CN215492987U - 一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置 - Google Patents

Abstract

实用新型提供一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置。该装置包括透明土模型箱、地下挡墙结构模型、地下挡墙结构模型固定装置、工业相机和激光发射器。实验时，通过调节透明土模型箱两侧水头差使透明土模型箱内产生渗流。所述激光发射器发射激光，在透明土内形成透明土散斑场。在透明土模型箱内发生渗流时，通过工业相机记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化。通过PIV技术处理图像，分析整理实验结果，从而得到地下挡墙对地下水渗流场的影响规律。该装置可以真实的模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的过程，并可以精确的监测地下水渗流场的变化。本试验成本低，具有广阔的应用前景。

Description

一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验 装置

技术领域

本实用新型涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置。

背景技术

沿河边坡的显著不同在于河(库)水的存在改变了近河侧边坡的水动力条件。河(库)水升降在力学平衡方面打破滑坡原有的应力和渗流状态。河(库)水位骤降时，地下水响应滞后现象显著，导致地下水位线形态整体变陡，形成水头差，对滑坡体产生动水压力作用。导致沿河边坡的动态变形和失稳破坏频繁发生。

挡墙布置在边坡临水侧，封闭了墙后岩土体。岩土体的渗流场与应力场之间不断地进行能量交换。地下水渗流不仅能改变岩土体中的水压力，而且也影响了土压力的分布，从而影响了边坡的稳定性。且地下挡墙结构对地下水渗流影响较大，然而常规的实验方法无法直接观测到土体内部渗流场的变化。

因此，开发一种研究地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，可视化地下水渗流场的变化，对探索预防边坡灾害的科学方法具有重大意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，以解决现有技术中存在的问题。

为实现本实用新型目的而采用的技术方案是这样的，一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱、地下挡墙结构模型、地下挡墙结构模型固定装置、工业相机、激光发射器和水头发生装置。

所述透明土模型箱为上端敞口的透明矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述透明土模型箱内装填有透明土。

所述地下挡墙结构模型为透明板状结构。所述地下挡墙结构模型通过地下挡墙结构模型固定装置可移动设置在透明土模型箱内。所述地下挡墙结构模型的板面与第一侧板平行。所述地下挡墙结构模型将透明土分为墙后封闭岩土体和墙前岩土体。所述第一侧板上开设有供高位水头水管穿过的孔洞。所述供高位水头水管的进水端与水头发生装置相连，出水端伸入墙后封闭岩土体。所述第三侧板上开设有与低位水头水管连通的孔洞。

所述工业相机安置在第二侧板一侧。所述激光发射器安置在透明土模型箱下方。

工作时，激光发射器在透明土内形成透明土散斑场。水头发生装置通过高位水头水管向透明土内通入示踪介质。工业相机持续记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化，直至示踪介质在透明土内流动稳定。

进一步，所述示踪介质采用工业油和染料制成。

进一步，所述地下挡墙结构模型采用有机玻璃板制成。

进一步，所述地下挡墙结构模型固定装置包括横向滑动卡槽和竖向滑动卡槽。所述横向滑动卡槽为U型卡槽。所述第二侧板或第四侧板的上板端嵌入横向滑动卡槽的槽口中。所述横向滑动卡槽的侧壁上布设有竖向滑动卡槽。所述竖向滑动卡槽为两块平直板夹设出的矩形槽。所述地下挡墙结构模型的板端嵌入竖向滑动卡槽的矩形槽中。所述横向滑动卡槽可调节地下挡墙结构模型的横向位置。所述竖向滑动卡槽可调节地下挡墙结构模型嵌入透明土的深度。

进一步，还包括底座。所述透明土模型箱固定在底座上。

进一步，所述水头发生装置包括外接示踪介质源和固定装置。所述供高位水头水管的进水端与外接示踪介质源相连。所述外接示踪介质源通过固定装置布置在透明土模型箱的旁侧。

进一步，所述高位水头水管和低位水头水管的管路上设置有阀门。

本实用新型还公开一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在透明土模型箱内配制透明土至设计高度。配置过程中根据设计要求调节地下挡墙结构模型埋入透明土中的深度。

2)打开激光发射器，在透明土内形成透明土散斑场。调节工业相机。

3)水头发生装置通过高位水头水管向透明土内通入示踪介质，透明土模型箱内发生渗流。使用工业相机持续记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化，直至示踪介质在透明土内流动稳定。

4)保存图像和数据，关闭激光发射器，整理试验器材。

5)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱内渗流场的矢量图。

6)分析整理得到的数据和矢量图，得到地下挡墙结构对地下水渗流场的影响规律。

本实用新型的技术效果是毋庸置疑的：

A.能够通过地下挡墙结构模型固定装置连接地下挡墙结构模型和透明土模型箱及透明土和示踪介质模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的过程；

B.能够通过PIV技术和示踪介质实现对地下水渗流场的变化的可视化，可更直观的研究地下挡墙结构对地下水渗流场的影响规律；

C.挡墙结构模型埋入土体深度和位置以及高低水位水头差可根据研究需要进行调整，使得实验装置可以模拟多种工况；

D.系统设置合理，试验操作方便，具有较高的可靠性。

附图说明

图1为透明土模型试验装置结构示意图；

图2为水头发生装置与透明土模型箱连接示意图；

图3为透明土模型箱结构示意图；

图4为底座结构示意图；

图5为地下挡墙结构模型结构示意图；

图6为地下挡墙结构模型固定装置结构示意图；

图7为高位水头水管结构示意图；

图8为地下挡墙结构模型不同埋深下渗流迹线示意图。

图中：透明土模型箱1、地下挡墙结构模型2、地下挡墙结构模型固定装置3、横向滑动卡槽301、竖向滑动卡槽302、底座4、外接示踪介质源5、固定装置6、高位水头水管7、低位水头水管70、阀门8、工业相机9、激光发射器10、水槽11。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步说明，但不应该理解为本实用新型上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本实用新型上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本实用新型的保护范围内。

实施例1：

参见图1和图2，本实施例提供一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱1、地下挡墙结构模型2、地下挡墙结构模型固定装置3、底座4、工业相机9、激光发射器10和水头发生装置。

参见图3，所述透明土模型箱1为上端敞口的透明矩形箱体。这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板。所述透明土模型箱1内装填有透明土。

参见图4，所述底座4包括透明玻璃板401和支架402。所述支架402为竖直放置的U型板。所述透明玻璃板401搁置在支架402上。所述激光发射器10布置在支架402的槽口中。所述透明土模型箱1固定在透明玻璃板401上。所述透明土模型箱1固定在底座4上。

参见图5，所述地下挡墙结构模型2为透明板状结构。所述地下挡墙结构模型2采用有机玻璃板制成。

参见图6，所述地下挡墙结构模型固定装置3包括横向滑动卡槽301和竖向滑动卡槽302。所述横向滑动卡槽301为U型卡槽。所述第二侧板或第四侧板的上板端嵌入横向滑动卡槽301的槽口中。所述横向滑动卡槽301的侧壁上布设有竖向滑动卡槽302。所述竖向滑动卡槽302为两块平直板夹设出的矩形槽。所述地下挡墙结构模型2的板端嵌入竖向滑动卡槽302的矩形槽中。所述横向滑动卡槽301可调节地下挡墙结构模型2的横向位置。所述竖向滑动卡槽302可调节地下挡墙结构模型2嵌入透明土的深度。

所述地下挡墙结构模型2通过地下挡墙结构模型固定装置3可移动设置在透明土模型箱1内。所述地下挡墙结构模型2的板面与第一侧板平行。所述地下挡墙结构模型2将透明土分为墙后封闭岩土体和墙前岩土体。所述第一侧板上开设有供高位水头水管7穿过的孔洞。

参见图7，所述供高位水头水管7的进水端与水头发生装置相连，出水端伸入墙后封闭岩土体。所述第三侧板上开设有与低位水头水管70连通的孔洞。所述高位水头水管7和低位水头水管70的管路上设置有阀门8。

所述水头发生装置包括外接示踪介质源5和固定装置6。所述供高位水头水管7的进水端与外接示踪介质源5相连。所述外接示踪介质源5通过固定装置6布置在透明土模型箱1的旁侧。

所述工业相机9安置在第二侧板一侧。所述激光发射器10安置在透明土模型箱1下方。

工作时，激光发射器10在透明土内形成透明土散斑场。水头发生装置通过高位水头水管7向透明土内通入示踪介质。所述示踪介质采用工业油和染料制成。工业相机9持续记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化，直至示踪介质在透明土内流动稳定。

实施例2：

本实例公开一种地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，包括透明土模型箱1、地下挡墙结构模型2、地下挡墙结构模型固定装置3、底座4、外接示踪介质源5、固定装置6、高位水头水管7、低位水头水管70、阀门8、工业相机9、激光发射器10、水槽11。

所述透明土模型箱1整体为一个上表面敞开的矩形箱体。该透明土模型箱的两侧具有用于连接高位水头水管7和低位水头水管70的孔洞。

所述地下挡墙结构模型2是由有机玻璃板制成的实心长方体。

所述地下挡墙结构模型固定装置3包括两个滑动卡槽。所述滑动卡槽301可以调节地下挡墙结构模型2的横向位置。所述滑动卡槽302可以调节地下挡墙结构模型2嵌入透明土的深度。所述地下挡墙结构模型固定装置3是由不锈钢制成。

所述底座4包括透明玻璃板401和支架402。所述透明玻璃板401固定在支架402上。所述透明玻璃板401是由有机玻璃制成。所述支架402是由不锈钢制成。所述透明土模型箱1固定在底座4上。

所述外接示踪介质源5通过固定装置6固定在透明土模型箱1的一侧。所述外接示踪介质源5底侧具有孔洞。

所述固定装置6是由不锈钢制成。

所述工业相机9安置在透明土模型箱1一侧

所述激光发射器10安置在透明土模型箱1下方。

所述水槽11安置在低位水头水管70下方。

所述示踪介质是由工业油和染料制成。

实施例3：

本实施例提供一种采用实施例1或2所述模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)在透明土模型箱1内配制透明土至设计高度。配置过程中根据设计要求调节地下挡墙结构模型2埋入透明土中的深度。

2)打开激光发射器10，在透明土内形成透明土散斑场。调节工业相机9。

3)水头发生装置通过高位水头水管7向透明土内通入示踪介质，透明土模型箱1内发生渗流。使用工业相机9持续记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化，直至示踪介质在透明土内流动稳定。

4)保存图像和数据，关闭激光发射器10，整理试验器材。

5)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内渗流场的矢量图。

6)分析整理得到的数据和矢量图，得到地下挡墙结构对地下水渗流场的影响规律。

参见图8，本实施例解决了现有技术中地下水接近结构物时流线和流场模拟不够精确的问题。通过调节高低位水头差和挡墙模型嵌入透明土中的深度和位置，借助示踪介质可以直观的观测到地下渗流场流动轨迹和速度，从而分析地下挡墙结构不同工况对地下渗流场的影响。8a和8b表示挡墙模型嵌入透明土中不同深度的渗流迹线示意图。显然地下挡墙结构模型2附近的水位变化最明显，随着远离地下挡墙结构模型2水位变化幅度逐渐趋缓。

实施例4：

本实施例提供一种本实例公开一种采用实施例2所述地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1)按设计尺寸制作透明土模型箱1、地下挡墙结构模型2以及地下挡墙结构模型固定装置3。

2)清洗透明土模型箱1、地下挡墙结构模型2、地下挡墙结构模型固定装置3、底座4、外接示踪介质源5，并用干毛巾擦净。

3)将地下挡墙结构模型2通过地下挡墙结构模型固定装置3固定在透明土模型箱1，根据实验要求调节地下挡墙结构模型2水平位置。将透明土模型箱1固定在底座4上。

4)将激光发射器10安置在透明土模型箱1下方。将工业相机9安置在透明土模型箱1一侧。将水槽11安置在低位水头水管70下方。

5)将高位水头水管7通过孔洞与透明土模型箱1相连。将高位水头水管70通过孔洞与透明土模型箱1相连。将外接示踪介质源5通过固定装置6固定在透明土模型箱1一侧。将高位水头水管7通过孔洞501与外接示踪介质源5相连。关闭两个阀门8。通过所要求的水头差调节外接示踪介质源5高度。向外接示踪介质源5倒入示踪介质。

6)在透明土模型箱1内配制透明土至设计高度。配置过程中根据设计要求调节地下挡墙结构模型2埋入透明土中的深度。配置完成后静置24h。

7)打开激光发射器10，在透明土内形成透明土散斑场。调节工业相机9。

8)同时打开两个阀门8，使透明土模型箱1内发生渗流。使用工业相机9持续记录透明土散斑场的变化和示踪介质的变化。直至示踪介质12在透明土内流动基本稳定。

9)保存图像和数据，关闭激光发射器10，整理试验器材

10)使用PIV技术处理试验图像，得到透明土模型箱1内渗流场的矢量图。

11)分析整理得到的数据和矢量图，从而得到地下挡墙结构对地下水渗流场的影响规律。

Claims (5)

1.一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，其特征在于：包括透明土模型箱(1)、地下挡墙结构模型(2)、两个地下挡墙结构模型固定装置(3)、工业相机(9)、激光发射器(10)和水头发生装置；

所述透明土模型箱(1)为上端敞口的透明矩形箱体；这个矩形箱体的四面侧壁依次为第一侧板、第二侧板、第三侧板和第四侧板；所述透明土模型箱(1)内装填有透明土；

所述地下挡墙结构模型(2)为透明板状结构；所述地下挡墙结构模型(2)通过地下挡墙结构模型固定装置(3)可移动设置在透明土模型箱(1)内；所述地下挡墙结构模型(2)的板面与第一侧板平行；所述地下挡墙结构模型(2)将透明土分为墙后封闭岩土体和墙前岩土体；所述第一侧板上开设有供高位水头水管(7)穿过的孔洞；所述供高位水头水管(7)的进水端与水头发生装置相连，出水端伸入墙后封闭岩土体；所述第三侧板上开设有与低位水头水管(70)连通的孔洞；

所述工业相机(9)安置在第二侧板一侧；所述激光发射器(10)安置在透明土模型箱(1)下方。

2.根据权利要求1所述的一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，其特征在于：所述地下挡墙结构模型(2)采用有机玻璃板制成。

3.根据权利要求1所述的一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，其特征在于：所述地下挡墙结构模型固定装置(3)包括横向滑动卡槽(301)和竖向滑动卡槽(302)；所述横向滑动卡槽(301)为U型卡槽；所述第二侧板或第四侧板的上板端嵌入横向滑动卡槽(301)的槽口中；所述横向滑动卡槽(301)的侧壁上布设有竖向滑动卡槽(302)；所述竖向滑动卡槽(302)为两块平直板夹设出的矩形槽；所述地下挡墙结构模型(2)的板端嵌入竖向滑动卡槽(302)的矩形槽中；所述横向滑动卡槽(301)可调节地下挡墙结构模型(2)的横向位置；所述竖向滑动卡槽(302)可调节地下挡墙结构模型(2)嵌入透明土的深度。

4.根据权利要求1所述的一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，其特征在于：还包括底座(4)；所述透明土模型箱(1)固定在底座(4)上。

5.根据权利要求1所述的一种模拟地下挡墙结构对地下水渗流影响的透明土模型试验装置，其特征在于：所述水头发生装置包括外接示踪介质源(5)和固定装置(6)；所述供高位水头水管(7)的进水端与外接示踪介质源(5)相连；所述外接示踪介质源(5)通过固定装置(6)布置在透明土模型箱(1)的旁侧。

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