CN114034616B - 管涌试验装置、其试验方法及管涌通道摩擦系数测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种管涌试验装置、其试验方法及管涌通道摩擦系数测量方法，管涌试验装置包括模型箱、供水箱、封板、测压板和多个测压管；模型箱内设有上游有孔隔板和下游有孔隔板，上游有孔隔板和下游有孔隔板将模型箱内的空间分隔为上游水箱、砂槽和下游水箱，上游有孔隔板和下游有孔隔板的一侧设有纱网，模型箱设有进水口和出水口，上游水箱通过进水口与供水箱连接，供水箱在竖直方向上的高度可调；封板与模型箱的顶部连接，封板覆盖砂槽和上游水箱，封板上开设有管涌口，管涌口的四周设有挡板，封板上设有排气管，排气管与上游水箱连通，砂样填充于砂槽内；多个测压管包括上游水箱测压管、下游水箱测压管、砂样进口测压管和砂样顶面测压管。
Description
技术领域
本发明涉及管涌试验技术领域，特别涉及一种管涌试验装置、其试验方法及管涌通道摩擦系数测量方法。
背景技术
管涌是对堤防安全构成威胁的一种主要的渗透破坏形式，在双层堤基中表现为上覆弱透水层与砂层接触面上形成向上游扩展的集中渗流通道(管涌通道)。管涌通道水流流动与常规管流不同，管涌通道沿程不断有流体流入，流体的流入会引起动量和层流边界层流态的变化，因此常规管流压降模型不再适用于管涌通道水流计算。管涌通道入流壁面摩擦系数是管涌通道压降模型中的重要参数，以往研究中常采用经验值，导致模型计算精度差，因此需对管涌通道入流壁面摩擦系数进行试验测量。
在本发明专利前，如公开号为CN112255158A的中国专利公开了一种堤基管涌破坏模式实验装置及方法，包括模型槽、进水槽、通槽、透水板、有机玻璃板、管涌孔、填充空腔、砂砾石填充层、细沙填充层、管涌通道、测压管、进水室、弱透水表上层、橡胶塞，可模拟各类堤基的管涌破坏现象。该装置具有适用范围广的优点，但该装置无法测量管涌通道几何形态、水流流速和水头分布，导致无法测量管涌通道入流壁面摩擦系数。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种管涌试验装置，可测量管涌通道几何形态、水流流速和水头分布，进一步得出管涌通道入流壁面摩擦系数。
本发明的另一目的在于，提供一种基于上述管涌试验装置的试验方法。
本发明的又一目的在于，提供一种管涌通道摩擦系数测量方法。
本发明的技术方案为：一种管涌试验装置，包括模型箱、供水箱、封板、测压板和多个测压管；
所述模型箱内设有上游有孔隔板和下游有孔隔板，上游有孔隔板和下游有孔隔板将模型箱内的空间分隔为上游水箱、砂槽和下游水箱，上游水箱和下游水箱位于砂槽的两侧，上游有孔隔板和下游有孔隔板靠近砂槽的一侧设有纱网，模型箱设有进水口和出水口，进水口与上游水箱连通，上游水箱通过进水口与供水箱连接，供水箱在竖直方向上的高度可调，出水口与下游水箱连通；
封板与模型箱的顶部连接，封板覆盖砂槽和上游水箱，封板上开设有管涌口，管涌口的四周设有挡板，挡板与封板连接，封板上设有排气管，排气管与上游水箱连通，砂样填充于砂槽内；
多个测压管包括上游水箱测压管、下游水箱测压管、砂样进口测压管和砂样顶面测压管，上游水箱测压管的一端位于上游水箱内，另一端与测压板连接，下游水箱测压管的一端位于下游水箱内，另一端与测压板连接，砂样进口测压管的一端插入靠近上游水箱的砂样内，另一端与测压板连接，砂样顶面测压管的一端位于砂槽的顶部，另一端与测压板连接。
进一步，所述模型箱和封板均采用有机玻璃板制成。
进一步，所述管涌口为直径10-20mm的圆孔。
进一步，所述供水箱通过绞盘进行升降，供水箱内设有碎石层。
进一步，所述管涌试验装置还包括三角测量传感器，三角测量传感器位于模型箱上方，三角测量传感器用以测量管涌通道的深度。采用高质量非接触式激光三角测量技术，可以透过砂样顶面有机玻璃板测量管涌通道深度，并绘制不同发展阶段管涌通道底面微地貌数字高程模型，实现对管涌发展全过程中管涌通道的三维空间变形监测。
进一步，所述管涌试验装置还包括摄像机，摄像机位于模型箱上方，摄像机用以记录染料示踪剂沿砂样顶面的运移过程。
进一步，所述多个测压管均采用不锈钢钢管制成，测压管的内径为2.0-3.5mm，外径为3.0-6.0mm，测压管远离测压板的一端包覆纱网，纱网为200-250目。
进一步，所述管涌试验装置还包括角钢外框架，所述模型箱放置于角钢外框架中。
本发明的另一技术方案为：基于上述管涌试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：往模型箱的砂槽内装填砂样；
步骤S2：通过供水箱往模型箱内注水，排除砂样中的空气，直至所有测压管的水头值一致；
步骤S3：加载水头并记录数据，从测压板读取所有测压管的初始读数，然后打开出水口和管涌口，逐级升高供水箱，管涌通道上溯之前，每级水头增量为10-20mm，管涌通道上溯之后，减小为5-10mm，每级持续时间为30-60分钟，再读取所有测压管的读数，记录出水口处的流量值用以计算砂样的渗透系数；
步骤S4：当观察到管涌通道内有砂颗粒运动时，停止增加水头，实时拍摄记录管涌通道动态发展过程，当管涌通道内无砂颗粒运移和测压管水头稳定后，首先测量管涌通道深度，然后从上游水箱注入染料示踪剂，并拍摄记录染料示踪剂沿砂层顶面运移过程，追踪管涌通道水流运动，最后从测压板读取所有测压管的读数，再继续升高供水箱；
步骤S5：每次观察到管涌通道内有砂颗粒运动均循环步骤S4，直至砂样整体破坏。
本发明的又一技术方案为：一种管涌通道摩擦系数测量方法，测量获取管涌试验装置的管涌通道宽度w、管涌通道深度d；测量获取管涌通道内水流流速v，进而计算管涌通道壁面入流流速vp；测量获取管涌通道内水头h，进而计算管涌通道水流压降；
根据质量守恒原理建立管涌通道水流连续方程，即：
根据动量守恒原理建立管涌通道水流动量方程，即：
式中，p为管涌通道任意横截面压力；A为管涌通道横截面面积；ρ为流体密度；τp为入流壁面剪切应力；τt为管涌通道顶面剪切应力；Ap为管涌通道入流壁面面积；At为管涌通道顶面面积；γ为管涌通道边壁水流入射角；β包括β1、β2和βp，为动量修正系数；
考虑管涌通道宽度w远大于通道深度d，联立管涌通道水流连续方程和管涌通道水流动量方程得到管涌通道变质量流动压降方程，即：
式中右边三项依次表示管涌通道壁面摩擦压降、加速度压降和壁面水流入射方向压降；令dβ/dx＝0，γ＝90°，且fp和ft分别为管涌通道入流壁面和顶面的摩擦系数，管涌通道变质量流动压降方程可简化为：
进而计算得到管涌通道入流壁面的摩擦系数：
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的管涌试验装置，模型箱整体采用透明有机玻璃板制成，从模型箱顶面可观察到管涌通道发展全过程，适用于各尺寸模型试验，不同岩土材料组合可用于模拟双层堤基或三层堤基等多种类型，该模型基本可实现所有类型的堤基管涌试验研究。
本发明的管涌试验装置的试验方法，采用染料示踪技术可以测量得到管涌通道内流速分布，采用激光测量技术可以测量得到管涌通道几何尺寸，采用测压管可以测量得到管涌通道内水头分布，三者搭配即可实现对管涌通道发展全过程、管涌通道三维空间变形、管涌通道水流特性及入流壁面摩擦系数的量测。
附图说明
图1为本发明的管涌试验装置的结构示意图。
图2为本发明的三角测量传感器的工作示意图。
图3为本发明的摄像机的工作示意图。
图4为本发明的角钢外钢架的结构示意图。
模型箱1、供水箱2、角钢外钢架3、上游有孔隔板4、下游有孔隔板5、砂槽6、上游水箱7、下游水箱8、砂样9、进水口10、出水口11、纱网12、管涌口13、挡板14、碎石层15、上游水箱测压管16、砂样进口测压管17、下游水箱测压管18、砂样顶面测压管19、排气管20、测压板21、管涌通道22、摄像机23、三角测量传感器24。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
如图1、图2、图3和图4所示，本实施例提供了一种管涌试验装置，包括模型箱1、供水箱2、封板、测压板21、多个测压管、角钢外钢架3、摄像机23和三角测量传感器24。
如图4所示，模型箱放置于角钢外框架内，角钢外框架与模型箱的外表面通过粘接固定，角钢外框架对模型箱的外部进行支撑加固，防止模型箱内压力过大导致模型箱损坏。
如图1和图2所示，模型箱内设有上游有孔隔板4和下游有孔隔板5，上游有孔隔板和下游有孔隔板将模型箱内的空间分隔为砂槽6、上游水箱7和下游水箱8，上游水箱和下游水箱位于砂槽的两侧，上游有孔隔板和下游有孔隔板靠近砂槽的一侧设有纱网12，模型箱设有进水口10和出水口11，进水口与上游水箱连通，上游水箱通过进水口与供水箱2连接，供水箱在竖直方向上的高度可调，出水口与下游水箱连通。在本实施例中，供水箱通过绞盘进行升降，供水箱内设有碎石层15，碎石层用以对供水箱内的水进行过滤。
如图1所示，封板与模型箱的顶部连接，封板覆盖砂槽和上游水箱，封板上开设有管涌口13，管涌口为直径10-20mm的圆孔，管涌口的四周设有挡板14，挡板与封板连接，封板上设有排气管20，排气管与上游水箱连通，砂样9填充于砂槽内。在本实施例中，管涌口的直径为10mm，模型箱和封板均采用有机玻璃板制成。
如图1所示，多个测压管包括上游水箱测压管16、砂样进口测压管17、下游水箱测压管18和砂样顶面测压管19，上游水箱测压管的一端位于上游水箱内，另一端与测压板连接，下游水箱测压管的一端位于下游水箱内，另一端与测压板连接，砂样进口测压管的一端插入靠近上游水箱的砂样内，另一端与测压板连接，砂样顶面测压管的一端位于砂槽的顶部，另一端与测压板连接，砂样顶面测压管用以测量管涌通道22的水头。多个测压管均采用不锈钢钢管制成，测压管的内径为2.0-3.5mm，外径为3.0-6.0mm，测压管远离测压板的一端包覆纱网，纱网为200-250目，在本实施中，测压管的内径为2.0mm，外径为3.0mm，测压管、上游有孔隔板和下游有孔隔板上的纱网均为200目。
如图2所示，三角测量传感器24位于模型箱上方，三角测量传感器用以测量管涌通道的深度。采用高质量非接触式激光三角测量技术，可以透过砂样顶面有机玻璃板测量管涌通道深度，并绘制不同发展阶段管涌通道底面微地貌数字高程模型，实现对管涌发展全过程中管涌通道的三维空间变形监测。如图3所示，摄像机23位于模型箱上方，摄像机用以记录染料示踪剂沿砂样顶面的运移过程。
基于上述管涌试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤S1：装填砂样，先封闭模型箱的进水口、出水口、多个测压管、排气管和管涌口，将模型箱的进水口朝下进行竖立，接着将模型箱内充满水，再往砂槽内水下分层抛填砂土，并将砂样捣实，将砂样填充至下游有孔隔板处时停止，修平砂样的表面，再打开上游水箱测压管，将砂样内的水向下排出，利用水流向下的渗透力压密砂样，砂样内的水位下降至上游有孔隔板处时停止；
步骤S2：连接进水口与供水箱，供水箱朝模型箱内注水，排出砂样中的空气，当水位到达下游有孔隔板处时停止注水，静置砂样24小时使其充分饱和，再将所有测压管与测压板连接，排除测压管内的空气，直至所有测压管的水头值一致，将模型箱水平放置，并将下游水箱注满水；
步骤S3：加载水头并记录数据，从测压板读取所有测压管的初始读数，然后打开出水口和管涌口，逐级升高供水箱，管涌通道上溯之前，每级水头增量为10-20mm，管涌通道上溯之后，减小为5-10mm，每级持续时间为30-60分钟，再读取所有测压管的读数，记录出水口处的流量值用以计算砂样的渗透系数；在本实施例中，管涌通道上溯之前，每级水头增量为10mm，上溯之后，减小为5mm，每级持续时间30分钟；管涌通道的形成过程为：随着供水箱升高，水压力增大，管涌通道开始形成，首先在管涌口下方的砂层顶面形成空洞，随着供水箱的进一步升高，管涌通道朝上游水箱的方向延伸；
步骤S4：当观察到管涌通道内有砂颗粒运动时，停止增加水头，实时拍摄记录管涌通道动态发展过程，当管涌通道内无砂颗粒运移和测压管水头稳定后，首先测量管涌通道深度，然后从上游水箱内注入染料示踪剂，并拍摄记录染料示踪剂沿砂层顶面运移过程，追踪管涌通道水流运动，最后从测压板读取所有测压管的读数，再继续升高供水箱；
步骤S5：每次观察到管涌通道内有砂颗粒运动均循环步骤S4，直至砂样整体破坏。
实施例2
本实施例提供了一种管涌通道摩擦系数测量方法，具体为管涌通道入流壁面的摩擦系数测量方法，测量获取管涌试验装置的管涌通道宽度w、管涌通道深度d；测量获取管涌通道内水流流速v，进而计算管涌通道壁面入流流速vp；测量获取管涌通道内水头h，进而计算管涌通道水流压降；
根据质量守恒原理建立管涌通道水流连续方程，即：
根据动量守恒原理建立管涌通道水流动量方程，即：
式中，p为管涌通道任意横截面压力；A为管涌通道横截面面积；ρ为流体密度；τp为入流壁面剪切应力；τt为管涌通道顶面剪切应力；Ap为管涌通道入流壁面面积；At为管涌通道顶面面积；γ为管涌通道边壁水流入射角；β包括β1、β2和βp，为动量修正系数；
考虑管涌通道宽度w远大于通道深度d，联立上述两个方程得到管涌通道变质量流动压降方程，即：
式中右边三项依次表示管涌通道壁面摩擦压降、加速度压降和壁面水流入射方向压降；令dβ/dx＝0，γ＝90°，且fp和ft分别为管涌通道入流壁面和顶面的摩擦系数，管涌通道变质量流动压降方程可简化为：
进而计算得到管涌通道入流壁面的摩擦系数：
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (8)
1.一种管涌试验装置的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述管涌试验装置包括模型箱、供水箱、封板、测压板和多个测压管；
所述模型箱内设有上游有孔隔板和下游有孔隔板，上游有孔隔板和下游有孔隔板将模型箱内的空间分隔为上游水箱、砂槽和下游水箱，上游水箱和下游水箱位于砂槽的两侧，上游有孔隔板和下游有孔隔板靠近砂槽的一侧设有纱网，模型箱设有进水口和出水口，进水口与上游水箱连通，上游水箱通过进水口与供水箱连接，供水箱在竖直方向上的高度可调，出水口与下游水箱连通；
封板与模型箱的顶部连接，封板覆盖砂槽和上游水箱，封板上开设有管涌口，管涌口的四周设有挡板，挡板与封板连接，封板上设有排气管，排气管与上游水箱连通，砂样填充于砂槽内；
多个测压管包括上游水箱测压管、下游水箱测压管、砂样进口测压管和砂样顶面测压管，上游水箱测压管的一端位于上游水箱内，另一端与测压板连接，下游水箱测压管的一端位于下游水箱内，另一端与测压板连接，砂样进口测压管的一端插入靠近上游水箱的砂样内，另一端与测压板连接，砂样顶面测压管的一端位于砂槽的顶部，另一端与测压板连接；
测量获取管涌试验装置的管涌通道宽度w、管涌通道深度d；测量获取管涌通道内水流流速v，进而计算管涌通道壁面入流流速vp；测量获取管涌通道内水头h，进而计算管涌通道水流压降；
根据质量守恒原理建立管涌通道水流连续方程，即：
根据动量守恒原理建立管涌通道水流动量方程，即：
式中，p为管涌通道任意横截面压力；A为管涌通道横截面面积；ρ为流体密度；τp为入流壁面剪切应力；τt为管涌通道顶面剪切应力；Ap为管涌通道入流壁面面积；At为管涌通道顶面面积；γ为管涌通道边壁水流入射角；β包括β1、β2和βp，为动量修正系数；
考虑管涌通道宽度w远大于通道深度d，联立管涌通道水流连续方程和管涌通道水流动量方程得到管涌通道变质量流动压降方程，即：
式中右边三项依次表示管涌通道壁面摩擦压降、加速度压降和壁面水流入射方向压降；令dβ/dx＝0，γ＝90°，且fp和ft分别为管涌通道入流壁面和顶面的摩擦系数，管涌通道变质量流动压降方程可简化为：
进而计算得到管涌通道入流壁面的摩擦系数：
2.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述模型箱和封板均采用有机玻璃板制成。
3.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述管涌口为直径10-20mm的圆孔。
4.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述供水箱通过绞盘进行升降，供水箱内设有碎石层。
5.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述管涌试验装置还包括三角测量传感器，三角测量传感器位于模型箱上方，三角测量传感器用以测量管涌通道的深度。
6.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述管涌试验装置还包括摄像机，摄像机位于模型箱上方，摄像机用以记录染料示踪剂沿砂样顶面的运移过程。
7.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述多个测压管均采用不锈钢钢管制成，测压管的内径为2.0-3.5mm，外径为3.0-6.0mm，测压管远离测压板的一端包覆纱网，纱网为200-250目。
8.根据权利要求1所述的管涌通道摩擦系数测量方法，其特征在于，所述管涌试验装置还包括角钢外框架，所述模型箱放置于角钢外框架中。
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