CN204479445U - 土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，包括：一土工模型装置、一高密度电阻率测定分析系统及一土工离心机；该离心机承载并带动高密度电阻率测定分析系统及土工模型装置高速旋转；离心机包括离心旋转轴、离心机载主机及离心旋转臂；土工模型装置包括用于盛装试验土料的主体模型箱及液体入渗装置，液体入渗装置供液体入渗至主体模型箱内的试验土料；高密度电阻率测定分析系统包括相互电连接的高密度电阻率测定装置、电极及测试主控电脑，电极埋设于主体模型箱的试验土料中，高密度电阻率测定装置与土工模型装置通过电极电连接。本实用新型量测装置满足无损、三维、实时、高精度的量测需求。

Description

土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置

技术领域

本实用新型涉及土工离心模型试验中用于渗流及溶质迁移过程的量测装置，尤其涉及应用于土工离心模型试验的、基于高密度电阻率法的渗流及溶质迁移过程量测装置。

背景技术

土工离心模型试验是岩土工程领域非常重要的技术手段，也是渗流及污染物运移等相关问题研究的强有力工具之一。在岩土工程中，土的自重应力通常占支配地位，土的力学特性和水力特性随应力水平而变化。小比尺离心模型试验采用与原型相同的材料，在土工离心机形成的高加速度场中达到与原型相同的应力水平，从而使模型与原型的应力应变相等、变形相似、破坏机理相同，能够再现原型特性，这是其它普通试验手段所无法比拟的。然而，土工离心模型试验中超重力、高速的试验条件对量测设备的适应性和可靠性提出了更高的要求，要想实现三维、无损、实时量测更加困难。

土工离心模型试验等超重力离心环境中现有的水分及溶质迁移过程的量测技术主要包括传感器量测法、图像分析法及取样分析法三类，但这些典型的方法并不能充分满足三维、无损、实时的量测需求。传感器量测法中，传感器探头及传输线路可能干扰土体中渗流及溶质迁移等物理过程，在土体中诱发优势渗流通道。同时，该类方法为单点量测，量测成本较高，并不适于大范围、多断面量测。图像分析法多适用于一维及二维试验观测，不适用于三维试验过程量测。同时，图像分析效果及精度受土料及污染物性质、观测角度及距离等因素影响显著。取样分析法能获得较为准确的介质特性资料，但通常无法进行实时量测及分析，获取的试验过程信息有限，且整体的量测精度会受取样点位置、取样个数等因素影响。

故，岩土工程测试迫切需要发展能够同时满足无损、三维、实时的，且能够适应超重力离心环境并保证高精度的量测方法及量测装置。

实用新型内容

有鉴于此，确有必要提供一种在超重力离心环境下能保证高精度的量测且同时满足无损、三维、实时量测要求的土工离心模型试验中用于量测渗流及溶质迁移的量测装置。

一种土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其包括：一土工模型装置、一高密度电阻率测定分析系统及一离心机；所述高密度电阻率测定分析系统与所述土工模型装置电连接；所述离心机承载并带动所述高密度电阻率测定分析系统及所述土工模型装置高速旋转；所述离心机包括离心旋转轴、离心机载主机及离心旋转臂，所述离心旋转臂围绕所述离心旋转轴高速旋转；所述土工模型装置设置于离心旋转臂的一端，所述土工模型装置包括用于盛装试验土料的主体模型箱及液体入渗装置，所述液体入渗装置供液体入渗至所述主体模型箱内的试验土料；所述高密度电阻率测定分析系统包括高密度电阻率测定装置、电极及测试主控电脑，所述高密度电阻率测定装置分别与所述测试主控电脑及所述电极电连接，所述高密度电阻率测定装置固定于所述离心旋转臂，所述电极靠近所述主体模型箱的侧壁均匀埋设于所述试验土料中，所述高密度电阻率测定分析系统与所述土工模型装置通过所述电极电连接，量测所述主体模型箱的试验土料的渗流及溶质迁移时实验者通过所述测试主控电脑远程发出指令控制量测过程。

所述离心旋转臂为长方形体，具有一操作台面，所述高密度电阻率测定装置及一离心机载主机置于所述离心旋转臂的所述操作台面。

所述高密度电阻率测定装置呈矩形六面体，在其一侧面设置有USB接口及导线接口。

所述高密度电阻率测定装置设置于所述离心旋转臂的所述操作台面时，所述高密度电阻率测定装置的所述侧面垂直于所述离心旋转臂的所述操作台面，并且平行于所述离心旋转臂的延伸方向放置。

所述高密度电阻率测定装置通过固定元件固定于所述操作台面上，固定点靠近所述离心旋转轴设置。

所述高密度电阻率测定装置通过导线与所述电极电连接，所述高密度电阻率测定装置与所述导线采用卡槽式连接方式连接。

所述离心旋转轴位于所述操作台面的中间部位，并且支撑该操作台面。顶 部设有离心轴向滑环，所有通讯、油路、管路主要通过滑环接入离心机。

所述离心旋转臂的远离所述离心旋转轴的一端部具有吊篮，另一端放置配重。

所述液体入渗装置包括储液箱及气压入渗控制装置，所述储液箱盛装有液体，所述储液箱及所述气压入渗控制装置通过软管连接，所述气压入渗控制装置通过软管与所述主体模型箱内的试验土料连接。

所述储液箱为透明箱体，包括底部、侧壁及顶部，所述侧壁设置有刻度，所述顶部设置有进气孔，进气孔内套设有进气管，所述进气管在所述进气孔中可上下移动。

与现有技术相比较，本实用新型提供的土工离心模型试验中渗流溶质迁移量测装置具有以下优点：第一、首次将高密度电阻率测定分析系统应用于离心机高速运转环境中，解决了设备固定，远程控制测试动作、数据采集及存储等问题，实现了高密度电阻率测定装置在超重力离心环境中的正常应用，实现对物理过程的无损量测，实现试验过程数据的实时获取及分析；第二、试验期间根据测试需要控制测试的开始时刻与终止时刻，试验数据通过网络存储并实时传输到测试主控电脑，对测得数据进行反演计算得土层中电阻率的三维时空分布，根据电阻率与含水量之间的定量定性关系(Archie经验公式)可判断分析水分及溶质迁移过程。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置的示意图。

图2为图1所示土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置的部分装置的放大示意图。

图3为图2所示土工模型装置的俯视图。

主要元件符号说明

土工离心模型试验中渗流溶质迁移量测装置 1

土工模型装置                           10 

高密度电阻率测定分析系统               20 

离心机                                 30 

离心旋转轴               31 

离心轴向滑环             310 

离心机载主机             32 

离心旋转臂               33 

操作台面                 330 

吊篮                     332 

主体模型箱               12 

不锈钢架                 13 

储液箱                   14 

气压入渗控制装置         15 

软管                     16 

试验土料                 18 

底部                     121，141

侧壁                     122，142

溢流孔                   123 

溢流槽                   124 

顶部                     143 

螺栓孔                   144 

橡胶塞                   146 

进气管                   147 

出水孔                   148 

高密度电阻率测定装置     21

导线                     22 

电极                     23 

测试主控电脑             24 

侧面                     210 

USB接口                  212 

导线接口                 214 

如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本实用新型。

具体实施方式

以下将结合附图详细说明本实用新型实施例提供的土工离心模型试验中渗流溶质迁移量测装置。

请参阅图1，本实用新型的一实施例提供一种土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置1，其包括土工模型装置10、高密度电阻率测定分析系统20及离心机30。所述高密度电阻率测定分析系统20与所述土工模型装置10电连接。所述离心机30承载所述高密度电阻率测定分析系统20及所述土工模型装置10，并带动所述高密度电阻率测定分析系统20及所述土工模型装置10高速旋转。

所述离心机30包括离心旋转轴31、离心机载主机32及离心旋转臂33。所述离心旋转臂33与所述离心旋转轴31转动连接，所述离心旋转臂33围绕所述离心旋转轴31高速旋转。所述离心旋转臂33为具有一操作台面330的长方形体。所述离心旋转臂33的中间部位旋转连接所述离心旋转轴31，换句话说所述离心旋转轴31位于所述操作台面330的中间部位，并且支撑该操作台面330。所述离心旋转轴31顶部设有离心轴向滑环310，所有通讯、油路、管路主要通过滑环接入离心机，实现与外部通讯。所述离心旋转臂33的远离所述离心旋转轴31的一端部具有吊篮332。所述离心机载主机32固定于离心旋转臂33的所述操作台面330靠近所述离心旋转轴31处，可与高密度电阻率测定装置21电连接，实现数据的传输与存储。所述离心旋转轴31及所述离心旋转臂33为常规土工离心试验用离心机的离心旋转轴及离心旋转臂，通用常规设计，这里不再赘述。

所述土工模型装置10包括主体模型箱12、不锈钢架13、储液箱14及气压入渗控制装置15。所述主体模型箱12固定于所述离心旋转臂33的远离所述离心旋转轴31的一端。所述主体模型箱12用于盛装待测试验土料18。所述储液箱14通过所述不锈钢架13固定于所述主体模型箱12内所述待测试验土料18的上部。所述气压入渗控制装置15通过软管16分别与所述储液箱14及所述主体模型箱12内的待测试验土料18连接，所述储液箱14内的液体通过所述气压入渗控制装置15控制是否入渗至所述待测试验土料18。所述高密度电阻率测定分析系统20用于测定所述主体模型箱12内所述待测试验土料18的电阻率变化。可以理解的是，所述储液箱14及所述气压入渗控制装置15共同可以称之为液体入渗装置，该液体入渗装置供液体入渗至所述主体模型箱12内的试验土料18。

所述主体模型箱12放置于所述离心旋转臂33的所述吊篮332内。所述主体模型箱12为一端开口的中空圆柱形体，采用绝缘的有机玻璃制成，其包括呈矩形的底部121及与所述底部121连接的侧壁122。所述侧壁122的靠近所述底部121的部分设置有四个溢流孔123。所述主体模型箱12的所述侧壁122的外侧、靠近所述底部121相对设置有两个溢流槽124，所述主体模型箱12与每一个溢流槽124通过两个所述溢流孔123连通。所述两个溢流槽124具有不同的高度。可根据试验需求进行试样饱和或模拟控制地下水水位。所述溢流槽124及其设置也是通用常规设计，这里不再赘述。

所述储液箱14由透明有机玻璃制成的中空圆柱形体。所述储液箱14包括底部141、侧壁142及顶部143，所述底部141与所述顶部143相对，所述侧壁142连接所述底部141与所述顶部143。所述储液箱14通过所述底部141设置于不锈钢架13上。所述储液箱14的所述侧壁142设置有刻度，试验时可通过观察液面高度并由此计算入渗率。所述储液箱14依据马氏瓶原理(Mariotte’s System)可简便地实现土工离心机内恒定水头控制。

所述储液箱14的所述顶部143设置有螺栓孔144及进气孔(未标示)。所述螺栓孔144主要用于辅助排气，进行试验时需堵住所述螺栓孔144。所述进气孔内套设有中空的橡胶塞146，所述橡胶塞146中空处穿过有机玻璃进气管147，可通过上下调节进气管的高度以实现不同高度的恒定入渗水头控制。所述进气管147在所述橡胶塞146中可上下移动，换句话说所述进气管147的高度可调节。所述储液箱14的所述侧壁142靠近所述底部141的位置处设置有出水孔148。所述储液箱14中盛有溶液，并通过所述软管16及所述气压入渗控制装置15与所述主体模型箱12内的所述试验土料18连接。

所述气压入渗控制装置15设置于所述不锈钢架13的上方所述储液箱14的外侧，且该气压入渗控制装置15的一端通过所述软管16与所述储液箱14的出水孔148连接，另一端通过另外一个软管16与所述主体模型箱12内的所述试验土料18连接。所述气压入渗控制装置15主要由不锈钢管及气囊组成，所述气压入渗控制装置15的构造及其设置也是常规土工离心试验通用常规设计，这里不再赘述。

所述高密度电阻率测定分析系统20设置于所述离心旋转臂33。所述高密度电阻率测定分析系统20包括高密度电阻率测定装置21、导线22、电极23及测试主控电脑24。所述高密度电阻率测定装置21通过数据传输线或无线电与所 述测试主控电脑24电连接，另外通过导线22与所述电极23电连接。

所述电极23为不锈钢螺纹杆，使用时埋设于所述主体模型箱12的所述试验土料18中，靠近所述主体模型箱12的侧壁122等间距均匀布设，所述导线22的一端与所述电极23相连，另一端沿所述主体模型箱12的侧壁122引出，与位于所述主体模型箱12外侧的所述高密度电阻率测定装置21连接。

所述高密度电阻率测定装置21固定于所述离心旋转臂33的所述操作台面330。所述高密度电阻率测定装置21为具有六个侧面的矩形体，在其一侧面210设置有USB接口212及导线接口214。将所述高密度电阻率测定装置21用不锈钢机箱封装，保护内部电子元件。将高密度电阻率测定装置21的具有USB接口212及导线接口214等的所述侧面210垂直于所述离心旋转臂33的所述操作台面330，并且平行于所述离心旋转臂33的延伸方向放置，避免离心模型试验中所述离心旋转臂33高速运转情况下连接线被拔出。将所述高密度电阻率测定装置21及其封装箱用铁箍等固定元件固定于所述离心旋转臂33的所述操作台面330上，固定点尽可能靠近所述离心旋转轴31，尽量减小离心力对所述高密度电阻率测定装置21的影响，最大程度地保护所述高密度电阻率测定装置21。所述高密度电阻率测定装置21与所述导线22采用卡槽式连接方式连接，并用螺丝钉等固定元件固定。

所述测试主控电脑24内部搭载Linux Fedora 20操作系统及相关测试控制程序，主要包括测定控制、反演计算、数据后处理及成像等程序。本实施例中所述测试主控电脑24为一体机或笔记本电脑时，可将所述测试主控电脑24放置于操作者易操控的位置与所述离心机载主机32以无线网络连接方式连接。所述高密度电阻率测定装置21的测试数据通过数据线传至所述离心机载主机32并存储，再通过无线网将数据传输至所述测试主控电脑24，进行数据的实时观测及分析。所述高密度电阻率测定装置21的测试数据的传输、存储以及无线网通讯等由所述离心旋转轴31顶部的离心轴向滑环310实现。所述高密度电阻率测定装置21利用可编程控制器(PLC)作为电极组合及转换开关，配备256个测试端口，通过所述电极23及所述导线22与所述主体模型箱12连接。

本实用新型实施例的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置1的工作过程如下：将所述试验土料18填充于所述主体模型箱12内，在准备所述试验土料18过程中，通过所述导线22及所述电极23将所述电阻率量测装置21与所述土工模型装置10连接，将所述主体模型箱12固定于所述离心旋转臂33 的所述吊篮332内。具体的先在所述主体模型箱12内填充试验土料，分层夯实并在预定高度后埋入所述电极23，在布设所述电极23之前先进行所述导线22及所述电极23通路测试，排查短路及断路情形；之后靠近所述主体模型箱12的所述侧壁122均匀布设一层所述电极23，并将所述导线22从所述主体模型箱12的所述侧壁122引出，接入所述高密度电阻率测定装置21；如此往复，直至达到预定的土样高度。埋设的电极层数及每层电极个数可根据土样高度及具体的量测需求调整。所述主体模型箱12内在所述试验土料18的上方架设所述不锈钢架13；再将所述储液箱14固定在所述不锈钢架13上，所述储液箱14中盛有溶液，并通过所述气压入渗控制装置15及软管16与所述试验土料18连接，调节所述储液箱14的进气管147确定入渗水头。

打开所述高密度电阻率测定装置21的开关，为了使所述测试主控电脑24与所述高密度电阻率测定装置21的电压电流单元和可编程控制器进行顺利的通讯，利用所述测试主控电脑24对所述高密度电阻率测定装置21进行USB端口设置，并对所述高密度电阻率测定装置21的可编程控制器的输出端口进行测试。所述测试主控电脑24发送测试开始\终止命令至所述离心旋转臂33上放置的所述离心机载主机32，所述离心机载主机32通过数据传输线将命令传送给所述高密度电阻率测定装置21，所述高密度电阻率测定装置21根据命令进行测试动作或终止测试动作。所述高密度电阻率测定装置21收到测试开始命令后，读取测试参数文件及电极组合文件。试验中采用扫描测定，即遍历测定电极组合文件，一次测定电极组合文件中某一行定义的四个电极，得到一行测试数据并存储在指定名称的文件中。测试过程数据通过所述离心旋转臂33上放置的所述离心机载主机32存储，并实时传输至所述测试主控电脑24。

运转所述离心机30，分级加载至预定加速度并固结一段时间，关闭所述气压入渗控制装置15的开关，使所述储液箱14中的溶液在超重力环境下长时间以恒定水头入渗至所述试验土料18。在整个试验过程中，试验者可根据试验数据的需要自主决定测试动作的开始时间和结束时间，进行量测试验。得到的测试数据通过电阻率反演计算得到三维电阻率时空分布，并可通过切片程序得到任一时刻任意平面的电阻率分布。根据电阻率分布与含水量、离子浓度等的关系，分析水分及溶质迁移规律，达到利用高密度电阻率法量测水分及溶质迁移过程的目的。

本实用新型提供的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置1具有以 下优点：第一、首次将高密度电阻率测定分析系统20应用于离心机高速运转环境中，解决了设备固定、导线连接固定、测试动作远程控制、数据采集及存储等问题，实现了高密度电阻率测定装置21在超重力离心环境中的正常应用，为以后离心环境测试设备的开发提供技术借鉴；第二、设计的基于高密度电阻率法的水分及溶质迁移量测装置1可方便地实现多种类型底部边界控制及两级高度水位控制，可灵活应用于试样饱和及地下水水位模拟。设计的储液箱14及气压入渗控制装置15能在离心机高速运转的情况下实现上部恒定水头入渗边界条件控制。储液箱14可通过调节进气管高度获得一定范围内恒定入渗水头，可对入渗量(率)进行实时量测。气压入渗控制装置15小巧灵活，操作简便；采用非电磁类设计，避免对电子设备及电法量测产生影响；第三、基于高密度电阻率法的测试方法能够满足三维、无损、实时的量测需求。将高密度电阻率法应用于室内有限单元模型试验，可灵活实现多维度量测及分析；试验时将量测电极布设于试验影响区域之外，避免电极23及导线22对试验过程的影响，实现对物理过程的无损量测。在试验过程可根据实测的电阻值，进行实时结果处理及计算分析，从而对试验过程进行实时监测及分析判断。

另外，本领域技术人员还可以在本实用新型精神内做其它变化，当然，这些依据本实用新型精神所做的变化，都应包含在本实用新型所要求保护的范围之内。

Claims (11)

1.一种土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其包括：一土工模型装置、一高密度电阻率测定分析系统及一离心机；所述高密度电阻率测定分析系统与所述土工模型装置电连接；所述离心机承载并带动所述高密度电阻率测定分析系统及所述土工模型装置高速旋转；所述离心机包括离心旋转轴、离心机载主机及离心旋转臂，所述离心旋转臂围绕所述离心旋转轴高速旋转；所述土工模型装置设置于离心旋转臂的一端，所述土工模型装置包括用于盛装试验土料的主体模型箱及液体入渗装置，所述液体入渗装置供液体入渗至所述主体模型箱内的试验土料；所述高密度电阻率测定分析系统包括高密度电阻率测定装置、电极及测试主控电脑，所述高密度电阻率测定装置分别与所述测试主控电脑及所述电极电连接，所述高密度电阻率测定装置放置于所述离心旋转臂，所述电极靠近所述主体模型箱的侧壁均匀埋设于所述试验土料中，所述高密度电阻率测定分析系与所述土工模型装置通过所述电极电连接，量测所述主体模型箱的试验土料的渗流及溶质迁移时实验者通过所述测试主控电脑发出指令控制量测过程。

2.如权利要求1所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述离心旋转臂为长方形体，具有一操作台面，所述高密度电阻率测定装置及一离心机载主机置于所述离心旋转臂的所述操作台面。

3.如权利要求2所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述高密度电阻率测定装置呈矩形六面体，在其一侧面设置有USB接口及导线接口。

4.如权利要求3所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述高密度电阻率测定装置设置于所述离心旋转臂的所述操作台面时，所述高密度电阻率测定装置的所述侧面垂直于所述离心旋转臂的所述操作台面，并且平行于所述离心旋转臂的延伸方向放置。

5.如权利要求4所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述高密度电阻率测定装置通过固定元件固定于所述操作台面上，固定点靠近所述离心旋转轴设置。

6.如权利要求1所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述高密度电阻率测定装置通过导线与所述电极电连接，所述高密度 电阻率测定装置与所述导线采用卡槽式连接方式连接。

7.如权利要求2所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述离心旋转臂的远离所述离心旋转轴的一端部具有吊篮，所述离心旋转轴位于所述操作台面的中间部位，并且支撑该操作台面，所述离心旋转轴顶部设有离心轴向滑环，实现与外部的通讯。

8.如权利要求2所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述离心机载主机在所述离心旋转臂的所述操作台面，靠近所述离心旋转轴固定，所述高密度电阻率测定装置与所述离心机载主机电连接，所述离心机载主机与所述测试主控电脑无线连接。

9.如权利要求1所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述模型箱采用绝缘的有机玻璃制成，包括底部和侧壁，所述侧壁靠近所述底部的部分设置有四个溢流孔、两个溢流槽，所述两个溢流槽具有不同的高度，可根据试验需求进行试样饱和或模拟控制地下水水位。

10.如权利要求1所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述液体入渗装置包括储液箱及气压入渗控制装置，所述储液箱盛装有液体，所述储液箱及所述气压入渗控制装置通过软管连接，所述气压入渗控制装置通过软管与所述主体模型箱内的试验土料连接。

11.如权利要求10所述的土工离心模型试验中渗流及溶质迁移量测装置，其特征在于，所述储液箱为透明箱体，包括底部、侧壁及顶部，所述侧壁设置有刻度，所述顶部设置有进气孔，进气孔内套设有进气管，所述进气管在所述进气孔中可上下移动，实现一定范围内恒定水头入渗。