CN109060630A - 一种渗流侵蚀试验系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种渗流侵蚀试验系统及方法，它包括渗流侵蚀试验装置，自动供水装置，高度调节装置和数据采集系统，在该渗流侵蚀试验系统中，利用水泵，控制箱与浮球液位计之间的电信号实现供水筒中的自动供水与液位不变；利用微型电动吊机与钢绞线、滑轮等组合工作自由调节加压水头；利用编写的LABVIEW控制程序实时监测获取渗流侵蚀试验装置中土样渗透性能变化情况，整个系统高度整合，自动化程度高。
Description
技术领域
本发明属于土木试验装置技术领域，具体涉及一种渗流侵蚀试验系统。
背景技术
因库水位与土体自身参数问题引起的土石坝管涌现象以及由于坡面径流侵蚀引起的滑坡、泥石流等地质灾害问题，均会涉及到渗流过程中细颗粒在土孔隙中的迁移、流动问题。目前，已有室内模型试验应用常水头法模拟研究细颗粒侵蚀所引起的土体渗透性能、抗剪强度、颗粒级配等的变化，但却面临加压水头不能自由调节的问题以及难以确定在渗流侵蚀过程中土体整体渗透能力的变化趋势等问题。
综上所述，如何有效地解决渗流侵蚀试验装置中试样上表面处的压力水头不能自由调节问题，如何精确量测渗流侵蚀过程中土体整体渗透性的变化情况，是目前本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
为了克服以上的缺陷和不足之处，本发明公开了一种可以自由调节压力水头并精确量测渗流侵蚀过程中土体整体渗透性变化情况，同时精确测量细颗粒流失量的渗流侵蚀试验系统，该实验系统是利用液体压力与竖直距离之间的线性关系，采用电动的方式实现渗流侵蚀装置中试样上表面处压力水头的自由调节，利用水泵，控制箱与浮球液位计三者实现液位不变，并通过数据采集卡将各处压力传感器测得的压强信号通过导线传输至PC机中，最后通过窗口直接读取数据信息。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种渗流侵蚀试验系统，它包括渗流侵蚀试验装置、自动供水装置、高度调节装置和数据采集系统；所述渗流侵蚀试验装置顶端进水口设置有阀门，并通过导管与自动供水装置的供水筒连接，所述渗流侵蚀试验装置底端出水口下放置用于流失细颗粒收集的颗粒收集桶，所述颗粒收集桶与液体储存桶相连；所述自动供水装置与高度调节装置相配合，并调节压力水头；所述渗流侵蚀试验装置通过信号线与数据采集系统相连。
所述渗流侵蚀试验装置的顶端进水阀门处设置有排气管路，进水管路，以及与进水管路通过三通头连接的饱和进水管路，且三个管路上均设置有控制水流的阀门。
所述颗粒收集桶的底部一角斜向安置过滤试块，过滤试块上裹覆多层滤纸，所述过滤试块采用多孔隙透水材料制成；所述颗粒收集桶与过滤试块同侧的底部通过导水管与液体存储桶连接。
所述渗流侵蚀试验装置顶部进水口处、试样筒壁高度的1/3与2/3处以及液体储存桶底部均设置有压力传感器，压力传感器通过导线将信号输送至数据采集卡，数据采集卡与PC机连接。
所述渗流侵蚀试验装置有多组，采用并联结构，每个渗流侵蚀试验装置的进水管路都通过三通或四通接头与总管路相连。
所述自动供水装置包括水泵，所述水泵的进水端与水箱相连，出水端通过导水管与供水筒的进水口连接。
所述供水筒顶部设置进水口，底部设置出水阀门；所述供水筒顶部桶盖中心位置设置有圆水准泡；所述供水筒顶部桶盖上安置有控制箱和浮球液位计，控制箱通过导线分别与水泵与浮球液位计连接，所述浮球液位计带有浮球的插杆伸入水中，通过控制箱、水泵和浮球液位计三者配合，实现供水筒内自动供水且液位不变。
所述高度调节装置包括微型电动吊机和升降支架，所述升降支架上安置有可滑动调节高度的支承台，支承台上放置供水筒，所述支承台通过钢绞线、动滑轮以及固定在支架顶端的定滑轮与微型电动吊机相连。
所述数据采集系统包括压力传感器，所述压力传感器通过信号线与数据采集卡相连，所述数据采集卡与PC机相连。
采用任意一项所述渗流侵蚀试验系统的试验方法，包括以下步骤：
Step1：排气泡：首先打开水泵，使水泵送到供水筒中，并保持常水头，打开供水筒中的出水阀门、第四阀门、第三阀门，第一阀门和第二阀门保持关闭状态，当饱和进水管路的末端流出稳定且连续的水流时，则总管路与饱和进水管路中的气泡已排尽，此时关闭第三阀门，打开第二阀门与第一阀门，排尽进水管路中的气泡，最后关闭第二阀门；
Step2：饱和：将饱和进水管路的末端与渗流侵蚀试验装置底端的出水阀门连接，依次打开第三阀门，渗流侵蚀试验装置底端的出水阀门，渗流侵蚀试验装置顶端的进水阀门，使水流慢慢浸润整个试样，当排气管路的末端涌出连续水流且无气泡时，关闭第一阀门，渗流侵蚀试验装置顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置底端的出水阀门与第三阀门，断开饱和进水管路末端与渗流侵蚀试验装置底端出水阀门之间的连接，使试样静置饱和一段时间；
Step3：渗流侵蚀试验：打开PC机中的数据采集系统，依次打开第二阀门，渗流侵蚀试验装置顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置底端的出水阀门，渗流试验开始，水流流经试样时会带出试样孔隙中的细颗粒，细颗粒经过出水阀门流入颗粒收集桶，细颗粒经过过滤试块的过滤作用留在了颗粒收集桶中，而夹带细颗粒的水流则继续流入液体储存桶，同时四处压力传感器将测得的压强信号传输至电脑中；
Step4：计算：通过渗流侵蚀试验装置顶端进水口处的压力传感器传送至电脑中的压强信号将通过编写的程序修正为试样上表面处的压强信号，此时试样上相当于设置有三处压力传感器，由上至下设此三处压力传感器0的读数为pm，pn，ps，设液体储存桶处压力传感器的读数为pk，数据采集系统每隔Δt读数一次，ti时刻各传感器读数见下表：
根据《土工试验方法标准》中关于常水头渗透系数的计算方法以及本试验系统中所采集到的数据信息情况，ti时刻试样的平均渗透系数计算公式为：
其中：
——水温为T℃时ti-1至ti时间内试样的平均渗透系数(cm/s)；
Qi——ti-1至ti时间内的渗出水量(cm3)；
L——两压力传感器中心之间的距离(cm)；
A——试样的断面积(cm2)；
Hi——ti时刻平均水位差(cm)；
Δt——ti-1至ti时间间隔(s)；
S——液体储存桶的断面积(cm2)；
——ti时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti-1时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置出水口处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第二个压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第三个压力传感器的读数(Pa)；
由此可得知某一水力梯度下，试验时间段内试样整体各时刻的渗透系数的连续变化情况；当需要调节水力梯度时，按动微型电动吊机的按钮，调节供水筒至要求高度；细颗粒的收集与称量工作可在每个水力梯度或整个渗流侵蚀试验完成后进行；试验完成后关闭各阀门，整理试验仪器与试验数据及其后续相关试验。
本发明有如下有益效果：
1、本发明属于新型试验系统，所需材料在市场或网络上容易购买，实验操作比较方便。
2、本发明不仅可以进行一组渗流侵蚀试验，而且可以同时进行多组平行试验，在保证试验精度与准确性的前提下，能够大大提高试验效率；
3、拥有高速USB兼容接口，可与PC机对接，利用程序实现PC机对整个系统的数据采集工作，自动化程度较高。
4、本发明利用浮球液位计、控制箱与水泵之间电信号的转换与输送，达到液面位置的检测与控制效果，既能够保证精确度，又节省了人力，自动化程度高。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明渗流侵蚀试验装置与颗粒、液体收集装置的结构示意图。
图3为本发明供水筒安装结构示意图。
图4为本发明高度调节装置结构示意图。
图中：1PC机；2渗流侵蚀试验装置；3微型电动吊机；4供水筒；5升降支架；6水泵；7水箱；8颗粒收集桶；9液体储存桶；10数据采集卡；0压力传感器；3-1钢绞线；3-2动滑轮；3-3定滑轮；4-1控制箱；4-2浮球液位计；4-3进水口；4-4出水阀门；4-5圆水准泡；5-1支承台；8-1过滤试块；A排气管路；B进水管路；C饱和进水管路；D总管路；a第一阀门；b第二阀门；c第三阀门；d第四阀门。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例1：
请参阅图1-4，一种渗流侵蚀试验系统，它包括渗流侵蚀试验装置1，自动供水装置，高度调节装置和数据采集系统。
进一步的，所述渗流侵蚀试验装置1顶端进水口设置有阀门，并通过导管与供水筒4连接，所述渗流侵蚀试验装置1底端出水口下放置颗粒收集桶8，便于进行流失细颗粒的收集工作。
进一步的，所述自动供水装置包括供水筒4，水泵6，放置于地面上的水箱7，便于实现供水筒4中水的自动供给和保持液位不变。
进一步的，所述高度调节装置包括微型电动吊机3和升降支架5，通过微型电动吊机3的工作调节压力水头，省时省力。
进一步的，所述数据采集系统包括压力传感器0，数据采集卡10，PC机1，能够实现数据读取工作的自动化。
进一步的，所述渗流侵蚀试验装置1顶端进水阀门处设置有排气管路A，进水管路B，以及与进水管路B通过三通头连接的饱和进水管路C，且三个管路上均设置有控制水流的阀门。
进一步的，所述颗粒收集桶8的一角斜向安置一过滤试块8-1，过滤试块8-1上裹覆两层慢性滤纸，所述过滤试块8可使用透水石等多孔隙结构物，便于收集流出的颗粒并将水排出。
进一步的，所述颗粒收集桶8与过滤试块8-1同侧的底部通过导水管与液体存储桶9连接，便于收集从颗粒收集桶8中排出的水。
进一步的，所述渗流侵蚀试验装置1顶部进水口处，试样筒壁高度的1/3与2/3处以及液体储存桶9底部均设置有压力传感器0，压力传感器0通过导线将信号输送至数据采集卡10，数据采集卡10与PC机1连接，最后通过PC机1编写LABVIEW控制界面，通过窗口直接读取压强信息，自动化程度高且试验结果更加精确。
进一步的，通过在总管路D中添加三通头或四通头或多通头，可实现多组平行试验同时进行，大大提高了试验效率。
进一步的，所述自动供水装置中水泵6的进水端与水箱7连接，出水端通过导水管与供水筒4的进水口4-3连接，通过水泵6将水箱7中的水泵送至供水筒4中，为水的运输提供动力。
进一步的，所述供水筒4顶部设置进水口4-3，底部设置出水阀门4-4。
进一步的，所述供水筒4顶部桶盖中心位置设置有圆水准泡4-5，监测支承台5-1，供水筒4位置平衡。
进一步的，所述供水筒4顶部桶盖上安置有控制箱4-1，浮球液位计4-2，控制箱4-1通过导线分别与水泵6与浮球液位计4-2连接，其中浮球液位计4-2带有浮球的插杆伸入水中，通过控制箱4-1，水泵6，浮球液位计4-2三者共同作用，实现供水筒4内自动供水且液位不变。
进一步的，所述升降支架5上安置有可滑动调节高度的支承台5-1，支承台5-1上放置供水筒4，所述支承台5-1通过钢绞线3-1，动滑轮3-2以及固定在支架顶端的定滑轮3-3与微型电动吊机3相连，通过电动的方式实现压力水头的调节，既省时省力，又能保证准确度。
实施例2：
采用任意一项所述渗流侵蚀试验系统的试验方法，包括以下步骤：
Step1：排气泡：首先打开水泵6，使水泵送到供水筒4中，并保持常水头，打开供水筒4中的出水阀门4-4、第四阀门d、第三阀门c，第一阀门a和第二阀门b保持关闭状态，当饱和进水管路C的末端流出稳定且连续的水流时，则总管路D与饱和进水管路C中的气泡已排尽，此时关闭第三阀门c，打开第二阀门b与第一阀门a，排尽进水管路B中的气泡，最后关闭第二阀门b；
Step2：饱和：将饱和进水管路C的末端与渗流侵蚀试验装置2底端的出水阀门连接，依次打开第三阀门c，渗流侵蚀试验装置2底端的出水阀门，渗流侵蚀试验装置2顶端的进水阀门，使水流慢慢浸润整个试样，当排气管路A的末端涌出连续水流且无气泡时，关闭第一阀门a，渗流侵蚀试验装置2顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置2底端的出水阀门与第三阀门c，断开饱和进水管路C末端与渗流侵蚀试验装置2底端出水阀门之间的连接，使试样静置饱和一段时间；
Step3：渗流侵蚀试验：打开PC机1中的数据采集系统，依次打开第二阀门b，渗流侵蚀试验装置2顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置2底端的出水阀门，渗流试验开始，水流流经试样时会带出试样孔隙中的细颗粒，细颗粒经过出水阀门流入颗粒收集桶8，细颗粒经过过滤试块8-1的过滤作用留在了颗粒收集桶8中，而夹带细颗粒的水流则继续流入液体储存桶9，同时四处压力传感器0将测得的压强信号传输至电脑中；
Step4：计算：通过渗流侵蚀试验装置2顶端进水口处的压力传感器0传送至电脑中的压强信号将通过编写的程序修正为试样上表面处的压强信号，此时试样上相当于设置有三处压力传感器0，由上至下设此三处压力传感器0的读数为pm，pn，ps，设液体储存桶9处压力传感器0的读数为pk，数据采集系统每隔Δt读数一次，ti时刻各传感器读数见下表：
根据《土工试验方法标准》中关于常水头渗透系数的计算方法以及本试验系统中所采集到的数据信息情况，ti时刻试样的平均渗透系数计算公式为：
其中：
——水温为T℃时ti-1至ti时间内试样的平均渗透系数(cm/s)；
Qi——ti-1至ti时间内的渗出水量(cm3)；
L——两压力传感器中心之间的距离(cm)；
A——试样的断面积(cm2)；
Hi——ti时刻平均水位差(cm)；
Δt——ti-1至ti时间间隔(s)；
S——液体储存桶的断面积(cm2)；
——ti时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti-1时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置出水口处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第二个压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第三个压力传感器的读数(Pa)；
由此可得知某一水力梯度下，试验时间段内试样整体各时刻的渗透系数的连续变化情况；当需要调节水力梯度时，按动微型电动吊机3的按钮，调节供水筒4至要求高度；细颗粒的收集与称量工作可在每个水力梯度或整个渗流侵蚀试验完成后进行；试验完成后关闭各阀门，整理试验仪器与试验数据及其后续相关试验。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种渗流侵蚀试验系统，其特征其在于：它包括渗流侵蚀试验装置(2)、自动供水装置、高度调节装置和数据采集系统；所述渗流侵蚀试验装置(2)顶端进水口设置有阀门，并通过导管与自动供水装置的供水筒(4)连接，所述渗流侵蚀试验装置(2)底端出水口下放置用于流失细颗粒收集的颗粒收集桶(8)，所述颗粒收集桶(8)与液体储存桶(9)相连；所述自动供水装置与高度调节装置相配合，并调节压力水头；所述渗流侵蚀试验装置(2)通过信号线与数据采集系统相连。
2.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述渗流侵蚀试验装置(2)的顶端进水阀门处设置有排气管路(A)，进水管路(B)，以及与进水管路(B)通过三通头连接的饱和进水管路(C)，且三个管路上均设置有控制水流的阀门。
3.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述颗粒收集桶(8)的底部一角斜向安置过滤试块(8-1)，过滤试块(8-1)上裹覆多层滤纸，所述过滤试块(8-1)采用多孔隙透水材料制成；所述颗粒收集桶(8)与过滤试块(8-1)同侧的底部通过导水管与液体存储桶(9)连接。
4.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述渗流侵蚀试验装置(2)顶部进水口处、试样筒壁高度的1/3与2/3处以及液体储存桶(9)底部均设置有压力传感器(0)，压力传感器(0)通过导线将信号输送至数据采集卡(10)，数据采集卡(10)与PC机(1)连接。
5.根据权利要求2所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述渗流侵蚀试验装置(2)有多组，采用并联结构，每个渗流侵蚀试验装置(2)的进水管路(B)都通过三通或四通接头与总管路(D)相连。
6.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述自动供水装置包括水泵(6)，所述水泵(6)的进水端与水箱(7)相连，出水端通过导水管与供水筒(4)的进水口(4-3)连接。
7.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述供水筒(4)顶部设置进水口(4-3)，底部设置出水阀门(4-4)；所述供水筒(4)顶部桶盖中心位置设置有圆水准泡(4-5)；所述供水筒(4)顶部桶盖上安置有控制箱(4-1)和浮球液位计(4-2)，控制箱(4-1)通过导线分别与水泵(6)与浮球液位计(4-2)连接，所述浮球液位计(4-2)带有浮球的插杆伸入水中，通过控制箱(4-1)、水泵(6)和浮球液位计(4-2)三者配合，实现供水筒(4)内自动供水且液位不变。
8.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述高度调节装置包括微型电动吊机(3)和升降支架(5)，所述升降支架(5)上安置有可滑动调节高度的支承台(5-1)，支承台(5-1)上放置供水筒(4)，所述支承台(5-1)通过钢绞线(3-1)、动滑轮(3-2)以及固定在支架顶端的定滑轮(3-3)与微型电动吊机(3)相连。
9.根据权利要求1所述的一种渗流侵蚀试验系统，其特征在于：所述数据采集系统包括压力传感器(0)，所述压力传感器(0)通过信号线与数据采集卡(10)相连，所述数据采集卡(10)与PC机(1)相连。
10.采用权利要求1-9任意一项所述渗流侵蚀试验系统的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
Step1：排气泡：首先打开水泵(6)，使水泵送到供水筒(4)中，并保持常水头，打开供水筒(4)中的出水阀门(4-4)、第四阀门(d)、第三阀门(c)，第一阀门(a)和第二阀门(b)保持关闭状态，当饱和进水管路(C)的末端流出稳定且连续的水流时，则总管路(D)与饱和进水管路(C)中的气泡已排尽，此时关闭第三阀门(c)，打开第二阀门(b)与第一阀门(a)，排尽进水管路(B)中的气泡，最后关闭第二阀门(b)；
Step2：饱和：将饱和进水管路(C)的末端与渗流侵蚀试验装置(2)底端的出水阀门连接，依次打开第三阀门(c)，渗流侵蚀试验装置(2)底端的出水阀门，渗流侵蚀试验装置(2)顶端的进水阀门，使水流慢慢浸润整个试样，当排气管路(A)的末端涌出连续水流且无气泡时，关闭第一阀门(a)，渗流侵蚀试验装置(2)顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置(2)底端的出水阀门与第三阀门(c)，断开饱和进水管路(C)末端与渗流侵蚀试验装置(2)底端出水阀门之间的连接，使试样静置饱和一段时间；
Step3：渗流侵蚀试验：打开PC机(1)中的数据采集系统，依次打开第二阀门(b)，渗流侵蚀试验装置(2)顶端的进水阀门，渗流侵蚀试验装置(2)底端的出水阀门，渗流试验开始，水流流经试样时会带出试样孔隙中的细颗粒，细颗粒经过出水阀门流入颗粒收集桶(8)，细颗粒经过过滤试块(8-1)的过滤作用留在了颗粒收集桶(8)中，而夹带细颗粒的水流则继续流入液体储存桶(9)，同时四处压力传感器(0)将测得的压强信号传输至电脑中；
Step4：计算：通过渗流侵蚀试验装置(2)顶端进水口处的压力传感器(0)传送至电脑中的压强信号将通过编写的程序修正为试样上表面处的压强信号，此时试样上相当于设置有三处压力传感器(0)，由上至下设此三处压力传感器0的读数为pm，pn，ps，设液体储存桶(9)处压力传感器(0)的读数为pk，数据采集系统每隔Δt读数一次，ti时刻各传感器读数见下表：
根据《土工试验方法标准》中关于常水头渗透系数的计算方法以及本试验系统中所采集到的数据信息情况，ti时刻试样的平均渗透系数计算公式为：
其中：
——水温为T℃时ti-1至ti时间内试样的平均渗透系数(cm/s)；
Qi——ti-1至ti时间内的渗出水量(cm3)；
L——两压力传感器中心之间的距离(cm)；
A——试样的断面积(cm2)；
Hi——ti时刻平均水位差(cm)；
Δt——ti-1至ti时间间隔(s)；
S——液体储存桶的断面积(cm2)；
——ti时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti-1时刻液体储存桶处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置出水口处的压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第二个压力传感器的读数(Pa)；
——ti时刻渗流侵蚀试验装置由上至下第三个压力传感器的读数(Pa)；
由此可得知某一水力梯度下，试验时间段内试样整体各时刻的渗透系数的连续变化情况；当需要调节水力梯度时，按动微型电动吊机(3)的按钮，调节供水筒(4)至要求高度；细颗粒的收集与称量工作可在每个水力梯度或整个渗流侵蚀试验完成后进行；试验完成后关闭各阀门，整理试验仪器与试验数据及其后续相关试验。
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