CN108562526A - 研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种研究二维和三维渗流‑土颗粒侵蚀规律的试验装置。包括钢支架、设置在钢支架上的试验箱、设置在试验箱内的隔砂网以及用于向试验箱加水的智能水头；所述隔砂网沿水平方向设置在试验箱内、将所述试验箱分为上部的进水区和下部的试样区；所述试验箱的底部设有出水口；试验箱对应试样区的侧壁上设置有若干水压力传感器，各所述水压力传感器与一计算机终端通讯连接。本发明研究二维和三维渗流‑土颗粒侵蚀规律的试验装置，能够较准确地反映土体在渗流作用下的侵蚀过程和规律。

Description

研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置及试验 方法

技术领域

本发明涉及一种研究渗透破坏的试验方法以及实施该渗透破坏研究方法的试验装置，属于水利工程渗透破坏试验方法及其实验仪器领域。

背景技术

渗透是由于地下水压力不均衡形成渗流的过程，而渗透会引起砂土颗粒的运移和流失。大量的洪灾资料表明，堤基与堤身的渗流对河道堤坝的危害最大，其发生数量多、分布范围广，且易发生重大溃堤险情。为了保证堤基工程的安全，故渗透破坏问题受到了学术及工程界的普遍关注，研究堤基渗流-土颗粒侵蚀过程和规律，对预防渗流破坏与提出相应的防治措施具有重要意义。

在研究渗透破坏发生发展的过程中，当堤基下游侧存在池塘等薄弱区时，薄弱区形成出水口，四周的水流在出水口处汇聚，渗流场和土颗粒的运移流失过程均通过三维结构进行计算分析；当堤基存在缝隙或堤基薄弱处为狭长的矩形时，此时出水口为狭长的矩形，渗流场和土颗粒的运移流失过程可以通过与出水口长度方向垂直的二维结构面进行计算。针对该种由出水口形状引起的二维结构与三维结构的堤基渗透破坏室内试验研究，当今学者较少涉及。

此外，在渗流作用下，土颗粒流失过程中易形成土拱，土拱使土体的受力情况发生变化，同时影响土颗粒的运移和流失。对于堤基渗透破坏过程中土拱的形成原因和对颗粒流失的影响仍需进一步的研究。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种能够反映土体在二维和三维渗流作用下土颗粒侵蚀过程和规律的试验装置。

为达到上述目的，本发明一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，包括钢支架、设置在钢支架上的试验箱、设置在试验箱内的隔砂网以及用于向试验箱加水的智能水头；所述隔砂网沿水平方向设置在试验箱内、将所述试验箱分为上部的进水区和下部的试样区；所述试验箱的底部设有出水口；

所述试验箱对应试样区的侧壁上设置有若干水压力传感器，各所述水压力传感器与一计算机终端通讯连接。

进一步地，所述智能水头包括水箱和用于控制水箱升降的升降装置，所述水箱的底部设置有出水管，所述出水管的出水口与所述试验箱的进水区相对应；

所述升降装置包括支撑架、驱动电机、沿竖直方向间隔预定距离绕设在支撑架上的第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮和第二定滑轮之间设置有传送带，所述水箱设置在所述传送带上随着传送带升降；所述驱动电机的输出轴通过传动机构与所述第一定滑轮传动连接、驱动所述第一定滑轮转动。

进一步地，所述出水口处设置有用于检测涌水量的第一流量测量装置和用于检测涌砂子量的第二流量检测装置，所述出水口的下方还设置有承砂盘。

进一步地，所述试验箱的底部呈V字型，所述出水口设置在V字型的底端；

或所述试验箱的底部呈四棱锥形，所述出水口设置在锥顶处。

进一步地，还包括用于观察试样区内土体侵蚀过程中土拱形成和破坏的显微镜和摄像机；所述试验箱为透明材质。

进一步地，所述出水管上设置有流量调节阀。

进一步地，所述进水区和所述试样区可拆卸连接。

进一步地，所述钢支架与所述箱体底部对应位置呈斜坡状，所述斜坡与所述箱体接触的位置设置有防滑橡胶垫。

本发明一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，通过基于单片机的智能水头使施加于土样的水头差随时间变化，模拟周期性洪峰对堤防工程的侵蚀作用以及对土拱的形成和冲击作用；通过设置水压力传感器，测定在渗流作用下，土样内部的水头变化情况，同时通过对出水口的涌砂量和涌水量进行测量和分析，进而全面反映土体在渗流作用下的侵蚀过程和规律；通过改变出水口形状，对比模拟二维和三维结构渗流场分布和土颗粒流失规律与范围；通过改变土样类型，对比分析不同堤基土的侵蚀过程和规律；同时通过该试验装置能更好的实现模型的可视化。

为达到上述目的，本发明提供一种能够反映土体在二维和三维渗流作用下土颗粒侵蚀过程和规律的试验方法，包括使用上述的任意一项研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，步骤如下：

(1)、将试验箱体固定在钢支架上，向试样区中填筑土样，并将进水区与试样区之间通过密封胶及螺栓密封连接；开启智能水头向试验箱内加水，使土样缓慢饱和直至完全排除土样中的空气；

(2)、开启升降装置使水箱上升或下降，以向试验箱体内施加随时间变化的水头差，使水流经进水管进入进水区和试样区，以在试样区土体内形成渗流场；

(3)、利用水压力传感器采集土样内不同位置的水头数据；同时收集和量测出水口的涌砂量和涌水量；并利用显微观测装置，观察记录土样内颗粒流失和土拱形成及破坏过程；

(4)、对试样区内的土体进行分层揭示，得出土颗粒的流失区域和范围，同时对测得的水头、流量和涌砂量进行数据分析，得出渗流-土颗粒侵蚀的规律和整个过程；

(5)、改变出水口形状，重复步骤(1)-(4)进行试验，通过对比分析各试验数据得到二维和三维结构土颗粒在渗流作用下侵蚀规律的差别。

本发明一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验方法，能全面反映土体在渗流作用下的侵蚀过程和规律；实现对比模拟二维和三维结构渗流场分布和土颗粒流失规律与范围；通过改变土样类型，对比分析不同堤基土的侵蚀过程和规律；同时还能实现模型的可视化。

附图说明

图1为实施例1试验装置结构图；

图2为实施例1试验箱体的俯视图及侧视图；

图3为实施例5试验装置结构图；

图4为实施例5试验箱体的俯视图及侧视图。

图中：1、控制箱；2、电机；3、传送带；4、水箱；5、出水管；6、流量调节阀；7、排气孔；8、进水区；9、隔砂网；10、试样区；11、水压力传感器；12、数据采集及传输模块；13、计算机终端；14、出水口；15、钢支架；16、显微镜；17、摄像机。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。

实施例1

结合图1和图2，本实施例提供一种研究二维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，包括钢支架15、设置在钢支架15上的试验箱、设置在试验箱内的隔砂网9以及用于向试验箱加水的智能水头；所述隔砂网沿水平方向设置在试验箱内、将所述试验箱分为上部的进水区8和下部的试样区10，进水区8上部设有排气孔7；所述试验箱的底部设有出水口14。本实施例中，试验箱的底部呈V字型，所述出水口14设置在V字型的底端，出水口14的形状为狭长矩形，矩形宽为5mm。

试验箱对应试样区10的侧壁上设置有若干水压力传感器11，各所述水压力传感器11通过数据采集及传输模块12与计算机终端13通讯连接，能够实时监测记录渗流过程中试样区10各处的水头高度。

具体的，进水区8和试样区10可拆卸连接，在装样完成后，进水区8与试样区10之间通过密封胶及螺栓密封连接。钢支架15与所述箱体底部对应位置呈斜坡状，所述斜坡与所述箱体接触的位置设置有防滑橡胶垫。

实施例2

作为实施例1的具体方案，本实施例中智能水头包括水箱4和用于控制水箱升降的升降装置，水箱4的底部设置有出水管5，出水管5上设置有流量调节阀6，出水管5的出水口与所述试验箱的进水区8相对应；

升降装置包括支撑架、驱动电机2、沿竖直方向间隔预定距离绕设在支撑架上的第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮和第二定滑轮之间设置有传送带3，所述水箱4设置在所述传送带上随着传送带升降；所述驱动电机2的输出轴通过皮带与所述第一定滑轮传动连接、驱动所述第一定滑轮转动；本实施例中驱动电机2与控制箱1中的单片机受控连接。

实施例3

作为实施例1的进一步改进，本实施例中出水口14处设置有用于检测涌水量的第一流量测量装置和用于检测涌砂子量的第二流量检测装置，出水口14的下方还设置有承砂盘。

实施例4

本实施例中还包括用于观察试样区10内土体侵蚀过程中土拱形成和破坏的显微镜16和摄像机17；所述试验箱为透明材质。

实施例5

结合图3和图4，本实施例提供一种研究三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，本实施例与实施例1的不同之处在于，本实施例中试验箱的底部呈四棱锥形，所述出水口14设置在锥顶处，出水口14的形状为方形，边长为5mm。

本发明一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，通过基于单片机的智能水头使施加于土样的水头差随时间变化，模拟周期性洪峰对堤防工程的侵蚀作用以及对土拱的形成和冲击作用；通过设置水压力传感器，测定在渗流作用下，土样内部的水头变化情况，同时通过对出水口的涌砂量和涌水量进行测量和分析，进而全面反映土体在渗流作用下的侵蚀过程和规律；通过改变出水口形状，对比模拟二维和三维结构渗流场分布和土颗粒流失规律与范围；通过改变土样类型，对比分析不同堤基土的侵蚀过程和规律；同时通过该试验装置能更好的实现模型的可视化。

实施例6

本实施例提供一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验方法，包括使用上述的任意一项研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，步骤如下：

(1)、将试验箱体固定在钢支架上，向试样区中填筑土样，并将进水区与试样区之间通过密封胶及螺栓密封连接；开启智能水头向试验箱内加水，使土样缓慢饱和直至完全排除土样中的空气；

(2)、开启升降装置使水箱上升或下降，以向试验箱体内施加随时间变化的水头差，使水流经进水管进入进水区和试样区，以在试样区土体内形成渗流场；

(3)、利用水压力传感器采集土样内不同位置的水头数据；同时收集和量测出水口的涌砂量和涌水量；并利用显微观测装置，观察记录土样内颗粒流失和土拱形成及破坏过程；

(4)、对试样区内的土体进行分层揭示，得出土颗粒的流失区域和范围，同时对测得的水头、流量和涌砂量进行数据分析，得出渗流-土颗粒侵蚀的规律和整个过程；

(5)、改变出水口形状，重复步骤(1)-(4)进行试验，通过对比分析各试验数据得到二维和三维结构土颗粒在渗流作用下侵蚀规律的差别。

本发明一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验方法，能全面反映土体在渗流作用下的侵蚀过程和规律；实现对比模拟二维和三维结构渗流场分布和土颗粒流失规律与范围；通过改变土样类型，对比分析不同堤基土的侵蚀过程和规律；同时还能实现模型的可视化。

以上，仅为本发明的较佳实施例，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求所界定的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，包括钢支架、设置在钢支架上的试验箱、设置在试验箱内的隔砂网以及用于向试验箱加水的智能水头；所述隔砂网沿水平方向设置在试验箱内、将所述试验箱分为上部的进水区和下部的试样区；所述试验箱的底部设有出水口；

所述试验箱对应试样区的侧壁上设置有若干水压力传感器，各所述水压力传感器与一计算机终端通讯连接。

2.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述智能水头包括水箱和用于控制水箱升降的升降装置，所述水箱的底部设置有出水管，所述出水管的出水口与所述试验箱的进水区相对应；

所述升降装置包括支撑架、驱动电机、沿竖直方向间隔预定距离绕设在支撑架上的第一定滑轮和第二定滑轮，所述第一定滑轮和第二定滑轮之间设置有传送带，所述水箱设置在所述传送带上随着传送带升降；所述驱动电机的输出轴通过传动机构与所述第一定滑轮传动连接、驱动所述第一定滑轮转动。

3.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述出水口处设置有用于检测涌水量的第一流量测量装置和用于检测涌砂子量的第二流量检测装置，所述出水口的下方还设置有承砂盘。

4.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述试验箱的底部呈V字型，所述出水口设置在V字型的底端；

或所述试验箱的底部呈四棱锥形，所述出水口设置在锥顶处。

5.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，还包括用于观察试样区内土体侵蚀过程中土拱形成和破坏的显微镜和摄像机；所述试验箱为透明材质。

6.根据权利要求2所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述出水管上设置有流量调节阀。

7.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述进水区和所述试样区可拆卸连接。

8.根据权利要求1所述的研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，其特征在于，所述钢支架与所述箱体底部对应位置呈斜坡状，所述斜坡与所述箱体接触的位置设置有防滑橡胶垫。

9.一种研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验方法，其特征在于，包括使用权利要求1-8所述的任意一项研究二维和三维渗流-土颗粒侵蚀规律的试验装置，步骤如下：

(1)、将试验箱体固定在钢支架上，向试样区中填筑土样，并将进水区与试样区之间通过密封胶及螺栓密封连接；开启智能水头向试验箱内加水，使土样缓慢饱和直至完全排除土样中的空气；

(2)、开启升降装置使水箱上升或下降，以向试验箱体内施加随时间变化的水头差，使水流经进水管进入进水区和试样区，以在试样区土体内形成渗流场；

(3)、利用水压力传感器采集土样内不同位置的水头数据；同时收集和量测出水口的涌砂量和涌水量；并利用显微观测装置，观察记录土样内颗粒流失和土拱形成及破坏过程；

(4)、对试样区内的土体进行分层揭示，得出土颗粒的流失区域和范围，同时对测得的水头、流量和涌砂量进行数据分析，得出渗流-土颗粒侵蚀的规律和整个过程；

(5)、改变出水口形状，重复步骤(1)-(4)进行试验，通过对比分析各试验数据得到二维和三维结构土颗粒在渗流作用下侵蚀规律的差别。