CN108279191A - 基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程模型试验领域，旨在提供一种基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置及方法。该装置的模型箱中包括上游液位槽、下游出液槽和模型堆填槽；模型堆填槽中以掺杂了示踪粒子的透明土颗粒堆制成坝基模型，其上部堆砌形成坝体模型；由循环泵、水浴箱、缓冲槽和多路管路组成水浴循环系统；该装置还包括水浴循环系统，由循环泵、水浴箱、缓冲槽和多路管路组成，在模型箱、缓冲槽、水浴箱构成回路；在模型箱的两侧各设置至少2组分别通过信号线连接至计算机的CCD相机。本发明有效解决了传统示踪粒子法难以应用与透明土模型试验、颗粒运移的发生位置难以捕捉、孔隙流体折射率与粘滞度会随温度变化、孔隙流体的循环使用问题。
Description
技术领域
本发明属于岩土工程模型试验领域，特别涉及基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置及方法。
背景技术
堤坝上、下游的水头差会对堤坝中颗粒产生渗透力，在该力作用下堤坝中颗粒发生运移，严重时会形成贯通的渗流通道，导致堤坝发生砂沸、管涌等现象。我国近4成堤坝破坏原因于此。研究堤坝颗粒运移机理有着重要意义。然而，渗流作用下的颗粒运移是发生在土体内部的现象，传统的试验装置方法难以实现对该现象的有效观测。
近年来，透明土模型技术日趋成熟，结合PIV(粒子图像测速)技术，可实现对透明土体内部变形和颗粒运移情况的分析。而PIV技术自上世纪70年代发展至今已经非常成熟，这为透明土模型技术的发展提供了强有力的支持。
透明土模型技术已应用于岩土工程多个领域的室内试验中，但将透明土模型应用于颗粒运移试验装置的较少。其原因有：(1)渗透作用下的颗粒运移发生较为随机，传统的透明土激光照射法较难捕捉运移的发生位置；(2)渗透作用下，示踪粒子往往发生三维位移，传统的二维PIV示踪粒子法难以在透明土试验中应用；(3)需要不断供入孔隙流体，而孔隙流体折射率与粘滞度会随温度变化导致观测和渗流模拟效果不理想；(4)孔隙流体成本较高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置，包括用于填充透明土模型的模型箱，该模型箱呈长方体，组成箱体的各面板均为有机玻璃板；由竖向的有机玻璃材质的上游隔板和下游隔板将模型箱内腔分隔成三部分，分别是位于两端的上游液位槽和下游出液槽，以及位于中间的模型堆填槽；在模型堆填槽中，以均匀掺杂了示踪粒子的透明土颗粒堆制成位于底部的坝基模型，在坝基模型上部堆砌形成坝体模型；
上游液位槽由与箱体等高的上游隔板和箱体面板共同组成，下游出液槽由与坝基模型等高的下游隔板和箱体面板共同组成；上游隔板上均布若干个通孔，且在其两侧表面敷设土工布；
在与上游隔板相对应的箱体端部面板上设有多个不同高度的液位控制口，用于排放孔隙流体以调整上游液位槽中的液位；在下游出液槽中设有一个水平方向的过滤网，在与下游隔板相对应的箱体端部面板上设有用于导出孔隙流体的下游出液口，下游出液口的位置低于过滤网；
该装置还包括水浴循环系统，由循环泵、水浴箱、缓冲槽和多路管路组成；其中，所述各液位控制口通过设有阀门的管路接至液位控制管，液位控制管的末端接至缓冲槽，下游出液口通过下游出液管接至缓冲槽；水浴箱中设置S形换热管，其两端分别接至循环泵入口和缓冲槽，循环泵的出口则通过供液管接至上游液位槽的上部；
在模型箱的两侧各设置至少2组分别通过信号线连接至计算机的CCD相机，各CCD相机分别与斜角拍摄适配器组配，以满足tomo-PIV测量技术对CCD相机布置位置的要求。
本发明中，在所述各液位控制口中，位于最下侧的液位控制口与坝基模型的上表面等高。
本发明中，在坝体模型的上方设置用于测量坝体表面位移情况的激光位移传感器。
本发明进一步提供了利用前述装置的堤坝模型颗粒运移的三维可视化试验方法，包括以下步骤：
(1)先向模型箱的模型堆填槽中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入均匀混入示踪粒子的透明土颗粒，同时持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到透明土颗粒与下游隔板等高，完成坝基模型的制作；然后在坝基模型的上部制作坝体模型；
(2)根据tomo-PIV测量技术对CCD相机布置位置的要求，在模型箱的两侧各设置至少2组CCD相机，使用标定板对其位置进行标定，并以信号线分别连接至计算机；
(3)打开位于最下侧的液位控制口的阀门，启动循环泵和水浴箱，使孔隙流体在保持最低液位的情况下持续循环并达到预设温度；
(4)关闭最下侧液位控制口的阀门，根据试验需要开启其它液位控制口的阀门，使上游液位槽中孔隙流体的液位提升至预设值并保持循环；在该过程中以CCD相机对坝基模型和坝体模型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机；通过内置于计算机中的Tomo-PIV程序对示踪粒子的运动轨迹进行分析，获得透明土颗粒的三维位移场。
本发明中，所述孔隙流体是折射率与透明土颗粒一致的混合矿物油或溶液，所述示踪粒子是有色固体颗粒；所述透明土颗粒是熔融石英砂，或者是硅胶颗粒与无定形硅粉的组合，其中硅胶颗粒用于模拟砂土，硅粉用于模拟粘土。
本发明中，在步骤(4)中，同时利用激光位移传感器对坝体模型进行测量，以监测坝体表面的位移情况。
发明原理描述：
透明土是基于折射率匹配原理，将物理力学性质与土体相似的透明颗粒和与其折射率相同的孔隙流体混合形成的一种人造透明岩土材料。利用透明土开展颗粒运移试验，在土体中设置部分有色颗粒作为示踪粒子，便可以观察到可以观测到颗粒在渗流作用下的运移情况。
体视层析PIV(Tomo-PIV)技术是一种全新的三维速度场测量技术，由多个不同方向拍摄的CCD相机记录示踪粒子的位置，利用层析重构算法(MART)对三维空间颗粒的分布进行重构，从而获得三维的示踪粒子位移场。因此，本发明结合Tomo-PIV技术与透明土模型，观测坝基在渗流作用下的颗粒运移及与管涌通道形成过程是一种有效并实用的新的研究方法，Tomo-PIV可使用现有市售产品。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明有效解决了传统示踪粒子法难以应用与透明土模型试验的问题；
2、本发明有效解决了颗粒运移的发生位置难以捕捉的问题；
3、本发明有效解决了孔隙流体折射率与粘滞度会随温度变化的问题。
4、本发明有效解决了孔隙流体的循环使用问题。
附图说明
图1为模型箱的整体轴侧图。
图2为模型箱的整体俯视图。
图3为模型箱的整体正视图。
图4为孔隙流体的水浴循环系统轴侧图。
图5为孔隙流体的水浴循环系统俯视图。
图中的有机玻璃板均做透明显示处理，图1-2展示了CCD相机的设置位置。
图中的附图标记为：1上游液位槽；2下游出液槽；3坝基模型；4坝体模型；5上游隔板；6下游隔板；7液位控制管；8下游出液口；9过滤网；10CCD相机；11上游端部面板；12下游端部面板；13模型箱前侧面板；14模型箱后侧面板；15液位控制口；16阀门；17模型箱底面板；18最下侧的液位控制口；19其他液位控制口；20水浴箱；21S型换热管；22循环泵；23供液管；24缓冲槽；25下游出液管。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：
本发明中的基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置，包括用于填充透明土模型的模型箱，该模型箱呈长方体，组成箱体的各面板均为有机玻璃板；由竖向的有机玻璃材质的上游隔板5和下游隔板6将模型箱内腔分隔成三部分，分别是位于两端的上游液位槽1和下游出液槽2，以及位于中间的模型堆填槽；在模型堆填槽中，以均匀掺杂了示踪粒子的透明土颗粒堆制成位于底部的坝基模型3，在坝基模型3上部堆砌形成坝体模型4；
上游液位槽1由与箱体等高的上游隔板5和箱体面板共同组成，下游出液槽2由与坝基3模型等高的下游隔板6和箱体面板共同组成；上游隔板5上均布若干个通孔，且在其两侧表面敷设土工布；
在与上游隔板5相对应的箱体端部面板上设有多个不同高度的液位控制口15(包括最下侧的液位控制口18和其他液位控制口19)，用于排放孔隙流体以调整上游液位槽5中的液位，其中位于最下侧的液位控制18口与坝基模型3的上表面等高。在下游出液槽6中设有一个水平方向的过滤网9，在与下游隔板6相对应的箱体端部面板上设有用于导出孔隙流体的下游出液口8，下游出液口8的位置低于过滤网9；
该装置还包括水浴循环系统，由循环泵22、水浴箱20、缓冲槽24和多路管路组成；其中，所述各液位控制口15通过设有阀门16的管路接至液位控制管7，液位控制管7的末端接至缓冲槽24，下游出液口8通过下游出液管25接至缓冲槽24；水浴箱20中设置S形换热管21，其两端分别接至循环泵22入口和缓冲槽24，循环泵22的出口则通过供液管23接至上游液位槽1的上部；
在模型箱的两侧各设置至少2组分别通过信号线连接至计算机的CCD相机10，各CCD相机10分别与斜角拍摄适配器组配以，满足tomo-PIV测量技术对CCD相机10布置位置的要求。在坝体模型4的上方设置用于测量坝体表面位移情况的激光位移传感器。
利用前述装置的基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验方法，包括以下步骤：
(1)先向模型箱的模型堆填槽中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入均匀混入示踪粒子的透明土颗粒，同时持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到透明土颗粒与下游隔板6等高，完成坝基模型3的制作；然后在坝基模型3的上部制作坝体模型4；
(2)根据tomo-PIV测量技术对CCD相机10布置位置的要求，在模型箱的两侧各设置至少2组CCD相机10，使用标定板对其位置进行标定，并以信号线分别连接至计算机；
(3)打开位于最下侧的液位控制口18的阀门16，启动循环泵22和水浴箱20，使孔隙流体在保持最低液位的情况下持续循环并达到预设温度；
(4)关闭最下侧液位控制口18的阀门16，根据试验需要开启其它液位控制口19的阀门16，使上游液位槽1中孔隙流体的液位提升至预设值并保持循环；在该过程中以CCD相机10对坝基模型9和坝体模型4进行拍摄，并将图像数据上传至计算机；通过内置于计算机中的Tomo-PIV程序对示踪粒子的运动轨迹进行分析，获得透明土颗粒的三维位移场。同时，还可以利用激光位移传感器对坝体模型4进行测量，以监测坝体表面的位移情况。
本发明中的孔隙流体是折射率与透明土颗粒一致的混合矿物油或溶液，所述示踪粒子是有色固体颗粒；所述透明土颗粒是熔融石英砂，或者是硅胶颗粒与无定形硅粉的组合，其中硅胶颗粒用于模拟砂土，硅粉用于模拟粘土。
以下是用于本发明的透明土颗粒及孔隙流体的优选或示例的方案：
方案一：
透明土坝基模型3主要由模拟砂土的硅胶颗粒组成，夹杂由无定型硅粉制成的黏土夹层，两种材料折射率相同(1.447)，可实现整体透明；坝体模型4中的黏土心墙或黏土也由无定型硅粉制成；示踪粒子选用有色的硅胶颗粒。孔隙流体选用折射率为1.447的混合矿物油。
方案二：
透明土坝基模型3由模拟砂土的熔融石英砂组成；坝体模型由常规土颗粒构成，坝体4与透明土坝基3之间设置土工布，防止常规颗粒流入透明土坝基中影响试验结果。孔隙流体选用折射率为1.458的混合矿物油或溴化钙溶液。
Claims (6)
1.一种基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验装置，包括用于填充透明土模型的模型箱，其特征在于，该模型箱呈长方体，组成箱体的各面板均为有机玻璃板；由竖向的有机玻璃材质的上游隔板和下游隔板将模型箱内腔分隔成三部分，分别是位于两端的上游液位槽和下游出液槽，以及位于中间的模型堆填槽；在模型堆填槽中，以均匀掺杂了示踪粒子的透明土颗粒堆制成位于底部的坝基模型，在坝基模型上部堆砌形成坝体模型；
上游液位槽由与箱体等高的上游隔板和箱体面板共同组成，下游出液槽由与坝基模型等高的下游隔板和箱体面板共同组成；上游隔板上均布若干个通孔，且在其两侧表面敷设土工布；
在与上游隔板相对应的箱体端部面板上设有多个不同高度的液位控制口，用于排放孔隙流体以调整上游液位槽中的液位；在下游出液槽中设有一个水平方向的过滤网，在与下游隔板相对应的箱体端部面板上设有用于导出孔隙流体的下游出液口，下游出液口的位置低于过滤网；
该装置还包括水浴循环系统，由循环泵、水浴箱、缓冲槽和多路管路组成；其中，所述各液位控制口通过设有阀门的管路接至液位控制管，液位控制管的末端接至缓冲槽，下游出液口通过下游出液管接至缓冲槽；水浴箱中设置S形换热管，其两端分别接至循环泵入口和缓冲槽，循环泵的出口则通过供液管接至上游液位槽的上部；
在模型箱的两侧各设置至少2组分别通过信号线连接至计算机的CCD相机，各CCD相机分别与斜角拍摄适配器组配，以满足tomo-PIV测量技术对CCD相机布置位置的要求。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述各液位控制口中，位于最下侧的液位控制口与坝基模型的上表面等高。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在坝体模型的上方设置用于测量坝体表面位移情况的激光位移传感器。
4.利用权利要求1所述装置的基于示踪法的颗粒渗流运移三维可视化试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)先向模型箱的模型堆填槽中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入均匀混入示踪粒子的透明土颗粒，同时持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到透明土颗粒与下游隔板等高，完成坝基模型的制作；然后在坝基模型的上部制作坝体模型；
(2)根据tomo-PIV测量技术对CCD相机布置位置的要求，在模型箱的两侧各设置至少2组CCD相机，使用标定板对其位置进行标定，并以信号线分别连接至计算机；
(3)打开位于最下侧的液位控制口的阀门，启动循环泵和水浴箱，使孔隙流体在保持最低液位的情况下持续循环并达到预设温度；
(4)关闭最下侧液位控制口的阀门，根据试验需要开启其它液位控制口的阀门，使上游液位槽中孔隙流体的液位提升至预设值并保持循环；在该过程中以CCD相机对坝基模型和坝体模型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机；通过内置于计算机中的Tomo-PIV程序对示踪粒子的运动轨迹进行分析，获得透明土颗粒的三维位移场。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述孔隙流体是折射率与透明土颗粒一致的混合矿物油或溶液，所述示踪粒子是有色固体颗粒；所述透明土颗粒是熔融石英砂，或者是硅胶颗粒与无定形硅粉的组合，其中硅胶颗粒用于模拟砂土，硅粉用于模拟粘土。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤(4)中，同时利用激光位移传感器对坝体模型进行测量，以监测坝体表面的位移情况。
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