CN115478570A - 一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置及实验方法，该装置包括玻璃箱和透明箱，玻璃箱与透明箱之间形成夹层；铺设在透明箱底部的水砂层，铺设在水砂层上部的岩土层；竖直插入岩土层和水砂层内的注浆管，注浆管与注浆设备连接；还包括通过管道连接在透明箱两侧壁外部的气液型增压泵，所述管道端口设置在水砂层内，管道与水砂层相连处包覆网布。本发明的装置结构简单，并计算不同工程条件下的注浆压力、浆液空间分布形态，通过可视化调试注浆孔间距等参数还可以模拟出工程实践所需的最佳注浆效果。本发明的方法操作简单，全程可以直观的观察浇筑情况及地下注浆材料的凝固情况，对工程应用具有较高参考价值。
Description
技术领域
本发明属于防渗帷幕实验技术领域，特别涉及一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置及实验方法。
背景技术
防渗帷幕是在与挡水建筑物相接的地基和岸坡内,灌注抗渗材料所形成的连续竖向阻截渗流的设施，如混凝土防渗墙、水泥土截水墙、板桩或灌浆帷幕等，是渗透变形的防治措施。根据实际需要，帷幕可完全切断地基的透水层，彻底解决地基土的渗透变形问题，也可不完全切断透水层，做成悬挂式，起延长渗流途径、降低下游的逸出坡降。
目前常用的防渗帷幕很难针对于地质条件进行一定的方案调整及效果预估，实验结果很难接近真实情况。公开号为CN 105096718 A的中国专利申请，公开了一种模拟水库大坝防渗帷幕的试验方法及模模型，先采用橡胶或金属材料制成一个箱体，并在箱体内垂直立两根花管，该花管是管壁上均布有许多小孔的钢管；然后在两根花管之间布置一根高压水管，高压水管端头设有塑料堵头，再用碎石填满箱体，最后通过花管向碎石的间隙注水泥浆，这样即可在碎石的间隙中模拟形成防渗帷幕；在箱体中的水泥浆液未凝结时，用细长的钢筋伸向高压水管中，将高压水管端头的塑料堵头捅破，形成一个后扎孔；等所浇筑的常态混凝土的水泥浆凝结后，将高压水管连接高压水泵，观察水压表上的数据来调节所需要的水压，从而得出防渗帷幕中水流的渗透值，该专利在实验过程中，不能模拟真实地质情况中的地下水流，也不能对模拟地质条件的因素进行调节，实验结果与真实地质情况存在较大偏差，实验结果缺乏参考性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，本发明模拟了真实地质中的地下水流，并且可对水砂层和岩土层中的成分进行合理调节，以达到与真实地质条件无限接近的模拟地质条件，提高了试验结论的准确性，也提高了实验的参考价值。
本发明的技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，包括：
玻璃箱，所述玻璃箱内设置透明箱，所述玻璃箱与所述透明箱之间形成夹层；
铺设在所述透明箱底部的水砂层，所述水砂层采用透明土与水混合制作而成，通过改变沙层的厚度、沙的粒径和级配模拟真实沙土地质，所述水砂层内埋设摄像头；
铺设在所述水砂层上部的岩土层，所述岩土层采用人工合成树脂、膨胀剂与水混合制作而成，通过使用多种人工合成树脂模拟真实的岩石情况，采用膨胀剂施加压力模拟真实岩土压力，并且将压力传递到水砂层，所述岩土层顶部铺设钢板；
竖直插入岩土层和水砂层内的注浆管，所述注浆管与注浆设备连接，所述注浆设备用于将注浆材料注入所述水砂层中；
还包括通过管道连接在所述透明箱两侧壁外部的气液型增压泵，所述管道端口设置在水砂层，所述管道与水砂层相连处包覆网布。
优选的，所述水砂层和钢板岩土层中都加入透明的聚碳酸酯颗粒材料，通过聚碳酸酯颗粒材料可进行光弹实验，直观地观察水砂层和钢板岩土层中各个区域的应力情况以及应力传播路径。
优选的，所述注浆材料为透明浆液、膨胀剂和聚碳酸酯颗粒材料的混合物。
优选的，所述注浆材料为磁性沙浆。
优选的，所述注浆管内设置电磁棒；所述磁性沙浆包括透明浆料与微米级的磁粉。
优选的，所述岩土层和钢板之间，以及透明箱和玻璃箱夹层中，均匀铺设膨胀剂。
优选的，所述水砂层内不同高度均匀埋设压应力片，所述压应力片的尺寸为最小岩土体粒径的3-4倍。
本发明还提供了模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验方法，包括以下步骤：
S1在玻璃箱内设置透明箱，使玻璃箱与透明箱之间形成夹层，并在所述透明箱两侧壁外部通过管道连接气液型增压泵，所述管道端口处包覆网布；
S2在所述透明箱底部铺设水砂层，在水砂层内埋设摄像头和压应力片，并在所述水砂层上部铺设岩土层，在所述岩土层顶部铺设钢板；
S3启动气液型增压泵，使水砂层内水流流动；
S4在所述岩土层和水砂层内钻孔，通过钢板上预先开设的通孔插入注浆管，将注浆设备与注浆管连接，使注浆管的最下端伸入所述水砂层内；
S5注浆设备通过注浆管将具有流动性和胶凝性的注浆材料压入水砂层中，底部注浆完成之后边将注浆管往上提边注浆直到洞口被浆液填满。
优选的，当采用磁性沙浆浇筑时，先所述水砂层中插入电磁棒，并使所述电磁棒稳定在所述注浆管中部。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：
1、本发明装置结构简单，密封性能好，测试距离和测试样本的数量可调，强度可调、初凝可控。
2、本发明根据不同工程地质情况，通过调整浆体材料，可以达到不同的注浆效果，具有实现浆体黏性可控，适应性好，操作简单方便的特点。
3、本发明通过可视化的方法可直观观测注浆效果，并计算不同工程条件下的注浆压力、浆液空间分布形态。通过可视化调试注浆孔间距等参数还可以模拟出工程实践所需的最佳注浆效果。
4、本发明模拟了真实地质条件下的地下水，通过调节水砂层和岩土层成分比例，无限接近于真实地质条件，提高了实验结果的准确定，也提高了实验的参考价值。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2为本发明实验开始时状态示意图。
图3为本发明实验中途时状态示意图。
图4为本发明实验完成时状态示意图。
图5为不使用磁性沙浆浇筑防渗帷幕浆液向薄弱处流失的示意图。
上述附图中：1、玻璃箱；2、透明箱；3、水砂层；4、摄像头；5、岩土层；6、钢板；7、注浆管；8、注浆设备；9、注浆材料；10、气液型增压泵；11、网布；12、电磁棒；13、压应力片。
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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
实施例1
参考图1-图5， 作为本发明的一种优选实施例，本实施例提供一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验方法，包括：
玻璃箱1，所述玻璃箱1内设置透明箱2，所述玻璃箱1与所述透明箱2之间形成夹层；
铺设在所述透明箱2底部的水砂层3，所述水砂层3采用透明土与水混合制作而成，通过改变沙层的厚度、沙的粒径和级配模拟真实沙土地质，所述水砂层3内埋设摄像头4，摄像头4用于实时记录浆液流动情况；
铺设在所述水砂层3上部的岩土层5，所述岩土层5采用人工合成树脂、膨胀剂与水混合后表面加钢板6制作而成，通过使用多种人工合成树脂模拟真实的岩石情况，采用膨胀剂施加压力模拟真实岩土压力，并且将压力传递到水砂层3，所述岩土层5顶部铺设钢板6；
竖直插入岩土层5和水砂层3内的注浆管7，所述注浆管7与注浆设备8连接，所述注浆设备8用于将注浆材料9注入所述水砂层3中；
还包括通过管道连接在所述透明箱2两侧壁外部的气液型增压泵10，所述管道端口设置在水砂层3内，所述管道与水砂层3相连处包覆网布11，所述网布11为高分子聚合物、PVC或其他材料制成的1000目网布。
上述实施例中，所述水砂层3采用透明土与水混合制作可以模拟真实砂土地质情况，通过改变砂层的厚度与砂的粒径来控制水砂层3的厚度、强度和刚度。透明土不仅可以与气液型增压泵10形成流动水层一同模拟含地下水的土层环境，还有利于观测实验效果与实验数据，如观察注浆后浆体在土层中的流动效果；铺设在岩土层5顶部的钢板6提供下压力，可模拟出真实的地质压力，根据预期实验环境中的地质情况，调整钢板的厚度，达到调节地质压力的目的。
优选的，所述水砂层和钢板岩土层中都加入透明的聚碳酸酯颗粒材料，通过聚碳酸酯颗粒材料可进行光弹实验，可以直观地观察水砂层和钢板岩土层中各个区域的应力情况以及应力传播路径。
优选的，所述注浆材料9为透明浆液、膨胀剂和聚碳酸酯颗粒材料的混合物，各项性能接近水泥混合物浆料，实验中可以很好地模拟真实的水泥混合物的强度等物理性能，注浆材料无色透明，可以相对直观地观察到浆液扩散挤密周围土体并进一步堵塞可能存在的孔隙和渗流通道的过程。
在另一优选实施例中，所述注浆管7内设置电磁棒12，所述注浆材料9为磁性沙浆，所述磁性沙浆包括透明浆料与微米级的磁粉（例如四氧化三铁），所述磁性砂浆可以与电磁棒12搭配使用，通过控制电磁棒12电流大小来控制其周围磁场大小；所述电磁棒（12进行磁场震荡可以使注浆材料9中的气体排出，减少孔隙使注浆材料9更加密实从而增强防渗帷幕的强度；所述电磁棒12可以根据水砂层3水流流速控制电磁棒12周围磁场强度，实施调控磁性浆液粘度，使磁性材料吸附在电磁棒12上而不被水流冲走，保证了防渗帷幕的密实度。在实际施工中可以减少注浆材料9流失的同时保证防渗帷幕的强度。
优选的，所述岩土层5和钢板6之间，以及透明箱2和玻璃箱1夹层中，均匀铺设膨胀剂，用于给装置提供侧向和竖直压力；膨胀剂可以选用新型复合膨胀剂组成，操作时应适当控制膨胀剂的用量，防止由于应力过大而使装置变形甚至挤裂装置。
优选的，所述水砂层内不同高度均匀埋设压应力片13，所述压应力片13的尺寸为最小岩土体粒径的3-4倍。以防止在粒径较大的土体，如珊瑚沙等中出现受力不均匀的问题；该压应力片13可以测量浆体本身的应力、浆液膨胀后对周围岩土介质的应力状况以及垂直压应力片13方向的平均力，使测量数据更具有代表性、有效性。
优选的，所述压应力片13通过粘合剂粘接在高分子树脂片连接，这样压应力片13具有足够的刚度以保证注浆材料9膨胀后压应力片13不被挤破。
上述实施例在实施时，可以通过调整钻孔注浆的位置，进行多个孔洞注浆实验，从而可以得到每个截水柱注浆后的影响范围，可以根据所得数据推算出防渗效果更好的截水柱间距，在一定程度上效益最大化；可以将摄像头4拍到的图片进行图像二值化，从而更加清晰地观察到混凝土内的气泡溢出情况以及注浆材料的渗透路径，通过气泡溢出情况进行分析可以找到使气泡溢出更好的施工方式，对实地施工具有指导意义。本方案注浆压力可调节，可以研究不同注浆压力所形成的防渗帷幕的防水等效果。还可以进行水流速度可调节，可以研究不同地下水流速影响下所形成的防渗帷幕的防水等效果；同时还能进行砂石粒径级配调节，用以研究不同砂石粒径级配影响下所形成的防渗帷幕的防水等效果；
实施例2
本发明还提供了模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验方法，包括以下步骤：
S1在玻璃箱1内设置透明箱2，使玻璃箱1与透明箱2之间形成夹层，并在所述透明箱2两侧壁外部通过管道连接气液型增压泵10，所述管道端口处包覆网布11；
S2在所述透明箱2底部铺设水砂层3，在水砂层3内埋设摄像头4和压应力片13，并在所述水砂层3上部铺设岩土层5，在所述岩土层5顶部铺设钢板6；
S3启动气液型增压泵10，使水砂层3内水流流动；
S4在所述岩土层5和水砂层3内钻孔，通过钢板6上预先开设的通孔插入注浆管7，将注浆设备8与注浆管7连接，使注浆管7的最下端伸入所述水砂层3内；
S5注浆设备8通过注浆管7将具有流动性和胶凝性的注浆材料9压入水砂层中，底部注浆完成之后边将注浆管往上提边注浆直到洞口被浆液填满。
优选的，参阅附图5，由于地质的不均匀性，普通注浆材料在注浆时，注浆材料会向地质空隙处、压力较小处或者地质薄弱处大量流失，本实施例当采用磁性沙浆浇筑时，先所述水砂层中插入电磁棒，并使所述电磁棒稳定在所述注浆管中部，本方案中通过调节电磁棒12的磁力来控制磁性砂浆从孔洞中心向周围有序扩散，防止磁性砂浆因土层孔隙而向薄弱处流失的现象。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，包括：
玻璃箱，所述玻璃箱内设置透明箱，所述玻璃箱与所述透明箱之间形成夹层；
铺设在所述透明箱底部的水砂层，所述水砂层采用透明土与水混合制作而成，通过改变沙层的厚度、沙的粒径和级配模拟真实沙土地质，所述水砂层内埋设摄像头；
铺设在所述水砂层上部的岩土层，所述岩土层采用人工合成树脂、膨胀剂与水混合制作而成，通过使用多种人工合成树脂模拟真实的岩石情况，采用膨胀剂施加压力模拟真实岩土压力，并且将压力传递到水砂层，所述岩土层顶部铺设钢板；
竖直插入岩土层和水砂层内的注浆管，所述注浆管与注浆设备连接，所述注浆设备用于将注浆材料注入所述水砂层中；
还包括通过管道连接在所述透明箱两侧壁外部的气液型增压泵，所述管道端口设置在水砂层，所述管道与水砂层相连处包覆网布。
2.根据权利要求1所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述水砂层和钢板岩土层中都加入透明的聚碳酸酯颗粒材料，通过聚碳酸酯颗粒材料可进行光弹实验，直观地观察水砂层和钢板岩土层中各个区域的应力情况以及应力传播路径。
3.根据权利要求1所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述注浆材料为透明浆液、膨胀剂和聚碳酸酯颗粒材料的混合物。
4.根据权利要求1所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述注浆材料为磁性沙浆。
5.根据权利要求4所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述注浆管内设置电磁棒；所述磁性沙浆包括透明浆料与微米级的磁粉。
6.根据权利要求1所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述岩土层和钢板之间，以及透明箱和玻璃箱夹层中，均匀铺设膨胀剂。
7.根据权利要求1所述的一种模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验装置，其特征在于，所述水砂层内不同高度均匀埋设压应力片，所述压应力片的尺寸为最小岩土体粒径的3-4倍。
8.模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验方法，包括以下步骤：
S1在玻璃箱内设置透明箱，使玻璃箱与透明箱之间形成夹层，并在所述透明箱两侧壁外部通过管道连接气液型增压泵，所述管道端口处包覆网布；
S2在所述透明箱底部铺设水砂层，在水砂层内埋设摄像头和压应力片，并在所述水砂层上部铺设岩土层，在所述岩土层顶部铺设钢板；
S3启动气液型增压泵，使水砂层内水流流动；
S4在所述岩土层和水砂层内钻孔，通过钢板上预先开设的通孔插入注浆管，将注浆设备与注浆管连接，使注浆管的最下端伸入所述水砂层内；
S5注浆设备通过注浆管将具有流动性和胶凝性的注浆材料压入水砂层中，底部注浆完成之后边将注浆管往上提边注浆直到洞口被浆液填满。
9.根据权利要求8所述的模拟防渗帷幕注浆效果的可视化实验方法，其特征在于，当采用磁性沙浆浇筑时，先所述水砂层中插入电磁棒，并使所述电磁棒稳定在所述注浆管中部。
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