CN111307686A - 基于piv技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置及方法，其特点是：堤前储水池及堤后储水池分别设置在透明水槽的两侧且高于其上端的位置。堤前储水池底部及堤后储水池底部分别通过水管与透明水槽两侧面的注水孔连通。在透明水槽内均匀竖直设置可拆卸的隔板形成若干分隔槽，在透明水槽前方设置CCD照相机及LED灯,透明水槽顶部设置的盖板上开设可封闭式的管涌口。将CCD相机拍摄处的图像导入PIV图像处理系统进行分析，可测定不同水头梯度等因素下，防渗墙的变形特征以及相关物理参数，实时反应防渗墙的变形特征以及破坏的模式，并能通过相关变形的加速度特征值，计算其变形的应力特征。测试方法简单，测算精度高。
Description
技术领域
本发明属于水利工程技术领域,涉及堤坝质量的检测分析方法，具体说是一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置及方法。
背景技术
随着我国的经济发展，各种各样的水利工程在全国各地兴建，据不完全统计我国有超过26万多千米的各种类型的堤坝。这些堤坝均建立在冲积平原上，因其地基较为松散，存在较多的砂层或砂砾层，因此，地基较容易出现渗漏，且由于工程原因，在设计以及施工中容易造成防渗墙（混凝土）出现空洞，裂缝、深度不足以及厚度不够，以及现行采用水泥砂浆改性的防渗墙更容易发生墙体渗透等灾害发生。鉴于以上情况，对于堤坝的变形以及渗透破坏的观测显得非常重要，特别是针对其变形受力点，受力大小都非常难以观测。以往的检测手段一般为，电磁法检测、室内模型传感器模拟试验，钻孔取芯法，以及弹性波CT勘探等，但是，一般的手段对于观测防渗墙的变形以及力学检测，不仅不能实时反应防渗墙的变形特征，以及破坏的模式，并且埋设传感器有可能影响相关地层的模拟压力强度，造成偏差。
PIV技术是一种能够多次摄像用以记录其中粒子的位置变化，进而分析出其流动速度的方法，但是，目前尚未在堤坝质量的检测分析方面应用。
因此，为了更准确地测定不同水头梯度等因素下，防渗墙的变形特征以及相关物理参数，如何设计开发一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置及方法，并能通过相关变形的加速度特征值，计算其变形的应力特征。这是本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决现有技术存在的上述问题，提供一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置及方法，可以测定不同水头梯度等因素下，防渗墙的变形特征以及相关物理参数，实时反应防渗墙的变形特征以及破坏的模式，并能通过相关变形的加速度特征值，计算其变形的应力特征，测试方法简单，测算精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置，其特征在于，包括透明水槽、堤前储水池、堤后储水池及PIV图像处理系统，所述堤前储水池及堤后储水池分别设置在靠近所述透明水槽的两侧，且所述堤前储水池及堤后储水池的底部均高于所述透明水槽的上端，所述透明水槽两端的侧面上分别设置第一注水孔和第二注水孔，有一第一水管的两端分别与所述堤前储水池底部和所述第一注水孔连通，有一第二水管的两端分别与所述堤后储水池底部和所述第二注水孔连通；所述透明水槽内均匀竖直设置可拆卸的隔板形成若干分隔槽，在所述透明水槽的前方设置CCD照相机及LED灯,所述透明水槽顶部设置盖板，在所述盖板上开设可封闭式的管涌口。
对上述技术方案的改进：所述第一水管上设置有第一水阀和第一水压表，所述第二水管上设置有第二水阀及第二水压控制器。
对上述技术方案的进一步改进：所述透明水槽内底面上均匀间隔设置隔板插槽，所述隔板插槽的深度为1-2mm，相邻隔板的间距为15-25 mm。
对上述技术方案的进一步改进：所述的LED灯的功率至少为30W的强光灯，所述的LED灯至少有两个，分别设置在所述CCD照相机的两侧。
对上述技术方案的进一步改进：所述透明水槽为长方体形有机玻璃水槽，所述有机玻璃水槽的长╳宽╳高尺寸等于800mm╳400mm╳200mm。
本发明一种上述任一项所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据试验需求的防渗墙前方及防渗墙后方的土层的层数以及各层厚度，在透明水槽内插入隔板，并且隔离出相应尺寸的分割槽；
（2）在第一注水孔所在侧面与其最近的所述隔板之间的分隔槽内设置卵石层作为注水缓冲区，在第二注水孔所在侧面与其最近的所述隔板之间的分隔槽内放置卵石形成卵石层作为注水缓冲区；
（3）根据设计顺序，按顺序将不同地层的砂土调配好注入相应的分隔槽中；防渗墙设置在透明水槽中间位置的分割槽内；
（4）先抽出挡板，再在挡板抽出前所在的位置注入相同粒径的陶瓷微粒，或者，先用挡板挤压砂土留出空隙并注入陶瓷微粒后，再抽出挡板；
（5）装配完毕后，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入堤前储水池和堤后储水池中；第一注水孔加设堤坝的高水位，第二注水孔加设堤岸后方的水位线，等第一注水孔和第二注水孔打开后，打开CCD照相机以及LED灯对透明水槽的前侧面开始进行拍摄记录，然后，根据试验所需的水位情况以及频率对第一注水孔处的水头梯度进行设置，直至试验结束；
（6）将CCD相机拍摄处的图像导入PIV图像处理系统，对其进行分析，其中每层土的陶瓷微粒根据相关位移的矢量图，并根据陶瓷微粒的质量，分析其变形受到的渗透力大小，以及土层的变形量，并根据防渗墙的变形量、防渗墙发生变形或折断后造成防渗墙的渗透量，以及防渗墙前方的荧光剂染土层渗透到其后方透明土中的流失量，从而分析出其渗透规律。
对上述技术方案的改进：所述的步骤（3）中，对于在防渗墙前的土层采用不溶于水的荧光剂进行染色，在防渗墙后的分隔槽中注入的是普通的透明砂，若是粘土层，在透明砂中注入有机溶液产生一定的粘度混合；防渗墙制作则是由透明砂与有机胶水组成的混合物模拟混凝土墙体，或者，采用正常的等比例降低强度的混凝土板或水泥砂子混合物作为混凝土墙体。
对上述技术方案的进一步改进：所述步骤（5）中，装配完毕后，根据是否做管涌，确定是否开打开管涌口。
本发明与现有技术相比的优点和积极效果是：
1、本发明可以测定不同水头梯度等因素下，防渗墙的变形特征以及相关物理参数，实时反应防渗墙的变形特征以及破坏的模式，并能通过相关变形的加速度特征值，计算其变形的应力特征，从而分析出其渗透规律；
2、本发明透明水槽顶部设置盖板，在盖板上开设可封闭式的管涌口，可以根据需要，打开管涌口进行管涌试验；
3、本发明的测试方法简单，测算精度高。
附图说明
图1是本发明基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的俯视图；
图2是本发明基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置中透明水槽、堤前储水池及堤前储水池连接结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细描述：
参见图1、图2，本发明一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的实施例，包括透明水槽3、堤前储水池1、堤后储水池8及PIV图像处理系统，堤前储水池1及堤后储水池8分别设置在靠近透明水槽3的两侧，且堤前储水池1及堤后储水池8的底部均高于透明水槽3的上端。透明水槽3两端的侧面上分别设置第一注水孔2和第二注水孔7，有一第一水管9的两端分别与堤前储水池1底部和第一注水孔9连通，有一第二水管19的两端分别与堤后储水池8底部和第二注水孔10连通。在上述透明水槽3内均匀竖直设置可拆卸的隔板4形成若干分隔槽，在在透明水槽3的前方设置CCD照相机12及LED灯11,在透明水槽3顶部设置盖板6，在盖板6上开设可封闭式的管涌口6.1。
进一步地，在第一水管9上设置有第一水阀13和第一水压控制器14，所述第二水管10上设置有第二水阀16及第二水压控制器15。
再进一步地，在透明水槽3内底面上均匀间隔设置隔板插槽，隔板插槽的深度为1-2mm，相邻隔板4的间距为15-25 mm。
优选地，上述LED灯11的功率至少为30W的强光灯，LED灯11至少有两个，分别设置在CCD照相机12的两侧。
具体制作时，上述透明水槽3为长方体形有机玻璃水槽，有机玻璃水槽的长╳宽╳高尺寸等于800mm╳400mm╳200mm。
本发明一种上述任一项所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的测试方法的实施例，包括如下步骤：
（1）根据试验需求的防渗墙5前方及防渗墙5后方的土层的层数以及各层厚度，在透明水槽3内插入隔板4，并且隔离出相应尺寸的分割槽；
（2）在第一注水孔2所在侧面与其最近的所述隔板4之间的分隔槽内设置卵石层作为注水缓冲区；在第二注水孔7所在侧面与其最近的隔板4之间的分隔槽内放置卵石形成卵石层作为注水缓冲区；
（3）根据设计顺序，按顺序将不同地层的土调配好注入相应的分隔槽中；防渗墙5设置在透明水槽3中间位置的分割槽内；
（4）先抽出挡板4，再在挡板4抽出前所在的位置注入相同粒径的陶瓷微粒，或者，先用挡板挤压砂土留出空隙并注入陶瓷微粒后，再抽出挡板4；
（5）装配完毕后，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入堤前储水池1和堤后储水池8中；第一注水孔2加设堤坝的高水位，第二注水孔7加设堤岸后方的水位线，等第一注水孔2和第二注水孔7打开后，打开CCD照相机12以及LED灯11对透明水槽3的前侧面开始进行拍摄记录，然后，根据试验所需的水位情况以及频率对第一注水孔2处的水头梯度进行设置，直至试验结束；
（6）将CCD相机12拍摄处的图像导入PIV图像处理系统，对其进行分析，其中每层土的陶瓷微粒根据相关位移的矢量图，并根据陶瓷微粒的质量，分析其变形受到的渗透力大小，以及土层的变形量，并根据防渗墙的变形量、防渗墙5发生变形或折断后造成防渗墙5的渗透量，以及防渗墙前方的荧光剂染土层渗透到其后方透明土中的流失量，从而分析出其渗透规律。
进一步地，上述的步骤（3）中，对于在防渗墙5前的土层采用不溶于水的荧光剂进行染色，在防渗墙5后的分隔槽中注入的是普通的透明砂，若是粘土层，在透明砂中注入有机溶液产生一定的粘度混合；防渗墙5制作则是由透明砂与有机胶水组成的混合物模拟混凝土墙体，或者，采用正常的等比例降低强度的混凝土板或水泥砂子混合物作为混凝土墙体。
再进一步地，上述的步骤（5）中，装配完毕后，根据是否做管涌试验，确定是否开打开管涌口6.1。
配置消除折射率的孔隙液具体方法是：用烧杯安装放置好试验配置好的透明砂之后，贴烧杯壁插入砂土中一根贴着刻度尺测试棒（木棍等均可），并紧靠处也放置一根相同的刻度尺，并注入浓度为10%-15%（质量浓度）的盐溶液，在烧杯后面打光，观测其刻度的差距，如果刻度向上偏移，则减少盐浓度 (以百分之零点二的比例进行调整)，如果向下偏移，则反之；最终调整溶液至刻度相同后，完成孔隙液的配置。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普通技术人员，在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置，其特征在于，包括透明水槽、堤前储水池、堤后储水池及PIV图像处理系统，所述堤前储水池及堤后储水池分别设置在靠近所述透明水槽的两侧，且所述堤前储水池及堤后储水池的底部均高于所述透明水槽的上端，所述透明水槽两端的侧面上分别设置第一注水孔和第二注水孔，有一第一水管的两端分别与所述堤前储水池底部和所述第一注水孔连通，有一第二水管的两端分别与所述堤后储水池底部和所述第二注水孔连通；所述透明水槽内均匀竖直设置可拆卸的隔板形成若干分隔槽，在所述透明水槽的前方设置CCD照相机及LED灯,所述透明水槽顶部设置盖板，在所述盖板上开设可封闭式的管涌口。
2.按照权利要求1所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述第一水管上设置有第一水阀和第一水压表，所述第二水管上设置有第二水阀及第二水压控制器。
3.按照权利要求1或2所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述透明水槽内底面上均匀间隔设置隔板插槽，所述隔板插槽的深度为1-2mm，相邻隔板的间距为15-25 mm。
4.按照权利要求1或2所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述的LED灯的功率至少为30W的强光灯，所述的LED灯至少有两个，分别设置在所述CCD照相机的两侧。
5.按照权利要求3所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述的LED灯的功率至少为30W的强光灯，所述的LED灯至少有两个，分别设置在所述CCD照相机的两侧。
6.按照权利要求1或2所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述透明水槽为长方体形有机玻璃水槽，所述有机玻璃水槽的长╳宽╳高尺寸等于800mm╳400mm╳200mm。
7.按照权利要求5所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置,其特征在于，所述透明水槽为长方体形有机玻璃水槽，所述有机玻璃水槽的长╳宽╳高尺寸等于800mm╳400mm╳200mm。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）根据试验需求的防渗墙前方及防渗墙后方的土层的层数以及各层厚度，在透明水槽内插入隔板，并且隔离出相应尺寸的分割槽；
（2）在第一注水孔所在侧面与其最近的所述隔板之间的分隔槽内设置卵石层作为注水缓冲区，在第二注水孔所在侧面与其最近的所述隔板之间的分隔槽内放置卵石形成卵石层作为注水缓冲区；
（3）根据设计顺序，按顺序将不同地层的砂土调配好注入相应的分隔槽中；防渗墙设置在透明水槽中间位置的分割槽内；
（4）先抽出挡板，再在挡板抽出前所在的位置注入相同粒径的陶瓷微粒，或者，先用挡板挤压砂土留出空隙并注入陶瓷微粒后，再抽出挡板；
（5）装配完毕后，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入堤前储水池和堤后储水池中；第一注水孔加设堤坝的高水位，第二注水孔加设堤岸后方的水位线，等第一注水孔和第二注水孔打开后，打开CCD照相机以及LED灯对透明水槽的前侧面开始进行拍摄记录，然后，根据试验所需的水位情况以及频率对第一注水孔处的水头梯度进行设置，直至试验结束；
（6）将CCD相机拍摄处的图像导入PIV图像处理系统，对其进行分析，其中每层土的陶瓷微粒根据相关位移的矢量图，并根据陶瓷微粒的质量，分析其变形受到的渗透力大小，以及土层的变形量，并根据防渗墙的变形量、防渗墙发生变形或折断后造成防渗墙的渗透量，以及防渗墙前方的荧光剂染土层渗透到其后方透明土中的流失量，从而分析出其渗透规律。
9.按照权利要8所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的测试方法，其特征在于，所述的步骤（3）中，对于在防渗墙前的土层采用不溶于水的荧光剂进行染色，在防渗墙后的分隔槽中注入的是普通的透明砂，若是粘土层，在透明砂中注入有机溶液产生一定的粘度混合；防渗墙制作则是由透明砂与有机胶水组成的混合物模拟混凝土墙体，或者，采用正常的等比例降低强度的混凝土板或水泥砂子混合物作为混凝土墙体。
10.按照权利要8或9所述的基于PIV技术观测堤坝防渗墙变形的实验装置的测试方法，其特征在于，所述步骤（5）中，装配完毕后，根据是否做管涌，确定是否开打开管涌口。
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200619 |
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