CN115096790B - 土料渗透特性现场试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

一种土料渗透特性现场试验装置及其试验方法。本发明的外管、内管、花管由外至内同轴设置，外管与内管之间有环空Ⅰ，所述内管与花管之间有环空Ⅱ；内管的管壁上设置有径向通孔Ⅰ；花管的下端是封闭的，花管的管壁上设置有径向通孔Ⅱ；外管、内管的下端管壁为尖劈形；花管的下端由端板封闭；应用试验装置获得土料的渗透系数和破坏水力比降。其有益效果是，试验装置结构设计合理，渗流边界明确，无需现场进行水泥砂浆浇筑，便于操作，缩短试验周期，试验方法能够准确获取土料的渗透系数和破坏水力比降。

Description

土料渗透特性现场试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种土料特性试验装置，尤其是涉及一种土料渗透特性现场试 验装置及其试验方法，属于水利工程建设技术领域。

背景技术

近年来，我国土石坝工程建设快速发展，筑坝土料的渗透系数和破坏水 力比降表明了土料的渗透特性，是土石坝渗流分析中的基本计算参数，需在筑 坝之前对其进行测定。目前水利工程建设过程中，可通过现场试验对筑坝土料 的渗透特性进行研究，《水电水利工程粗粒土试验规程》(DL/T 5356-2006)等 现行的标准规范中规定了现场渗透变形试验的方法，可以得到土料的渗透特 性。该方法的缺点有：需要采用水泥砂浆进行浇筑，试验工艺复杂，试验周期 较长；受现场条件的限制，难以施加模拟大坝实际运行工况的高水头，可能无 法测得土料的破坏水力比降。

发明内容

为了克服现有土料渗透特性试验方法存在的试验工艺复杂，试验周期较 长；受现场条件的限制，难以施加模拟大坝实际运行工况的高水头，无法测得 土料的破坏水力比降的不足，本发明提供一种土料渗透特性现场试验装置及其 试验方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种土料渗透特性现场试验 装置，外管、内管、花管由外至内同轴设置，所述外管与内管之间有环空Ⅰ， 所述内管与花管之间有环空Ⅱ；所述内管的管壁上设置有径向通孔Ⅰ；所述花 管的下端是封闭的，花管的管壁上设置有径向通孔Ⅱ。

进一步，所述外管、内管的下端管壁为尖劈形。

进一步，所述花管的下端由端板封闭。

进一步，所述外管内径为60cm、高度为100cm，所述内管内径为40cm、 高度为100cm。

进一步，所述外管、内管、花管的材质为不锈钢。

一种所述土料渗透特性现场试验装置的试验方法，其步骤是：

S1、在现场试验土料的表面确定一个圆心位置，将内管的轴心对准土料圆 心，将内管垂直向下击入土料中，至内管上端面与土料上表面平齐；

S2、将外管的轴心对准土料圆心，将外管垂直向下击入土料中，至外管上 端面与土料上表面平齐；

S3、在S1确定的土料圆心位置垂直钻孔，孔深为花管的长度，垂直孔的孔 径尺寸与花管的外径相同，将花管放置在垂直孔内，花管上端面与土料上表面 平齐；

S4、清除外管与内管之间环空Ⅰ内的土料；

至此将土料渗透特性现场试验装置安装完毕；

S5、使用压力体积控制器向花管内注水，注入水通过花管的径向通孔Ⅱ流 入花管与内管之间环空Ⅱ的土料中，再通过内管的径向通孔Ⅰ流到内管与外管 之间的环空Ⅰ中；

S6、从小到大逐级提高压力体积控制器施加的水压力，模拟不同的水头高 度，在每级水头高度下保持稳定，直至内管的径向通孔Ⅰ出水流量稳定，由压 力体积控制器读取该流量，由公式1计算该级水头下土料的渗透系数：

k＝(Q/2πRL)/(H/D) 公式1

其中：k——待测土料的渗透系数，cm/s；

Q——压力体积控制器读取的稳定流量，cm ³/s；

R——内管内径，cm；

L——内管长度，cm；

H——压力体积控制器施加的水头高度，cm；

D——内管与花管之间的土料厚度，cm；

H/D——渗透水力比降；

S7、当压力体积控制器提高水头到H _p后，有细颗粒从内管的径向通孔Ⅰ冲 出时，表明土料发生了渗透破坏，试验结束，该水头时的渗透水力比降H _p/D即 为破坏水力比降。

本发明的有益效果是，试验装置结构设计合理，渗流边界明确，无需现 场进行水泥砂浆浇筑，便于操作，缩短试验周期，试验方法能够准确获取土料 的渗透系数和破坏水力比降。

附图说明

图1是本发明土料渗透特性现场试验装置的现场应用示意图。

图2是本发明土料渗透特性现场试验装置的俯视图。

图中：1.外管，2.内管，3.花管，4.端板，5.径向通孔Ⅰ，6.径向通孔Ⅱ，7. 环空Ⅰ，8.环空Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员 应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精 神，都应该包括于本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“垂直”、“上”、“下”、 “左”、“右”、“水平”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发明和简化描述，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 本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语 “安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是 可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是直接相连，也可以通 过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人 员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见附图1、2。本发明一种土料渗透特性现场试验装置，包括外管1、内 管2、花管3，外管1、内管2、花管3由外至内同轴设置，所述外管1与内管 2之间有环空Ⅰ7，所述内管2与花管3之间有环空Ⅱ8；所述内管2的管壁上 设置有径向通孔Ⅰ5；所述花管3的下端是封闭的，花管3的管壁上设置有径向 通孔Ⅱ6。优选的，所述花管3的下端由固定安装的端板4封闭。

进一步，所述外管1、内管2的下端管壁为尖劈形，便于将外管1、内管2 垂直向下插入土料中。

优选的，所述外管1、内管2、花管3的材质为不锈钢。

应用所述土料渗透特性现场试验装置的试验方法，其步骤是：

S1、在现场试验土料的表面确定一个圆心位置，将内管2的轴心对准土料 圆心，将内管2垂直向下击入土料中，至内管2上端面与土料上表面平齐；

S2、将外管1的轴心对准土料圆心，将外管1垂直向下击入土料中，至外管 1上端面与土料上表面平齐；

S3、在S1确定的土料圆心位置垂直钻孔，孔深为花管3的长度，垂直孔的 孔径尺寸与花管3的外径相同，将花管3放置在垂直孔内，花管3上端面与土料上 表面平齐；

S4、清除外管1与内管2之间环空Ⅰ7内的土料；

至此将土料渗透特性现场试验装置安装完毕；

S5、使用压力体积控制器(图中未示出)向花管3内注水，注入水通过花 管3的径向通孔Ⅱ6流入花管3与内管2之间环空Ⅱ8的土料中，再通过内管2的径 向通孔Ⅰ5流到内管2与外管1之间的环空Ⅰ7中；

S6、从小到大逐级提高压力体积控制器施加的水压力，模拟不同的水头高 度，在每级水头高度下保持稳定，直至内管2的径向通孔Ⅰ5出水流量稳定，由 压力体积控制器读取该流量，由公式1计算该级水头下土料的渗透系数：

k＝(Q/2πRL)/(H/D) 公式1

其中：k——待测土料的渗透系数，cm/s；

Q——压力体积控制器读取的稳定流量，cm ³/s；

R——内管内径，cm；

L——内管长度，cm；

H——压力体积控制器施加的水头高度，cm；

D——内管与花管之间的土料厚度，cm；

H/D——渗透水力比降；

S7、当压力体积控制器提高水头到H _p后，有细颗粒从内管2的径向通孔 Ⅰ5冲出时，表明土料发生了渗透破坏，试验结束，该水头时的渗透水力比降 H _p/D即为破坏水力比降。

实施例1：

一种应用所述土料渗透特性现场试验装置进行试验的方法，其中试验装置 的外管1内径为60cm、高度为100cm，所述内管2内径R为40cm、长度L为100cm， 花管外径为4cm，内管与花管之间的土料厚度D为18cm，其步骤如下：

S1、在试验土料表面确定一个圆心位置，将内管2的轴心对准土料圆心， 将内管2垂直向下击入土料中，至内管2上端面与土料上表面平齐；

S2、将外管1的轴心对准土料圆心，将外管1垂直向下击入土料中，至外管 1上端面与土料上表面平齐；

S3、在S1确定的土料圆心位置垂直钻孔，孔深为花管3的长度，垂直孔的 孔径尺寸与花管3的外径相同，将花管3放置在垂直孔内，花管3上端面与土料上 表面平齐；

S4、清除外管1与内管2之间环空Ⅰ7内的土料；

至此将土料渗透特性现场试验装置安装完毕；

S5、使用压力体积控制器向花管3内注水，注入水通过花管3的径向通孔Ⅱ 6流入花管3与内管2之间环空Ⅱ8的土料中，再通过内管2的径向通孔Ⅰ5流到内 管2与外管1之间的环空Ⅰ7中；

S6、从小到大逐级提高压力体积控制器施加的水压力，模拟不同的水头高 度，在每级水头高度下保持稳定，当内管2的径向通孔Ⅰ5出水流量稳定，由压 力体积控制器读取该流量，由公式1计算该流量下土料的渗透系数：

k＝(Q/2πRL)/(H/D) 公式1

实施例1各级水头下土料的渗透系数

S7、当压力体积控制器提高水头到H _p＝216cm后，有细颗粒从内管2的径向 通孔Ⅰ5冲出时，表明土料发生了渗透破坏，试验结束，该水头时的渗透水力比 降H _p/D＝12即为破坏水力比降。

至此，通过步骤S6、S7可以计算各级水头下土料的渗透系数，并确定试验 土料的破坏水力比降。

实施例2：

将所述土料渗透特性现场试验装置的外管1、内管2、花管3由外至内同 轴固定设置为一体的管体，简化土料渗透特性现场试验装置的安装步骤，其中 试验装置的外管1内径为65cm、高度为100cm，所述内管2内径R为45cm、 长度L为100cm，花管外径为5cm，内管与花管之间的土料厚度D为20cm。

具体测试土料渗透系数和破坏水力比降的方法的步骤如下：

A、在试验土料表面确定一个圆心位置，在土料圆心位置垂直钻孔，孔深 为花管3的长度，垂直孔的孔径尺寸与花管3的外径相同；

B、将管体的花管3对准垂直孔，向下敲击管体至土料内直至管体上端与土 料上表面平齐；

C、清除外管1与内管2之间环空Ⅰ7内的土料；

至此将土料渗透特性现场试验装置安装完毕；

D、使用压力体积控制器(图中未示出)向花管3内注水，注入水通过花管 3的径向通孔Ⅱ6流入花管3与内管2之间环空Ⅱ8的土料中，再通过内管2的径向 通孔Ⅰ5流到内管2与外管1之间的环空Ⅰ7中；

E、从小到大逐级提高压力体积控制器施加的水压力，模拟不同的水头高 度，在每个水头高度下保持稳定，直至内管2的径向通孔Ⅰ5出水并且压力体积 控制器的水流量稳定，测计该流量，由公式1计算该流量下土料的渗透系数：

k＝(Q/2πRL)/(H/D) 公式1

实施例2各级水头下土料的渗透系数

S7、当压力体积控制器提高水头到H _p＝240后，有细颗粒从内管2的径向 通孔Ⅰ5冲出时，表明土料发生了渗透破坏，试验结束，该水头时的渗透水力 比降H _p/D＝12，即为破坏水力比降。

采用本发明一种土料渗透特性现场试验装置的优点在于：

1、试验工艺简单，仅需要外管、内管、花管各一根，配上一个压力体积 控制器即可完成试验；

2、试验所需时间短，直接将外管、内管、花管打入土料中，无需通过浇 筑制备试样；

3、试验过程中采用压力体积控制器施加水压力，能够实现模拟高坝实际 情况的高水力比降试验，且控制精准快速；

4、渗透流量采用压力体积控制器测得，数据准确；

5、试验土料边界和渗流路径明确，通过设置三根管并将外管、内管之间 土料挖空，限定了试验土料渗流内边界为花管，外边界为内管，渗流路径为由 花管流向内管，确保本装置和试验方法能够准确获得土料的渗透系数和破坏水 力比降。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够 设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (4)

1.一种土料渗透特性现场试验装置，其特征是：外管、内管、花管由外 至内同轴设置，所述外管与内管之间有环空Ⅰ，所述内管与花管之间有环空Ⅱ； 所述内管的管壁上设置有径向通孔Ⅰ；所述花管的下端是封闭的，花管的管壁 上设置有径向通孔Ⅱ；所述外管、内管的下端管壁为尖劈形；所述花管的下端 由端板封闭。

2.根据权利要求1所述土料渗透特性现场试验装置，其特征是：所述外 管内径为60cm、高度为100cm，所述内管内径为40cm、高度为100cm。

3.根据权利要求2所述土料渗透特性现场试验装置，其特征是：所述外 管、内管、花管的材质为不锈钢。

4.一种应用权利要求1所述土料渗透特性现场试验装置的试验方法，其步 骤是：

S1、在现场试验土料的表面确定一个圆心位置，将内管的轴心对准土料圆 心，将内管垂直向下击入土料中，至内管上端面与土料上表面平齐；

S2、将外管的轴心对准土料圆心，将外管垂直向下击入土料中，至外管上 端面与土料上表面平齐；

S3、在S1确定的土料圆心位置垂直钻孔，孔深为花管的长度，垂直孔的孔 径尺寸与花管的外径相同，将花管放置在垂直孔内，花管上端面与土料上表面 平齐；

S4、清除外管与内管之间环空Ⅰ内的土料；

至此将土料渗透特性现场试验装置安装完毕；

S5、使用压力体积控制器向花管内注水，注入水通过花管的径向通孔Ⅱ流 入花管与内管之间环空Ⅱ的土料中，再通过内管的径向通孔Ⅰ流到内管与外管 之间的环空Ⅰ中；

S6、从小到大逐级提高压力体积控制器施加的水压力，模拟不同的水头高 度，在每级水头高度下保持稳定，直至内管的径向通孔Ⅰ出水流量稳定，由压 力体积控制器读取该流量，由公式1计算该级水头下土料的渗透系数：

k＝(Q/2πRL)/(H/D)公式1

其中：k——待测土料的渗透系数，cm/s；

Q——压力体积控制器读取的稳定流量，cm ³/s；

R——内管内径，cm；

L——内管长度，cm；

H——压力体积控制器施加的水头高度，cm；

D——内管与花管之间的土料厚度，cm；

H/D——渗透水力比降；

S7、当压力体积控制器提高水头到H _p后，有细颗粒从内管的径向通孔Ⅰ冲 出时，表明土料发生了渗透破坏，试验结束，该水头时的渗透水力比降H _p/D即 为破坏水力比降。

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