CN114354694A - 一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂三维可视化试验装置，该装置包括模型箱、干燥模拟系统、供水系统、裂缝监测系统，再选取试验材料制备模型、调试试验设备后进行离心试验。所述模型箱采用设置有监控孔洞的双层透明钢化玻璃制成用于试验模型的填筑，模型箱四壁双层钢化玻璃之间有可拆卸挡土板，模型箱顶部设有可拆卸密封盖板，模型箱底部配备真空抽排泵的排水孔用于试验中的渗水抽排；所述干燥模拟系统包括升高温度的长弧氙灯以及加速水分蒸发的风机；所述供水系统由储水箱、水泵、供水管路组成。
Description
技术领域
本发明属于土工离心试验研究粘土防渗体防护技术领域，具体涉及一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置及方法。
背景技术
长时间的干旱导致土体失水收缩产生裂缝，尤其在全球变暖、城市热岛效应和旱涝灾害日渐频繁发生的背景下，土体开裂现象日趋普遍。作为坝体防渗体系的重要组成部分，粘土铺盖的防渗性能关乎大坝渗流安全，而粘质土相对较脆弱，在干旱过程中铺盖裸露于外，持续干旱中会出现裂缝，裂缝的产生破坏了防渗体的完整性。
当前期遭遇极端干旱后随即迎来极端降雨，会形成旱涝急转极端工况。旱涝急转通常指某一地区或某一流域在较长时间干旱后又出现洪涝，干旱和洪涝交替出现的情况。旱涝急转工况的特殊性在于干旱与暴雨转变的突发性，对从含缝黏土防渗体受力特点出发，旱涝急转加剧了防渗土体渗透压力的变化，而库水抬升水压力增加后，裂缝端部附近土体的有效应力也会明显降低，在裂缝与非稳定渗透压力的共同作用下黏土防渗体具备水力劈裂发生的条件，是否存在发生水力劈裂的可能并造成裂缝进一步扩展而引起渗透破坏需要开展研究。
土工离心机是岩土工程物理模拟试验的一种试验设备，能模拟土工结构的受力、变形和破坏，验证设计方案，对比分析数值计算结果，直观呈现工程运行形态，在水利及岩土工程领域有较大的应用前景。目前对于裂缝深度的测量大多通过开挖的方式，以裂缝断面呈现的裂缝深度为准，但是在离心过程中无法进行人为开挖，同时开挖的方式破坏了裂缝的原生性，影响裂缝后续的变化。
因此，需要研究出离心试验中用于监控裂缝受旱扩展以及水压作用下劈裂的试验装置，对进一步模拟出与工程实际相符的试验结果具有重要意义。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置及方法，能够基于土层断面电阻值在干旱及旱涝急转工况中获取裂缝变化情况，呈现裂缝的三维演变。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，该可视化装置包括模型箱、供水系统、排水系统、裂缝监测系统；所述模型箱(1)上端开口，模型箱壁为双层钢化玻璃，所述模型箱设置有盖板(2)，并且模型箱开口与盖板(2)边缘通过充气橡胶圈(3)密封连接；所述模型箱内设有铺盖模型，上层粘土铺盖层(11)与下层透水层(12)，所述下层透水层(12)位于模型箱底部，上层粘土铺层(11)叠加在下层透水层(12)上；并且模型箱内部在上层粘土铺层(11)上方设置有可拆卸的挡水板(16)以防止供水时水流冲刷粘土铺盖(11)；所述供水系统通过供水管(5)与模型箱(1)连接用于给模型箱(1)供水，所述排水系统通过排水管(7)与模型箱(1)连接用于排出模型箱(1)底部的渗水；所述模型箱(1)四壁不同高度的断面上设置有电极安装孔(10)，每个电极孔配备有电极(18)，所述裂缝监测系统通过高密度电法仪(20)连接电极(18)，所述模型箱(1)四壁双层钢化玻璃中间留有缝隙，缝隙内设置有挡土板(17)。
进一步的，所述模型箱(1)四壁的电极孔(10)由外层钢化玻璃不同高度设置的内螺纹孔洞(10-1)以及内层钢化玻璃不同高度设置的针孔(10-2)构成，并且所述内螺纹孔洞(10-1)与针孔(10-2)一一对应；所述裂缝监测系统包括多个电极(18)，电缆(19)、高密度电法仪(20)、电源(21)；所述电极(18)包括橡胶垫(18-1)、电极外螺纹探头(18-2)、探针(18-3)，所述橡胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)连接，所述探针(18-3)依次贯穿胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)，所述电极外螺纹探头(18-2)通过螺纹安装在电极孔内螺纹孔洞(10-1)内，所述橡胶垫(18-1)与电极孔内螺纹孔洞(10-1)贴合连接，并且所述多个电极(18)上的探针(18-3)一端通过内层钢化玻璃上的针孔(10-2)伸入到粘土铺盖(11)与透水层(12)内，所述多个电极(18)上的探针(18-3)另一端通过电缆(19)与高密度电法仪(20)连接，电源(21)与高密度电法仪(20)连接供电。
进一步的，所述排水系统包括排水管(7)、真空抽排泵(8)以及排水储水箱(9)，所述排水管(7)一端与模型箱(1)底部连接，另外一端位于储水箱(9)内，所述真空抽排泵(8)安装在排水管(7)上。
进一步的，所述供水系统包括供水储水箱(6)、水泵(4)、供水管(5)以及液位开关(13)，所述水泵(4)与供水管(5)连接，所述供水管(5)的一端位于供水储水箱(6)内，所述供水管(5)的另一端位于模型箱(1)内，所述液位开关(13)位于模型箱(1)内，并且液位开关(13)与水泵(4)连接，用于控制水泵(4)开启与关闭。
进一步的，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯(14)与风机(15)，所述长弧氙灯(14)用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部，所述风机(15)安装在长弧氙灯(14)下方。
本发明还提出根据上述任一项所述一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置的水力劈裂判断方法，该方法包括如下步骤：
1)选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑铺盖模型；
2)模型填筑完成后取出模型箱四壁夹层中的挡土板(17)，拧紧电极(18)；将模型箱(1)置于土工离心机的吊斗中进行加速完成土体自重固结后停止离心机加速转动；
3)在供水储水箱(6)内注满水，设定水泵(4)功率，在粘土铺盖层(11)前端供水管(5)下方放置挡水板(16)，防止水流冲刷土体表面，待粘土铺盖层(11)上部水位达到预设高度后，封闭模型箱(1)上部盖板(2)，打开底部真空抽排泵(8)排水预饱和；
4)步骤3)完成预饱和后，打开盖板(2)，开启长弧氙灯(14)与风机(15)进入干旱模拟阶段，将高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量，将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成三维的粘土铺盖(11)电阻图；
5)根据步骤4)获取的三维的粘土铺盖(11)电阻图确定干旱模拟过程停止的时间点，根据确定的时间点停止干旱模拟，干旱模拟过程停止后，启动离心机并打开水泵(4)供水，保持高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量；将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图，根据电阻值判断水力劈裂。
进一步的，步骤4)和步骤5)中电阻测量方法：模型箱(1)四壁均匀布置130个电极，将处于同一断面内正对的电极两两连接共有180个交点，处于同一断面内的距离最远的两个作为放电电极，将与放电电极处于同一断面内的其他电极轮流作为测量电极，放电电极与测量电极配合工作，获取各交点的电阻信号，所述电阻信号反映该点的电阻值，测量电阻过程中变换测量电极的位置，获取粘土铺盖层(11)不同断面的电阻信息。
进一步的，步骤4)和步骤5)的拼接方法为：
第1步，对130个电极进行编号，Di-j-k，i＝Q、H、Z、Y，Q表示模型箱前壁、H表示模型箱后壁、Z表示模型箱左壁、Y表示模型箱右壁；j＝1～5，代表行数；k代表列数，前后两壁k＝1～9，左右两壁k＝1～4，代表列数；
第2步，选择j＝3，从电阻断面中选择由DQ-3-kQ—DY-3-kY—DH-3-kH—DZ-3-kZ围成的水平断面a作为拼接基准断面，kQ＝1～9、kY＝1～4、kH＝1～9、kZ＝1～4；断面a由26支电极围成，平面内共有36个交点，将交点电阻值作为基准电阻，断面a电阻矩阵为：
第3步，选择竖直断面b由电极DQ-j-5—DH-j-5共10支电极围成，j＝1～5，断面a与断面b垂直相交，为了断面a与断面b相交线L上的电阻值保持一致，基于断面a上相交线L的电阻值修正断面b上其他部位的电阻值，相应地相交线L由电极DQ-3-5、DH-3-5两个电极连接形成，将处于同一断面b内正对的电极两两连接形成交点，断面b内共有20个交点，将交点电阻值作为基准电阻，相交线L上共有4个交点，断面b电阻矩阵为：
断面a上相交线L电阻矩阵为：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]
断面b上相交线L电阻矩阵为：
[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
第4步，修正相交线L各点电阻值，使同一点的电阻值唯一，受放电电极位置选取的影响，电阻矩阵[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]与电阻矩阵[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]并不相等，由于均是表示相交线L的电阻，需进行修正，修正方法如下：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]＝[λ1 λ2 λ3 λ4][b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
矩阵[λ1 λ2 λ3 λ4]为修正矩阵，依据修正矩阵，对断面b的电阻矩阵进行修正：
第5步，选取平行于断面a且垂直于断面b的其余断面按第3步方法进行电阻修正，选取平行于断面b且垂直于断面a的其余断面按第3步方法进行电阻修正，最终得到土体内部180个测点的电阻信息Rm-n-l,m为行数，自上而下m＝1～5，n为列数，自左往右n＝1～9，l为排数，自前往后n＝1～4；
第6步，第5步中所获取180个测点电阻信息为离散数据，在离散数据的基础上补插连续函数，使得测点数据连续，根据连续的数据，以云图的形式将土体三维电阻信息可视化呈现以获得三维的粘土铺盖(11)电阻图。
进一步的，步骤4)所述的干旱模拟过程停止的时间点判断方法：干旱模拟过程中，实时测量获得的三维的粘土铺盖层(11)电阻图包含180个测点的电阻信息，干旱过程中裂缝自粘土铺盖层(11)顶部向下发展，对于当前测量时刻的测点电阻信息，在竖直方向，第1行测点电阻值最先出现增大，R1-n-l表示第1行任意列数及排数的电阻值，如果R1-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为R1-n-l*，m从2到3按照上述方法逐行判断，如果Rm-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为Rm-n-l*；R3-n-l共36个测点中首次有测点出现电阻值大于第一阈值时停止干旱模拟，并停止测点的电阻信息的测量，测点位置记为R3-n-l*，R3-n-l表示第3行任意列数及排数的电阻值，根据电阻值Rm-n-l增大至第一阈值的测点首次出现的时间顺序，根据所处位置R1-n-l*→R2-n-l*→R3-n-l*得到裂缝发育路径。
进一步的，步骤5)所述的根据电阻值判断水力劈裂的方法：步骤5)获得含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图包含不同时段180个测点的电阻信息，水泵(4)开启后裂缝中填充水，电阻测点R1-n-l*、R2-n-l*、R3-n-l*在水泵(4)开启后电阻小于第二阈值，观察R4-n-l电阻变化，R4-n-l共36个测点中出现电阻值等于R3-n-l*位置测点电阻值时，表示水力劈裂发生，R4-n-l表示第4行任意列数及排数的电阻值。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明提供的一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂三维可视化试验方法，旱涝急转工况的特殊性在于干旱与暴雨转变的突发性，旱涝急转加剧了防渗土体渗透压力的变化，在裂缝与非稳定渗透压力的共同作用下黏土铺盖具备水力劈裂发生的条件，现有水力劈裂试验可以判断是否发生水力劈裂，但难以呈现土体内部水力劈裂的变化过程，本发明创造性地通过土层不同断面的电阻值，整合完成的土体三维电阻信息，反映不同阶段土体内部裂缝变化情况，获取水力劈裂发生的全过程信息。同时，为避免不同阶段含水量对电阻值的影响，不同阶段之间设置真空抽排预饱和流程，能更准确地反映裂缝演变。通过孔隙水压力传感器、水分传感器和压应力传感器采集的数据分析旱涝急转下坝体存在裂缝时渗流性态，模拟出的结果更贴近工程实际情况。
1)本发明可以在离心机中完成旱涝急转工况的模拟，在受旱阶段由于裂缝的出现该土层断面电阻值会明显增大，据此判断裂缝的发育深度控制受旱时间。
2)旱涝急转阶段前的预饱和在离心机不启动的情况下进行，土体上部低水头不会对裂缝产生影响，同时该过程不会影响土体结构。高水位作用下产生水力劈裂必然影响土层断面的电阻变化，从而可以基于电阻值呈现水力劈裂的过程，同时可结合传感器所测数据，进行水力劈裂的定量分析。
3)本发明具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。
附图说明
图1为实施例中旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化试验装置立体图；
图2为实施例中旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化试验装置断面图；
图3为实施例中电极与孔洞配套图；
图4为实施例中高密度电法-电缆-电极连接图；
图5为实施例中模型箱壁纵剖面与横剖面；
图6为正对面测点连接产生的电阻测量断面图；
图7为正对面电极连接产生的交点图。
图中：模型箱1、盖板2、充气橡胶圈3、水泵4、供水管5、供水储水箱6、排水管7、真空抽排泵8、排水储水箱9、电极孔10、内螺纹孔洞10-1、针孔10-2、上层粘土铺盖层11、下层透水层12、液位开关13、长弧氙灯14、风机15、挡水板16、挡土板17、电极18、橡胶垫18-1、电极外螺纹探头18-2、探针18-3、电缆线19、高密度电法仪20、电源21。
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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例一
本实例的旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂三维可视化试验装置如图1所示。
本发明提出一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，该可视化装置包括模型箱、供水系统、排水系统、裂缝监测系统；所述模型箱(1)上端开口，模型箱壁为双层钢化玻璃，所述模型箱设置有盖板(2)，并且模型箱开口与盖板(2)边缘通过充气橡胶圈(3)密封连接；所述模型箱内设有铺盖模型，上层粘土铺盖层(11)与下层透水层(12)，所述下层透水层(12)位于模型箱底部，上层粘土铺层(11)叠加在下层透水层(12)上；并且模型箱内部在上层粘土铺层(11)上方设置有可拆卸的挡水板(16)以防止供水时水流冲刷粘土铺盖(11)；所述供水系统通过供水管(5)与模型箱(1)连接用于给模型箱(1)供水，所述排水系统通过排水管(7)与模型箱(1)连接用于排出模型箱(1)底部的渗水；所述模型箱(1)四壁不同高度的断面上设置有电极安装孔(10)，每个电极孔配备有电极(18)，所述裂缝监测系统通过高密度电法仪(20)连接电极(18)，所述模型箱(1)四壁双层钢化玻璃中间留有缝隙，缝隙内设置有挡土板(17)。
进一步的，所述模型箱(1)四壁的电极孔(10)由外层钢化玻璃不同高度设置的内螺纹孔洞(10-1)以及内层钢化玻璃不同高度设置的针孔(10-2)构成，并且所述内螺纹孔洞(10-1)与针孔(10-2)一一对应；所述裂缝监测系统包括多个电极(18)，电缆(19)、高密度电法仪(20)、电源(21)；所述电极(18)包括橡胶垫(18-1)、电极外螺纹探头(18-2)、探针(18-3)，所述橡胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)连接，所述探针(18-3)依次贯穿胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)，所述电极外螺纹探头(18-2)通过螺纹安装在电极孔内螺纹孔洞(10-1)内，所述橡胶垫(18-1)与电极孔内螺纹孔洞(10-1)贴合连接，并且所述多个电极(18)上的探针(18-3)一端通过内层钢化玻璃上的针孔(10-2)伸入到粘土铺盖(11)与透水层(12)内，所述多个电极(18)上的探针(18-3)另一端通过电缆(19)与高密度电法仪(20)连接，电源(21)与高密度电法仪(20)连接供电。
进一步的，所述排水系统包括排水管(7)、真空抽排泵(8)以及排水储水箱(9)，所述排水管(7)一端与模型箱(1)底部连接，另外一端位于储水箱(9)内，所述真空抽排泵(8)安装在排水管(7)上。
进一步的，所述供水系统包括供水储水箱(6)、水泵(4)、供水管(5)以及液位开关(13)，所述水泵(4)与供水管(5)连接，所述供水管(5)的一端位于供水储水箱(6)内，所述供水管(5)的另一端位于模型箱(1)内，所述液位开关(13)位于模型箱(1)内，并且液位开关(13)与水泵(4)连接，用于控制水泵(4)开启与关闭。
进一步的，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯(14)与风机(15)，所述长弧氙灯(14)用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部，所述风机(15)安装在长弧氙灯(14)下方。
本实施例的模型箱1由前、后、左、右和底板五块钢化玻璃板制成，模型箱前后壁总厚度3cm，长度100cm，高度50cm，左右两块钢化玻璃板相同，厚度3cm，宽度60cm，高度50cm，钢化玻璃底板厚度3cm，长度100cm，宽度60cm。模型箱前后壁总厚度3cm，长度100cm，高度50cm，左右两块钢化玻璃板相同，厚度3cm，宽度60cm，高度50cm，钢化玻璃底板厚度3cm，长度100cm，宽度60cm。模型箱前后壁共设有90个电极孔，左右壁共设有40个电极孔，分5层布置。四壁钢化玻璃板均为双层且中间留有空隙，安装有挡土板17，可防止模型填筑过程中土颗粒堵塞电极安装孔10。外侧钢化玻璃外侧电极安装孔10为内螺纹孔洞，直径1cm，内侧为针孔，直径0.1cm。
本实例中裂缝监测通过高密度电法20连接电极18量测不同阶段土体各断面的电阻，配备的电极18与模型箱1内外壁接触部位均设有橡胶垫18-1，电极18探头18-2为外螺纹构造，与电极安装孔10的内螺纹孔洞10-1配套，安装过程将电极18旋进电极安装孔10内，在橡胶垫18-1作用下可保证密闭不漏水。电缆线19通过S型走线连接各处的电极18。
实施例二
本实施例提出根据所述一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置的水力劈裂判断方法，该方法包括如下步骤：
1)选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑铺盖模型；
2)模型填筑完成后取出模型箱四壁夹层中的挡土板(17)，拧紧电极(18)；将模型箱(1)置于土工离心机的吊斗中进行加速完成土体自重固结后停止离心机加速转动；
3)在供水储水箱(6)内注满水，设定水泵(4)功率，在粘土铺盖层(11)前端供水管(5)下方放置挡水板(16)，防止水流冲刷土体表面，待粘土铺盖层(11)上部水位达到预设高度后，封闭模型箱(1)上部盖板(2)，打开底部真空抽排泵(8)排水预饱和；
4)步骤3)完成预饱和后，打开盖板(2)，开启长弧氙灯(14)与风机(15)进入干旱模拟阶段，将高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量，将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成三维的粘土铺盖(11)电阻图；
5)根据步骤4)获取的三维的粘土铺盖(11)电阻图确定干旱模拟过程停止的时间点，根据确定的时间点停止干旱模拟，干旱模拟过程停止后，启动离心机并打开水泵(4)供水，保持高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量；将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图，根据电阻值判断水力劈裂。
步骤4)和步骤5)中电阻测量方法：模型箱(1)四壁均匀布置130个电极，将处于同一断面内正对的电极两两连接共有180个交点，处于同一断面内的距离最远的两个作为放电电极，将与放电电极处于同一断面内的其他电极轮流作为测量电极，放电电极与测量电极配合工作，获取各交点的电阻信号，所述电阻信号反映该点的电阻值，测量电阻过程中变换测量电极的位置，获取粘土铺盖层(11)不同断面的电阻信息。
步骤4)和步骤5)的拼接方法为：
第1步，对130个电极进行编号，Di-j-k，i＝Q、H、Z、Y，Q表示模型箱前壁、H表示模型箱后壁、Z表示模型箱左壁、Y表示模型箱右壁；j＝1～5，代表行数；k代表列数，前后两壁k＝1～9，左右两壁k＝1～4，代表列数；
第2步，选择j＝3，从电阻断面中选择由DQ-3-kQ—DY-3-kY—DH-3-kH—DZ-3-kZ围成的水平断面a作为拼接基准断面，kQ＝1～9、kY＝1～4、kH＝1～9、kZ＝1～4；断面a由26支电极围成，平面内共有36个交点，将交点电阻值作为基准电阻，断面a电阻矩阵为：
第3步，选择竖直断面b由电极DQ-j-5—DH-j-5共10支电极围成，j＝1～5，断面a与断面b垂直相交，为了断面a与断面b相交线L上的电阻值保持一致，基于断面a上相交线L的电阻值修正断面b上其他部位的电阻值，相应地相交线L由电极DQ-3-5、DH-3-5两个电极连接形成，将处于同一断面b内正对的电极两两连接形成交点，断面b内共有20个交点，将交点电阻值作为基准电阻，相交线L上共有4个交点，断面b电阻矩阵为：
断面a上相交线L电阻矩阵为：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]
断面b上相交线L电阻矩阵为：
[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
第4步，修正相交线L各点电阻值，使同一点的电阻值唯一，受放电电极位置选取的影响，电阻矩阵[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]与电阻矩阵[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]并不相等，由于均是表示相交线L的电阻，需进行修正，修正方法如下：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]＝[λ1 λ2 λ3 λ4][b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
矩阵[λ1 λ2 λ3 λ4]为修正矩阵，依据修正矩阵，对断面b的电阻矩阵进行修正：
第5步，选取平行于断面a且垂直于断面b的其余断面按第3步方法进行电阻修正，选取平行于断面b且垂直于断面a的其余断面按第3步方法进行电阻修正，最终得到土体内部180个测点的电阻信息Rm-n-l,m为行数，自上而下m＝1～5，n为列数，自左往右n＝1～9，l为排数，自前往后n＝1～4；
第6步，第5步中所获取180个测点电阻信息为离散数据，在离散数据的基础上补插连续函数，使得测点数据连续，根据连续的数据，以云图的形式将土体三维电阻信息可视化呈现以获得三维的粘土铺盖(11)电阻图。
步骤4)所述的干旱模拟过程停止的时间点判断方法：干旱模拟过程中，实时测量获得的三维的粘土铺盖层(11)电阻图包含180个测点的电阻信息，干旱过程中裂缝自粘土铺盖层(11)顶部向下发展，对于当前测量时刻的测点电阻信息，在竖直方向，第1行测点电阻值最先出现增大，R1-n-l表示第1行任意列数及排数的电阻值，如果R1-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为R1-n-l*，m从2到3按照上述方法逐行判断，如果Rm-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为Rm-n-l*；R3-n-l共36个测点中首次有测点出现电阻值大于第一阈值时停止干旱模拟，并停止测点的电阻信息的测量，测点位置记为R3-n-l*，R3-n-l表示第3行任意列数及排数的电阻值，根据电阻值Rm-n-l增大至第一阈值的测点首次出现的时间顺序，根据所处位置R1-n-l*→R2-n-l*→R3-n-l*得到裂缝发育路径。
步骤5)所述的根据电阻值判断水力劈裂的方法：步骤5)获得含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图包含不同时段180个测点的电阻信息，水泵(4)开启后裂缝中填充水，电阻值无穷大的测点R1-n-l*、R2-n-l*、R3-n-l*在水泵(4)开启后电阻小于第二阈值，观察R4-n-l电阻变化，R4-n-l共36个测点中出现电阻值等于R3-n-l*位置测点电阻值时，表示水力劈裂发生，R4-n-l表示第4行任意列数及排数的电阻值。
在本申请的描述中，需要理解的是，“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，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，其特征在于，该可视化装置包括模型箱、供水系统、排水系统、裂缝监测系统；所述模型箱(1)上端开口，模型箱壁为双层钢化玻璃，所述模型箱设置有盖板(2)，并且模型箱开口与盖板(2)边缘通过充气橡胶圈(3)密封连接；所述模型箱内设有铺盖模型，上层粘土铺盖层(11)与下层透水层(12)，所述下层透水层(12)位于模型箱底部，上层粘土铺层(11)叠加在下层透水层(12)上；并且模型箱内部在上层粘土铺层(11)上方设置有可拆卸的挡水板(16)以防止供水时水流冲刷粘土铺盖(11)；所述供水系统通过供水管(5)与模型箱(1)连接用于给模型箱(1)供水，所述排水系统通过排水管(7)与模型箱(1)连接用于排出模型箱(1)底部的渗水；所述模型箱(1)四壁不同高度的断面上设置有电极安装孔(10)，每个电极孔配备有电极(18)，所述裂缝监测系统通过高密度电法仪(20)连接电极(18)，所述模型箱(1)四壁双层钢化玻璃中间留有缝隙，缝隙内设置有挡土板(17)。
2.根据权利要求1所述的一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，其特征在于，所述模型箱(1)四壁的电极孔(10)由外层钢化玻璃不同高度设置的内螺纹孔洞(10-1)以及内层钢化玻璃不同高度设置的针孔(10-2)构成，并且所述内螺纹孔洞(10-1)与针孔(10-2)一一对应；所述裂缝监测系统包括多个电极(18)，电缆(19)、高密度电法仪(20)、电源(21)；所述电极(18)包括橡胶垫(18-1)、电极外螺纹探头(18-2)、探针(18-3)，所述橡胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)连接，所述探针(18-3)依次贯穿胶垫(18-1)与电极外螺纹探头(18-2)，所述电极外螺纹探头(18-2)通过螺纹安装在电极孔内螺纹孔洞(10-1)内，所述橡胶垫(18-1)与电极孔内螺纹孔洞(10-1)贴合连接，并且所述多个电极(18)上的探针(18-3)一端通过内层钢化玻璃上的针孔(10-2)伸入到粘土铺盖(11)与透水层(12)内，所述多个电极(18)上的探针(18-3)另一端通过电缆(19)与高密度电法仪(20)连接，电源(21)与高密度电法仪(20)连接供电。
3.根据权利要求1所述的一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，其特征在于，所述排水系统包括排水管(7)、真空抽排泵(8)以及排水储水箱(9)，所述排水管(7)一端与模型箱(1)底部连接，另外一端位于储水箱(9)内，所述真空抽排泵(8)安装在排水管(7)上。
4.根据权利要求1所述的一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，其特征在于，所述供水系统包括供水储水箱(6)、水泵(4)、供水管(5)以及液位开关(13)，所述水泵(4)与供水管(5)连接，所述供水管(5)的一端位于供水储水箱(6)内，所述供水管(5)的另一端位于模型箱(1)内，所述液位开关(13)位于模型箱(1)内，并且液位开关(13)与水泵(4)连接，用于控制水泵(4)开启与关闭。
5.根据权利要求1所述的一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置，其特征在于，所述干旱模拟系统包括长弧氙灯(14)与风机(15)，所述长弧氙灯(14)用于模拟太阳光，安装在所述模型箱内壁上部，所述风机(15)安装在长弧氙灯(14)下方。
6.基于权利要求1-5任一项所述一种旱涝急转诱发粘土铺盖水力劈裂可视化装置的水力劈裂判断方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)选取级配合理的砂石料，在模型箱内填筑铺盖模型；
2)模型填筑完成后取出模型箱四壁夹层中的挡土板(17)，拧紧电极(18)；将模型箱(1)置于土工离心机的吊斗中进行加速完成土体自重固结后停止离心机加速转动；
3)在供水储水箱(6)内注满水，设定水泵(4)功率，在粘土铺盖层(11)前端供水管(5)下方放置挡水板(16)，防止水流冲刷土体表面，待粘土铺盖层(11)上部水位达到预设高度后，封闭模型箱(1)上部盖板(2)，打开底部真空抽排泵(8)排水预饱和；
4)步骤3)完成预饱和后，打开盖板(2)，开启长弧氙灯(14)与风机(15)进入干旱模拟阶段，将高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量，将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成三维的粘土铺盖(11)电阻图；
5)根据步骤4)获取的三维的粘土铺盖(11)电阻图确定干旱模拟过程停止的时间点，根据确定的时间点停止干旱模拟，干旱模拟过程停止后，启动离心机并打开水泵(4)供水，保持高密度电法仪(20)接通电源(21)进行断面电阻测量；将获取的不同断面电阻信息进行拼接，形成含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图，根据电阻值判断水力劈裂。
7.根据权利要求6所述的试验方法，其特征在于，步骤4)和步骤5)中电阻测量方法：模型箱(1)四壁均匀布置130个电极，将处于同一断面内正对的电极两两连接共有180个交点，处于同一断面内的距离最远的两个作为放电电极，将与放电电极处于同一断面内的其他电极轮流作为测量电极，放电电极与测量电极配合工作，获取各交点的电阻信号，所述电阻信号反映该点的电阻值，测量电阻过程中变换测量电极的位置，获取粘土铺盖层(11)不同断面的电阻信息。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，步骤4)和步骤5)的拼接方法为：
第1步，对130个电极进行编号，Di-j-k，i＝Q、H、Z、Y，Q表示模型箱前壁、H表示模型箱后壁、Z表示模型箱左壁、Y表示模型箱右壁；j＝1～5，代表行数；k代表列数，前后两壁k＝1～9，左右两壁k＝1～4，代表列数；
第2步，选择j＝3，从电阻断面中选择由DQ-3-kQ—DY-3-kY—DH-3-kH—DZ-3-kZ围成的水平断面a作为拼接基准断面，kQ＝1～9、kY＝1～4、kH＝1～9、kZ＝1～4；断面a由26支电极围成，平面内共有36个交点，将交点电阻值作为基准电阻，断面a电阻矩阵为：
第3步，选择竖直断面b由电极DQ-j-5—DH-j-5共10支电极围成，j＝1～5，断面a与断面b垂直相交，为了断面a与断面b相交线L上的电阻值保持一致，基于断面a上相交线L的电阻值修正断面b上其他部位的电阻值，相应地相交线L由电极DQ-3-5、DH-3-5两个电极连接形成，将处于同一断面b内正对的电极两两连接形成交点，断面b内共有20个交点，将交点电阻值作为基准电阻，相交线L上共有4个交点，断面b电阻矩阵为：
断面a上相交线L电阻矩阵为：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]
断面b上相交线L电阻矩阵为：
[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
第4步，修正相交线L各点电阻值，使同一点的电阻值唯一，受放电电极位置选取的影响，电阻矩阵[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]与电阻矩阵[b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]并不相等，由于均是表示相交线L的电阻，需进行修正，修正方法如下：
[a4-5 a3-5 a2-5 a1-5]＝[λ1 λ2 λ3 λ4][b3-1 b3-2 b3-3 b3-4]
矩阵[λ1 λ2 λ3 λ4]为修正矩阵，依据修正矩阵，对断面b的电阻矩阵进行修正：
第5步，选取平行于断面a且垂直于断面b的其余断面按第3步方法进行电阻修正，选取平行于断面b且垂直于断面a的其余断面按第3步方法进行电阻修正，最终得到土体内部180个测点的电阻信息Rm-n-l,m为行数，自上而下m＝1～5，n为列数，自左往右n＝1～9，l为排数，自前往后n＝1～4；
第6步，第5步中所获取180个测点电阻信息为离散数据，在离散数据的基础上补插连续函数，使得测点数据连续，根据连续的数据，以云图的形式将土体三维电阻信息可视化呈现以获得三维的粘土铺盖(11)电阻图。
9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，步骤4)所述的干旱模拟过程停止的时间点判断方法：干旱模拟过程中，实时测量获得的三维的粘土铺盖层(11)电阻图包含180个测点的电阻信息，干旱过程中裂缝自粘土铺盖层(11)顶部向下发展，对于当前测量时刻的测点电阻信息，在竖直方向，第1行测点电阻值最先出现增大，R1-n-l表示第1行任意列数及排数的电阻值，如果R1-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为R1-n-l*，m从2到3按照上述方法逐行判断，如果Rm-n-l大于第一阈值，则代表该测点出现裂缝，测点位置记为Rm-n-l*；R3-n-l共36个测点中首次有测点出现电阻值大于第一阈值时停止干旱模拟，并停止测点的电阻信息的测量，测点位置记为R3-n-l*，R3-n-l表示第3行任意列数及排数的电阻值，根据电阻值Rm-n-l增大至第一阈值的测点首次出现的时间顺序，根据所处位置R1-n-l*→R2-n-l*→R3-n-l*得到裂缝发育路径。
10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，步骤5)所述的根据电阻值判断水力劈裂的方法：步骤5)获得含裂缝情况下的粘土铺盖(11)三维电阻图包含不同时段180个测点的电阻信息，水泵(4)开启后裂缝中填充水，电阻测点R1-n-l*、R2-n-l*、R3-n-l*在水泵(4)开启后电阻小于第二阈值，观察R4-n-l电阻变化，R4-n-l共36个测点中出现电阻值等于R3-n-l*位置测点电阻值时，表示水力劈裂发生，R4-n-l表示第4行任意列数及排数的电阻值。
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