CN111721652B - 一种基于piv和ptv技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

发明提供一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法。该装置包括模型盒、上游水头施加装置、水桶、水泵、数码单反相机、激光灯头、荧光染料、紫外光源以及多根硅胶软管。所述模型盒包括顶盖和底座。工作时，所述模型盒内放置有试样，使用激光光源标记示踪粒子，使用紫外光源标记染色颗粒，交替使用两种光源进行图像采集后，使用PIV和PTV技术进行图像处理。装置的试验方法包括试样前期预处理、试样安装、图像采集、图像处理等步骤。本装置能够在一次试验中同时获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和物体的运动信息，便于操作和实现，避免了重复试验之间的系统误差，降低了试验工作量，提高试验数据获取的准确性。

Description

一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验 方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，特别涉及一种土体渗透破坏规律测试装置及试验方法。

背景技术

管涌指的是由于水流的渗透作用，以及在水流力的影响下，在粗颗粒中形成了密集的渗漏通道，使细颗粒大量涌出，土体内部的稳定性降低，土体失去稳定性从而破坏。在管涌的产生过程中，由于土体中细颗粒的流失，土体的一些力学特性如稳定性、渗透性等会发生改变，不仅如此，不同的类型，发展的不同过程都会对管涌的机理有所影响。为了揭示水力侵蚀的发生发展过程中的相应变化，需要在试验过程中精确刻画水力侵蚀通道的形态、监测含水层及水力侵蚀通道内流体与流失颗粒的运动状态。因此，探究水力侵蚀细观机理对于探究水力侵蚀的发生发展有着重要的意义。

在土体内部变化的观测中，传统室内试验由于土体本身的不透明特性，只能限制在土体的表面进行，无法对内部土颗粒的实际运动情况进行直接观测。在土体内部埋设传感器等方法会对土体流动本身造成很大的干扰。近代以来CT和MRI技术虽被用于岩土力学的模型试验研究中，但由于价格昂贵且在模型尺寸上有着诸多限制，使得该技术难以得到广泛应用。有必要采取一种简便的能够直接观测土体内部并进行无损测量的试验手段对管涌展开研究。在此基础上使用透明土技术模拟土体内部情形能够从外部直接对土体进行观测。

对于水力侵蚀细观机理的测量，土体中流体的流动和可动细颗粒的运动都是观测的重点。在进行土体内部粒子的运动观测时，粒子示踪测速技术实现了流场粒子的测量，与传统的测试手段相比具有无接触、瞬态、全局的测量优点。当图像中示踪粒子密度较低时可以检测出单个示踪粒子称为PTV(Particle Tracking Velocimetry，粒子图像追踪)技术。当图像中示踪粒子密度中等时需用统计标准进行粒子评估称为PIV(Particle ImageVelocimetry，粒子图像测速)技术。当使用一种方法去测量流体的运动信息时，在观测区域中仅仅只有液体流场信息。但除了流体的运动流场，人们仍想获得流体与固体颗粒运动的机理。此时往往通过重复试验来获取不同运动信息，但这样操作会使试验工作量和流场与颗粒运动之间的系统误差增加。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置及试验方法，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置，包括透明模型盒、上游水头施加装置、水箱、水泵、数码相机、激光发生器、紫外光源和测压管。

所述透明模型盒包括试样盒本体、顶盖、上隔板、下隔板和支脚。所述试样盒本体整体为一个上端敞口的矩形盒。所述试样盒本体的底板上开设有模型盒入水口。所述试样盒本体的上端敞口采用顶盖封堵。所述试样盒本体的底板下方设置有若干支脚。所述上隔板和下隔板为多孔板。所述上隔板和下隔板布置在试样盒本体的内腔中。所述上隔板和下隔板将试样盒本体的内腔分隔出上缓冲区、试样区和下缓冲区。所述试样盒本体在上缓冲区处的侧壁上设置有模型盒出水口。所述试样盒本体在试样区处的侧壁上设置有若干测压孔。所述上缓冲区和下缓冲区内填筑有卵砾石。所述试样区中填筑有试样。所述试样采用未染色透明固体颗粒和染色透明固体颗粒均匀混合制得。所述染色透明固体颗粒的粒径区间为0.5～1mm。

所述上游水头施加装置包括外桶、内桶和支架。所述内桶布置在外桶的内腔中。所述内桶的桶底开设有内桶入水口和内桶出水口。所述外桶的桶底在内桶入水口和内桶出水口位置处设置有对应的孔洞。所述内桶入水口通过管路与水泵的出水口连接。所述内桶出水口通过管路与模型盒入水口连接。所述内桶出水口与模型盒入水口之间的管路上设置有阀门。所述外桶的桶底还设置有外桶出水口。所述支架包括底座和立柱。所述立柱的下端固定在底座的上表面。所述立柱侧壁上竖直设置有拖曳导轨以及与拖曳导轨配合的滑块。所述外桶的外壁挂载于滑块上。通过滑块外桶可沿竖直方向运动。

所述水箱中盛放有透明溶液。所述透明溶液的折射率与未染色透明固体颗粒的折射率相同。所述透明溶液中混合有示踪粒子。所述水泵的入水口通过管路与水箱连接。所述外桶出水口通过管路与水箱连接。所述模型盒出水口通过管路与水箱连接。

所述数码相机和激光发生器布置在透明模型盒外侧。所述紫外光源布置在透明模型盒上方。

工作时，水泵抽取水箱中的透明溶液并输送到内桶中。内桶被透明溶液灌满。透明溶液漫出到外桶中并经外桶出水口回流至水箱中。内桶中的透明溶液经内桶出水口和模型盒入水口流入透明模型盒。透明溶液与试样混合。透明溶液注满透明模型盒后，通过模型盒出水口流入水箱内。透明溶液形成稳定循环。所述激光发生器发射激光在透明模型盒内部形成激光切面。所述紫外光源向透明模型盒发射紫外光。所述数码相机对透明模型盒进行拍摄。所述数码相机的镜头轴线垂直于激光面。

进一步，所述透明模型盒采用有机玻璃制成。所述外桶和内桶采用有机玻璃制成。

进一步，所述未染色透明固体颗粒选用熔融石英砂。熔融石英砂采用荧光染料染色后成为染色透明固体颗粒。

进一步，所述试样盒本体的底板向外延伸出连接部。所述连接部上设置有若干销孔。所述顶盖在连接部销孔对应位置也设置有销孔。所述顶盖盖设在试样盒本体的上端敞口后，螺杆穿过顶盖和连接部上对应的销孔后旋入螺帽。

进一步，所述透明溶液选用溴化钙溶液。

进一步，所述管路选用硅胶软管。

本发明还公开一种采用上述装置的试验方法，包括以下步骤：

1)使用荧光染料对透明固体颗粒染色并烘干，得到染色透明固体颗粒。

2)将染色透明固体颗粒与未染色透明固体颗粒均匀混合，制得试样。

3)按预设密实度将试样填筑于试样区。在盛放于水箱内的透明溶液中添加示踪粒子，得到混合液。

4)通过滑块调节外桶高度，使外桶底部与试样顶部平齐。关闭阀门。

5)启动水泵，水箱中的混合液注入至内桶中。

6)待混合液漫出内桶后，打开阀门。混合液缓慢注入至试样区。混合液与试样混合。

7)待透明模型盒中混合液液面达到预设位置，关掉阀门，使用顶盖密封透明模型盒。

8)打开阀门，混合液注满透明模型盒后回流入水箱中。

9)调节外桶高度获得预定的混合液水头。

10)待混合液循环稳定后，打开激光发生器，激光在试样中形成激光面。

11)数码相机聚焦在激光面上，录制30s图像。

12)关闭激光发生器。打开紫外光源。若染色透明固体颗粒运动则保持数码相机位置不变录制30s图像后进行步骤13)。若染色透明固体颗粒保持静止则进行步骤14)。

13)当染色透明固体颗粒稳定后，关闭紫外光源。打开激光发生器，数码相机录制30s图像。

14)将透明模型盒排出的溶液引入量筒中，测量一段时间后宏观状态下的流量Q，测压管记录侵蚀过程中的水力梯度。

15)改变激光发生器和数码相机的位置，交替打开激光发生器和紫外光源获得多幅图像。

16)对图像使用PIV和PTV进行处理和数据分析，获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和颗粒的运动信息。

17)调整水头高度、试样级配和试样密实度，重复上述过程。

进一步，步骤6)中，混合液与试样混合过程中使用玻璃棒搅拌使气泡排出。

进一步，步骤16)中，采集图像后，对图像进行灰度二值化处理，并进行形态学开闭运算修缮图像。

进一步，步骤17后，还具有分析试验结果，得出水力侵蚀细观机理规律的相关步骤。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

A.一次试验中可同时收集水力侵蚀过程中流场运动和固体颗粒流失的信息，能够对水力侵蚀发生的细观机理进行进一步的认识；

B.能够对土体内部任意部分进行研究，扩展了水力侵蚀观测的角度和层次；

C.便于操作和实现，避免了重复试验之间的系统误差，降低了试验工作量，提高试验数据获取的效率。

附图说明

图1为观测装置结构示意图；

图2为透明模型盒结构示意图；

图3为透明模型盒连接关系示意图；

图4为方法流程图；

图5为试样获取示意图；

图6为数码相机采集图像；

图7为流场图；

图8为流速频数直方图；

图9为宏观和微观流速对比图。

图中：透明模型盒1、试样盒本体101、顶盖102、上隔板103、下隔板104、支脚105、上游水头施加装置2、外桶201、内桶202、支架203、阀门204、水箱3、水泵4、数码相机5、激光发生器6、紫外光源7、测压管8、试样9、未染色透明固体颗粒901、染色透明固体颗粒902。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

参见图1，本实施例公开一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置，包括透明模型盒1、上游水头施加装置2、水箱3、水泵4、数码相机5、激光发生器6、紫外光源7和测压管8。

参见图2和图3，所述透明模型盒1采用有机玻璃制成。所述透明模型盒1包括试样盒本体101、顶盖102、上隔板103、下隔板104和支脚105。所述试样盒本体101整体为一个上端敞口的矩形盒。所述试样盒本体101的底板向外延伸出连接部。所述连接部上设置有销孔。所述顶盖102在连接部销孔对应位置也设置有销孔。所述顶盖102盖设在试样盒本体101的上端敞口后，螺杆穿过顶盖102和连接部上对应的销孔后旋入螺帽，通过锁紧螺帽起到封闭模型盒的作用。

所述试样盒本体101的底板上开设有模型盒入水口。所述试样盒本体101的上端敞口采用顶盖102封堵。所述试样盒本体101的底板下方设置有支脚105。所述上隔板103和下隔板104为多孔板。所述上隔板103和下隔板104布置在试样盒本体101的内腔中。所述上隔板103和下隔板104将试样盒本体101的内腔分隔出上缓冲区、试样区和下缓冲区。所述试样盒本体101在上缓冲区处的侧壁上设置有模型盒出水口。所述试样盒本体101在试样区处的侧壁上设置有测压孔。所述上缓冲区和下缓冲区内填筑有卵砾石。所述试样区中填筑有试样9。所述试样9采用未染色透明固体颗粒901和染色透明固体颗粒902均匀混合制得。所述未染色透明固体颗粒901选用熔融石英砂。熔融石英砂采用荧光染料染色后成为染色透明固体颗粒902。所述荧光染料在正常状态下无色，在紫外光激发下呈红色。所述染色透明固体颗粒902的粒径区间为0.5～1mm。

所述上游水头施加装置2包括外桶201、内桶202和支架203。所述外桶201和内桶202采用有机玻璃制成。所述内桶202布置在外桶201的内腔中。所述内桶202的桶底开设有内桶入水口和内桶出水口。所述外桶201的桶底在内桶入水口和内桶出水口位置处设置有对应的孔洞。所述内桶入水口通过管路与水泵4的出水口连接。所述内桶出水口通过管路与模型盒入水口连接。所述内桶出水口与模型盒入水口之间的管路上设置有阀门204。所述外桶201的桶底还设置有外桶出水口。所述支架203包括底座和立柱。所述立柱的下端固定在底座的上表面。所述立柱侧壁上竖直设置有拖曳导轨以及与拖曳导轨配合的滑块。所述外桶201的外壁挂载于滑块上。通过滑块外桶201可沿竖直方向运动。

所述水箱3中盛放有透明溶液。所述透明溶液选用溴化钙溶液。所述透明溶液的折射率与未染色透明固体颗粒901的折射率相同。所述透明溶液中混合有示踪粒子。所述水泵4的入水口通过管路与水箱3连接。所述外桶出水口通过管路与水箱3连接。所述模型盒出水口通过管路与水箱3连接。

所述数码相机5和激光发生器6布置在透明模型盒1外侧。所述紫外光源7布置在透明模型盒1上方。

工作时，水泵4抽取水箱3中的透明溶液并输送到内桶202中。内桶202被透明溶液灌满。透明溶液漫出到外桶201中并经外桶出水口回流至水箱3中。内桶202中的透明溶液经内桶出水口和模型盒入水口流入透明模型盒1。透明溶液与试样9混合。透明溶液注满透明模型盒1后，通过模型盒出水口流入水箱3内。透明溶液形成稳定循环。所述激光发生器6发射激光在透明模型盒1内部形成激光切面。所述紫外光源7向透明模型盒1发射紫外光。所述数码相机5对透明模型盒1进行拍摄。所述数码相机5的镜头轴线垂直于激光面。

值得说明的是，本实施例可测试多孔介质内水力侵蚀的细观机。相比于仅观察表面的水力侵蚀研究，本实施例能够对土体内部任意部分进行研究，扩展了水力侵蚀观测的角度和层次。

实施例2：

本实施例公开一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置，包括透明模型盒1、上游水头施加装置2、水箱3、水泵4、数码相机5、激光发生器6、紫外光源7和测压管8。

所述透明模型盒1包括试样盒本体101、顶盖102、上隔板103、下隔板104和支脚105。所述试样盒本体101整体为一个上端敞口的矩形盒。所述试样盒本体101的底板上开设有模型盒入水口。所述试样盒本体101的上端敞口采用顶盖102封堵。所述试样盒本体101的底板下方设置有支脚105。所述上隔板103和下隔板104为多孔板。所述上隔板103和下隔板104布置在试样盒本体101的内腔中。所述上隔板103和下隔板104将试样盒本体101的内腔分隔出上缓冲区、试样区和下缓冲区。所述试样盒本体101在上缓冲区处的侧壁上设置有模型盒出水口。所述试样盒本体101在试样区处的侧壁上设置有测压孔。所述上缓冲区和下缓冲区内填筑有卵砾石。所述试样区中填筑有试样9。所述试样9采用未染色透明固体颗粒901和染色透明固体颗粒902均匀混合制得。

所述上游水头施加装置2包括外桶201、内桶202和支架203。所述内桶202布置在外桶201的内腔中。所述内桶202的桶底开设有内桶入水口和内桶出水口。所述外桶201的桶底在内桶入水口和内桶出水口位置处设置有对应的孔洞。所述内桶入水口通过管路与水泵4的出水口连接。所述内桶出水口通过管路与模型盒入水口连接。所述内桶出水口与模型盒入水口之间的管路上设置有阀门204。所述外桶201的桶底还设置有外桶出水口。所述支架203包括底座和立柱。所述立柱的下端固定在底座的上表面。所述立柱侧壁上竖直设置有拖曳导轨以及与拖曳导轨配合的滑块。所述外桶201的外壁挂载于滑块上。通过滑块外桶201可沿竖直方向运动。

所述水箱3中盛放有透明溶液。所述透明溶液的折射率与未染色透明固体颗粒901的折射率相同。所述透明溶液中混合有示踪粒子。所述水泵4的入水口通过管路与水箱3连接。所述外桶出水口通过管路与水箱3连接。所述模型盒出水口通过管路与水箱3连接。

所述数码相机5和激光发生器6布置在透明模型盒1外侧。所述紫外光源7布置在透明模型盒1上方。

工作时，水泵4抽取水箱3中的透明溶液并输送到内桶202中。内桶202被透明溶液灌满。透明溶液漫出到外桶201中并经外桶出水口回流至水箱3中。内桶202中的透明溶液经内桶出水口和模型盒入水口流入透明模型盒1。透明溶液与试样9混合。透明溶液注满透明模型盒1后，通过模型盒出水口流入水箱3内。透明溶液形成稳定循环。所述激光发生器6发射激光在透明模型盒1内部形成激光切面。所述紫外光源7向透明模型盒1发射紫外光。所述数码相机5对透明模型盒1进行拍摄。所述数码相机5的镜头轴线垂直于激光面。

实施例3：

本实施例主要结构同实施例2，其中，所述未染色透明固体颗粒901选用熔融石英砂。熔融石英砂采用荧光染料染色后成为染色透明固体颗粒902。所述荧光染料在正常状态下无色，在紫外光激发下呈红色。

实施例4：

本实施例主要结构同实施例2，其中，所述试样盒本体101的底板向外延伸出连接部。所述连接部上设置有销孔。所述顶盖102在连接部销孔对应位置也设置有销孔。所述顶盖102盖设在试样盒本体101的上端敞口后，螺杆穿过顶盖102和连接部上对应的销孔后旋入螺帽，通过锁紧螺帽起到封闭模型盒的作用。

实施例5：

本实施例主要结构同实施例2，其中，所述管路选用硅胶软管。所述激光发生器6选用波长为532nm、功率为150mW的高稳定带温控绿光激光模组。所述激光发生器6的光斑模式为一字线，当激光穿过透明多孔介质时会在试样中形成激光面。所述数码相机5选用PENTAX数码单反相机，配置三脚架和定时快门线。

实施例6：

参见图4，本实施例公开一种采用实施例1～5任意一项装置的试验方法，包括以下步骤：

1)参见图5，使用荧光染料对透明固体颗粒染色并烘干，得到染色透明固体颗粒902。

2)将染色透明固体颗粒902与未染色透明固体颗粒901均匀混合，制得试样9。

3)按预设密实度将试样9填筑于试样区。在盛放于水箱3内的透明溶液中添加示踪粒子，得到混合液。

4)通过滑块调节外桶201高度，使外桶201底部与试样顶部平齐。关闭阀门204。

5)启动水泵4，水箱3中的混合液注入至内桶202中。

6)待混合液漫出内桶202后，打开阀门204。混合液缓慢注入至试样区。混合液与试样9混合。混合液与试样9混合过程中使用玻璃棒搅拌使气泡排出。

7)待透明模型盒1中混合液液面达到预设位置，关掉阀门204，使用顶盖102密封透明模型盒1。

8)打开阀门204，混合液注满透明模型盒1后回流入水箱3中。

9)调节外桶201高度获得预定的混合液水头。

10)待混合液循环稳定后，打开激光发生器6，激光在试样9中形成激光面。

11)数码相机5聚焦在激光面上，录制30s图像。数码相机采集图像如图6所示。

12)关闭激光发生器6。打开紫外光源7。若染色透明固体颗粒902运动则保持数码相机位置不变录制30s图像后进行步骤13)。若染色透明固体颗粒902保持静止则进行步骤14)。

13)当染色透明固体颗粒902稳定后，关闭紫外光源7。打开激光发生器6，数码相机5录制30s图像。

14)将透明模型盒1排出的溶液引入量筒中，测量一段时间后宏观状态下的流量Q。测压管8记录侵蚀过程中的水力梯度。

15)改变激光发生器6和数码相机5的位置，交替打开激光发生器6和紫外光源7获得多幅图像。

16)对图像使用PIV和PTV进行处理和数据分析，获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和颗粒的运动信息。

基于PIV技术的基本原理，本实施例应用尺度极小的示踪粒子来近似的代替并标记液体流场中的流体质点。基于PTV技术的基本原理，在紫外光的照射下，本实施例在固体颗粒表面使用紫外荧光染料标记作为示踪粒子。

图像采集之后，首先选择合适的阈值进行图像灰度二值化，去除背景明暗不均匀并删除噪声粒子，然后进行形态学开闭运算修缮图像。选取一个灰度级(即阈值)对像素集合进行划分，小于此灰度级的设为0，并判定为示踪粒子。大于此灰度级的设为255，表示背景或其他物体。二值化处理后，读取判定为示踪粒子的像素的位置坐标，并根据像素个数计算粒子直径。计算每个示踪粒子的形心位置，用于后续粒子匹配，进而计算示踪粒子的位移。图像处理和数据分析主要包括图像灰度二值化、示踪粒子的形状和粒径识别和流速统计。

17)调整水头高度、试样级配和试样密实度，重复上述过程。通过比较不同工况下颗粒前后的流场的流动信息和颗粒的运动信息，获取粒子运动流速分布和粒子运动轨迹图。

18)分析试验结果，通过分析粒子运动和流失轨迹、不同阶段粒子的流速分布、不同状态下粒子的流速对比得出水力侵蚀细观机理相关规律。

值得说明的是，图7显示了本实施例的流场图。图8显示了本实施例的流速频数直方图。图9显示了本实施例宏观和微观流速对比图。本实施例应用高速相机记录被标记的流体质点运动的轨迹，通过高速相机极短的时间间隔重现流体质点的速度矢量，得到测试区域中的流场流动信息。应用高速相机记录被标记的颗粒运动轨迹，得到测试区域中的固体运动信息。

Claims (7)

1.一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测装置包括透明模型盒（1）、上游水头施加装置（2）、水箱（3）、水泵（4）、数码相机（5）、激光发生器（6）、紫外光源（7）和测压管（8）；

所述透明模型盒（1）包括试样盒本体（101）、顶盖（102）、上隔板（103）、下隔板（104）和支脚（105）；所述试样盒本体（101）整体为一个上端敞口的矩形盒；所述试样盒本体（101）的底板上开设有模型盒入水口；所述试样盒本体（101）的上端敞口采用顶盖（102）封堵；所述试样盒本体（101）的底板下方设置有若干支脚（105）；所述上隔板（103）和下隔板（104）为多孔板；所述上隔板（103）和下隔板（104）布置在试样盒本体（101）的内腔中；所述上隔板（103）和下隔板（104）将试样盒本体（101）的内腔分隔出上缓冲区、试样区和下缓冲区；所述试样盒本体（101）在上缓冲区处的侧壁上设置有模型盒出水口；所述试样盒本体（101）在试样区处的侧壁上设置有若干测压孔；所述上缓冲区和下缓冲区内填筑有卵砾石；所述试样区中填筑有试样（9）；所述试样（9）采用未染色透明固体颗粒（901）和染色透明固体颗粒（902）均匀混合制得；所述未染色透明固体颗粒（901）选用熔融石英砂；熔融石英砂采用荧光染料染色后成为染色透明固体颗粒（902）；所述染色透明固体颗粒（902）的粒径区间为0.5～1mm；

所述上游水头施加装置（2）包括外桶（201）、内桶（202）和支架（203）；所述内桶（202）布置在外桶（201）的内腔中；所述内桶（202）的桶底开设有内桶入水口和内桶出水口；所述外桶（201）的桶底在内桶入水口和内桶出水口位置处设置有对应的孔洞；所述内桶入水口通过管路与水泵（4）的出水口连接；所述内桶出水口通过管路与模型盒入水口连接；所述内桶出水口与模型盒入水口之间的管路上设置有阀门（204）；所述外桶（201）的桶底还设置有外桶出水口；所述支架（203）包括底座和立柱；所述立柱的下端固定在底座的上表面；所述立柱侧壁上竖直设置有拖曳导轨以及与拖曳导轨配合的滑块；所述外桶（201）的外壁挂载于滑块上；通过滑块外桶（201）可沿竖直方向运动；

所述水箱（3）中盛放有透明溶液；所述透明溶液的折射率与未染色透明固体颗粒（901）的折射率相同；所述透明溶液选用溴化钙溶液；所述透明溶液中混合有示踪粒子；所述水泵（4）的入水口通过管路与水箱（3）连接；所述外桶出水口通过管路与水箱（3）连接；所述模型盒出水口通过管路与水箱（3）连接；

所述数码相机（5）和激光发生器（6）布置在透明模型盒（1）外侧；所述紫外光源（7）布置在透明模型盒（1）上方；

工作时，水泵（4）抽取水箱（3）中的透明溶液并输送到内桶（202）中；内桶（202）被透明溶液灌满；透明溶液漫出到外桶（201）中并经外桶出水口回流至水箱（3）中；内桶（202）中的透明溶液经内桶出水口和模型盒入水口流入透明模型盒（1）；透明溶液与试样（9）混合；透明溶液注满透明模型盒（1）后，通过模型盒出水口流入水箱（3）内；透明溶液形成稳定循环；所述激光发生器（6）发射激光在透明模型盒（1）内部形成激光切面；所述紫外光源（7）向透明模型盒（1）发射紫外光；所述数码相机（5）对透明模型盒（1）进行拍摄；所述数码相机（5）的镜头轴线垂直于激光面；

试验方法包括以下步骤：

1)使用荧光染料对透明固体颗粒染色并烘干，得到染色透明固体颗粒（902）；

2)将染色透明固体颗粒（902）与未染色透明固体颗粒（901）均匀混合，制得试样（9）；

3)按预设密实度将试样（9）填筑于试样区；在盛放于水箱（3）内的透明溶液中添加示踪粒子，得到混合液；

4)通过滑块调节外桶（201）高度，使外桶（201）底部与试样顶部平齐；关闭阀门（204）；

5)启动水泵（4），水箱（3）中的混合液注入至内桶（202）中；

6)待混合液漫出内桶（202）后，打开阀门（204）；混合液缓慢注入至试样区；混合液与试样（9）混合；

7)待透明模型盒（1）中混合液液面达到预设位置，关掉阀门（204），使用顶盖（102）密封透明模型盒（1）；

8)打开阀门（204），混合液注满透明模型盒（1）后回流入水箱（3）中；

9)调节外桶（201）高度获得预定的混合液水头；

10)待混合液循环稳定后，打开激光发生器（6），激光在试样（9）中形成激光面；

11)数码相机（5）聚焦在激光面上，录制30s图像；

12)关闭激光发生器（6）；打开紫外光源（7）；若染色透明固体颗粒（902）运动则保持数码相机位置不变录制30s图像后进行步骤13)；若染色透明固体颗粒（902）保持静止则进行步骤14)；

13)当染色透明固体颗粒（902）稳定后，关闭紫外光源（7）；打开激光发生器（6），数码相机（5）录制30s图像；

14)将透明模型盒（1）排出的溶液引入量筒中，测量一段时间后宏观状态下的流量Q，测压管（8）记录侵蚀过程中的水力梯度；

15)改变激光发生器（6）和数码相机（5）的位置，交替打开激光发生器（6）和紫外光源（7）获得多幅图像；

16)对图像使用PIV和PTV进行处理和数据分析，获得水力侵蚀过程中流场的流动信息和颗粒的运动信息；

17)调整水头高度、试样级配和试样密实度，重复上述过程。

2.根据权利要求1所述的一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：所述透明模型盒（1）采用有机玻璃制成；所述外桶（201）和内桶（202）采用有机玻璃制成。

3.根据权利要求1所述的一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：所述试样盒本体（101）的底板向外延伸出连接部；所述连接部上设置有若干销孔；所述顶盖（102）在连接部销孔对应位置也设置有销孔；所述顶盖（102）盖设在试样盒本体（101）的上端敞口后，螺杆穿过顶盖（102）和连接部上对应的销孔后旋入螺帽。

4.根据权利要求1所述的一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：所述管路选用硅胶软管。

5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于：步骤6)中，混合液与试样（9）混合过程中使用玻璃棒搅拌使气泡排出。

6.根据权利要求1所述的一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：步骤16)中，采集图像后，对图像进行灰度二值化处理，并进行形态学开闭运算修缮图像。

7.根据权利要求1所述的一种基于PIV和PTV技术的水力侵蚀细观机理观测试验方法，其特征在于：步骤17)后，还具有分析试验结果，得出水力侵蚀细观机理规律的相关步骤。

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