專利名稱：管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土工參數(shù)室內(nèi)測試技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種巖土工程中的一種無粘性土管涌臨界水力梯度與顆粒流失規(guī)律的室內(nèi)試驗(yàn)聯(lián)合測定方法及測定裝置。
背景技術(shù)：
管涌是在滲流作用下土體細(xì)顆粒沿骨架顆粒形成的孔隙被帶出的現(xiàn)象，是引起的堤防破壞而導(dǎo)致洪災(zāi)的主要原因。管涌主要發(fā)生的無粘性土中，是滲透破壞的一種重要形式。每年世界各地都有大量因管涌造成大壩破壞的事故發(fā)生，嚴(yán)重威脅人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此管涌的防治與預(yù)警是關(guān)乎民生的重要問題。掌握管涌發(fā)生的判別條件是進(jìn)行管涌防治與預(yù)警的首要問題。管涌的發(fā)生判別一般采用的臨界水力梯度法，國內(nèi)外研究與工程人員進(jìn)行了大量的研究，開展了一系列的管涌模型試驗(yàn)，探索了不同土體中管涌發(fā)生的臨界水力梯度，已逐漸掌握了土體臨界水力梯度確定的試驗(yàn)確定方法。在管涌的防治與預(yù)警中，不僅要需要掌握管涌在何種條件下會(huì)發(fā)生，還需要對管涌的發(fā)展速度等進(jìn)行評(píng)估，通過理論分析、經(jīng)驗(yàn)判斷以及數(shù)值模擬的手段，對管涌的發(fā)生發(fā)展進(jìn)行預(yù)測與預(yù)警。其中必然涉及的問題就是利用何種指標(biāo)評(píng)判一種土體在某種條件下管涌發(fā)展速度，從而實(shí)現(xiàn)管涌發(fā)展程度的預(yù)測。隨著人們對管涌發(fā)生發(fā)展規(guī)律及機(jī)理認(rèn)識(shí)的加深，發(fā)現(xiàn)管涌過程中顆粒的流失率是管涌發(fā)展速度的控制參數(shù)。顆粒流失率指管涌過程中一定水力梯度條件下顆粒的流失量與時(shí)間的比值，表示的是管涌過程中顆粒流失的快慢。然而目前，管涌的室內(nèi)試驗(yàn)測試方法僅對管涌臨界條件的確定研究較多，僅通過臨界水力梯度無法獲得表征管涌發(fā)展速度的相關(guān)參數(shù)，同時(shí)尚未形成成熟的管涌土體顆粒流失率測定技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種土體管涌臨界水力梯度與顆粒流失規(guī)律的聯(lián)合測定裝置及方法。本測定方法通過室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行管涌發(fā)生臨界水力梯度和管涌發(fā)展過程中的顆粒流失率的聯(lián)合測定，在試驗(yàn)中采用不同的土體顆粒組成以及土體初始孔隙率進(jìn)行試驗(yàn)，確定管涌臨界水力梯度以及顆粒流失規(guī)律與土體顆粒組成和土體初始孔隙率之間的關(guān)系。本發(fā)明的目的之一是提出一種管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置；本發(fā)明的目的之二是提出一種管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定方法。本發(fā)明的目的之一是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，包括容納試樣的模型筒、砂水收集盒、下游集水箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述模型筒裝入根據(jù)設(shè)定的土體顆粒配制測試所需要的土體，并產(chǎn)生發(fā)生管涌破壞時(shí)的涌出水與土顆粒；所述砂水收集盒，用于收集從模型筒涌出的水與土顆粒；所述下游集水箱，用于將收集的涌出水與土顆粒分離開；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于獲取模型筒壓力變化值、下游集水箱的流量值和涌出土顆粒的重量值。進(jìn)一步，所述模型筒包括入水口、緩沖區(qū)和設(shè)置于模型筒側(cè)壁的至少一個(gè)孔隙水壓力傳感器；所述入水口設(shè)置于模型筒底部，所述入水口用于提供上游滲流驅(qū)動(dòng)水頭；所述緩沖區(qū)設(shè)置于模型筒內(nèi)底部；所述模型筒內(nèi)的緩沖區(qū)與試樣之間設(shè)置隔砂透水板，所述隔砂透水板上放置試樣；所述孔隙水壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。進(jìn)一步，所述模型筒頂部涌出的水與砂通過砂水收集盒進(jìn)行收集；所述砂水收集盒通過導(dǎo)流管將從模型筒頂部涌出的水與砂匯入下游水箱中；所述下游水箱上部設(shè)置溢流口 ；所述下游水箱液面處設(shè)置有用于測量涌出水流量的流量傳感器；所述流量傳感器與數(shù)據(jù)米集系統(tǒng)相連。 進(jìn)一步，所述下游水箱內(nèi)放置砂水分離筒，所述砂水分離筒用于收集從水砂收集盒通過導(dǎo)流管匯入的涌出水與砂；所述砂水分離筒通過設(shè)置于底部的過濾網(wǎng)將涌出水與砂分離；所述砂水分離筒完全浸沒在水面以下；所述砂水分離筒通過吊纜與重力傳感器相連；所述重力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。進(jìn)一步，所述模型筒的直徑為測定土體的最大粒徑的10-12倍，筒內(nèi)試樣高度為直徑的2 3倍，緩沖區(qū)高度為模型筒直徑的O. 8^1. 2倍；所述砂水收集盒的底面為傾斜平面，與水平面的夾角為10° 30°。本發(fā)明的目的之二是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明提供的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定方法，包括以下步驟
51:制備室內(nèi)測定試樣；
52:室內(nèi)測定的初始化；
53:測定管涌發(fā)生臨界水力梯度通過水頭差與滲徑之間的關(guān)系確定土體管涌時(shí)的臨界水力梯度;
54:測定管涌發(fā)展顆粒流失率收集涌出的水和土體顆粒，在水下將收集的涌出水與土顆粒分離開，并在水下測量收集到的涌出土顆粒的浮重量，通過某小段時(shí)間內(nèi)涌出土顆粒的浮重量增量與時(shí)間之間的關(guān)系計(jì)算土顆粒流失率P ;
55:測定水力梯度影響顆粒流失率按上述步驟進(jìn)行重復(fù)測試，在得到試樣的臨界水力梯度后，分別提高上游水頭至不同的水力梯度，獲取土體顆粒流失率與水力梯度之間的關(guān)系;
56:測定土體性質(zhì)影響管涌臨界水力梯度及顆粒流失率取不同顆粒組成以及不同初始孔隙率的試樣，重復(fù)測定步驟S1-S5，測定土體顆粒組成以及初始孔隙率對土體管涌臨界水力梯度以及顆粒流失率的影響；
57:根據(jù)臨界水力梯度和顆粒流失率處理測試結(jié)果建立土體顆粒組成控制參數(shù)，建立土體初始孔隙率與管涌臨界水力梯度、管涌發(fā)展顆粒流失率之間的關(guān)系。進(jìn)一步，所述步驟S3中的管涌發(fā)生臨界水力梯度的測定具體步驟如下
分級(jí)提升水頭高度，直至土體發(fā)生管涌破壞，記錄管涌時(shí)水頭差，測量管涌發(fā)生時(shí)的滲透流量；通過水頭差與滲徑之間的關(guān)系確定土體管涌時(shí)的臨界水力梯度i 。進(jìn)一步，所述步驟S4中管涌發(fā)展顆粒流失率的測定具體步驟如下
在測得管涌的臨界水力梯度后1:，保持模型筒底部水頭高度不變，收集試樣頂面涌出的水和土體顆粒，在水面下將收集的涌出水與土顆粒分離開，并在水面下測量收集到的涌出土顆粒的浮重量仏根據(jù)以下公式計(jì)算土顆粒的流失率
權(quán)利要求
1.管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，其特征在于包括容納試樣的模型筒、砂水收集盒、下游集水箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；所述模型筒裝入根據(jù)設(shè)定的土體顆粒配制測試所需要的土體，管涌破壞時(shí)由模型筒頂面流出涌出水與土顆粒；所述砂水收集盒， 用于收集從模型筒涌出的水與土顆粒；所述下游集水箱，用于將收集的涌出水與土顆粒分離開；所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于獲取模型筒壓力變化值、下游集水箱的流量值和涌出土顆粒的重量值。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，其特征在于所述模型筒包括入水口、緩沖區(qū)和設(shè)置于模型筒側(cè)壁的至少一個(gè)孔隙水壓力傳感器；所述入水口設(shè)置于模型筒底部，所述入水口用于提供上游滲流驅(qū)動(dòng)水頭；所述緩沖區(qū)設(shè)置于模型筒內(nèi)底部；所述模型筒內(nèi)的緩沖區(qū)與試樣之間設(shè)置隔砂透水板，所述隔砂透水板上放置試樣；所述孔隙水壓力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，其特征在于所述模型筒頂部涌出的水與砂通過砂水收集盒進(jìn)行收集；所述砂水收集盒通過導(dǎo)流管將從模型筒頂部涌出的水與砂匯入下游水箱中；所述下游水箱上部設(shè)置溢流口 ；所述下游水箱液面處設(shè)置有用于測量涌出水流量的流量傳感器；所述流量傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，其特征在于所述下游水箱內(nèi)放置砂水分離筒，所述砂水分離筒用于收集并分離從水砂收集盒通過導(dǎo)流管匯入的涌出水與砂；所述砂水分離筒通過設(shè)置于底部的過濾網(wǎng)將涌出水與砂分離；所述砂水分離筒完全浸沒在水面以下；所述砂水分離筒通過吊纜與重力傳感器相連; 所述重力傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置，其特征在于所述模型筒的直徑為測定土體的最大粒徑的1(Γ12倍，筒內(nèi)試樣高度為直徑的疒3 倍，緩沖區(qū)高度為模型筒直徑的O. 8^1. 2倍；所述砂水收集盒的底面為傾斜平面，與水平面的夾角為10。 30。。
6.利用權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置來進(jìn)行的測定方法，其特征在于包括以下步驟51:制備室內(nèi)測定試樣；52:室內(nèi)測定的初始化；53:測定管涌發(fā)生臨界水力梯度通過水頭差與滲徑之間的關(guān)系確定土體管涌時(shí)的臨界水力梯度;54:測定管涌發(fā)展顆粒流失率收集涌出的水和土體顆粒，在水下將收集的涌出水與土顆粒分離開，并在水下測量收集到的涌出土顆粒的浮重量，通過某小段時(shí)間內(nèi)涌出土顆粒的浮重量增量計(jì)算土顆粒流失率// ；55:測定水力梯度影響顆粒流失率按上述步驟進(jìn)行重復(fù)測試，在得到試樣的臨界水力梯度后，分別提高上游水頭形成不同的水力梯度，獲取土體顆粒流失率與水力梯度之間的關(guān)系；56:測定土體性質(zhì)影響管涌臨界水力梯度及顆粒流失率取不同顆粒組成以及不同初始孔隙率的試樣，重復(fù)測定步驟S1-S5，測定土體顆粒組成以及初始孔隙率對土體管涌臨界水力梯度以及顆粒流失率的影響；S7:根據(jù)臨界水力梯度和顆粒流失率處理測試結(jié)果建立土體顆粒組成控制參數(shù)，建立土體初始孔隙率與管涌臨界水力梯度、管涌發(fā)展顆粒流失率之間的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定方法，其特征在于所述步驟S3中的管涌發(fā)生臨界水力梯度的測定具體步驟如下分級(jí)提升水頭高度，直至土體發(fā)生管涌破壞，記錄管涌時(shí)水頭差，測量管涌發(fā)生時(shí)的滲透流量；通過水頭差與滲徑之間的關(guān)系確定土體管涌時(shí)的臨界水力梯度i 。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定方法，其特征在于所述步驟S4中管涌發(fā)展顆粒流失率的測定具體步驟如下在測得管涌的臨界水力梯度后1:，保持模型筒底部水頭高度不變，收集試樣頂面涌出的水和土體顆粒，在水面下將收集的涌出水與土顆粒分離開，并在水面下測量收集到的涌出土顆粒的浮重量仏根據(jù)以下公式計(jì)算土顆粒的流失率其中，Ps為土顆粒的密度，Pir水為的密度，Δ6為某小段時(shí)間 至 +Λ 內(nèi)涌出土顆粒的浮重量增量，//為管涌過程中的土顆粒流失率。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定方法，其特征在于所述步驟S6中土體性質(zhì)影響管涌臨界水力梯度及顆粒流失規(guī)律的測定管涌發(fā)展顆粒流失率的測定具體步驟如下以土體的最小粒徑久in和最大粒徑久ax，以及特征粒徑dw、i/30> dm、dm為土體顆粒組成的控制參數(shù)，以初始孔隙率為土體密實(shí)程度的控制參數(shù)，并通過改變相關(guān)的控制參數(shù)制備不同的土體試樣，重復(fù)測定步驟Sf S5，測量不同顆粒組成以及不同初始孔隙率條件下的管涌臨界水力梯度以及顆粒流失率，得出土體顆粒組成和密實(shí)程度對管涌發(fā)生臨界水力梯度以及土體顆粒流失率的關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種管涌臨界水力梯度與顆粒流失率室內(nèi)聯(lián)合測定裝置及方法，測定裝置包括容納試樣的模型筒、用于收集從模型筒涌出的水與土顆粒的砂水收集盒、用于將收集的涌出水與土顆粒分離開的下游集水箱和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用于獲取模型筒壓力變化值、下游集水箱的流量值和涌出土顆粒的重量值。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了土體管涌過程中顆粒流失率有效測定；可進(jìn)行管涌臨界水力梯度和土體顆粒流失率兩個(gè)參數(shù)的測定，節(jié)約了測定成本，節(jié)省了測定所需要的時(shí)間，提高了效率；提高了測定結(jié)果的準(zhǔn)備性；實(shí)現(xiàn)了初始孔隙率、水力梯度、土體組成等對管涌過程中土體顆粒流失率影響的確定。
文檔編號(hào)G01N33/24GK103018424SQ20121053104
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月11日
發(fā)明者梁越, 王俊杰, 劉明維, 劉楠楠 申請人:重慶交通大學(xué)