CN109975192A - 不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置及方法，该装置主要结构包括给水系统、试样渗透室、水头测量系统和流量测量系统；给水系统主要包括抽水泵、给水阀、水管、流量控制阀、蓄水仓、安全泄压阀；试样渗透室主要包括亚克力盖板、O型密封圈、透水石、500目滤网、螺栓、有机玻璃管；水头测量系统主要包括PVC软管、膜盒水压力表、快插接头；所述流量测量系统主要包括自动排气阀、支撑网格、常压蓄水仓、水管、止水阀、转子流量计。本发明装置可模拟不同条件下的砂土渗流试验，同时可满足对管涌、渗透变形、渗透破坏的实验研究及其它岩土工程中的砂土渗流试验的要求，特别适用于梯度变化水压条件下分层砂样的渗流试验。

Description

不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置及方法

技术领域

本发明属于岩土渗流力学领域，具体地说，涉及一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置及方法。

背景技术

砂土的渗透性是土建工程领域、岩土工程领域的重要技术指标之一，一般用渗透系数表示。在获得某砂土的渗透系数后，对研究该砂土的渗流变形问题、渗流破坏问题有指导性的作用。由于诸多因素的影响，目前渗流试验研究仍存在以下问题：

现有的砂土渗透系数测量装置多采用一体式的装样方式，且多数只能用于测量某一砂土在一定水头下的渗透系数，用途相对单一。然而，实际地质环境的复杂性、非均一性导致了砂土在不同位置、不同水头条件下的渗透系数存在差别，甚至相差多个数量级，因此在室内试验或实际工程中仅运用某一砂土渗透系数来展开研究的做法存在很大的局限性。同时，水的渗流特性研究在砂土强度变化、土壤的固结加固等方面也具有十分重要的价值。渗流时，砂土内部会出现管涌现象，砂土颗粒会因渗流而迁移，渗流路径和砂土结构会因此不断变化，最终导致水在砂土中渗透特性的变化。传统渗流装置无法实现渗流后取样的功能，因此，无法研究颗粒迁移和砂土结构对渗透特性变化的影响规律。

此前，即适用于测量不同水头情况下分层砂土渗透系数，又能用于研究颗粒迁移、渗流变形以及渗流后砂土力学性质的装置尚未有专利或文献记载。有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置及方法，为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：

一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其主要结构包括给水系统、试样渗透室、水头测量系统和流量测量系统。所述试样渗透室包括若干串联的有机玻璃管，有机玻璃管内盛放砂样，试样渗透室的顶端口由盖板封闭，底端口与流量测量系统连接；所述流量测量系统包括自动排气阀、支撑网格、常压蓄水仓、水管、止水阀、转子流量计，常压蓄水仓与有机玻璃管连接，支撑网格将砂样、常压蓄水仓隔离，自动排气阀设置在常压蓄水仓侧壁并将常压蓄水仓与外界连通，转子流量计一端通过水管与常压蓄水仓连接，另一端与止水阀连接；所述盖板设有进水口，给水系统与进水口连接，所述试样渗透室的侧壁开设有若干测压孔，水头测量系统包括膜盒水压力表，膜盒水压力表与测压孔连接。

其中，试样渗透室主要包括亚克力盖板、O型密封圈、透水石、500目滤网、螺栓、有机玻璃管、测压孔，渗透室由n个内外径相同的有机玻璃管串联叠加而成，有机玻璃管的具体个数根据模拟的实际渗流情况而定，分层砂样容纳于所述透水石与所述有机玻璃管所形成的密封空间内。透水石盛放在500目滤网中，500目滤网设置在砂样与盖板之间，透水石设置在500目滤网与盖板之间。试验完成后，砂样可通过所述试样顶升装置取出。所述有机玻璃管之间通过螺栓固定连接，所述有机玻璃管的法兰盘连接处均设有O型密封圈，以保证所述试样渗透室的密封性。试样渗透室在装填砂样时采用逐节装样的方式，每一节所述有机玻璃管装填颗粒级配不同的分层砂样。在完成渗流试验后可对所述试样渗透室进行逐节拆解，进而方便研究砂样在渗流过后的颗粒迁移以及其力学性质。

给水系统主要包括抽水泵、给水阀、水管、流量控制阀、蓄水仓、安全泄压阀，所述给水系统用于向下游所述试样渗透室内供给带压水。抽水泵通过水管与蓄水仓连接，水管上设有给水阀、流量控制阀，所述蓄水仓通过水管与盖板的进水口连接，且二者之间的水管上设有流量控制阀，所述安全泄压阀与蓄水仓连接。给水系统向所述试样渗透室内供水时，调节所述蓄水仓进水口和出水口的流量控制阀可实现进入所述试样渗透室的水压大小呈现线性变化或梯度变化。

试样渗透室在有机玻璃管壁上留有测压孔，采用聚氨酯胶将500目滤网粘黏在开孔处的管壁内面。500目滤网既能保证砂样中最小粒径的颗粒不会从孔洞流出，也不会影响到水压通过测压孔进入所述膜盒水压力表内。

水头测量系统安装在所述试样渗透室的管壁上，主要包括PVC软管、膜盒水压力表、快插接头，用于测量所在位置砂样的水压，PVC软管一端与测压孔连接，另一端与快插接头连接，膜盒水压力表与快插接头连接。膜盒水压力表与试样渗透室采用快插接头连接，该方法既能保证连接处不渗水，也能方便安装和拆卸。

流量测量系统位于所述试样渗透室的下游，结构主要包括自动排气阀、支撑网格、常压蓄水仓、水管、止水阀、转子流量计，所述流量测量系统既可以测量试验过程中砂样的渗流量，也可保证整个系统内空气的充分排出，不会在测量过程中出现断流现象。蓄水仓在进水口和出水口处均设有流量控制阀，水流经过抽水泵进入蓄水仓，待蓄水仓内形成一定水压后，控制蓄水仓出水口的流量控制阀，使进入所述试样渗透室的水流为稳定的带压水。

一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤1，准备粒径不同的砂样并标号，架立好常压蓄水仓，有机玻璃管与常压蓄水仓连接好，并将支撑网格、透水石安装在连接处，用法兰盘、螺栓、O型密封圈将有机玻璃管与常压蓄水仓连接，

步骤2，按照标号顺序在有机玻璃管中逐级分层装填砂样，每装填好一节有机玻璃管，用法兰盘、螺栓、O型密封圈将新一节有机玻璃管连接上，再继续装填；装填好最后一节的砂样后，抹平顶端砂样表面，嵌入透水石，并通过法兰盘、O型密封圈、螺栓将有机玻璃管与顶部的亚克力盖板密闭联接；

步骤3，将给水系统、水头测量系统、流量测量系统依次连接后，关闭止水阀、关闭蓄水仓的出水口流量控制阀，打开蓄水仓的进水口流量控制阀和安全泄压阀，抽水泵向蓄水仓内注入渗流液体，待蓄水仓蓄满水后，关闭安全泄压阀，打开出水口的流量控制阀，使液体以较低流速进入试样渗透室；

步骤4，液体逐渐充满整个系统，直至整个系统内空气排净，自动排气阀关闭，重新调整给水系统中的进水口流量控制阀和出水口流量控制阀，使进水口的流量大于入水口的流量，

步骤5，打开所述止水阀，待膜盒水压力表和转子流量计的示数稳定后，开始记录读数，从膜盒水压力表上直接读取水头高度示数H，在转子流量计上读取流量Q，间隔相同时间t后再次读取对应的数据；

步骤6，渗流试验完成后，根据统计数据计算渗透系数k，计算公式为

式中，k为渗透系数；

Q为渗流量；

l为水力坡降；

ΔH为水头高差；

F为与渗流方向垂直的截面积；

t为渗流时间；

步骤7，渗流试验结束后进行颗粒迁移试样研究，断开试样渗透室与给水系统的管道，拆除试样渗流室下方的常压蓄水仓，逐级拆分试样渗透室，通过试样顶升装置将砂样从有机玻璃管中顶出，并采用高清相机记录每层砂样的剖面，用MATLAB对拍摄的照片进行后续处理，进而得到颗粒迁移的研究结果。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

本发明针对分层砂样渗透系数测量技术的现状，提出了更高标准和更多参数测量，提供一种制作简单、操作容易、可用于研究不同分层砂样在不同水头条件下颗粒迁移情况和渗透系数变化情况的试验装置，本发明装置可模拟不同条件下的砂土渗流试验，同时可满足对管涌、渗透变形、渗透破坏的实验研究及其它岩土工程中的砂土渗流试验的要求，特别适用于梯度变化水压条件下分层砂样的渗流试验。

本发明给水系统有别于传统渗透测量装置直接将渗流液体导入砂土的做法，能精准的控制液体进入试样渗透室时的水头大小，实现定水头、变水头、梯度水头及非线性水头渗透试验。本发明装置可采用染色示踪法研究颗粒迁移，由于采用透明外观，分级砂样在不同色彩条件下可直观观测颗粒迁移及颗粒重分布情况。

本发明装置不仅能用于研究不同分层砂样在不同水头条件下颗粒迁移情况和渗透系数变化，还可用于岩土试样的渗透试验，应用范围广；采用组装式的结构，便于自由组装拆卸，材料可市场采购，成本较低。本发明装置结构简单、操作简便、数据收集准确，便于测得砂样各项渗流参数。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1为本发明一实施例整体结构示意图；

图2为本发明一实施例给水系统结构示意图；

图3为本发明一实施例试样渗透室结构示意图；

图4为本发明一实施例水头测量系统结构示意图；

图5为本发明一实施例流量测量系统结构示意图；

图6为本发明一实施例试样顶升装置实际操作示意图。

图中：1-抽水泵；2-给水阀；3-水管；4-流量控制阀；5-蓄水仓；6-安全泄压阀；7-亚克力盖板；8-O型密封圈；9-透水石；10-500目滤网；11-螺栓；12-有机玻璃管；13-PVC软管；14-膜盒水压力表；15-快插接头；16-测压孔；17-自动排气阀；18-支撑网格；19-常压蓄水仓；20-止水阀；21-转子流量计；22-砂样；23-试样顶升装置；24-法兰盘。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一

如图1至图6所示，本实施例所述一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，主要由给水系统、试样渗透室、水头测量系统和流量测量系统组成。

给水系统如附图2所示，主要包括抽水泵1、给水阀2、水管3、流量控制阀4、蓄水仓5、安全泄压阀6；所述试样渗透室如附图3所示，主要包括亚克力盖板7、O型密封圈8、透水石9、500目滤网10、螺栓11、有机玻璃管12；所述水头测量系统如附图4所示，主要包括PVC软管13、膜盒水压力表14、快插接头15；所述流量测量系统如附图5所示，主要包括自动排气阀17、支撑网格18、常压蓄水仓19、水管3、止水阀20、转子流量计21。

可选地，所述亚克力盖板7、所述有机玻璃管12的尺寸及形状可根据试验模拟的实际渗流情况进行设计定制，所述试样渗透室在渗流路径方向的尺寸大于垂直渗流路径方向的尺寸。

可选地，所述测压孔16均位于同一直线上，所述测压孔16的数量和间距可根据试验设计的分层砂样22厚度需求设定，建议设置在明显的分层处，当同种级配的砂样22厚度较厚时也可设置多个测压孔16。

常压蓄水仓19采用透明亚克力材料制造，内外径与试样渗透室的有机玻璃管12内外径相同，设置在试样渗透室的底部，处于渗流下游，用于排净装置内的空气，并保证流量测量系统不出现断流现象。

使用上述装置测量分层砂土渗透系数以及砂土颗粒迁移研究的试验方法步骤包括：

(1)准备好粒径级配逐级分层的砂样22，按照装填顺序对不同级配的砂样22进行标号，并对需要研究颗粒迁移的砂样22进行染色。

(2)架立好常压蓄水仓19，在常压蓄水仓19的预留凹槽内安装支撑网格18和O型密封圈8。在第一节有机玻璃管12与常压蓄水仓19联接的一端嵌入一面覆盖有500目滤网10的透水石9，有滤网的一面朝向管内。常压蓄水仓19与第一节有机玻璃管12之间通过法兰盘24及螺栓11固定联接。

(3)按照标号顺序逐级分层装填砂样22，第一节有机玻璃管12内装填好砂样22后，通过有机玻璃管12的法兰盘24及O型密封圈8和螺栓11安装新的一节有机玻璃管12，之后继续装填砂样22，重复上述步骤直至装填好最后一节的砂样22。抹平顶端砂土表面，嵌入一面覆盖有500目滤网10的透水石9，有滤膜一面朝向管内，最后通过有机玻璃管12的法兰盘24及O型密封圈8和螺栓11与顶部亚克力盖板7密闭联接。

(4)将所有系统依次连接后，关闭止水阀20，关闭蓄水仓5出水口流量控制阀4，打开蓄水仓5进水口流量控制阀4和安全泄压阀6，通过抽水泵1向蓄水仓5内注入渗流液体。待蓄水仓5蓄满水后，关闭安全泄压阀6，打开出水口流量控制阀4，可将流量数值设定为1.5m/s，使液体以较低流速进入试样渗透室。

(5)此后液体逐渐充满整个系统，直至整个系统内空气排净，自动排气阀17关闭。按照试验设计方案重新调整给水系统中的进水口流量控制阀4和出水口流量控制阀4的相关数值，使进水口的流量大于入水口的流量。

(6)打开所述止水阀20，待膜盒水压力表14和转子流量计21的示数稳定后，开始记录读数。从膜盒水压力表14上直接读取水头高度示数H，在转子流量计21上读取流量Q，间隔相同时间t后再次读取对应的数据。渗流试验完成后计算渗透系数k，通过下式便可计算出测量段砂样22的渗透系数：

式中：k为渗透系数；

Q为渗流量；

l为水力坡降；

ΔH为水头高差；

F为与渗流方向垂直的截面积；

t为渗流时间。

(7)我渗流试验结束后进行颗粒迁移试样研究，断开试样渗透室与给水系统的管道，拆除试样渗流室下方的常压蓄水仓19。逐级拆分试样渗透室，通过试样顶升装置23将砂样22从有机玻璃管12中顶出，如图6所示。采用高清相机记录每层砂样的剖面，采用MATLAB对拍摄的照片进行后续处理，进而得到颗粒迁移的研究结果。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，包括试样渗透室、为试样渗透室提供压力水的给水系统、水头测量系统、流量测量系统；所述试样渗透室包括若干串联的有机玻璃管，有机玻璃管内盛放砂样，试样渗透室的顶端口由盖板封闭，底端口与流量测量系统连接；所述流量测量系统包括自动排气阀、支撑网格、常压蓄水仓、水管、止水阀、转子流量计，常压蓄水仓与有机玻璃管连接，支撑网格将砂样、常压蓄水仓隔离，自动排气阀设置在常压蓄水仓侧壁并将常压蓄水仓与外界连通，转子流量计一端通过水管与常压蓄水仓连接，另一端与止水阀连接；所述盖板设有进水口，给水系统与进水口连接，所述试样渗透室的侧壁开设有若干测压孔，水头测量系统包括膜盒水压力表，膜盒水压力表与测压孔连接。

2.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述试样渗透室的顶端口还设有透水石、滤网，透水石盛放在滤网中，滤网设置在砂样与盖板之间，透水石设置在滤网与盖板之间，所述滤网为500目滤网。

3.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述若干有机玻璃管的内外径相同，有机玻璃管之间通过法兰、螺栓连接，法兰套设在有机玻璃管外壁，所述若干有机玻璃管之间连接处设有O型密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述盖板为亚克力盖板，盖板与有机玻璃管通过螺栓连接，连接处设有O型密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述给水系统包括抽水泵、给水阀、水管、流量控制阀、蓄水仓、安全泄压阀，所述抽水泵通过水管与蓄水仓连接，水管上设有给水阀、流量控制阀，所述蓄水仓通过水管与盖板的进水口连接，且二者之间的水管上设有流量控制阀，所述安全泄压阀与蓄水仓连接。

6.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述测压孔设有用于阻挡砂样流出的500目滤网。

7.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述水头测量系统还包括PVC软管、快插接头，PVC软管一端与测压孔连接，另一端与快插接头连接，膜盒水压力表与快插接头连接。

8.根据权利要求1所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述常压蓄水仓呈槽状，槽口内外径与有机玻璃管内外径一致，且槽口设有用于安装支撑网格的凹槽，所述支撑网格与砂样之间设有透水石，透水石靠近砂样的一面覆盖有500目滤网。

9.根据权利要求8所述的一种测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置，其特征在于，所述常压蓄水仓为透明亚克力材料制成，所述转子流量计与常压蓄水仓之间的水管上设有止水阀，所述常压蓄水仓与有机玻璃管连接处设有O型密封圈，常压蓄水仓的槽口设有匹配O型密封圈的凹槽。

10.如权利要求1-9任一所述测量不同渗透梯度下分层砂迁移过程的渗透测量装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，准备粒径不同的砂样并标号，架立好常压蓄水仓，有机玻璃管与常压蓄水仓连接好，并将支撑网格、透水石安装在连接处，用法兰盘、螺栓、O型密封圈将有机玻璃管与常压蓄水仓连接，

步骤2，按照标号顺序在有机玻璃管中逐级分层装填砂样，每装填好一节有机玻璃管，用法兰盘、螺栓、O型密封圈将新一节有机玻璃管连接上，再继续装填；装填好最后一节的砂样后，抹平顶端砂样表面，嵌入透水石，并通过法兰盘、O型密封圈、螺栓将有机玻璃管与顶部的亚克力盖板密闭联接；

步骤3，将给水系统、水头测量系统、流量测量系统依次连接后，关闭止水阀、关闭蓄水仓的出水口流量控制阀，打开蓄水仓的进水口流量控制阀和安全泄压阀，抽水泵向蓄水仓内注入渗流液体，待蓄水仓蓄满水后，关闭安全泄压阀，打开出水口的流量控制阀，使液体以较低流速进入试样渗透室；

步骤4，液体逐渐充满整个系统，直至整个系统内空气排净，自动排气阀关闭，重新调整给水系统中的进水口流量控制阀和出水口流量控制阀，使进水口的流量大于入水口的流量，

步骤5，打开所述止水阀，待膜盒水压力表和转子流量计的示数稳定后，开始记录读数，从膜盒水压力表上直接读取水头高度示数H，在转子流量计上读取流量Q，间隔相同时间t后再次读取对应的数据；

步骤6，渗流试验完成后，根据统计数据计算渗透系数k，计算公式为

式中，k为渗透系数；

Q为渗流量；

l为水力坡降；

ΔH为水头高差；

F为与渗流方向垂直的截面积；

t为渗流时间；

步骤7，渗流试验结束后进行颗粒迁移试样研究，断开试样渗透室与给水系统的管道，拆除试样渗流室下方的常压蓄水仓，逐级拆分试样渗透室，通过试样顶升装置将砂样从有机玻璃管中顶出，并采用高清相机记录每层砂样的剖面，用MATLAB对拍摄的照片进行后续处理，进而得到颗粒迁移的研究结果。