CN114279938B - 水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，包括渗流土柱模型、水头调节组件、收集组件；水头调节组件包括机架、水箱、承重台，机架上竖直安装有丝杆及竖导杆，竖导杆套设在承重台四个角部，承重台套设在丝杆上并与之螺纹配合，水箱放置在承重台上，水箱出水口经供水管路的连接渗流土柱模型；本装置能模拟在相同水力条件下，不同级配碎石土饱和渗流试验优先流路径形成的过程，利用水头调节组件实现水头的稳定变化；本能模拟在相同水力条件下，细颗粒迁移对碎石土优先流路径形成的影响。观察不同水头下细颗粒迁移，记录实验现象，并收集细颗粒流失量及渗流量，进行对比分析。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程渗流试验，尤其涉及一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置。
背景技术
碎石土由于内部含有大量碎块石，易形成架空结构，使其内部有独特的渗流系统，往往形成局部集中、渗流较快的渗流网，有学者将其称为管网渗流网或者碎石土优先流。大量的现场地质调查发现碎石土边坡坡脚常出现泉眼，且有细颗粒流出，细颗粒迁移一方面会导致土体内部局部孔隙堵塞渗透性降低；又导致土体内部结构发生改变，产生复杂的渗流通道，同时发生土体颗粒粗化，稳定性降低，西部地区的大量松散堆积体斜坡，现场调查发现，细颗粒迁移现象明显。砾石土中的细粒运移与积聚改变了土体结构和内部充填，渗流路径受阻造成局部孔隙水压力增加。细颗粒的迁移规律与优先流的形成路径密切相关，同时也决定了孔隙水压力场的分布特征。目前，细颗粒迁移的相关研究主要集中在诱发细颗粒迁移的临界水力梯度的探索，针对细颗粒迁移对碎石土优先流形成路径影响的研究较少，优先流特征是影响碎石土边坡稳定性的关键因素，探明碎石土中细颗粒迁移规律及其对优先流路径形成的影响机制具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是针对以上不足之处，提供了一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置。
本发明解决技术问题所采用的方案是，一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，包括渗流土柱模型、水头调节组件、收集组件；
渗流土柱模型包括上端开口的圆柱体，圆柱体周侧设置有出水孔、测压孔，圆柱体底部设置有进水孔，圆柱体内由下至上依次设置有砾石缓冲层、多孔板、碎石土试样，进水孔、出水孔上均安装有阀门；
所述测压孔位于出水孔对侧，测压孔由上至下间隔设置若干个，所述出水孔与碎石土试样顶面齐平；
所述水头调节组件包括机架、水箱、承重台，所述机架上竖直安装有丝杆及竖导杆，所述竖导杆套设在承重台四个角部，承重台套设在丝杆上并与之螺纹配合，所述水箱放置在承重台上，水箱内经隔板等分左右两个部分，隔板上端低于水箱上端；水箱左半部分底部设置有水箱排水口，水箱右半部底部设置有水箱进水口、水箱出水口，水管进水口经管路连接水龙头，水箱出水口经供水管路的连接进水口；
所述收集组件为收集桶，收集筒连通出水孔的输出端。
进一步的，所述供水管路包括T型三通管，T型三通管的三个端部均安装有球形阀门，T型三通管一端经水管连通水箱出水口、一端经水管连通进水孔、一端经排水管连通外界。
进一步的，所述碎石土试样由三层不同颜色的土体，按照相同的厚度、相同的压实度以及相同的含水率压实形成。
进一步的，所述多孔板为有机玻璃板。
进一步的，所述圆柱体采用透明的有机玻璃制成，圆柱体包括底板、左半筒、右半筒，左半筒、右半筒拼接构成筒体，底板安装在筒体底部，筒体上下端外周均设置有法兰盘，进出孔开设在底板上。
进一步的，所述竖导杆为镀铬棒，竖导杆上套设有直线导轨，直线导轨安装在承重台上。
进一步的，所述机架上安装有电机，电机的输出轴上安装有驱动链轮，丝杆上方安装有链轮，链轮上安装有转柄，链轮与驱动链轮链传动。
进一步的，所述水箱为无顶的透明的有机玻璃正方体结构，隔板为有机玻璃板。
一种模拟水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成的方法，包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求和试验场地安装试验装置；
步骤2：将土柱试样分为三层，每层质量、级配和压实度均相同，分别用原色、绿色、红色表示；在圆柱体铺设砾石缓冲层，然后砾石缓冲层上设置多孔板；将其中两种土层用亮绿和亮红进行染色，随后在圆柱体内进行分层填筑，每层高度10cm，用橡胶锤将土层压至对应的高度，并进行刮毛处理，红色土层在底层，绿色土层居中，原色土层为顶层；
步骤3：通过丝杆将水头调节组件中的隔板高度提升至与土柱顶面对齐，并往水箱中注水，当水流漫过隔板时，打开进水口上的阀们，使水箱连通圆柱体，使水流缓缓流进土体，待水流漫过试样上表面时，关闭进水口上的阀门，使其中微水头下排气饱和，在此过程中观察并记录水流向上流动时土柱试样颗粒的变化情况；
步骤4：待排气饱和后，通过丝杆抬升水箱高度，打开排水口上的排水口上水阀门，观察土柱颗粒变化情况，并利用收集装置收集渗流量，渗流期间多次测量渗透系数，若渗透系数相差不大，同时水流清澈无颗粒流出，此时进行下一个水力梯度实验，实验期间观察并记录土体颗粒的迁移及通道变化情况，收集细颗粒及渗流量；
步骤5：试验结束后，切开土柱，观察土柱内部通道分布情况，然后将不同土层放入烘箱中烘干，并进行筛分实验，最后整理实验现象和数据。
进一步的，在步骤2中，为减少侧壁效应，在圆柱体内壁面涂抹凡士林，在土柱顶面的周边涂抹防水胶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
（1）模拟在相同水力条件下，不同级配碎石土饱和渗流试验优先流路径形成的过程，利用水箱升降台实现水头的稳定变化。
（2）模拟在相同水力条件下，细颗粒迁移对碎石土优先流路径形成的影响。观察不同水头下细颗粒迁移，记录实验现象，并收集细颗粒流失量及渗流量，进行对比分析。
（3）渗流土柱模型可拆卸，在渗流试验结束后切开土体，观察土体内部渗流通道分布。
附图说明
下面结合附图对本发明专利进一步说明。
图1为本装置的结构示意图。
图2为渗流土柱模型的结构示意图。
图中：1-转柄；2-链轮；3-机架；4-丝杆；5-竖导杆；6-水箱；7-承重台；8-直线导轨；9-水管；10-电机；11-球形阀门；12-L型测压管；13-渗流土柱模型；14-法兰盘底座；15-法兰盘顶座；16-L型出水管；17-收集桶；18-多孔板；19-进水孔；20-底板。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-2所示，一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，包括渗流土柱模型、水头调节组件、收集组17；
渗流土柱模型13包括上端开口的圆柱体，圆柱体周侧设置有出水孔、测压孔，测压孔处连接有L型测压管12，出水孔处连接有L型出水管16，圆柱体底部设置有进水孔19，采用向上渗流的方式，圆柱体内由下至上依次设置有砾石缓冲层、多孔板18、碎石土试样，进水孔、出水孔上均安装有阀门，多孔板用于隔开底部的砾石缓冲层和上部的碎石土试样，砾石缓冲层其作用是使从进水孔流入的水流更加均匀的进入碎石土试样中，测压孔用于测定不同水头下碎石土孔隙水压力，出水孔用于排出从土体顶面溢出的水，保证土柱水流高度在土体顶面；
所述测压孔位于出水孔对侧，测压孔由上至下间隔设置若干个，所述出水孔与碎石土试样顶面齐平；
所述水头调节组件包括机架3、水箱6、承重台7，所述机架上竖直安装有丝杆4及竖导杆5，所述竖导杆套设在承重台四个角部，承重台套设在丝杆上并与之螺纹配合，所述水箱放置在承重台上，水箱内经隔板等分左右两个部分，隔板上端低于水箱上端，隔板的作用在于使水箱产生稳定、高度相同的水面，当右半部分的水流超过隔板的高度时，多余的水流会流向左半部分并通过排水口排出；水箱左半部分底部设置有水箱排水口，水箱右半部底部设置有水箱进水口、水箱出水口，水管进水口经管路连接水龙头，水箱出水口经供水管路的连接进水口；
所述收集组件为收集桶，收集筒位于出水孔的输出端下方，用于收集渗流量和细颗粒流失量。
在本实施例中，所述供水管路包括T型三通管，T型三通管的三个端部均安装有球形阀门11，T型三通管一端经水管连通水箱出水口、一端经水管连通进水孔、一端经排水管连通外界，T型三通管通过其上球形阀门控制水流进出。
在本实施例中，所述碎石土试样由三层不同颜色的土体，按照相同的厚度、相同的压实度以及相同的含水率压实形成，目的在于观察碎石土在空间上优先流路径形成和细颗粒迁移情况。
在本实施例中，所述多孔板为有机玻璃板。
在本实施例中，所述圆柱体采用透明的有机玻璃制成，圆柱体包括底板20、左半筒、右半筒，左半筒、右半筒拼接构成筒体，底板安装在筒体底部，筒体上下端外周均设置有法兰盘14、15，进出孔开设在底板上，筒体可对半拆开，便于观察土体内部优先流通道情况，筒体下端的法兰盘经螺栓连接底板。
在本实施例中，所述竖导杆为镀铬棒，竖导杆上套设有直线导轨8，直线导轨安装在承重台上。
在本实施例中，所述机架上安装有电机10，电机的输出轴上安装有驱动链轮，丝杆上方安装有链轮2，链轮上安装有转柄1，链轮与驱动链轮链传动。
在本实施例中，所述水箱为无顶的透明的有机玻璃正方体结构，隔板为有机玻璃板。
一种模拟水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成的方法，试验装置装置包括渗流土柱模型、水头调节组件、收集组；渗流土柱模型的高度为500mm，壁厚10mm，土柱内直径为200mm，法兰盘直径为240mm，进水孔直径为20mm；多孔板厚度为5mm，孔径为2.5mm，多孔板下方填充厚度为100mm的砾石垫层；多孔板上方为碎石土试样，高度为300mm，土柱左侧分布三个直径为10mm的测压管，多孔板顶部向上100mm位置为A测压管，向上延伸50mm为B测压管，再往上延伸50mm为C测压管；土柱试样顶面右侧有直径20mm的出水孔；水箱进水口与出水口直径为20mm；本收集装置为直径200mm，高300mm的桶；
模拟试验包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求和试验场地安装试验装置，并利用防水胶将模型缝隙填充；
步骤2：选用粗粒含量70%，细颗粒含量30%的土，按相同质量分成三份，按5%的含水率将土样搅拌均匀，并将其中两份土样用染色剂，分别染成红色和绿色，另外一份保持原色，按0.85的压实度依次填充红色、绿色、原色土层，用橡胶锤将土层压至对应的高度，并进行刮毛处理；
步骤3：通过丝杆将水头调节组件中的隔板高度提升至与土柱顶面对齐，并往水箱中注水，当水流漫过隔板时，缓缓打开进水口上的阀们，使水箱连通圆柱体，使水流缓缓流进土体，待水流漫过试样上表面时，关闭进水口上的阀门，进行24小时排气饱和，使其中微水头下排气饱和，在此过程中观察并记录水流向上流动时土柱试样颗粒的变化情况；
步骤4：待排气饱和后，通过丝杆抬升水箱高度，升水箱高度，使水力梯度变化0.2，打开排水口上的排水口上水阀门，观察土柱的变化，以5分钟为间隔收集渗流量和细颗粒流失量，并记录该水头下优先流通道形成情况，当观察到半小时内无细颗粒流出时，可判定此水力梯度下渗流稳定，此时，提升水箱高度，使水力梯度变化0.2，土体发生渗流破坏时结束试验，并记录试验现象；
步骤5：试验结束后，将筒体与底板拆开，将土柱切成两部分，观察并记录土体内部优先流通道形成情况，然后将不同土层放入烘箱中烘干，并进行筛分实验，最后整理实验现象和数据。
在步骤2中，为减少侧壁效应，在圆柱体内壁面涂抹凡士林，在土柱顶面的周边涂抹防水胶。
本专利如果公开或涉及了互相固定连接的零部件或结构件，那么，除另有声明外，固定连接可以理解为：能够拆卸地固定连接( 例如使用螺栓或螺钉连接)，也可以理解为：不可拆卸的固定连接(例如铆接、焊接)，当然，互相固定连接也可以为一体式结构( 例如使用铸造工艺一体成形制造出来) 所取代(明显无法采用一体成形工艺除外)。
在本专利的描述中，需要理解的是，术语“ 纵向”、“ 横向”、“ 上”、“ 下”、“ 前”、“ 后”、“ 左”、“ 右”、“ 竖直”、“ 水平”、“ 顶”、“ 底”、“ 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专利，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专利的限制。
上列较佳实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，其特征在于：包括渗流土柱模型、水头调节组件、收集组件；
渗流土柱模型包括上端开口的圆柱体，圆柱体周侧设置有出水孔、测压孔，圆柱体底部设置有进水孔，圆柱体内由下至上依次设置有砾石缓冲层、多孔板、碎石土试样，进水孔、出水孔上均安装有阀门；
所述测压孔位于出水孔对侧，测压孔由上至下间隔设置若干个，所述出水孔与碎石土试样顶面齐平；
所述水头调节组件包括机架、水箱、承重台，所述机架上竖直安装有丝杆及竖导杆，所述竖导杆套设在承重台四个角部，承重台套设在丝杆上并与之螺纹配合，所述水箱放置在承重台上，水箱内经隔板等分左右两个部分，隔板上端低于水箱上端；水箱左半部分底部设置有水箱排水口，水箱右半部底部设置有水箱进水口、水箱出水口，水管进水口经管路连接水龙头，水箱出水口经供水管路的连接进水口；
所述收集组件为收集桶，收集筒连通出水孔的输出端；
所述供水管路包括T型三通管，T型三通管的三个端部均安装有球形阀门，T型三通管一端经水管连通水箱出水口、一端经水管连通进水孔、一端经排水管连通外界；
所述碎石土试样由三层不同颜色的土体，按照相同的厚度、相同的压实度以及相同的含水率压实形成；
所述圆柱体采用透明的有机玻璃制成，圆柱体包括底板、左半筒、右半筒，左半筒、右半筒拼接构成筒体，底板安装在筒体底部，筒体上下端外周均设置有法兰盘，进出孔开设在底板上；
所述竖导杆为镀铬棒，竖导杆上套设有直线导轨，直线导轨安装在承重台上；
所述机架上安装有电机，电机的输出轴上安装有驱动链轮，丝杆上方安装有链轮，链轮上安装有转柄，链轮与驱动链轮链传动。
2.根据权利要求1所述的水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，其特征在于：所述多孔板为有机玻璃板。
3.根据权利要求1所述的水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，其特征在于：所述水箱为无顶的透明的有机玻璃正方体结构，隔板为有机玻璃板。
4.一种模拟水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成的方法，采用如权利要求1所述的水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成模拟装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求和试验场地安装试验装置；
步骤2：将土柱试样分为三层，每层质量、级配和压实度均相同，分别用原色、绿色、红色表示；在圆柱体铺设砾石缓冲层，然后砾石缓冲层上设置多孔板；将其中两种土层用亮绿和亮红进行染色，随后在圆柱体内进行分层填筑，每层高度10cm，用橡胶锤将土层压至对应的高度，并进行刮毛处理，红色土层在底层，绿色土层居中，原色土层为顶层；
步骤3：通过丝杆将水头调节组件中的隔板高度提升至与土柱顶面对齐，并往水箱中注水，当水流漫过隔板时，打开进水口上的阀门，使水箱连通圆柱体，使水流缓缓流进土体，待水流漫过试样上表面时，关闭进水口上的阀门，使其中微水头下排气饱和，在此过程中观察并记录水流向上流动时土柱试样颗粒的变化情况；
步骤4：待排气饱和后，通过丝杆抬升水箱高度，打开排水口上的排水口上水阀门，观察土柱颗粒变化情况，并利用收集装置收集渗流量，渗流期间多次测量渗透系数，若渗透系数相差不大，同时水流清澈无颗粒流出，此时进行下一个水力梯度实验，实验期间观察并记录土体颗粒的迁移及通道变化情况，收集细颗粒及渗流量；
步骤5：试验结束后，切开土柱，观察土柱内部通道分布情况，然后将不同土层放入烘箱中烘干，并进行筛分实验，最后整理实验现象和数据。
5.根据权利要求4所述的模拟水头变动下颗粒迁移特征及优先流路径形成的方法，其特征在于：在步骤2中，为减少侧壁效应，在圆柱体内壁面涂抹凡士林，在土柱顶面的周边涂抹防水胶。
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