CN211235427U - 用于离心机的渗透侵蚀试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于离心机的渗透侵蚀试验装置，包括安装底座、固定在安装底座上的丝杆升降台、下游水箱、多个一维土柱筒和离心泵、以及固定安装在丝杆升降台上的上游水箱；下游水箱、多个一维土柱筒、离心泵和上游水箱通过管路连接；每个安装一维土柱筒的支路上分别设置有电动球阀；上游水箱出水口接至土柱筒进水口的管路中设置有温控模块和流量计。本实用新型设置丝杆升降台、离心泵和溢流槽，实现了离心机环境下的水位升降和循环稳定；利用超重力的增重效应，用砝码和传力杆，实现了离心机环境下土样加压；通过电子换热片，有效解决了水温控制问题，从而实现了在土工离心机环境下对渗透侵蚀作用的超重力效应试验研究。

Description

用于离心机的渗透侵蚀试验装置

技术领域

本实用新型属于岩土工程模型试验领域，特别涉及在离心机中实现渗透与侵蚀试验所采用的装置。

背景技术

我国高坝众多，渗透作用引发的高坝稳定问题关乎人民生命财产安全。利用离心机提供的高加速度环境保证高坝缩尺模型应力条件相似是评估高坝稳定性的重要手段。

然而，国内外学者进行的超重力坝体模型渗透侵蚀试验通常与现有理论预测结果偏差较大。这是由于对渗透及渗透作用下土颗粒运动的超重力效应尚无充足的研究，使得模型与原型的渗透特性及水土相互作用特性无法保证相似。因此，有必要在土工离心机环境下对渗透侵蚀作用的超重力效应进行试验研究。

采用单元体土柱进行一维渗透试验是研究渗透作用的主要方法，但将单元体土柱一维渗透侵蚀试验应用于离心机试验当中的较少。其原因有：(1)试验过程中需要大量用水，而离心机吊篮环境特殊，供排水十分困难；(2)渗透试验需要变换不同的水位高度且能够保证持续稳定到同一高度；(3)吊篮空间有限，常重力可选用的加压系统需要占用大量空间；(4)离心机单次开机难以进行多组试验，试验成本过高；(5)离心机机室内温度会不断抬升，而流体粘度会受到温度的影响，使得试验结论出现较大偏差。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种可用于土工离心机的一维土柱渗透试验装置。

为解决技术问题，本实用新型的解决方案是：

提供一种用于土工离心机的渗透侵蚀试验装置，包括安装底座、固定在安装底座上的丝杆升降台、下游水箱、多个一维土柱筒和离心泵、以及固定安装在丝杆升降台上的上游水箱；

所述上游水箱包括由隔板隔开的上游水箱稳压槽和上游水箱溢流槽，上游水箱稳压槽的侧壁上部与底部分别设置上游水箱进水口和上游水箱出水口，上游水箱溢流槽的侧壁底部设置上游水箱溢流口；

所述下游水箱包括由隔板隔开的下游水箱稳压槽和下游水箱溢流槽，下游水箱稳压槽的侧壁底部设置有下游水箱进水口，下游水箱溢流槽的侧壁底部分别设置有下游水箱抽水口和下游水箱溢流口，下游水箱溢流口高于下游水箱抽水口；

所述一维土柱筒包括筒体、盖板、底板、砝码台、传力杆、上多孔板、金属网和下多孔板；砝码台包括圆盘状支承板、穿透并垂直固定在圆盘状支承板中心的砝码杆和带有中心孔的砝码，砝码套装在砝码杆上；所述盖板固定在筒体上部，盖板中心设有通孔，传力杆穿过通孔，传力杆的顶端与砝码台的砝码杆底端连接，传力杆的底端与上多孔板中心固定连接，上多孔板位于筒体内，上多孔板的直径与筒体内径配合；盖板的侧壁上设有L型通道作为土柱筒出水口；所述底板固定在筒体下部，底板的上表面呈漏斗状，漏斗开口处依次设置金属网和下多孔板，金属网和下多孔板的直径与筒体内径配合，金属网位于下多孔板的上方。底板的侧壁设有水平通道作为土柱筒进水口。所述筒体的侧壁上沿竖向间隔设置多个测压孔，测压孔内安装孔压计；

所述下游水箱、多个一维土柱筒、离心泵和上游水箱通过管路连接：离心泵出水口接至上游水箱进水口，上游水箱出水口接至土柱筒进水口，土柱筒出水口接至下游水箱进水口，下游水箱抽水口接至离心泵进水口，上游水箱溢流口接至下游水箱溢流口；多个一维土柱筒之间并联连接，每个安装一维土柱筒的支路上分别设置有电动球阀；上游水箱出水口接至土柱筒进水口的管路中设置有温控模块和流量计。

进一步地，所述的筒体材质是有机玻璃。

进一步地，在筒体与盖板之间、筒体与底板之间、传力杆与盖板的竖向通孔之间，分别设置两道密封胶圈。

进一步地，所述盖板的下部和底板的上部设有与筒体相配合的凹槽，筒体卡入凹槽，盖板和底板上通过拉力杆和螺母与卡入凹槽的筒体固定连接。

进一步地，所述温控模块包括温控模块调温管和连接在温控模块调温管两端的温控模块管路转接件，管壁设有电子换热片和散热片。电子换热片将水中的热量置换出来，通过离心机旋转时的风能散出热量。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型通过离心泵，解决了离心机环境下的供排水及其循环困难的问题；

2、本实用新型通过设置丝杆升降台和溢流槽，实现了离心机环境下的水位升降和稳定；

3、本实用新型利用超重力的增重效应，用砝码和传力杆，实现了离心机环境下土样加压；

4、本实用新型通过控制电动球阀，解决了离心机单次开始可进行试验次数较少的问题；

5、本实用新型通过电子换热片，有效解决了水温控制问题。

本实用新型的装置实现了在土工离心机环境下对渗透侵蚀作用的超重力效应试验研究。

附图说明

图1为装置整体轴侧图。

图2为装置整体俯视图。

图3为装置整体正视图。

图4为装置整体管路连接示意图。

图5为温控模块中线截面图。

图6为一维土柱中线截面图。

图1-3中未标明管路，图2-3未标明固定所用的螺钉和螺母。图4未标明升降台，箭头表示水流流动方向，双横杠线表示水位高度。

图中的附图标记为：1丝杆升降台；2上游水箱；3下游水箱；4一维土柱筒；5离心泵；6管路转接件；7温控模块；8流量计；9温控模块管路转接件；10温控模块调温管；11上游水箱稳压槽；12上游水箱溢流槽；13下游水箱稳压槽；14下游水箱溢流槽；15上游水箱进水口；16上游水箱出水口；17上游水箱溢流口；18下游水箱进水口；19下游水箱抽水口；20下游水箱溢流口；21离心泵进水口；22离心泵出水口；23砝码杆；24砝码；25传力杆；26拉力杆；27盖板；28底板；29土柱筒进水口；30土柱筒出水口；31密封胶圈；32上多孔板；33下多孔板；34筒体；35测压孔；36漏斗状开口。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步详细描述：

本实用新型提供的一种用于离心机的渗透侵蚀试验装置，其结果如图1-3所示，包括安装底座、固定在安装底座上的丝杆升降台1、下游水箱3、多个一维土柱筒4和离心泵5、以及固定安装在丝杆升降台1上的上游水箱2；

所述上游水箱2包括由隔板隔开的上游水箱稳压槽11和上游水箱溢流槽12，上游水箱稳压槽11的侧壁上部与底部分别设置上游水箱进水口15和上游水箱出水口16，上游水箱溢流槽12的侧壁底部设置上游水箱溢流口17；

所述下游水箱3包括由隔板隔开的下游水箱稳压槽13和下游水箱溢流槽14，下游水箱稳压槽13的侧壁底部设置有下游水箱进水口18，下游水箱溢流槽14的侧壁底部分别设置有下游水箱抽水口19和下游水箱溢流口20，下游水箱溢流口20高于下游水箱抽水口19；

如图6所示，所述一维土柱筒4包括筒体34、盖板27、底板28、砝码台、传力杆25、上多孔板32、金属网和下多孔板33；砝码台包括圆盘状支承板、穿透并垂直固定在圆盘状支承板中心的砝码杆23和带有中心孔的砝码24，砝码24套装在砝码杆23上；所述盖板27固定在筒体34上部，盖板27中心设有通孔，传力杆25穿过通孔，传力杆25的顶端与砝码台的砝码杆23底端连接，传力杆25的底端与上多孔板32中心固定连接，上多孔板32位于筒体34内，上多孔板32的直径与筒体34内径配合，上多孔板32在筒体34内能上下移动，方便拆卸；盖板27的侧壁上设有L型通道作为土柱筒出水口30；所述底板28固定在筒体34下部，底板28的上表面呈漏斗状，漏斗开口处依次设置金属网和下多孔板33，金属网位于下多孔板33的上方。金属网和下多孔板33的直径与筒体34内径配合，金属网和下多孔板33可在筒体34内上下移动，便于拆卸；但在使用过程中，金属网和下多孔板33在上方土体的压力下，金属网和下多孔板33固定在漏斗开口处之上。底板28的侧壁设有水平通道作为土柱筒进水口29。所述筒体34的侧壁上沿竖向间隔设置多个测压孔35，测压孔35内安装孔压计；传力杆25两端、砝码杆23底端、上多孔板32可设置相匹配的螺纹，传力杆25穿过通孔且顶端与中心旋接、底端与上多孔板32的中心旋接，但不限于此。

如图4所示，所述下游水箱3、多个一维土柱筒4、离心泵5和上游水箱2通过管路连接：离心泵出水口22接至上游水箱进水口15，上游水箱出水口16接至土柱筒进水口29，土柱筒出水口30接至下游水箱进水口18，下游水箱抽水口19接至离心泵进水口21，上游水箱溢流口17接至下游水箱溢流口20；多个一维土柱筒4之间并联连接；上游水箱出水口16接至土柱筒进水口29的管路中设置有温控模块7和流量计8。

另外，如图5所示，温控模块7包括温控模块调温管10和连接在温控模块调温管10两端的温控模块管路转接件9，温控模块调温管10的管壁设有电子换热片和散热片。电子换热片的型号可采用TEC-12712-40，但不限于此。

流量计8可选用椭圆齿轮流量计，但不限于此。

具体实施例：

本实施例是四联一维土柱渗透试验装置。其基本结构如前所述，一维土柱筒4四个(如图2所示)，相互之间通过管路并联安装。丝杆升降台1为成熟产品，用于抬升上游水箱，包括四台顶升机、两台传动箱、一台减速机、一台伺服电机、四个升降螺母、一个升降平台和一个架子。上游水箱2用于提供稳定可变的入水水压，下游水箱3用于提供稳定的出水水压，一维土柱筒4用于装填土体和试验。离心泵5用于驱动循环用水，由多级离心泵组成；温控模块7用于调节温度，流量计8用于测定流体流速。

作为优选方案，还包括管路转接件6，管路转接件6设置在丝杆升降台1的架子上，用于避免升降过程中管路发生弯折。

砝码24为圆柱状，中心位置开孔，孔径与砝码台的砝码杆23外径相配合。砝码台23底部和传力杆25下侧开外螺纹，传力杆25上侧和上多孔板32中央开内螺纹，实现砝码台、传力杆25和上多孔板32的刚性连接，从而将砝码24的重量传递给多孔板32，进而传递给土样，超重力环境会使得砝码加压系统加入少量砝码24时也能达到较高的轴向压力。

筒体34侧壁设置测压孔35，内部安装孔压计，用于测定水压。土柱筒盖板27中线截面为反向凹字形，用于卡住土柱筒34，凹槽与土柱筒34接触处设置两道胶圈31用于防渗；盖板27中心开一孔，用于插入传力杆25，孔内设置两道胶圈31用于防渗；土柱筒底板28中线截面为正向凹字形，用于卡住土柱筒34，凹槽与土柱筒34接触处设置两道胶圈31用于防渗。底板28的中心设漏斗状开口36，用于在试验中放置玻璃珠以防止射流，漏斗状开口36的上缘设置多孔板33和金属网，用于防止土样颗粒流失；盖板27、底板28和筒体34由四根拉力杆26拉紧固定。

装置的使用方法：

整个装置被固定在土工离心机吊篮中。

试验过程中的水循环流程为：离心泵5从下游水箱抽水口19中抽出过量的水，先后流经离心泵进水口21、离心泵出水口22、管路转接件6，至上游水箱进水口15，然后进入上游水箱稳压槽11；上游稳压槽11的水从上游水箱出水口16，先后经过管路转接件6、温控模块7和流量计8，流至土柱筒进水口29，从而进入土样中渗流，之后从土柱筒出水口30流入下游水箱进水口18，然后进入下游水箱稳压槽13，再漫入下游水箱溢流槽14；进入上游水箱稳压槽11中的多余的水，从稳压槽11中漫入上游水箱溢流槽12，之后从上游水箱溢流口17经管路转接件6后流入下游水箱溢流口20；作为优选，上、下游水箱溢流口17、20和连接水管的管径应足够大，以保证溢流顺畅。

控制丝杆升降台1升降时，可根据丝杆升降台1配备的伺服电机实现对丝杆升降台1升降高度的控制。另外，搭配温控模块7，可以在水箱中设置温度计，根据试验需求以及温度计的反馈，开关电子换热片对水流进行温控。

四个土柱筒4管路并联，每个支路分别设置一电动球阀，根据需求控制开合，进而实现一次开机可进行多组试验。根据试验量程需求，可并联多个流量计8，每个流量计设置一个电动球阀，根据需求控制开合。

试验时，根据试验需求，调整上游水箱2高度，控制电动球阀的开合，调节温度，获取孔隙水压力和流量。

试验示例：

1.在常重力下，将四个土柱筒4中装满土样，通水饱和，并在侧壁设置7个孔压计(量程为0-±0.4Mpa)。土柱筒进水口29和上游水箱出水口16之间管路上设置两个并联的流量计8(量程分别为1-100和30-3000ml/min)；电动球阀(共6个)分别控制四个土柱筒4和两个流量计8。上、下游水箱中通入足量的液体，并调整上游水箱高度将上下游的水位高度调整到同一高度。

2.启动土工离心机，将离心加速度抬升至30倍重力加速度。待加速度稳定后，开启第一个土柱筒的电动球阀，并打开1-100ml/min流量计的电动球阀，抬升上游水箱一定高度，测量此时土柱筒侧壁的孔隙水压力和经过土样的流量。后再次抬升上游水箱，进行同样的测量。直到流量达到约65ml/min左右(不大于100ml/min且不小于30ml/min)，关闭1-100ml/min流量计的电动球阀，打开30-3000ml/min流量计的电动球阀。进行上述同样的测量，直到达到实验需求的最大流量或者孔隙水压力。测试得到不同孔隙水压力差下的土柱渗流流量。

3.分别打开第2-4个土柱筒的电动球阀和1-100ml/min流量计的电动球阀，关闭其他所有电动球阀，进行同步骤2同样的实验测得2-4个土柱筒在不同孔隙水压力差下的土柱渗流流量。

实验过程中，控制水温保持在25±3℃。孔压计和流量计的信号由土工离心机自带的数据采集仪采集获得，完成超重力下的渗透侵蚀试验。

上述试验中，可以在4个土柱筒中装填相同或不同土颗粒级配、孔隙比的土样，或分别在不同的加速度下进行试验。在单次离心机开机中，完成土样、加速度对渗透侵蚀试验的影响研究，操作简便同时有利于降低试验成本。

上述试验中，还可以改变上、下游水箱中的液体，进行液体粘度对渗透侵蚀试验的影响研究。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于离心机的渗透侵蚀试验装置，其特征在于，包括安装底座、固定在安装底座上的丝杆升降台(1)、下游水箱(3)、多个一维土柱筒(4)和离心泵(5)、以及固定安装在丝杆升降台(1)上的上游水箱(2)；

所述上游水箱(2)包括由隔板隔开的上游水箱稳压槽(11)和上游水箱溢流槽(12)，上游水箱稳压槽(11)的侧壁上部与底部分别设置上游水箱进水口(15)和上游水箱出水口(16)，上游水箱溢流槽(12)的侧壁底部设置上游水箱溢流口(17)；

所述下游水箱(3)包括由隔板隔开的下游水箱稳压槽(13)和下游水箱溢流槽(14)，下游水箱稳压槽(13)的侧壁底部设置有下游水箱进水口(18)，下游水箱溢流槽(14)的侧壁底部分别设置有下游水箱抽水口(19)和下游水箱溢流口(20)，下游水箱溢流口(20)高于下游水箱抽水口(19)；

所述一维土柱筒(4)包括筒体(34)、盖板(27)、底板(28)、砝码台、传力杆(25)、上多孔板(32)、金属网和下多孔板(33)；砝码台包括圆盘状支承板、穿透并垂直固定在圆盘状支承板中心的砝码杆(23)和带有中心孔的砝码(24)，砝码(24)套装在砝码杆(23)上；所述盖板(27)固定在筒体(34)上部，盖板(27)中心设有通孔，传力杆(25)穿过通孔，传力杆(25)的顶端与砝码台的砝码杆(23)底端连接，传力杆(25)的底端与上多孔板(32)中心固定连接，上多孔板(32)位于筒体(34)内，上多孔板(32)的直径与筒体(34)内径配合；盖板(27)的侧壁上设有土柱筒出水口(30)；所述底板(28)固定在筒体(34)下部，底板(28)的上表面呈漏斗状，漏斗开口处依次设置金属网和下多孔板(33)，金属网和下多孔板(33)的直径与筒体(34)内径配合，金属网位于下多孔板(33)的上方；底板(28)的侧壁土柱筒进水口(29)；所述筒体(34)的侧壁上沿竖向间隔设置多个测压孔(35)，测压孔(35)内安装孔压计；

所述下游水箱(3)、多个一维土柱筒(4)、离心泵(5)和上游水箱(2)通过管路连接：离心泵出水口(22)接至上游水箱进水口(15)，上游水箱出水口(16)接至土柱筒进水口(29)，土柱筒出水口(30)接至下游水箱进水口(18)，下游水箱抽水口(19)接至离心泵进水口(21)，上游水箱溢流口(17)接至下游水箱溢流口(20)；多个一维土柱筒(4)之间并联连接，每个安装一维土柱筒(4)的支路上分别设置有电动球阀；上游水箱出水口(16)接至土柱筒进水口(29)的管路中设置有温控模块(7)和流量计(8)。

2.根据权利要求1所述的渗透侵蚀试验装置，其特征在于，所述的筒体(34)材质是有机玻璃。

3.根据权利要求1所述的渗透侵蚀试验装置，其特征在于，在筒体(34)与盖板(27)之间、筒体(34)与底板(28)之间、传力杆(25)与盖板(27)的竖向通孔之间，分别设置两道密封胶圈(31)。

4.根据权利要求1或3所述的渗透侵蚀试验装置，其特征在于，所述盖板(27)的下部和底板(28)的上部设有与筒体(34)相配合的凹槽，筒体(34)卡入凹槽，盖板(27)和底板(28)上通过拉力杆和螺母与卡入凹槽的筒体(34)固定连接。

5.根据权利要求1所述的渗透侵蚀试验装置，其特征在于，所述温控模块(7)包括温控模块调温管(10)和连接在温控模块调温管(10)两端的温控模块管路转接件(9)，温控模块调温管(10)的管壁设有电子换热片和散热片。

Images