CN108152188B - 一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置及方法，包括底板，纵向滑移系统，横向滑移系统；所述底板设有纵向滑槽，所述纵向滑槽之间设有开口一；所述纵向滑移系统包括宽度等于纵向滑槽之间距离的纵向盖板，所述纵向盖板设有横向滑槽，所述横向滑槽之间设有开口二；所述横向滑移系统包括宽度等于横向滑槽之间距离的横向盖板，所述横向盖板设有圆孔；所述纵向盖板通过纵向滑槽连接于底板，所述横向盖板通过横向滑槽连接于纵向盖板。本发明通过调节横向滑移系统可满足任意渗径要求，通过纵向滑移系统可开展边界效应影响评估，特别是实现了对管涌口尺寸的动态调节，最终实现出水口位置及尺寸对临界水头影响的敏感性评估分析。
Description
技术领域
本发明涉及一种管涌模型试验装置，具体涉及一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置及方法。
背景技术
管涌是江河大堤在汛期常见险情之一。理论意义上的管涌是指在渗透动水压力作用下，土体中填充颗粒沿着骨架颗粒所形成的孔隙通道发生翻滚、迁移和输运的现象。历史上曾多次发生管涌，给江河两岸的人民带来了巨大的经济损失和人员伤亡。但是对管涌的理论研究尚不成熟，其原因是发生管涌的渗透机理还没有在理论上取得突破。目前国内外学者多采用室内模型试验对管涌机理和现象进行研究，室内模型试验方法能够反映土体的不均匀性和水土相互作用的重要性，直观的观察到管涌发生发展过程中的现象，从而探索管涌发生的机理。
传统的管涌模型试验为了简化试验过程，对于管涌口的位置和尺寸的设定往往具有主观性，而实际工程中管涌口的位置则具有随机性，因此这种简化方法忽视了管涌口的位置对于渗径的改变和边界效应，以及管涌口尺寸对于渗透流速的影响，这些因素均会对临界水力梯度产生一定的偏差。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置及方法，能够随意调节渗径和管涌口尺寸，更准确、真实地观测管涌发生、发展和破坏的机理和现象。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，包括底板，纵向滑移系统，横向滑移系统；所述底板设有纵向滑槽，所述纵向滑槽之间设有开口一；所述纵向滑移系统包括宽度等于纵向滑槽之间距离的纵向盖板，所述纵向盖板设有横向滑槽，所述横向滑槽之间设有开口二；所述横向滑移系统包括宽度等于横向滑槽之间距离的横向盖板，所述横向盖板设有圆孔；所述纵向盖板通过纵向滑槽连接于底板，所述横向盖板通过横向滑槽连接于纵向盖板。
作为本发明的进一步改进，所述纵向滑槽、横向滑槽一侧均设有与之平行的刻度线。
作为本发明的进一步改进，所述纵向盖板一侧设有指示棒一，所述指示棒一与纵向滑槽一侧的刻度线同侧。
作为本发明的进一步改进，所述横向盖板一侧设有指示棒二，所述指示棒二与横向滑槽一侧的刻度线同侧。
作为本发明的进一步改进，所述纵向盖板、横向盖板两端均设有滑移把手。
作为本发明的进一步改进，还包括与圆孔直径相匹配的橡胶圈，所述橡胶圈外壁设有卡槽，所述橡胶圈内壁设有磁铁圆环，其内径设有橡胶垫圈，所述磁铁圆环设有外圆孔，所述外圆孔设有与其直径相匹配的铁圆环，所述铁圆环内径设有橡胶圆环，所述橡胶圆环设有内圆孔。
对应的，一种动态调节渗径及管涌口尺寸的方法，包括以下步骤：
步骤(A)：安放管涌试验所需的装置器材，向试验模型槽中填筑土样；将底板、纵向盖板和横向盖板依次放入试验模型槽土体的上部，以模拟真实情况下的上覆黏土层；
步骤(B)：通过调节进水口位置或控制进水口直径，开展渗透试验；试验过程中渗透水头恒定，使得供水箱内的流体通过供水管冲击试验模型槽内的土体；
步骤(C)：渗透试验过程中，不断移动进水口位置或改变进水口直径，从而改变管涌试验过程中的渗径或内径，每次移动一段距离或减小内径后保持一段时间，记录土体各位置测压管水头大小的变化以及观测是否发生管涌现象；
步骤(D)：土体开始发生管涌现象时，记下此时的水力梯度并记为临界水力梯度；继续改变进水口位置或进水孔直径，管涌继续发生，直至土体完全发生管涌破坏时，停止试验；
步骤(E)：继续改变进水口位置或进水口直径，重复步骤(C)和步骤(D)，直至试验范围覆盖整个开口一；
步骤(F)：试验结束后，整理试验过程中各测压管的水头变化以及各时段的水力梯度值，分析管涌口与水头装置垂直距离的变化对临界水力梯度的影响。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤(B)调节进水口位置：所述纵向玻璃盖板的位置和圆孔直径不变，通过横向滑移把手将横向玻璃盖板沿横向滑槽移动至远离水头装置的一边。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤(B)调节进水口位置：所述横向玻璃盖板的位置和圆孔直径不变，通过纵向滑移把手将纵向玻璃盖板沿着纵向滑槽移动至玻璃底板的一侧。
作为本发明的更进一步改进，所述步骤(B)控制进水口直径：所述纵向玻璃盖板和横向玻璃盖板的位置不变，通过增加或减少铁圆环和橡胶圆环改变圆孔的内径。
本发明的有益之处在于：本发明的一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置及方法，通过调节横向滑移系统可满足任意渗径要求，通过纵向滑移系统可开展边界效应影响评估，特别是实现了对管涌口尺寸的动态调节，最终实现出水口位置及尺寸对临界水头影响的敏感性评估分析；装置简单，可重复使用，实施可行性高，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明的一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置结构示意图。
图2为本发明的底板结构示意图。
图3为本发明的纵向滑移系统结构示意图。
图4为本发明横向滑移系统结构示意图。
图5为本发明的调节管涌口直径的装置结构示意图。
附图中标记的含义如下：1、底板，2、纵向盖板，3、横向盖板，4、开口一，5、开口二，6、圆孔，7、纵向滑槽，8、横向滑槽，9、纵向滑移把手，10、横向滑移把手，11、指示棒二，12、指示棒一，13、横向刻度线，14、纵向刻度线，15、磁铁圆环，16、橡胶圈，17、外圆孔，18、铁圆环，19、橡胶圆环，20、内圆孔。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
如图1-5所示，一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，包括底板1，纵向滑移系统，横向滑移系统；所述底板1设有纵向滑槽7，所述纵向滑槽7之间设有纵向矩形开口一4；所述纵向滑移系统包括宽度等于纵向滑槽7之间距离的纵向盖板2，所述纵向盖板2设有横向滑槽8，所述横向滑槽8之间设有横向矩形开口二5；所述横向滑移系统包括宽度等于横向滑槽8之间距离的横向盖板3，所述横向盖板3设有圆孔6；所述纵向盖板2通过纵向滑槽7连接于底板1，所述横向盖板3通过横向滑槽8连接于纵向盖板2；通过纵向滑移系统和横向滑移系统，可在一定范围内调节管涌口位置。
所述底板1、纵向盖板2和玻璃盖板均由树脂玻璃制成，在管涌模型试验中可模拟砂槽的不透水黏土层。
所述纵向滑槽7、横向滑槽8一侧均设有与之平行的刻度线，记录滑槽移动的位置。
所述纵向盖板2一侧设有指示棒一12，所述指示棒一12与纵向滑槽7一侧的横向刻度线13同侧；横向盖板3一侧设有指示棒二11，指示棒二11与横向滑槽8一侧的纵向刻度线14同侧；方便更准确读数
所述纵向盖板2、横向盖板3两端均设有滑移把手，方便移动盖板。
设有与圆孔6直径相匹配的橡胶圈16，橡胶圈16外壁设有卡槽，与横向盖板3的圆孔6紧密连接；橡胶圈16内壁设有磁铁圆环15，磁铁圆环15的外径略大于橡胶圈16的内径，可与橡胶圈16、横向玻璃盖板的圆孔6由里向外紧密、不透水相连；所述磁铁圆环15设有外圆孔17，磁铁圆环15内径也设有密封的橡胶垫圈，所述外圆孔17设有与其直径相匹配的铁圆环18，所述铁圆环18内径设有橡胶圆环19，铁圆环18的内径略大于橡胶圆环19的外径，可与橡胶圆环19紧密、不透水相连；所述橡胶圆环19设有内圆孔20。
实施例1：
步骤(A)：在一个平整的试验场地内安放管涌试验所需的装置器材，并保证试验环境光线充足，向试验模型槽中填筑土样，分层装填，每层装填完就进行压实、排气及饱和处理；将底板1、纵向盖板2和横向盖板3依次放入试验模型槽土体的上部，以模拟真实情况下的上覆黏土层；
本实施例中的底板1的长为900mm，宽为450mm，所述的玻璃底板1上设有纵向矩形开口一4和纵向刻度线14，纵向矩形开口一4的长为400mm，宽为300mm，纵向矩形开口竖边两侧设有纵向滑槽7，纵向滑槽7的间距为400mm；
纵向玻璃盖板的长为800mm，宽为400mm，纵向玻璃盖板上设有横向矩形开口二5和横向刻度线13，横向矩形开口的长为300mm，宽为100mm，横向矩形开口的上下边两侧设有横向滑槽8，横向滑槽8的间距为150mm；纵向玻璃盖板上下边设有纵向滑移把手9；纵向玻璃盖板的一侧与横向矩形开口中心对应的位置设置横向位置指示棒；
横向盖板3的长为900mm，宽为150mm，横向盖板3上设有圆孔6，圆孔6的直径为100mm；横向盖板3左右两边设有横向滑移把手10,横向盖板3一侧与圆口中心对应的位置设置纵向位置指示棒；
步骤(B)：保证纵向玻璃盖板的位置和圆孔6的尺寸大小不变，通过横向滑移把手10将横向玻璃盖板沿横向滑槽8移动至远离水头装置的一边，并保证试验过程中渗透水头恒定，使得供水箱内的流体通过供水管冲击试验模型槽内的土体，开展渗透试验；
步骤(C)：通过横向滑移把手10将横向玻璃盖板沿着横向滑槽8缓慢向水头装置一侧移动，从而改变管涌试验过程中的渗径，每次移动10mm后停止移动，保持30min，记录横向盖板3移动过程中土体各位置测压管水头大小的变化以及观测是否发生管涌现象；
步骤(D)：当沿着横向滑槽8移动横向盖板3至某一位置时，观测到土体开始发生管涌现象，记下此时的水力梯度并记为临界水力梯度；继续沿着横向滑槽8移动横向盖板3，管涌继续发生，直至土体完全发生管涌破坏时，停止试验；
步骤(E)：改变步骤(B)中纵向盖板2的初始位置，重复步骤(C)、步骤(D)；
步骤(F)：试验结束后，整理试验过程中各测压管的水头变化以及各时段的水力梯度值，分析管涌口与水头装置垂直距离的变化对临界水力梯度的影响。
实施例2：
步骤(A)：同实施例1中的步骤(A)；
步骤(B)：保证横向盖板3的位置和圆孔6的尺寸不变，通过纵向滑移把手9将纵向盖板2沿着纵向滑槽7移动至底板1的一侧，并保证试验过程中渗透水头恒定，使得供水箱内的流体通过供水管冲击试验模型槽内的土体，开展渗透试验；
步骤(C)：通过纵向滑移把手9将纵向盖板2沿着纵向滑槽7缓慢向底部另一侧移动，每次移动10mm后保持30min，记录纵向盖板2移动过程中土体各位置测压管水头大小的变化；
步骤(D)：当沿着纵向滑移把手9将纵向盖板2移至某一位置时，当观测到土体开始发生管涌、管涌现象加剧、管涌现象湮灭现象时，记下此时的水力梯度，直至土体完全发生管涌破坏时，停止试验；
步骤(E)：改变第二步中横向盖板3的初始位置，重复步骤(C)、步骤(D)；
步骤(F)：试验结束后，整理试验过程中各测压管的水头变化以及各时段的水力梯度值，评估边界效应对管涌现象的影响。
实施例3：
步骤(A)：同实施例1中的步骤(A)；
步骤(B)：保证纵向盖板2和横向玻璃盖板的位置不变，通过加、减铁圆环18和橡胶圆环19改变圆孔6的内径，并保证试验过程中渗透水头恒定，使得供水箱内的流体通过供水管冲击试验模型槽内的土体，开展渗透试验；
步骤(C)：通过加铁圆环18和橡胶圆环19缓慢减小圆孔6的内径，每次减小内径1mm后保持30min，记录圆孔6内径改变过程中土体各位置测压管水头大小的变化；
步骤(D)：当利用铁圆环18和橡胶圆环19减小圆孔6的内径时，观测到土体开始发生管涌现象时，记下此时的水力梯度并记为临界水力梯度；继续增加铁圆环18和橡胶圆环19，减小圆孔6的内径，管涌继续发生，直至土体完全发生管涌破坏时，停止试验；
步骤(E)：改变第二步中纵向盖板2和横向盖板3的初始位置，重复步骤(C)、步骤(D)；
步骤(F)：试验结束后，整理试验过程中各测压管的水头变化以及各时段的水力梯度值，分析管涌口尺寸对管涌现象的影响。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，其特征在于：包括底板（1），纵向滑移系统，横向滑移系统；所述底板（1）设有纵向滑槽（7），所述纵向滑槽（7）之间设有开口一（4）；所述纵向滑移系统包括宽度等于纵向滑槽（7）之间距离的纵向盖板（2），所述纵向盖板（2）设有横向滑槽（8），所述横向滑槽（8）之间设有开口二（5）；所述横向滑移系统包括宽度等于横向滑槽（8）之间距离的横向盖板（3），所述横向盖板（3）设有圆孔（6）；所述纵向盖板（2）通过纵向滑槽（7）连接于底板（1），所述横向盖板（3）通过横向滑槽（8）连接于纵向盖板（2）；
还包括与所述圆孔（6）直径相匹配的橡胶圈（16），所述橡胶圈（16）外壁设有卡槽，所述橡胶圈（16）内壁设有磁铁圆环（15），其内径设有橡胶垫圈，所述磁铁圆环（15）设有外圆孔（17），所述外圆孔（17）设有与其直径相匹配的铁圆环（18），所述铁圆环（18）内径设有橡胶圆环（19），所述橡胶圆环（19）设有内圆孔（20）；
所述纵向滑槽（7）、横向滑槽（8）一侧均设有与之平行的刻度线。
2.根据权利要求1所述的一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，其特征在于：所述纵向盖板（2）一侧设有指示棒一（12），所述指示棒一（12）与纵向滑槽（7）一侧的刻度线同侧。
3.根据权利要求1所述的一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，其特征在于：所述横向盖板（3）一侧设有指示棒二（11），所述指示棒二（11）与横向滑槽（8）一侧的刻度线同侧。
4.根据权利要求1所述的一种动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置，其特征在于：所述纵向盖板（2）、横向盖板（3）两端均设有滑移把手。
5.一种根据权利要求1至4任一项所述动态调节渗径及管涌口尺寸的试验装置的调节方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤（A）：安放管涌试验所需的装置器材，向试验模型槽中填筑土样；将底板（1）、纵向盖板（2）和横向盖板（3）依次放入试验模型槽土体的上部，以模拟真实情况下的上覆黏土层；
步骤（B）：通过调节进水口位置或控制进水口直径，开展渗透试验；试验过程中渗透水头恒定，使得供水箱内的流体通过供水管冲击试验模型槽内的土体；
步骤（C）：渗透试验过程中，不断移动进水口位置或改变进水口直径，从而改变管涌试验过程中的渗径或内径，每次移动一段距离或减小内径后保持一段时间，记录土体各位置测压管水头大小的变化以及观测是否发生管涌现象；
步骤（D）：土体开始发生管涌现象时，记下此时的水力梯度并记为临界水力梯度；继续改变进水口位置或进水孔直径，管涌继续发生，直至土体完全发生管涌破坏时，停止试验；
步骤（E）：继续改变进水口位置或进水口直径，重复步骤（C）和步骤（D），直至试验范围覆盖整个开口一（4）；
步骤（F）：试验结束后，整理试验过程中各测压管的水头变化以及各时段的水力梯度值，分析管涌口与水头装置垂直距离的变化对临界水力梯度的影响；
所述步骤（B）调节进水口位置：所述纵向盖板（2）的位置和圆孔（6）直径不变，通过横向滑移把手（10）将横向盖板（3）沿横向滑槽（8）移动至远离水头装置的一边；
所述步骤（B）控制进水口直径：所述纵向盖板（2）和横向盖板（3）的位置不变，通过增加或减少铁圆环（18）和橡胶圆环（19）改变圆孔（6）的内径。
6.根据权利要求5所述的一种调节方法，其特征在于：所述步骤（B）调节进水口位置的另一种方法：所述横向盖板（3）的位置和圆孔（6）直径不变，通过纵向滑移把手（9）将纵向盖板（2）沿着纵向滑槽（7）移动至玻璃底板（1）的一侧。
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