CN203772699U - 坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种坝基土体三维渗流及渗透淤堵室内模拟试验装置，是由试样装填槽置于结构支座上，出水口水箱经淤堵试验排水管阀门、淤堵试验排水管与细颗粒搜集筛连接，细颗粒搜集筛下端通过管线和总排水阀和总排水管与供水集水槽，注水口水箱上端由螺旋扣与淤堵投料注水管连接，淤堵投料注水管上部经控制回水阀，淤堵试样容器管经投料入口阀与投料入口连通构成。解决了长期以来水平向土的渗透淤堵试验没有实验装置的问题。该装置不仅能对松散坝基的渗透淤堵现象进行试验，还能对管涌、流土等渗透破坏现象进行试验。为工程地质领域的渗透淤堵研究和水利工程提供科学试验数据。

Description

坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置

技术领域：

本实用新型涉及一种渗透淤堵作用导致土的渗透性发生动态变化的科学试验装置，尤其是在水平方向上的渗流过程中因细小土颗粒的运移过程而发生的渗透性变化进行监测的试验装置。

背景技术：

国内外对于土体的渗透性质的相关理论研究已经较为成熟。针对渗透性的研究仪器的测试原理，通常有两种方式最为常见，即：常水头试验和变水头试验，前者较适用于渗透性较强的粗粒土的渗透性质的测定，而后者较适用于渗透性较小的粘性土。

常水头试验在试验进行的过程中供水水头保持不变。设试样厚度为L，截面积为A，试验时上下游之水位差为h。试验时使用量筒和秒表测出一定时间间隔t内下游出水口的出水量Q，通过（1）式确定试样的渗透系数（k）。

$k_r=\frac{\mathrm{QL}}{\mathrm{Aht}}---\left(1\right)$

变水头试验是在对不同测试断面水头进行测试的前提下，随着时间的变化而对应测定的。设变水管内截面积为a，试样厚度为L，截面积为A。试验中只需测出t₁和t₂时刻所对应的水位h₁和h₂，即可通过（2）式求出试样的渗透系数。

$k_r=2.3\frac{\mathrm{aL}}{A(t_2-t_1)}\lg \frac{h_1}{h_2}---\left(2\right)$

当前常用的室内测定土体渗透系数的仪器类型主要有70型渗透仪（适用于砂类土渗透系数）、南55型渗透仪（适用于黏性土渗透系数）和垂直渗透变形仪（适用于测定粗颗粒土的垂直渗透系数和渗透变形）等。以上几种仪器虽然在渗透性质的研究中应用广泛，但不能对淤堵作用条件下土体的渗透性质的变化进行监测。

CN202486025U公开了“一种土的渗透淤堵试验装置”CN102590063A公开了“一种土的渗透淤堵试验装置及试验方法”都是针对于垂直方向上土体淤堵的情况有着较好的试验监测效果。但是在实际水利工程当中，坝基土体的渗流形式以水平方向的绕坝渗漏与坝基渗漏为主，垂直方向上的试验装置与水利工程的实际情况有所出入。现有的垂直方向上的淤堵试验装置仅能够对土体内部孔隙水压力在一维空间上的分布进行监测，而对于天然状态下的复杂土体，仅仅是一维空间上的监测数据是不足以揭示土体渗流与淤堵的性质的。

发明内容：

本实用新型的目的就在于针对以上技术存在的不足，提供一种坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，是由试样装填槽26置于结构支座1上，试样装填槽26上部盖有顶板25，顶板25的两端分别设有注水口46和出水口45，注水口46与注水口水箱23连接，出水口45与出水口水箱11连接；出水口水箱11经淤堵试验排水管阀门10、淤堵试验排水管9与细颗粒搜集筛8连接，细颗粒搜集筛8下端通过管线和总排水阀2和总排水管43与供水集水槽39连接；顶板25边缘通过螺栓41与试样装填槽26连接，试样装填槽26两端分别设有管道渗漏监测用供水管24和管道渗漏监测用排水管7，试样装填槽26底部设有清洁用排水管4和饱和土体用注水管13，分别由清洁用排水管阀门3和饱和土体用注水管阀门44控制；试样装填槽26平行于试验水流方向的一侧的侧壁开有四行五列孔隙水压力传感器监测孔12，注水口水箱23上端由螺旋扣22与淤堵投料注水管15连接，淤堵投料注水管15上部经控制回水阀16，淤堵试样容器管17经投料入口阀19与投料入口18连通，淤堵投料注水管15经下输水阀门21与输水管31连接，淤堵试样容器17上输水阀门20连接输水管31；水箱支架35之上装有高压水箱30，高压水箱30经侧面装有的水量表33和水量控制阀34与输水管31连接，输水管31经渗漏监测支路管29、管道渗漏监测用注水管阀28、管道渗漏监测用注水管24与管道渗漏监测用注水管阀27连接，抽水管42经水泵40和供水管38与高压水箱30连接，减压回水管37经水压水量调控阀36与供水管38连接，抽水管42和减压回水管37分别置于供水集水槽39的底部构成。

所述的注水口水箱23内部焊有注水口缓冲板14。

所述的试样装填槽26侧壁开有的四行六列孔隙水压力传感器监测孔12相互间距均为10cm，孔阵插入高精度(mm级水头)差压式流体压力传感器及其引压管路。

所述的顶板25设有的注水口46和出水口45的开口为30cm*30cm。

所述的细颗粒搜集筛8为三层流失颗粒搜集筛，各层粒径区间分别为0.125mm-0.25mm、0.063mm-0.125mm和<0.063mm。

有益效果：坝基为三维条件下的半无限空间，将坝体长度视为无限大时，平行坝轴线方向的水平横向水动力分量趋于相近并相互抵消，故而在理论研究和试验研究的过程中可将由水平纵向分量、水平横向分量和竖向分量构成的三维渗流场简化成水平纵向分量和竖向分量构成的二维渗流场问题。正是因为坝基土体渗流和渗透淤堵问题可视为二维条件下半无限空间问题，所以二维渗流条件下坝基渗流和渗透淤堵试验测试数据可用以有效地推论三维条件下的坝基渗流和渗透淤堵特征。综上，该试验装置以模拟二维渗流场内土体渗透淤堵状况进行的试验为主的测试所得到的渗流场动态变化数据对实际坝基渗透淤堵作用的研究有着重要的实际意义。

试样装填槽内填装的土样中可铺设模拟坝基防渗墙试验用的防渗隔板，隔板上端连接顶板，侧面连接装填槽，连接处密封，下方悬空(隔板下端离装填槽底部垂直距离为15-25cm)并填入土样。试验中可通过对比插入防渗隔板前后的坝基渗流场和孔隙水压力分布特征，对实际水利工程中防渗墙的防渗效果和防渗施工前后土体渗流场变化情况进行模拟。

渗透淤堵试验排水管的出水端下方正对有三只美国标准筛，用以收集出水口水流裹挟的细颗粒，记录流失颗粒的数据有助于判别到土体渗流状态，使得该装置不仅能对松散坝基的渗透淤堵现象中的颗粒运移进行试验，亦可对管涌、流土等渗透破坏现象进行研究，这使得装置的功能得到了拓展。

试样装填槽沿水流方向前后两端设置开口，试验前在土样中埋入待检漏的水管，并把水管与管道渗漏用监测管相连接，打开管道渗漏用监测阀门，通过步进式孔隙水压力监测子系统的监测数据获知土体内部渗流条件变化情况进而推断管线漏水的的渗流情况，为地下管线渗漏的相关研究提供试验数据。

附图说明：

附图1坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置结构图。

附图2为附图1中顶板25的俯视结构图。

附图3为附图1中注水口水箱23内部结构图。

附图4为附图1中试样装填槽26侧面图。

1结构支座，2总排水阀，3清洁阀，4清洁排水管，5管道渗漏监测用排水管阀、6管道渗漏监测用排水管阀，7管道渗漏监测用排水管，8流失颗粒搜集筛，9淤堵试验排水管，10淤堵试验排水管阀，11出水口水箱，12孔隙水压力传感器监测孔阵，13饱和土体用注水管，14电子流量计，15淤堵投料注水管，16控制回水阀，17淤堵投样容器管，18投料入口，19投料入口阀，20上输水阀，21下输水阀，22螺旋扣，23注水口水箱，24管道渗漏监测用注水管，25顶板，26试样装填槽，27管道渗漏监测用注水管阀、28管道渗漏监测用注水管阀，29渗漏监测支路管，30高压水箱，31输水管，32测压表，33水量表，34水量控制阀，35水箱支架，36水压水量调控阀，37减压回水管，38供水管，39供水集水槽，40水泵，41连接杆，42抽水管，43总排水管，44饱和土体用注水管阀，45出水口，46注水口，47注水口缓冲板。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置是由结构支座1上放置装有坝基土样的试样装填槽26，装填槽26的顶部边缘通过螺栓与顶板25连接；装填槽沿试验水流方向的前后两端开孔连接水平走向的管道渗漏监测用供水管24和管道渗漏监测用排水管7，两管分别由管道渗漏监测用供水管阀27、28和管道渗漏监测用排水管阀5、6控制；装填槽26底部开孔连接垂直走向的清洁用排水管4和饱和土体用注水管13，两管分别由清洁用排水管阀3和饱和土体用注水管阀44控制；装填槽26平行于试验水流方向上的侧壁上开有4行6列相互间距均为15cm的孔隙水压力传感器监测孔阵12，孔阵供插入传感器的引压管路，传感器另一端连接计算机；

顶板25两端分别开有大小为30cm*30cm正方形注水口46和出水口45，使用螺栓连接注水口水箱23、出水口水箱11的边缘和顶板25以及试样装填槽26，注水口水箱23内部焊有连接杆46用以连接注水口缓冲板47和水箱壁。

注水口水箱23上端由螺旋扣22连接电子水量计14和淤堵投料注水管15以及注水管15连接三通结构，水平方向经下输水阀21连接输水管31，上端连接控制回水阀16和淤堵试样容器17；电子水量计通过数据线连接计算机；淤堵试样容器17侧向经三通结构连接上输水阀21连接输水管31；淤堵投样容器管17为三通结构，下端连接控制回水阀16，上方为投料入口管阀门19及投料入口管18，容器管17侧向连接上输水阀门20连接输水管31；供水管31接有渗漏监测支路管29通过阀门28控制连接到管道渗漏监测用供水管24。

输水管31经水量表33和水量控制阀34连接高压水箱30，水箱30置于水箱支架35上，水箱30上端置有测压表32，并连接供水管38；供水管38通过抽水管42与供水集水槽39中的水泵40相连接，同时通过支路经由水压水量调控阀36连接减压回水管37；总排水管43、总排水阀门2直通供水集水槽39；管道渗漏监测用排水管7与淤堵试验用排水管9、总排水管43形成三通结构交汇；三通结构上方置有的细颗粒搜集筛8，搜集筛上端连接淤堵试验排水管9，排水管受淤堵试验排水阀门10控制；淤堵试验排水管9连接出水口水箱11侧面的开口。

所述的透水板14均布5mm直径的圆形透水小孔，孔间距离为5mm。

所述的淤堵投样容器管17连接控制回水阀门15后，与投料入口阀18、上输水阀门19连接，三者构成一个三通阀门结构。

具体工作方式：

首先，架好结构支座1，将试样装填槽26置于其上，槽内装入按照实际工程坝基土体粒径比例混合均匀的粗粒土，并使用振动棒充分搅拌使得土体更加接近天然状态，之后根据土体实际密度、试验需要，并按照工程标准选用夯锤进行夯击；

其次，在孔隙水压力监测孔阵12中插入高精度差压型流体压力传感器组，将一只传感器的两只引压管路分别插入相邻的两个监测孔中，并对传感器与监测孔连接处的缝隙进行密封，而后用螺栓进行固定，传感器另一端连接计算机；

第三，将顶板25、注水口水箱23、出水口水箱11使用螺栓与试样装填槽26相连接固定；

第四，注水口水箱23通过螺旋扣22与电子流量计14连接，流量计14和淤堵投料注水管15连接，所连接的注水管15、下输水阀21和控制回水阀16形成三通结构，控制回水阀16的上端接淤堵投样容器管17，容器管17的上端通过投料入口管阀17连接投料入口管18，容器管的水平方向经由三通结构连接上供水阀20之后通达到输水管31，之后将电子流量计14连接计算机；

第五，渗漏监测支路管29通过三通结构连接输水管31，并通过管道渗漏监测用注水管24及其管道渗漏监测用注水管阀27、28连接试样装填槽26，装填槽26另一端由管道渗漏监测用管道渗漏监测用排水管7及其管道渗漏监测用排水管阀5、管道渗漏监测用排水管阀6经由三通结构连接总排水管43；

第六，输水管31经由水量表33和水量控制阀34同架设在供水支架35上的高压水箱30的底端相连接，高压水箱30的顶端装有测压表36并连接供水管38，供水管38的另一端与连接供水集水槽39中放置的水泵40，水泵41的另一侧安装抽水管42，供水管38通过三通结构与水压水量调控阀36与减压回水管37相连接；

第七，打开饱和土体用注水管阀44，向饱和土体用水管13内缓慢注水(速度小于60ml/min)，待饱和土体用水管中的液面高度与顶板25齐平时，结束土体饱和注水工作，关闭饱和土体用注水管阀门44；

第八，水泵通电抽水前先关闭水压水量调控阀36和水量控制阀34，通电后装置开始由抽水管42从供水集水槽39内抽水并向水箱30中注水，此时观察测压表32的读数，当示测压表32的示数稳定在1-2个大气压范围内时，关闭总排水阀2、控制回水阀16、投料入口管阀19和上输水阀20，而后打开水量控制阀34和下输水阀21，此时装置开始向注水口水箱23和试样装填槽26中注入水，水流流经装填槽后，经过出水口47、出水口水箱11、淤堵试验排水管9、先经过0.125mm-0.25mm流失颗粒搜集筛8，再经过0.063mm-0.125mm，最后通过<0.063mm这三层流失颗粒搜集筛8、总排水管43、总排水阀2回到供水集水槽39形成水流的循环过程；

第九，向装填槽注水后打开总排水阀2，待水量表33读数读数和总排水管43的泄水量趋于稳定后通过传感器对土体的孔隙水压力在不同时间、不同位置的土体的条件下的数据进行记录，并且可以通过调整水压水量调控阀36调整试验水头，并观察流失颗粒搜集筛8中是否有大量细颗粒流出，从而判断土体是否发生渗透变形；

第十，根据监测电子流量监测子系统测得的流量数据和步进式孔隙水压力监测子系统记录孔隙水压力数据可求得粗颗粒土的渗透系数K，待渗透系数达到相对稳定后，投入淤堵试验样，在渗流条件下，打开投料入口管阀19，分次加入≥5g质量的所选定细颗粒试样至淤堵投样容器管17中；

第十一，投料完毕后，关闭投料入口管阀19和下输水阀21，打开控制回水阀15和下输水阀21，待所投入的细颗粒试样进入注水口水箱23后，记录步进式孔隙水压力监测子系统，并结合了电子流量监测子系统和相关配套的数据采集、储存软件得到的渗透性数据，应用达西定律进行计算，得出单一粒组或组合粒组细颗粒土对于粗颗粒土体的淤堵作用以及伴随的渗透性变化的情况。待试验土体渗透系数K再次达到相对稳定后，重复上述投样过程，投入大一级的单一或组合粒组的细颗粒试样，直到根据试验需要反复进行4-8次投样。试验后依据不同投料对粗粒土试样的淤堵效果，可确定产生淤堵作用所需投入试样的最佳区间。

第十二，在试验土样装填过程中，埋入管道渗漏用试验管线，把埋入管线连接管道渗漏监测用注水管29、管道渗漏监测用排水管7，打开管道渗漏监测用注水管阀27、28和管道渗漏监测用排水管阀5、6，之后按照第一至第十一步骤所示进行，但需要保持控制回水阀17、下输水阀21、淤堵试验排水阀10的关闭状态，记录步进式孔隙水压力监测子系统和相关配套的数据采集、储存软件得到的孔隙水压力数据，当压力值发生显著变化(≥10%)时进行记录，经过数据处理后，得到地下管线渗漏状况的监测数据。

第十三，为进行防渗墙模拟试验，需对以上第一至第十一步试验进行两轮操作，进行第二轮操作的第一步骤时需要依据实际坝基防渗墙的位置作为参照，在装填槽土体内埋入相应长度的防渗试验的模拟隔板，并使其与顶板、装填槽侧壁接触处密封，后续步骤均依照第一至十一步进行，记录并对比隔板放置前和放置后的土体渗透性数据，可得到防渗效果墙模拟试验的结果。

Claims (5)

1.一种坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，其特征在于：是由试样装填槽(26)置于结构支座(1)上，试样装填槽(26)上部盖有顶板(25)，顶板(25)的两端分别设有注水口(46)和出水口(45)，注水口(46)与注水口水箱(23)连接，出水口(45)与出水口水箱(11)连接；出水口水箱(11)经淤堵试验排水管阀门(10)、淤堵试验排水管(9)与细颗粒搜集筛(8)连接，细颗粒搜集筛(8)下端通过管线和总排水阀(2)和总排水管(43)与供水集水槽(39)连接；顶板(25)边缘通过螺栓(41)与试样装填槽(26)连接，试样装填槽(26)两端分别设有管道渗漏监测用供水管(24)和管道渗漏监测用排水管(7)，试样装填槽(26)底部设有清洁用排水管(4)和饱和土体用注水管(13)，分别由清洁用排水管阀门(3)和饱和土体用注水管阀门(44)控制；试样装填槽(26)平行于试验水流方向的一侧的侧壁开有四行六列孔隙水压力传感器监测孔(12)，注水口水箱(23)上端由电子流量计(14)及其上部的螺旋扣(22)与淤堵投料注水管(15)连接，淤堵投料注水管(15)上部经控制回水阀(16)，淤堵试样容器管(17)经投料入口阀(19)与投料入口(18)连通，淤堵投料注水管(15)经下输水阀门(21)与输水管(31)连接，淤堵试样容器(17)经上输水阀门(20)连接输水管(31)；水箱支架(35)之上装有高压水箱(30)，高压水箱(30)经侧面装有的水量表(33)和水量控制阀(34)与输水管(31)连接，输水管(31)经渗漏监测支路管(29)、管道渗漏监测用注水管阀(28)、管道渗漏监测用注水管(24)与管道渗漏监测用注水管阀(27)连接，抽水管(42)经水泵(40)和供水管(38)与高压水箱(30)连接，减压回水管(37)经水压水量调控阀(36)与供水管(38)连接，抽水管(42)和减压回水管(37)分别置于供水集水槽(39)的底部构成。

2.按照权利要求1所述的坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，其特征在于：所述的注水口水箱(23)内部焊有注水口缓冲板(47)。

3.按照权利要求1所述的坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，其特征在于：所述的试样装填槽(26)侧壁开有的四行六列孔隙水压力传感器监测孔(12)相互间距均为10cm，孔阵插入高精度差压式流体压力传感器及其引压管路。

4.按照权利要求1所述的坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，其特征在于：所述的顶板(25)设有的注水口(46)和出水口(45)的开口为30cm*30cm。

5.按照权利要求1所述的坝基土体三维渗透淤堵模拟试验装置，其特征在于：所述的细颗粒搜集筛(8)为三层细颗粒搜集筛，各层粒径区间分别为0.125mm-0.25mm、0.063mm-0.125mm和<0.063mm。