CN114384229B - 一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法，系统包括：加载结构、多相流驱替模型桶、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶、动力控制系统，基于热蒸驱替过程中热量与蒸汽的先后及叠加施加需求，对三维多场多相介质内污染物驱替过程中的多参数测试方法进行合理配置，结合柔性壁渗流过程中的水头差控制和污染物对设备的无害化测试需求，采用水头、气压两端分别施加等方式；本发明的效果是该系统能够开展热蒸驱替过程中试样变形的阵列式测量，能够测定试验过程中试样的温度场、电导率场、水分场、基质吸力分布、土压力分布、孔隙水压力分布和污染物排出速率；还能够实现水头双向控制的柔性壁渗透三轴试验，并克服污染液对试验设备的影响。

Description

一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法

技术领域

本发明属于土工测试技术领域，特别涉及一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法。

背景技术

现有技术中，由于化石燃料的燃烧、石油的泄漏、工业污水与污泥的农用、工农业固体废物的堆放以及农药的广泛使用，致使邻苯二甲酸酯、有机氯农药等有机污染物直接或间接进入土壤，并因脂溶性易被土壤颗粒吸附而长时间残留于土壤中。该类有机物中包含有多种致癌、致畸或致突变物质，存留于土壤中会造成农作物减产甚至绝收，还会通过植物或动物进入食物链，给人类生存和健康带来严重影响；同时，污染物还会改变工程地基性质，给污染土地基上的工程造成损伤、破坏，并给建筑使用者带来健康威胁。因此，开展土壤有机污染物的修复和治理，对于保障农业生产和工程建设及生态环境安全具有重要的工程与社会价值。而被采用的用来解决上述问题的热蒸驱替技术中，热蒸驱替过程的模拟必须具备热、力施加和观测两类功能，且需保证各测试功能能够独立运行，现有的热蒸驱替设备一般无法对土层施加一定的竖向力，影响一定埋置深度下污染物的驱替模拟效果。同时，现有的柔性壁三轴试样试验存在：①无法将渗流过程中带出的污染液有效隔离，会极大损害测试设备的功能；②不考虑水头差和水头压力同时对渗透性能测试的影响，获取的结果无法用于垃圾坝在上下水头作用下的可靠分析；③无法对渗流变形进行定量表征或者不考虑渗流变形，无法满足流固耦合变形问题研究。

也即，对于实现对有机污染土受力状态下的多场多相过程模拟，特别是大型高垃圾填埋场的力学问题分析，还存在无法将渗流过程中带出的污染液有效隔离和不考虑水头差和水头压力同时对渗透性能测试的影响，获取的结果无法用于垃圾坝在上下水头作用下的可靠分析，以及无法对渗流变形进行定量表征或者不考虑渗流变形，无法满足流固耦合变形问题研究等技术问题；

可见，对于实现对有机污染土受力状态下的多场多相过程模拟，特别是大型高垃圾填埋场的力学问题分析提出有效的解决方案，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供的一种多相流圆柱模型试验系统，以至少解决上述技术问题；

为了解决上述问题，本发明的第一方面提供一种多相流圆柱模型试验系统，该系统包括：加载结构、多相流驱替模型桶、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶、动力控制系统，其特征是：所述加载结构呈门架式，由底部的T形滑道底座、顶部的连接轴、两侧的丝杠和导向轴组成，水平横梁加载机构随两侧丝杠和导向轴上下移动对多相流驱替模型桶施加荷载，所述丝杠外围设置有导向轴以引导水平横梁加载机构在固定方向上移动；两侧的丝杠和导向轴的外部通过型材包裹，通过柔性百叶连接型材将水平横梁加载机构的上下部分封闭；所述水平横梁加载机构的下表面设置有力传感器和位移传感器以观测多相流驱替模型桶内试样的加载力和位移；所述水平横梁加载机构下端对称设置有个吊环以供多相流驱替模型桶、加载盖板、气压保护板的起吊；T形滑道底座呈T字形，上部设置有根滑动条以使所述多相流驱替模型桶在滑动条上前后滑动，所述滑动条两端设置有挡钉；所述多相流驱替模型桶是上下部均可拆卸的桶状空腔体，其侧壁表面开有列行共计个玻璃视窗，所述多相流驱替模型桶的底板轴心布置有根热蒸驱替管底板其余位置围绕轴心布置的热蒸驱替管散射布置有两圈共计根热蒸驱替管以实现对试样的加热和流体的抽吸，所述外圈热蒸驱替管与内圈热蒸驱替管之间或内圈热蒸驱替管与轴心位置热蒸驱替管之间的间距相等；所述底板边缘通过螺栓与多相流驱替模型桶下部相连接；所述底板设置有贯通内外的排水通道，底板的上部设置有透水板以便于热蒸驱替过程中形成的液体通过透水板汇集后经过排水通道排出；所述多相流驱替模型桶顶部设置有气压保护板，其边缘通过螺栓与多相流驱替模型桶相连接；所述气压保护板的上部关于中心对称布置有充压阀和泄压阀，用于多相流驱替模型桶内部压力的填充和压力过大时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶内部试样顶面设置有加载盖板；加载盖板侧壁采用C字形滚珠滑动机构与多相流驱替模型桶相接触以保证施加荷载过程中加载盖板能够在多相流驱替模型桶内壁上下滑动，加载盖板下部通过柔性胶垫与试样相接触，加载盖板的上部周边设置有弧形密封片以实现加载盖板、多相流驱替模型桶和气压保护板之间形成空间的密封，通过动力控制系统经过充压阀对加载盖板、多相流驱替模型桶和气压保护板之间的密封空间进行充压以保证弧形密封片与多相流驱替模型桶内壁的紧密贴合保证密封效果；加载盖板的上部轴心设置有加载杆和内置力传感器，加载杆上端贯穿气压保护板的直线轴承与加载结构的力传感器和位移传感器相连接，加载杆下端通过内置力传感器与加载盖板相连接；所述多相流驱替模型桶底部散射布置的热蒸驱替管具有电加热、温度测试和充吸气功能，能够随机调节任一管路加热和气体控制功能的开关，所述多相流驱替模型桶侧壁中间部位设置有泄压阀以便于多相流驱替模型桶内压力超限时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶表面个玻璃视窗外部设置有LED环形照明、相机和遮光罩以提供稳定的测试光源并进行拍照；所述多相流驱替模型桶侧壁表面水平玻璃视窗之间的位置设施有列行共计个圆形传感器插口以便于传感器的插入；所述数据采集分析系统与多相流驱替模型桶内的试样连通。

在第一方面中，所述数据采集分析系统由采集仪和温度-电导率-含水率联合传感器、K型温度传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、相机构成；所述温度-电导率-含水率联合传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口插入试样内部并通过螺纹将传感器拧紧以保证压力室密封；所述K型温度传感器布置在热蒸驱替管的内壁侧面以监测热蒸驱替管与土样接触位置的平衡温度；将底板与多相流驱替模型桶相连接，将温度-电导率-含水率联合传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器分别按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口插入试样内部；将个相机、LED环形照明、遮光罩与多相流驱替模型桶表面的个玻璃视窗相连接；将试样分层装入多相流驱替模型桶，将加载盖板置于试样上部，将加载杆及内置力传感器与加载盖板相连接并将气压保护板与多相流驱替模型桶上部相连接，即形成所述的多相流驱替模型桶。

在第一方面中，所述柔性渗流模型桶呈圆柱形空腔体，其侧壁表面均匀开有列行共计个玻璃视窗以便于观测试验过程中试样的变形；所述柔性渗流模型桶下部与多功能底座边缘通过螺栓相连接，上部通过螺栓与顶板相连接；所述柔性渗流模型桶的多功能底座上部设置有透水石，透水石下方底座上刻有螺旋线和贯通的排水孔，排水孔与外部的高硬度PVC量水管相连接，所述高硬度PVC量水管通过缓冲舱与动力控制系统的气压阀门相连接；所述柔性渗流模型桶的顶板中心开有贯通内外的加载孔以便于加载杆通过加载孔对试样进行加载，加载孔的上部连接有直线轴承以便于加载杆沿直线轴承方向上下运动；所述贯通柔性渗流模型桶顶板的加载杆一端与内置力传感器相连接，另一端与水平横梁加载机构下表面的力传感器相连接，内置力传感器的下端与试样上帽的刚性加载头相连接；所述试样上帽内部设置有通水孔，以实现对试样的饱和和对试样施加渗透力；所述柔性渗流模型桶的侧壁表面下部开有围压孔以通过动力控制系统对试样施加稳定压力σ；所述柔性渗流模型桶的侧壁表面上部开有水头管线孔以便于外部动力控制系统与试样上帽的通水孔相连接；所述高硬度PVC量水管呈竖直方向安置，其外部敷光栅刻度尺可以读取高硬度PVC量水管)内水位的变化；所述缓冲舱与高硬度PVC量水管连接处设置有半透膜用于防止试样中排出的污染液进入动力控制系统；将包裹橡皮膜的试样置于柔性渗流模型桶多功能底座的透水石上并将橡皮膜与多功能底座扎紧，分别将透水石和试样上帽放置在包裹橡皮膜的试样上端并将橡皮膜与试样上帽扎紧，将围压孔和通水孔分别与动力控制系统相连接，将柔性渗流模型桶腔体内部充满液体，将相机与数据采集分析系统的采集仪相连接，即形成所述的柔性渗流模型桶。

第二方面，本发明提供了一种多相流圆柱模型试验系统的试验方法，所述试验方法包括上述任意一项多相流圆柱模型试验系统，所述试验方法包括以下步骤：组装多相流驱替模型桶；将组装完成的多相流驱替模型桶沿T形滑道底座的两根滑动条推动至加载结构下方，并将加载杆上端与加载结构的力传感器和位移传感器相连接；将力传感器、位移传感器、温度-电导率-含水率联合传感器、K型温度传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器、相机与数据采集分析系统的采集仪相连接；将动力控制系统与多相流驱替模型桶气压保护板的充压阀相连接，并将多相流驱替模型桶底板的热蒸驱替管外部接口与动力控制系统相连接，将加载结构和LED环形照明与动力控制系统相连接；通过动力控制系统设定加载结构的竖向加载力σv，设定充压阀的压力P和泄压阀保护值PP(PP取.～.倍的充压阀压力P)，以对试样进行固结；通过动力控制系统设定热蒸驱替管的加热功率W并开始对试样进行加热，当K型温度传感器的读数达到目标温度T(℃≤T≤℃)时，再通过动力控制系统设定热蒸驱替管的蒸汽输送压力Pa并开始试验；通过相机记录试验过程内试样各相的流动状态以及土骨架变形；通过力传感器、位移传感器记录试验过程中试样在稳定竖向加载力σv的竖向变形；通过温度-电导率-含水率联合传感器记录试验过程中试样中测试点的电导率与含水率；通过基质吸力传感器记录试验过程中试样中测试点的基质吸力；通过土压力传感器和孔隙水压力传感器分别记录待测点的土压力和孔隙水压力；通过动力控制系统连接的回风口，记录回风口排出污染物的成分i及质量m随时间的变化，待各成分污染物排出的质量和Σm占试样中污染物总质量的％时可停止试验；依据温度-电导率-含水率联合传感器、基质吸力传感器、土压力传感器、孔隙水压力传感器分别记录的待测点数据和待测点位置分布，采用空间差值方法绘制出电导率-含水率、基质吸力、土压力、孔隙水压力的空间分布云图；依据内置力传感器读数和充压阀的压力P之和作为总竖向压力，绘制总竖向压力与位移传感器的关系曲线；依据加热功率W、蒸汽输送压力Pa与某时间范围内污染物成分i排出的质量m绘制W-Pa-m曲线。

在第二方面中，所述试验方法还包括以下步骤：组装柔性渗流模型桶；通过动力控制系统对试样施加稳定压力σ对试样进行时间固结，并采用相机观测试验过程中圆柱形试样的变形；达到固结时间后，通过动力控制系统对试样上帽的通水孔施加的水压力Ph，同时对高硬度PVC量水管连接的缓冲舱施加气压力Pd，并用高硬度PVC量水管外部敷光栅刻度尺记录高硬度PVC量水管内水位H在时间t内的变化，并依据公式计算污染土渗透率k，公式为：

式中，k为污染土渗透率；Q为时间t内高硬度PVC量水管的水位增加量，其中Q＝πR²·ΔH，可根据高硬度PVC量水管的半径R和水位增加量ΔH计算获取，ΔH为时间t内高硬度PVC量水管的水位增加高度；A为圆柱形试样的截面积，取706.86cm ².cm；L为圆柱形试样的高度，取cm；Ph为通过动力控制系统对试样上帽通水孔施加水压力，Pd为通过动力控制系统对高硬度PVC量水管连接的缓冲舱施加气压力；t为记录时间；保持Ph与Pd之差不变并重新设定Ph和Pd，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管内水位随时间的变化，并采用公式计算污染土渗透率k；保持Ph不变，重新设定Pd并进行试验，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管内水位随时间的变化，并采用公式计算污染土渗透率k；依据步骤3)、4)、5)确定的污染土渗透率k，绘制污染土渗透率k随Ph与Pd之差和Ph的曲线；通过动力控制系统分别关闭试样上帽的通水孔施加的水压力Ph和对高硬度PVC量水管连接的缓冲舱施加气压力Pd；然后通过动力控制系统控制加载结构的水平横梁加载机构对试样施加定速率的竖向位移，并继续用相机记录试验过程中试样的变形，以及位移传感器记录试样的压缩变形，待位移传感器记录试样的压缩变形达到试样总高度的％时结束试验。

有益效果：

本发明的效果是该多相流圆柱模型试验系统能够开展热蒸驱替过程中试样变形的阵列式测量，能够测定试验过程中试样体的温度场、电导率场、水分场、基质吸力分布、土压力分布、孔隙水压力分布和污染物排出速率；还能够实现水头双向控制的柔性壁渗透三轴试验，并克服了污染液对试验设备的影响。测试功能的提升能够最大限度的提升污染土领域多相多场耦合作用机制，为环境岩土工程中的污染土治理和防灾减灾提供保障。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的一种多相流圆柱模型试验系统的整体结构示意图；

图2为本发明涉及的多相流驱替模型桶底板结构示意图；

图3为本发明涉及的多相流驱替模型桶加载盖板剖面图；

图4为本发明涉及的多相流驱替模型桶玻璃视窗细部图；

图5为本发明涉及的加载机构丝杠和导向轴细部图；

图6为本发明涉及的高硬度PVC量水管连接示意图；

图7为本发明涉及的柔性渗流模型桶透视结构示意图；

附图标记说明：

1.加载结构；

2.多相流驱替模型桶；

3.数据采集分析系统；

4.柔性渗流模型桶；

5.动力控制系统；

11.T形滑道底座；

12.顶部的连接轴；

13.两侧的丝杠；

14.导向轴；

15.水平横梁加载机构；

16.力传感器；

17.位移传感器；

20.底板；

21.玻璃视窗；

22.热蒸驱替管；

23.加载盖板；

24.气压保护板；

25.柔性胶垫；

26.加载杆；

27.内置力传感器；

28.直线轴承；

29.泄压阀；

31.采集仪；

32.温度-电导率-含水率联合传感器；

33.K型温度传感器；

34.基质吸力传感器；

35.土压力传感器；

36.孔隙水压力传感器；

37.相机；

41.多功能底座；

42.顶板；

43.高硬度PVC量水管；

44.缓冲舱；

45.试样上帽；

46.围压孔；

47.水头管线孔；

111.滑动条；

112.挡钉；

131.型材；

132.柔性百叶；

210.充压阀；

211.圆形传感器插口；

212.LED环形照明；

213.遮光罩；

214.弧形密封片；

215.螺栓；

216.排水通道；

217.透水板；

231.C字形滚珠滑动机构；

411.透水石；

412.螺旋线；

413.排水孔；

414.橡皮膜；

421.加载孔；

441.半透膜；

451.刚性加载头；

452.通水孔。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

同时，本说明书实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本说明书实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

近年来，《土壤污染防治行动计划》、《中华人民共和国土壤污染防治法》等法律法规及条例的实施，为土壤污染的防治提供了政策依据和执行条例。开展污染土的治理和修复，对于直面工程设施和农业生产安全问题，是土壤污染形势和政策双重驱动下的必然要求。土壤有机污染的治理或修复方法可归纳为：物理、化学以及生物修复等3种。热蒸驱替技术是采用加热、蒸汽输送的方式将有机污染土中污染物热解并驱替的物理方法，有效模拟热蒸驱替的多相多场耦合过程，对于揭示污染物迁移机理，合理确定污染土驱替参数，对于助力污染土治理具有基础作用。基于此，本发明提出了一种多相流圆柱模型试验系统及试验方法，以解决相应技术问题；

实施例一：

如图1-7所示，本实施例一提供了一种多相流圆柱模型试验系统，所述试验系统包括：加载结构1、多相流驱替模型桶2、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶4、动力控制系统5，其特征是：加载结构1呈门架式，由底部的T形滑道底座11、顶部的连接轴12、两侧的丝杠13和导向轴14组成，水平横梁加载机构15随两侧丝杠13和导向轴14上下移动来对多相流驱替模型桶2施加荷载，所述丝杠13外围设置有导向轴14以引导水平横梁加载机构15在固定方向上移动；两侧的丝杠13和导向轴14的外部通过型材131包裹，通过柔性百叶132连接型材131将水平横梁加载机构15的上下部分封闭；所述水平横梁加载机构15的下表面设置有力传感器16和位移传感器17以便于观测多相流驱替模型桶2内试样的加载力和位移；所述水平横梁加载机构15下端对称设置有2个吊环151以供多相流驱替模型桶2、加载盖板23、气压保护板24的起吊；

T形滑道底座11呈T字形，上部设置有2根滑动条111以便于多相流驱替模型桶2在滑动条上前后滑动便于试样的装拆，所述滑动条111两端设置有挡钉112以防止多相流模型桶2推移过程中的滑出滑动条111造成危险；

所述多相流驱替模型桶2是上下部均可拆卸的桶状空腔体，其侧壁表面开有4列3行共计12个玻璃视窗21以便于观测试验过程中试样中各相的流动状态以及骨架变形，所述多相流驱替模型桶2的底板20轴心布置有1根热蒸驱替管22，底板20其余位置围绕轴心布置的热蒸驱替管22散射布置有两圈共计12根热蒸驱替管22以实现对试样的加热和流体的抽吸，所述外圈热蒸驱替管22与内圈热蒸驱替管22之间或内圈热蒸驱替管22与轴心位置热蒸驱替管22之间的间距相等；所述底板20边缘通过螺栓215与多相流驱替模型桶2下部相连接；所述底板20设置有贯通内外的排水通道216，底板20的上部设置有透水板217以便于热蒸驱替过程中形成的液体通过透水板217汇集后经过排水通道216排出；

所述多相流驱替模型桶2顶部设置有气压保护板24，其边缘通过螺栓215与多相流驱替模型桶2相连接；所述气压保护板24的上部关于中心对称布置有充压阀210和泄压阀29以便于多相流驱替模型桶2内部压力的填充和压力过大时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶2内部试样顶面设置有加载盖板23；加载盖板23侧壁采用C字形滚珠滑动机构231与多相流驱替模型桶2相接触以保证施加荷载过程中加载盖板23能够在多相流驱替模型桶2内壁上下滑动，加载盖板23下部通过柔性胶垫25与试样相接触，加载盖板23的上部周边设置有弧形密封片214以实现加载盖板23、多相流驱替模型桶2和气压保护板24之间形成空间的密封，通过动力控制系统5经过充压阀210对加载盖板23、多相流驱替模型桶2和气压保护板24之间的密封空间进行充压以保证弧形密封片214与多相流驱替模型桶2内壁的紧密贴合保证密封效果；加载盖板23的上部轴心设置有加载杆26和内置力传感器27，加载杆26上端贯穿气压保护板24的直线轴承28与加载结构1的力传感器16和位移传感器17相连接，加载杆26下端通过内置力传感器27与加载盖板23相连接；

所述多相流驱替模型桶2底部散射布置的热蒸驱替管22具有电加热、温度测试和充吸气功能，能够随机调节任一管路加热和气体控制功能的开关，所述多相流驱替模型桶2侧壁中间部位设置有泄压阀29以便于多相流驱替模型桶2内压力超限时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶2表面12个玻璃视窗21外部设置有LED环形照明212、相机37和遮光罩213以提供稳定的测试光源并进行拍照；所述多相流驱替模型桶2侧壁表面水平玻璃视窗21之间的位置设施有4列3行共计12个圆形传感器插口211以便于传感器的插入；

所述数据采集分析系统3由采集仪31和温度-电导率-含水率联合传感器32、K型温度传感器33、基质吸力传感器34、土压力传感器35、孔隙水压力传感器36、相机37构成；所述温度-电导率-含水率联合传感器32、基质吸力传感器34、土压力传感器35、孔隙水压力传感器36按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口211插入试样内部并通过螺纹将传感器拧紧以保证压力室密封；所述K型温度传感器33布置在热蒸驱替管22的内壁侧面以监测热蒸驱替管22与土样接触位置的平衡温度；

将底板20与多相流驱替模型桶2相连接，将温度-电导率-含水率联合传感器32、基质吸力传感器34、土压力传感器35、孔隙水压力传感器36分别按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口211插入试样内部；将12个相机37、LED环形照明212、遮光罩213与多相流驱替模型桶2表面的12个玻璃视窗相连接；将试样分层装入多相流驱替模型桶2，将加载盖板23置于试样上部，将加载杆26及内置力传感器27与加载盖板23相连接并将气压保护板24与多相流驱替模型桶2上部相连接，即形成所述的多相流驱替模型桶2。

所述柔性渗流模型桶4，其技术特征是：该柔性渗流模型桶4呈圆柱形空腔体，其侧壁表面均匀开有4列3行共计12个玻璃视窗21以便于观测试验过程中试样的变形；所述柔性渗流模型桶4下部与多功能底座41边缘通过螺栓215相连接，上部通过螺栓215与顶板42相连接；所述柔性渗流模型桶4的多功能底座41上部设置有透水石411，透水石411下方底座上刻有螺旋线412和贯通的排水孔413，排水孔413与外部的高硬度PVC量水管43相连接，所述高硬度PVC量水管43通过缓冲舱44与动力控制系统5的气压阀门相连接；

所述柔性渗流模型桶4的顶板42中心开有贯通内外的加载孔421以便于加载杆26通过加载孔421对试样进行加载，加载孔421的上部连接有直线轴承28以便于加载杆26沿直线轴承28方向上下运动；所述贯通柔性渗流模型桶4顶板42的加载杆26一端与内置力传感器27相连接，另一端与水平横梁加载机构15下表面的力传感器16相连接，内置力传感器27的下端与试样上帽45的刚性加载头451相连接；

所述试样上帽45内部设置有通水孔452，以实现对试样的饱和和对试样施加渗透力；所述柔性渗流模型桶4的侧壁表面下部开有围压孔46以通过动力控制系统5对试样施加稳定压力σ3；所述柔性渗流模型桶4的侧壁表面上部开有水头管线孔47以便于外部动力控制系统5与试样上帽45的通水孔452相连接；

所述高硬度PVC量水管43呈竖直方向安置，其外部敷光栅刻度尺可以读取高硬度PVC量水管43内水位的变化；所述缓冲舱44与高硬度PVC量水管43连接处设置有半透膜441用于防止试样中排出的污染液进入动力控制系统5；

将包裹橡皮膜414的试样置于柔性渗流模型桶4多功能底座41的透水石411上并将橡皮膜414与多功能底座41扎紧，分别将透水石411和试样上帽45放置在包裹橡皮膜414的试样上端并将橡皮膜414与试样上帽45扎紧，将围压孔46和通水孔452分别与动力控制系统5相连接，将柔性渗流模型桶4腔体内部充满液体，将相机37与数据采集分析系统3的采集仪31相连接，即形成所述的柔性渗流模型桶4。

实施例二：

本发明的实施例二提供了一种多相流圆柱模型试验系统的多相流驱替模型桶的实施方法，该方法包括有以下步骤：

组装多相流驱替模型桶2；

将组装完成的多相流驱替模型桶2沿T形滑道底座11的两根滑动条111推动至加载结构1下方，并将加载杆26上端与加载结构1的力传感器16和位移传感器17相连接；

将力传感器16、位移传感器17、温度-电导率-含水率联合传感器32、K型温度传感器33、基质吸力传感器34、土压力传感器35、孔隙水压力传感器36、相机37与数据采集分析系统3的采集仪31相连接；

将动力控制系统5与多相流驱替模型桶2气压保护板24的充压阀210相连接，并将多相流驱替模型桶2底板20的热蒸驱替管22外部接口与动力控制系统5相连接，将加载结构1和LED环形照明212与动力控制系统相连接；

通过动力控制系统5设定加载结构1的竖向加载力σv，设定充压阀210的压力P和泄压阀保护值PP取1.5～1.8倍的充压阀210压力P，以对试样进行固结；

通过动力控制系统5设定热蒸驱替管22的加热功率W并开始对试样进行加热，当K型温度传感器33的读数达到目标温度T为：80℃≤T≤150℃时，再通过动力控制系统5设定热蒸驱替管22的蒸汽输送压力Pa并开始试验；

通过相机37记录试验过程内试样各相的流动状态以及土骨架变形；通过力传感器16、位移传感器17记录试验过程中试样在稳定竖向加载力σv的竖向变形；通过温度-电导率-含水率联合传感器32记录试验过程中试样中测试点的电导率与含水率；通过基质吸力传感器34记录试验过程中试样中测试点的基质吸力；通过土压力传感器35和孔隙水压力传感器36分别记录待测点的土压力和孔隙水压力；

通过动力控制系统5连接的回风口，记录回风口排出污染物的成分i及质量m随时间的变化，待各成分污染物排出的质量和Σm占试样中污染物总质量的80％时可停止试验；

依据温度-电导率-含水率联合传感器32、基质吸力传感器34、土压力传感器35、孔隙水压力传感器36分别记录的待测点数据和待测点位置分布，采用空间差值方法绘制出电导率-含水率、基质吸力、土压力、孔隙水压力的空间分布云图；

10)依据内置力传感器27读数和充压阀210的压力P之和作为总竖向压力，绘制总竖向压力与位移传感器17的关系曲线；依据加热功率W、蒸汽输送压力Pa与某时间范围内污染物成分i排出的质量m绘制W-Pa-m曲线。

进一步地，该方法包括有以下步骤：

组装柔性渗流模型桶4；

通过动力控制系统5对试样施加稳定压力σ3对试样进行时间固结，并采用相机37观测试验过程中圆柱形试样的变形；

达到固结时间后，通过动力控制系统5对试样上帽45的通水孔452施加的水压力Ph，同时对高硬度PVC量水管43连接的缓冲舱44施加气压力Pd，并用高硬度PVC量水管43外部敷光栅刻度尺记录高硬度PVC量水管43内水位H在时间t内的变化，并依据公式(1)计算污染土渗透率k，公式(1)为：

式(1)中，k为污染土渗透率；Q为时间t内高硬度PVC量水管43的水位增加量，其中Q＝πR2·ΔH，可根据高硬度PVC量水管43的半径R和水位增加量ΔH计算获取，ΔH为时间t内高硬度PVC量水管43的水位增加高度；A为圆柱形试样的截面积，取706.86cm²；L为圆柱形试样的高度，取60cm；Ph为通过动力控制系统5对试样上帽45通水孔452施加水压力，Pd为通过动力控制系统5对高硬度PVC量水管43连接的缓冲舱44施加气压力；t为记录时间；

保持Ph与Pd之差不变并重新设定Ph和Pd，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管43内水位随时间的变化，并采用公式(1)计算污染土渗透率k；

保持Ph不变，重新设定Pd并进行试验，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管43内水位随时间的变化，并采用公式(1)计算污染土渗透率k；

依据步骤3、4、5确定的污染土渗透率k，绘制污染土渗透率k随Ph与Pd之差和Ph的曲线；

通过动力控制系统5分别关闭试样上帽45的通水孔452施加的水压力Ph和对高硬度PVC量水管43连接的缓冲舱44施加气压力Pd；然后通过动力控制系统5控制加载结构1的水平横梁加载机构15对试样施加定速率的竖向位移，并继续用相机37记录试验过程中试样的变形，以及位移传感器17记录试样的压缩变形，待位移传感器17记录试样的压缩变形达到试样总高度的15％时结束试验。

本发明的技术特点有：

采用螺旋环状上升的布置形式能够最大程度获取多参数的分布场测试需求；

基于双腔气压密封提升大面积加载下的密封性能；

采用水头和气压分别对两端施加水头差的方式能够模拟两端水力作用下污染土坝、阻隔结构的渗透性能，隔绝污染土渗滤液对下游测试传感器的影响；

采用比隔膜泵和水压力发生器气缸更细小的细管提升渗透性能的测试精度；

基于阵列式的图像测量方式能够提升多场多相渗流试验过程的记录和微观分析。

由于该实施例二与实施例一为同一发明构思下的一个实施例，其部分结构完全相同，因此对实施例二中与实施例一实质相同的结构不在详细阐述，未详述部分请参阅实施例一即可。

最后应说明的是：以上上述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (4)

1.一种多相流圆柱模型试验系统，该系统包括：加载结构(1)、多相流驱替模型桶(2)、数据采集分析系统、柔性渗流模型桶(4)、动力控制系统(5)，其特征在于：

所述加载结构(1)呈门架式，由底部的T形滑道底座(11)、顶部的连接轴(12)、两侧的丝杠(13)和导向轴(14)组成，水平横梁加载机构(15)随两侧丝杠(13)和导向轴(14)上下移动对多相流驱替模型桶(2)施加荷载，所述丝杠(13)外围设置有导向轴(14)以引导水平横梁加载机构(15)在固定方向上移动；两侧的丝杠(13)和导向轴(14)的外部通过型材(131)包裹，通过柔性百叶(132)连接型材(131)将水平横梁加载机构(15)的上下部分封闭；所述水平横梁加载机构(15)的下表面设置有力传感器(16)和位移传感器(17)以观测多相流驱替模型桶(2)内试样的加载力和位移；所述水平横梁加载机构(15)下端对称设置有2个吊环(151)以供多相流驱替模型桶(2)、加载盖板(23)、气压保护板(24)的起吊；

T形滑道底座(11)呈T字形，上部设置有2根滑动条(111)以使所述多相流驱替模型桶(2)在滑动条上前后滑动，所述滑动条(111)两端设置有挡钉(112)；

所述多相流驱替模型桶(2)是上下部均可拆卸的桶状空腔体，其侧壁表面开有4列3行共计12个玻璃视窗(21)，所述多相流驱替模型桶(2)的底板(20)轴心布置有1根热蒸驱替管(22)，底板(20)其余位置围绕轴心布置的热蒸驱替管(22)散射布置有两圈共计12根热蒸驱替管(22)以实现对试样的加热和流体的抽吸，所述外圈热蒸驱替管(22)与内圈热蒸驱替管(22)之间或内圈热蒸驱替管(22)与轴心位置热蒸驱替管(22)之间的间距相等；所述底板(20)边缘通过螺栓(215)与多相流驱替模型桶(2)下部相连接；所述底板(20)设置有贯通内外的排水通道(216)，底板(20)的上部设置有透水板(217)以便于热蒸驱替过程中形成的液体通过透水板(217)汇集后经过排水通道(216)排出；

所述多相流驱替模型桶(2)顶部设置有气压保护板(24)，其边缘通过螺栓(215)与多相流驱替模型桶(2)相连接；所述气压保护板(24)的上部关于中心对称布置有充压阀(210)和泄压阀(29)，用于多相流驱替模型桶(2)内部压力的填充和压力过大时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶(2)内部试样顶面设置有加载盖板(23)；加载盖板(23)侧壁采用C字形滚珠滑动机构(231)与多相流驱替模型桶(2)相接触以保证施加荷载过程中加载盖板(23)能够在多相流驱替模型桶(2)内壁上下滑动，加载盖板(23)下部通过柔性胶垫(25)与试样相接触，加载盖板(23)的上部周边设置有弧形密封片(214)以实现加载盖板(23)、多相流驱替模型桶(2)和气压保护板(24)之间形成空间的密封，通过动力控制系统(5)经过充压阀(210)对加载盖板(23)、多相流驱替模型桶(2)和气压保护板(24)之间的密封空间进行充压以保证弧形密封片(214)与多相流驱替模型桶(2)内壁的紧密贴合保证密封效果；加载盖板(23)的上部轴心设置有加载杆(26)和内置力传感器(27)，加载杆(26)上端贯穿气压保护板(24)的直线轴承(28)与加载结构(1)的力传感器(16)和位移传感器(17)相连接，加载杆(26)下端通过内置力传感器(27)与加载盖板(23)相连接；

所述多相流驱替模型桶(2)底部散射布置有热蒸驱替管(22)，所述多相流驱替模型桶(2)侧壁中间部位设置有泄压阀(29)以便于多相流驱替模型桶(2)内压力超限时的自动泄压；所述多相流驱替模型桶(2)表面12个玻璃视窗(21)，外部设置有LED环形照明(212)、相机(37)和遮光罩(213)以提供稳定的测试光源并进行拍照；所述多相流驱替模型桶(2)侧壁表面水平玻璃视窗(21)之间的位置设施有4列3行共计12个圆形传感器插口(211)以便于传感器的插入；

所述数据采集分析系统与多相流驱替模型桶(2)内的试样连通；

所述柔性渗流模型桶(4)呈圆柱形空腔体，其侧壁表面均匀开有4列3行共计12个玻璃视窗(21)以便于观测试验过程中试样的变形；所述柔性渗流模型桶(4)下部与多功能底座(41)边缘通过螺栓(215)相连接，上部通过螺栓(215)与顶板(42)相连接；所述柔性渗流模型桶(4)的多功能底座(41)上部设置有透水石(411)，透水石(411)下方底座上刻有螺旋线(412)和贯通的排水孔(413)，排水孔(413)与外部的高硬度PVC量水管(43)相连接，所述高硬度PVC量水管(43)通过缓冲舱(44)与动力控制系统(5)的气压阀门相连接；

所述柔性渗流模型桶(4)的顶板(42)中心开有贯通内外的加载孔(421)以便于加载杆(26)通过加载孔(421)对试样进行加载，加载孔(421)的上部连接有直线轴承(28)以便于加载杆(26)沿直线轴承(28)方向上下运动；所述贯通柔性渗流模型桶(4)顶板(42)的加载杆(26)一端与内置力传感器(27)相连接，另一端与水平横梁加载机构(15)下表面的力传感器(16)相连接，内置力传感器(27)的下端与试样上帽(45)的刚性加载头(451)相连接；

所述试样上帽(45)内部设置有通水孔(452)，以实现对试样的饱和和对试样施加渗透力；所述柔性渗流模型桶(4)的侧壁表面下部开有围压孔(46)以通过动力控制系统(5)对试样施加稳定压力σ3；所述柔性渗流模型桶(4)的侧壁表面上部开有水头管线孔(47)以便于外部动力控制系统(5)与试样上帽(45)的通水孔(452)相连接；

所述高硬度PVC量水管(43)呈竖直方向安置，其外部敷光栅刻度尺可以读取高硬度PVC量水管(43))内水位的变化；所述缓冲舱(44)与高硬度PVC量水管(43)连接处设置有半透膜(441)用于防止试样中排出的污染液进入动力控制系统(5)；

将包裹橡皮膜(414)的试样置于柔性渗流模型桶(4)多功能底座(41)的透水石(411)上并将橡皮膜(414)与多功能底座(41)扎紧，分别将透水石(411)和试样上帽(45)放置在包裹橡皮膜(414)的试样上端并将橡皮膜(414)与试样上帽(45)扎紧，将围压孔(46)和通水孔(452)分别与动力控制系统(5)相连接，将柔性渗流模型桶(4)腔体内部充满液体，将相机(37)与数据采集分析系统的采集仪(31)相连接，即形成所述的柔性渗流模型桶(4)。

2.根据权利要求1所述的多相流圆柱模型试验系统，其特征在于:

所述数据采集分析系统由采集仪(31)和温度-电导率-含水率联合传感器(32)、K型温度传感器(33)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)、相机(37)构成；所述温度-电导率-含水率联合传感器(32)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口(211)插入试样内部并通过螺纹将传感器拧紧以保证压力室密封；所述K型温度传感器(33)布置在热蒸驱替管(22)的内壁侧面以监测热蒸驱替管(22)与土样接触位置的平衡温度；

将底板(20)与多相流驱替模型桶(2)相连接，将温度-电导率-含水率联合传感器(32)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)分别按照螺旋上升的排列方式通过圆形传感器插口(211)插入试样内部；将12个相机(37)、LED环形照明(212)、遮光罩(213)与多相流驱替模型桶(2)表面的12个玻璃视窗相连接；将试样分层装入多相流驱替模型桶(2)，将加载盖板(23)置于试样上部，将加载杆(26)及内置力传感器(27)与加载盖板(23)相连接并将气压保护板(24)与多相流驱替模型桶(2)上部相连接，即形成所述的多相流驱替模型桶(2)。

3.一种多相流圆柱模型试验系统的试验方法，所述试验方法包括上述任意一项权利要求1-2所述的多相流圆柱模型试验系统，其特征在于，所述试验方法包括以下步骤：

组装多相流驱替模型桶(2)；

将组装完成的多相流驱替模型桶(2)沿T形滑道底座(11)的两根滑动条(111)推动至加载结构(1)下方，并将加载杆(26)上端与加载结构(1)的力传感器(16)和位移传感器(17)相连接；

将力传感器(16)、位移传感器(17)、温度-电导率-含水率联合传感器(32)、K型温度传感器(33)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)、相机(37)与数据采集分析系统的采集仪(31)相连接；

将动力控制系统(5)与多相流驱替模型桶(2)气压保护板(24)的充压阀(210)相连接，并将多相流驱替模型桶(2)底板(20)的热蒸驱替管(22)外部接口与动力控制系统(5)相连接，将加载结构(1)和LED环形照明(212)与动力控制系统相连接；

通过动力控制系统(5)设定加载结构(1)的竖向加载力σv，设定充压阀(210)的压力P和泄压阀保护值PP；PP取1.5～1.8倍的充压阀(210)压力P，以对试样进行固结；

通过动力控制系统(5)设定热蒸驱替管(22)的加热功率W并开始对试样进行加热，当K型温度传感器(33)的读数达到目标温度T为：80℃≤T≤150℃时，再通过动力控制系统(5)设定热蒸驱替管(22)的蒸汽输送压力Pa并开始试验；

通过相机(37)记录试验过程内试样各相的流动状态以及土骨架变形；通过力传感器(16)、位移传感器(17)记录试验过程中试样在稳定竖向加载力σv的竖向变形；通过温度-电导率-含水率联合传感器(32)记录试验过程中试样中测试点的电导率与含水率；通过基质吸力传感器(34)记录试验过程中试样中测试点的基质吸力；通过土压力传感器(35)和孔隙水压力传感器(36)分别记录待测点的土压力和孔隙水压力；

通过动力控制系统(5)连接的回风口，记录回风口排出污染物的成分i及质量m随时间的变化，待各成分污染物排出的质量和Σm占试样中污染物总质量的80％时可停止试验；

依据温度-电导率-含水率联合传感器(32)、基质吸力传感器(34)、土压力传感器(35)、孔隙水压力传感器(36)分别记录的待测点数据和待测点位置分布，采用空间差值方法绘制出电导率-含水率、基质吸力、土压力、孔隙水压力的空间分布云图；

依据内置力传感器(27)读数和充压阀(210)的压力P之和作为总竖向压力，绘制总竖向压力与位移传感器(17)的关系曲线；依据加热功率W、蒸汽输送压力Pa与某时间范围内污染物成分i排出的质量m绘制W-Pa-m曲线。

4.根据权利要求3所述的多相流圆柱模型试验系统的试验方法，其特征在于，所述试验方法还包括以下步骤：

组装柔性渗流模型桶(4)；

通过动力控制系统(5)对试样施加稳定压力σ3对试样进行时间固结，并采用相机(37)观测试验过程中圆柱形试样的变形；

达到固结时间后，通过动力控制系统(5)对试样上帽(45)的通水孔(452)施加的水压力Ph，同时对高硬度PVC量水管(43)连接的缓冲舱(44)施加气压力Pd，并用高硬度PVC量水管(43)外部敷光栅刻度尺记录高硬度PVC量水管(43)内水位H在时间t内的变化，并依据公式(1)计算污染土渗透率k，公式(1)为：

式(1)中，k为污染土渗透率；Q为时间t内高硬度PVC量水管(43)的水位增加量，其中Q＝πR²·ΔH，可根据高硬度PVC量水管(43)的半径R和水位增加量ΔH计算获取，ΔH为时间t内高硬度PVC量水管(43)的水位增加高度；A为圆柱形试样的截面积，取706.86cm²；L为圆柱形试样的高度，取60cm；Ph为通过动力控制系统(5)对试样上帽(45)通水孔(452)施加水压力，Pd为通过动力控制系统(5)对高硬度PVC量水管(43)连接的缓冲舱(44)施加气压力；t为记录时间；

保持Ph与Pd之差不变并重新设定Ph和Pd，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管(43)内水位随时间的变化，并采用公式(1)计算污染土渗透率k；

保持Ph不变，重新设定Pd并进行试验，同时记录新设定的定Ph和Pd作用下高硬度PVC量水管(43)内水位随时间的变化，并采用公式(1)计算污染土渗透率k；

依据步骤3)、4)、5)确定的污染土渗透率k，绘制污染土渗透率k随Ph与Pd之差和Ph的曲线；

通过动力控制系统(5)分别关闭试样上帽(45)的通水孔(452)施加的水压力Ph和对高硬度PVC量水管(43)连接的缓冲舱(44)施加气压力Pd；然后通过动力控制系统(5)控制加载结构(1)的水平横梁加载机构(15)对试样施加定速率的竖向位移，并继续用相机(37)记录试验过程中试样的变形，以及位移传感器(17)记录试样的压缩变形，待位移传感器(17)记录试样的压缩变形达到试样总高度的15％时结束试验。

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