒充分拌合直至土样均匀透明，制备成模拟饱和粘性土的透明土14；
将所制成的透明土14分层填入透明模型箱13内。
第二步：将4根工程桩17通过沉桩加载仪打入透明土14中，沉桩采用静压沉桩的方法，沉桩过程中要严格控制沉桩速度，保证工程桩垂直贯入透明土14中，防止出现桩位偏差过大等问题，本实例中所采用的工程桩17直径10mm，长度150mm，不锈钢材质，沉桩前用湿毛巾将其表面擦拭干净后晾干；在工程桩17顶部放置加载板12和砝码11；本实例中放置的砝码11的质量为100g。
第三步：打开防渗墙升降装置9，在计算机33中输入设定的贯入深度，本实例中设定的贯入深度是300m；贯入过程要严格控制速度，保证悬挂式防渗墙10垂直贯入透明土14中，防止出现偏差过大等问题；打开红外线测距系统17，测出其至透明土14表面的距离，以校核悬挂式防渗墙10的贯入深度。
第四步：在透明模型箱13的正右方安放激光器16，本实例中所采用的激光器16为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，功率为2V，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源。打开激光器16，并调整其具体位置，使其对准透明模型箱13中的透明土14，形成散斑场；本实例中的激光器与透明模型箱9的外立面垂直相距450mm。
第五步：在透明模型箱13的正前方安放CCD相机6，本实例中所采用的CCD相机6是德国Basler产品（scA1600-14fm）；打开CCD相机6，并调整其支架的高度和角度，使得CCD相机6的镜头垂直对准透明模型箱13的外立面，保证其可视范围能够包含整个；CCD相机5与计算机3相连，设置CCD相机5以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机3。
第六步：所述的水头调节系统包括供水箱1和供水箱2，所述的供水箱1侧壁的不同高度设有水位控制阀18，可以调节供水箱1内水位的高度，实现调整试验过程中渗透水头的大小；所述的供水箱2中设有流量计，可监测试验过程中流入透明模型箱13渗透流体的流量；所述的供水箱2中设有供水管水阀4，可控制渗透流体的进出；
在供水箱1内注入与透明土14中透明液具有相同配合比的正十二烷和十五号白油的混合溶液；打开供水箱1侧壁某一水位控制阀18和供水管水阀4，使得供水箱1内的与透明土14具有相同折射率的孔隙流体依次通过供水管2和多层多孔板7进入透明模型箱13内冲击透明土14，开展渗流试验，试验过程中实时记录测压管8中水位的变化。
第七步：逐一提升供水箱1的水位控制阀18，直至工程桩17发生渗流失稳时停止试验。
第八步：试验结束后，通过计算机处理软件PIV分析获得的试验过程中散斑场的照片，得到渗透破坏过程中工程桩间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果的模拟。
实施例2：
实施例1采用的是在悬挂式防渗墙10贯入深度一定的情况下通过逐一提升水位大小考察渗透水头对工程桩17结构稳定性的影响，对于悬挂式防渗墙10的贯入深度对工程桩17结构稳定性的影响，可在实施例1的基础上，改变步骤三、六、七的实施方式。具体改进如下：打开防渗墙升降装置9，在计算机3中输入设定的贯入深度，本实例中设定的贯入深度是400m；贯入过程要严格控制速度，保证悬挂式防渗墙10垂直贯入透明土14中，防止出现偏差过大等问题；打开供水箱1侧壁某一水位控制阀18并保证在试验过程中渗透水头保持不变，使得供水箱11内与透明土14具有相同折射率的孔隙流体一次通过供水管2和多层多孔板7进入透明模型箱13内冲击透明土14，开展渗流试验；通过防渗墙升降装置9缓慢提升悬挂式防渗墙10，每次提升距离为20mm，间隔时间30min，同时打开红外线测距系统17，测出其至透明土14表面的距离，以校核悬挂式防渗墙10的贯入深度，直至工程桩17发生渗流失稳时停止试验，试验过程中实时记录测压管8中水位的变化。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，该装置包括数字观测系统、水头调节系统和防渗效果模拟装置，其特征在于：所述的数字观测系统由透明土(14)、CCD相机(6)、激光器(16)以及计算机（3）组成，所述的水头调节系统通过供水管(2)与透明模型箱(13)左侧壁相连，所述透明模型箱(13)内部的左侧设置有多层多孔板(7)，多层多孔板(7)的右侧放置有透明土(14)，透明土(14)中插入悬挂式防渗墙(10)，悬挂式防渗墙(10)正上方安放防渗墙升降装置(9)，所述悬挂式防渗墙(10)的右侧的透明土(14)中插入工程桩(17)，工程桩(17)的上方放置加载板(12)和砝码(11)，透明模型箱(13)的正前方安放CCD相机(6)，透明模型箱(13)的右侧安放激光器(16)，利用激光器(16)在透明土(14)中形成散斑场，设置悬挂式防渗墙(10)贯入透明土(14)一定深度，通过CCD相机(6)对渗流应力耦合下的透明土(14)进行连续拍摄，后借助计算机图像处理软件对所得的散斑场进行分析，从而模拟了渗流应力耦合下悬挂式防渗墙(10)的防渗效果。
2.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，其特征在于：所述的悬挂式防渗墙(10)正上方安放防渗墙升降装置(9)，所述的防渗墙升降装置(9)与计算机(3)相连，可控制悬挂式防渗墙(10)贯入土体的深度。
3.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，其特征在于：所述的防渗墙升降装置(9)中设置红外线测距仪(17)，以校核悬挂式防渗墙(10)贯入土体的深度。
4.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，其特征在于：所述的透明模型箱(13)的侧壁间隔布置测压管(8)，用以监测试验过程土体中测压管水头的变化。
5.根据权利要求1所述的一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置，其特征在于：所述的悬挂式防渗墙(10)为长方体形的有机钢化玻璃板。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
1）在合适的环境中安放、组装试验器材，按试验所模拟的工程土的性质配置相应透明土(14)，并将其分层放置于透明模型箱(13)中；
2）工程桩(17)打入透明土(14)后，在其上部放置加载板(12)和一定质量的砝码(11)；
3）利用防渗墙升降装置(9)将悬挂式防渗墙(10)贯入透明土(14)一定深度；
4）打开激光器(16)，调整其光线入射角度，使激光垂直打入透明土(14)中形成明亮的散斑场；
5）打开CCD相机(6)并连接计算机(3)，调整其可视范围，使其能够包含整个透明土(14)，设置其以2幅/s的速度进行连续拍摄并传送至计算机(3)；
6）在供水箱(1)内注入与透明土(14)具有相同折射率的孔隙流体，打开某一水位控制阀(18)和供水管水阀(4)，使得供水箱(1)内的流体依次通过供水管(2)和多层多孔板(7)进入透明模型箱(13)内，开展渗流试验；
7）逐一提升供水箱(1)的水位控制阀(18)，直至工程桩(17)发生渗流失稳时停止试验；
试验结束后，通过计算机(3)处理软件PIV分析获得的试验过程中散斑场的照片，得到渗透破坏过程中工程桩(17)间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果的模拟。
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Effective date of registration: 20191031 Address after: 234000 Suzhou Human Resources Industrial Park, Anhui Province Applicant after: Suzhou Xinyao Health Technology Co., Ltd. Address before: High tech Park Avenue in Jiangning District of Nanjing City Hongjing 211100 Jiangsu province No. 99 Jinling Institute of Technology students activity center room 103 Applicant before: Nanjing Kexing new Mstar Technology Ltd |
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Effective date of registration: 20211229 Address after: 150000 building 40, xuanxi community, Nangang District, Harbin City, Heilongjiang Province Patentee after: Heilongjiang Longfeng Highway Engineering Inspection Co.,Ltd. Address before: 234000 Suzhou Human Resources Industrial Park, Anhui Province Patentee before: SUZHOU XINYAO HEALTH TECHNOLOGY Co.,Ltd. |