CN108680477A - 基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置及方法 - Google Patents
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- G—PHYSICS
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Abstract
本发明涉及岩土工程试验领域，旨在提供一种基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置及方法。该装置包括带透明上面板与侧面板的模型箱，其端部通过供液管接至上游储液槽；上面板表面设有出液口，其上罩设中空的收集箱，并通过流道接至下游集液槽；下游集液槽中通过抽液泵和抽液管接至上游储液槽；模型箱的正上方固定安置激光器和面状光源处理器，在正对透明侧面板处设置CCD相机，CCD相机通过信号线连接至计算机。本发明有效解决了传统管涌试验装置难以观测土体内部颗粒运移情况与管涌通道形成过程、管涌位置不理想导致的激光照射面无法定位管涌、孔隙流体折射率与粘滞度会随温度变化、土颗粒与孔隙流体分离及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试验领域，特别涉及基于激光测试技术和透明土可视化的管涌 试验装置及方法。
背景技术
管涌是堤防、大坝破坏的主要原因，研究管涌发生机理有着重要的科学和实际工程 意义。然而，管涌是发生在土体内部的侵蚀现象，管涌发展过程的可视化观测是学术上的一大难题。
传统管涌试验装置对内部情况的观测主要有四种方法：1.设置传感器，通过传感器 实现对管涌内部情况的间接检测。该方法无法实现真正的观测，同时传感器本身也对管涌情况的发生产生了影响。2.控制试验条件，使管涌现象发生在模型箱玻璃表面，该方 法实现的管涌并不是真实且完整的管涌通道。3.使用彩色砂，通过观察不同色砂的涌出 时间和状态判断内部情况，该方法仍是间接的监测方式。4.使用地球物理探测技术，通 过电法探测数据，反演出管涌通道的发育情况。该方法适用于真实的堤坝管涌现场，即 大尺寸模型中，同时需要对管涌通道形成足够大小才可实现监测，成本较高，不适用于 室内管涌试验。
透明土模型已应用于现有岩土工程各个检测技术中，但将透明土模型应用于管涌试 验装置的较少。其原因有：1.管涌发生位置较难确定，激光照射面无法定位管涌通道；2.管涌试验不同与其他试验，需要不断供入孔隙流体，而孔隙流体折射率与粘滞度会随 温度变化导致观测不理想；3.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，提供一种基于激光测试技术 和透明土可视化的管涌试验装置及方法。
为解决技术问题，本发明的解决方案是：
提供一种基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置，包括用于填充透明土 模型的模型箱，该模型箱呈长方体，包括有机玻璃板制成的透明上面板和一个透明侧面板，其余四个面板均为铝板；在模型箱的一个端部面板上设进液孔，进液孔通过供液管 连接至上游储液槽的底部开口；在上面板表面设有出液口，出液口靠近与进液孔相对的 模型箱另一端部；该装置还包括一个下游集液槽，槽中设置加热棒、制冷片、磁力搅拌 器和抽液泵，抽液泵的出口通过抽液管接至上游储液槽，制冷片与制冷压缩机连接；在 模型箱的出液口上罩设一个中空的收集箱，收集箱能分离孔隙流体与透明土颗粒，并通 过流道将孔隙流体送至下游集液槽；
在模型箱的正上方固定安置激光器和面状光源处理器，激光器发出的束状激光由后 者转换成面状激光后照射至模型箱的透明上面板；在正对透明侧面板处设置CCD相机，CCD相机通过信号线连接至计算机。
本发明中，在所述下游集液槽的表面设有过滤网，从收集箱溢出的孔隙流体经过滤 后再进入下游集液槽；所述加热棒、制冷片和磁力搅拌器均位于过滤网下方；下游集液槽中装有温度传感器，加热棒、制冷压缩机和温度传感器通过电缆接至温控器。
本发明中，所述流道由一块弧面凹形有机玻璃条和两块直角梯形有机玻璃板组成。
本发明中，所述上游储液槽放置在电动升降台上，一个流量计装在与其相连的供液 管上；所述进液孔处设阻挡透明土颗粒的土工布。
本发明中，在上游储液槽侧壁设开口，通过排液管接至下游集液槽。
本发明中，所述出液口呈圆台状，其下表面粘贴在上面板的表面，内部为圆柱状通孔并通过上面板的开孔连通至模型箱内部；收集箱的后侧面板呈凹字形，面板的中间是 一个凹陷的缺口，其底部高度与出液口的圆台高度一致，出液口与收集箱共同组成一个 用于分离孔隙流体与透明土颗粒的滞流区域。
本发明中，所述模型箱的上面板与模型箱的各侧面板及收集箱的各侧面板之间分别 由螺钉实现固定连接，且连接部位设置防液胶条。
本发明中进一步提供了利用前述装置的基于激光测试技术和透明土可视化的管涌 试验方法，包括以下步骤：
(1)清洗模型箱的透明侧面板与上面板；先向模型箱中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入熔融石英砂并持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到整个模型箱填满，安 装上面板后设置防液胶条；
(2)调整激光器和面状光源转换器的位置，使面状激光通过进液孔与出液口之间的上面板投射至透明土模型；调整上游储液槽的高度，使其液面高度与出液口的圆台上 表面等高，此时液位差为零；
(3)向下游集液槽中导入足量的孔隙流体，以温控器设定加热温度后启动抽液泵，使孔隙流体通过抽液管流入上游储液槽；超过上游储液槽侧壁开口的孔隙流体则通过供液管和透明土模型回流至下游集液槽中，使孔隙流体温度达到预设值；
(4)略提升上游储液槽高度，使模型箱内孔隙流体逐渐参与循环，直到所有孔隙流体温度达到预设温度；
(5)提升上游储液槽的高度，待渗流稳定后，再次提升上游储液槽高度；重复上 述过程，直到管涌破坏完全发生；该过程中以CCD相机对激光照射面覆盖的透明土模 型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机，以PIV程序分析土颗粒运移流场。
本发明中，所述激光器是发射波长为532nm的绿光激光器。
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。
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。利用透明土开展管涌模型试验，通过激光器发射出激光，经由光学镜组处理，产生面状激光，照射到透明土模型中，在 模型内部形成散射光斑场；再通过高清相机拍摄激光散斑图，传输到计算机中进行图像 处理，如结合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 的流场分析。因此，采用透明土模型观测管涌过程中的颗粒运移及与管涌通道形成过程 是一种有效并实用的实现管涌可视化观测的新的研究方法。
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管涌试验装置难以观测土体内部颗粒运移情况与管涌通 道形成过程的问题；
2、本发明有效解决了管涌位置不理想导致的激光照射面无法定位管涌的问题；
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、本发明中出液口与收集箱共同组成一个用于分离孔隙流体与透明土颗粒的滞流 区域，有效解决了土颗粒与孔隙流体分离及孔隙流体的循环使用问题。
附图说明
图1为本发明的整体轴测图。
图2为本发明的整体正视图。
图3为本发明除激光照射系统外的整体俯视图。
图4为透明土体模型系统、抽液泵与温控系统的俯视图。
图5为图4中标注的A-A向剖面图。
图6为图4中标注的B-B向剖面图。
图7为图4中标注的C-C向剖面图。
图8为上游储液槽俯视图。
图9为图8中标注的D-D向剖面图。
图10为本发明收集箱后面板与流道部分的轴测图。
图11为本发明收集箱后面板与流道部分的俯视图。
图12为本发明收集箱后面板与流道部分的后视图。
其中，图1-3中的有机玻璃作透明显示处理，图4-7、图10-12中的有机玻璃作不透明显示处理；图3-4中的过滤网作透明显示处理。
图中的附图标记为：1模型箱；2收集箱；3上游储液槽；4供液管；5排液管；6 流量计；7电动升降台；8下游集液槽；9过滤网；10抽液泵；11抽液管；12加热棒； 13制冷片；14磁力搅拌器；15激光器；16面状光源处理器；17CCD相机；18模型箱 前面板；19模型箱上面板；20模型箱左面板；21模型箱右面板；22模型箱后面板；23 可拆卸螺钉；24出液口；25收集箱后面板；26流道；27弧面凹形玻璃条；28梯形有机 玻璃板；29下游集液槽后面板；30模型箱下面板；31束状激光；32面状激光；33进液 孔；34土工布；35上面板开孔；36上游储液槽下面板开口；37上游储液槽侧壁开口。
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：
基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置，包括用于填充透明土模型的模 型箱1。模型箱1呈长方体，包括透明有机玻璃板制成的模型箱上面板19和一个模型箱前面板18，其余四个面板均为铝板；在模型箱1的模型箱左面板20上设进液孔33，进 液孔33处设阻挡透明土颗粒的土工布34。进液孔33通过供液管4连接至上游储液槽3 的底部开口36，供液管4上装有一个流量计6，上游储液槽3放置在电动升降台7上。 在模型箱上面板19表面设有出液口24，出液口24靠近模型箱右面板21；模型箱上面 板19与模型箱1的各侧面板及收集箱2的各侧面板之间分别由可拆卸螺钉23实现固定 连接，且连接部位设置防液胶条。
该装置还包括一个下游集液槽8，槽中设置加热棒12、制冷片13、磁力搅拌器14 和抽液泵10，抽液泵10的出口通过抽液管11接至上游储液槽3，制冷片13与制冷压 缩机连接；下游集液槽8的表面设有过滤网9，从收集箱2溢出的孔隙流体经过滤后再 进入下游集液槽8；加热棒12、制冷片13和磁力搅拌器14均位于过滤网9下方；下游 集液槽8中装有温度传感器，加热棒12、制冷片13和温度传感器通过电缆接至温控器。 磁力搅拌器14用于实现对下游集液槽8中的孔隙流体均匀加热。在上游储液槽3侧壁 一定高度处设开口37，通过排液管5接至下游集液槽8。
出液口24呈圆台状，其下表面粘贴在模型箱上面板19的表面上，内部为圆柱状通孔并通过上面板开孔35连通至模型箱1内部；在模型箱1的出液口24上罩设一个中空 的收集箱2，收集箱后面板25呈凹字形，面板的中间是一个凹陷的缺口，其底部的高度 与出液口24的圆台高度一致，使得出液口24与收集箱2共同组成一个用于分离孔隙流 体与透明土颗粒的滞流区域。
收集箱2通过流道26与下游集液槽8相连，流道26由一块弧面凹形有机玻璃条27和两块直角梯形有机玻璃板28组成。收集箱2中的液位高于收集箱后面板25的缺口高 度后，孔隙流体将沿流道26流入下游集液槽8。收集箱2与出液口24的组合能有效分 离孔隙流体与透明土颗粒，将被孔隙流体携带出来的绝大部分透明土颗粒收集在收集箱 2中。剩余少量透明土颗粒则由下游集液槽8中的过滤网9收集。
在模型箱1的正上方固定安置激光器15和面状光源处理器16，激光器15发出的束状激光31由后者转换成面状激光32后照射至模型箱1的模型箱上面板19；在正对模型 箱前面板18处设置CCD相机17，CCD相机17通过信号线连接至计算机。激光器15 是发射波长为532nm的绿光激光器。
利用前述装置的基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验方法，包括以下步骤：
(1)清洗模型箱1的模型箱上面板19和模型箱前面板18；先向模型箱1中倒入一 定量的孔隙流体，然后缓慢加入熔融石英砂并持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到整 个模型箱1填满，安装模型箱上面板19后设置防液胶条；
(2)调整激光器15和面状光源转换器16的位置，使面状激光32通过进液孔33 与出液口24之间的模型箱上面板19投射至透明土模型；调整上游储液槽3的高度，使 其液面高度与出液口24的圆台上表面等高，此时液位差为零；
(3)向下游集液槽8中导入足量的孔隙流体，以温控器设定加热温度后启动抽液泵10，使孔隙流体通过抽液管11流入上游储液槽3；超过上游储液槽侧壁开口37的孔 隙流体则通过供液管5和透明土模型回流至下游集液槽8中，使孔隙流体温度达到预设 值；
(4)略提升上游储液槽3的高度，使模型箱1内孔隙流体逐渐参与循环，直到所 有孔隙流体温度达到预设温度；
(5)提升上游储液槽3到一定高度，待渗流稳定后，再次增加上游储液槽3的高 度；重复上述过程，直到管涌破坏完全发生；该过程中以CCD相机17对激光照射面覆 盖的透明土模型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机，以PIV程序分析土颗粒运移流 场。PIV程序属于现有技术内容，本发明不再赘述。
以下是本发明的优选或示例的方案：
透明土模型由熔融石英砂和与之折射率相匹配的孔隙流体均匀混合组成，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。熔融石英砂之间的间隙由于被混合矿 物油填满，原则上不存在气泡。进液孔33的直径为0.03m的圆孔，设置土工布34防止 土颗粒流出。上面板开孔35的直径为0.03m的圆孔，用于排液和排土；模型箱上面板 19的左右方向长于模型箱下面板30，可根据需要调节布设位置，从而改变管涌渗径长 度；
出液口24呈中空圆台状，其上表面直径0.03m，下表面直径0.08m，高0.02m，中 间为一直径为0.03m的圆柱状通孔，对应粘连在上面板开孔35上；收集箱2的上、前、 后、左、右五块面板相互粘连并围住出液口24，通过可拆卸螺丝23连接在模型箱上面 板19上，方便清理出土；收集箱后面板25为凹字形，即中间靠上位置切除掉一矩形， 使剩余部分高度为0.02m，自出液口24排出的管涌土就储存在该区域中。
弧面凹形玻璃条27高0.02m，与收集箱后面板25的凹口下部粘连；宽度等于与收集箱后面板25的凹口相同，与模型箱上面板19粘连；长度略伸出模型箱上面板19；将 玻璃条切成弧面凹字形，越远离收集箱2凹口越深。两块梯形有机玻璃板28长边等于 收集箱后面板25的高度，短边长等于0.03m，直角边长等与弧面凹形玻璃条27长度； 与模型箱上面板19、收集箱后面板25、弧面凹形有机玻璃条27构成的三个面同时粘连。 以此设计保证出液流入下游集液槽8。
上游储液槽3为铝箱，下面板开一直径为0.03m的开口36，用于连接所述供液管4。在上游储液槽3的侧壁一定高度处设圆形的上游储液槽侧壁开口37，用于连接排液管5， 排液管5另一端连入下游集液槽8，用于维持上游储液槽3中的液位高度。
下游集液槽8由五块铝板组成。其中左面板与模型箱左面板20为同一面板，右面板与模型箱右面板21为同一面板，下面板与模型箱下面板30为同一面板。
激光器15、面状光源处理器16及CCD相机17、可由固定架固定安装。计算机中 内置PIV程序，用于处理CCD相机17拍摄的图像数据以分析流场速度。激光器15为 波长为532nm的绿光激光器，面状光源处理器16由一系列光学镜片组成，可将激光由 束状处理为面状。CCD相机17为双曝光CCD相机，双曝光间隔时间不超过300ns。当 透明土模型较长时，可设置多台CCD相机17并连接时间同步器以实现多台相机同步拍 摄。
Claims (10)
1.一种基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置，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，包括有机玻璃板制成的透明上面板和一个透明侧面板，其余四个面板均为铝板；在模型箱的一个端部面板上设进液孔，进液孔通过供液管连接至上游储液槽的底部开口；在上面板表面设有出液口，出液口靠近与进液孔相对的模型箱另一端部；该装置还包括一个下游集液槽，槽中设置加热棒、制冷片、磁力搅拌器和抽液泵，抽液泵的出口通过抽液管接至上游储液槽，制冷片与制冷压缩机连接；在模型箱的出液口上罩设一个中空的收集箱，收集箱能分离孔隙流体与透明土颗粒，并通过流道将孔隙流体送至下游集液槽；
在模型箱的正上方固定安置激光器和面状光源处理器，激光器发出的束状激光由后者转换成面状激光后照射至模型箱的透明上面板；在正对透明侧面板处设置CCD相机，CCD相机通过信号线连接至计算机。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述下游集液槽的表面设有过滤网，从收集箱溢出的孔隙流体经过滤后再进入下游集液槽；所述加热棒、制冷片和磁力搅拌器均位于过滤网下方；下游集液槽中装有温度传感器，加热棒、制冷压缩机和温度传感器通过电缆接至温控器。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道由一块弧面凹形有机玻璃条和两块直角梯形有机玻璃板组成。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上游储液槽放置在电动升降台上，一个流量计装在与其相连的供液管上；所述进液孔处设阻挡透明土颗粒的土工布。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在上游储液槽侧壁设开口，通过排液管接至下游集液槽。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出液口呈圆台状，其下表面粘贴在上面板的表面，内部为圆柱状通孔并通过上面板的开孔连通至模型箱内部；收集箱的后侧面板呈凹字形，面板的中间是一个凹陷的缺口，其底部高度与出液口的圆台高度一致，出液口与收集箱共同组成一个用于分离孔隙流体与透明土颗粒的滞流区域。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型箱的上面板与模型箱的各侧面板及收集箱的各侧面板之间分别由螺钉实现固定连接，且连接部位设置防液胶条。
8.利用权利要求1所述装置的基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)清洗模型箱的透明侧面板与上面板；先向模型箱中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入熔融石英砂并持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到整个模型箱填满，安装上面板后设置防液胶条；
(2)调整激光器和面状光源转换器的位置，使面状激光通过进液孔与出液口之间的上面板投射至透明土模型；调整上游储液槽的高度，使其液面高度与出液口的圆台上表面等高，此时液位差为零；
(3)向下游集液槽中导入足量的孔隙流体，以温控器设定加热温度后启动抽液泵，使孔隙流体通过抽液管流入上游储液槽；超过上游储液槽侧壁开口的孔隙流体则通过供液管和透明土模型回流至下游集液槽中，使孔隙流体温度达到预设值；
(4)略提升上游储液槽高度，使模型箱内孔隙流体逐渐参与循环，直到所有孔隙流体温度达到预设温度；
(5)提升上游储液槽的高度，待渗流稳定后，再次提升上游储液槽高度；重复上述过程，直到管涌破坏完全发生；该过程中以CCD相机对激光照射面覆盖的透明土模型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机，以PIV程序分析土颗粒运移流场。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光器是发射波长为532nm的绿光激光器。
10.根据权利要求8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。
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