[发明专利]管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置及方法

权利要求书

1.  管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于：包括容纳试样的模型筒、砂水收集盒、下游集水箱和数据采集系统；所述模型筒装入根据设定的土体颗粒配制测试所需要的土体，管涌破坏时由模型筒顶面流出涌出水与土颗粒；所述砂水收集盒，用于收集从模型筒涌出的水与土颗粒；所述下游集水箱，用于将收集的涌出水与土颗粒分离开；所述数据采集系统，用于获取模型筒压力变化值、下游集水箱的流量值和涌出土颗粒的重量值。

2.  根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于：所述模型筒包括入水口、缓冲区和设置于模型筒侧壁的至少一个孔隙水压力传感器；所述入水口设置于模型筒底部，所述入水口用于提供上游渗流驱动水头；所述缓冲区设置于模型筒内底部；所述模型筒内的缓冲区与试样之间设置隔砂透水板，所述隔砂透水板上放置试样；所述孔隙水压力传感器与数据采集系统连接。

3.  根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于：所述模型筒顶部涌出的水与砂通过砂水收集盒进行收集；所述砂水收集盒通过导流管将从模型筒顶部涌出的水与砂汇入下游水箱中；所述下游水箱上部设置溢流口；所述下游水箱液面处设置有用于测量涌出水流量的流量传感器；所述流量传感器与数据采集系统相连。

4.  根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于：所述下游水箱内放置砂水分离筒，所述砂水分离筒用于收集并分离从水砂收集盒通过导流管汇入的涌出水与砂；所述砂水分离筒通过设置于底部的过滤网将涌出水与砂分离；所述砂水分离筒完全浸没在水面以下；所述砂水分离筒通过吊缆与重力传感器相连；所述重力传感器与数据采集系统相连。

5.  根据权利要求1所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，其特征在于：所述模型筒的直径为测定土体的最大粒径的10~12倍，筒内试样高度为直径的2~3倍，缓冲区高度为模型筒直径的0.8~1.2倍；所述砂水收集盒的底面为倾斜平面，与水平面的夹角为10^o ~30^o。

6.  利用权利要求1-5任一项所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置来进行的测定方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：制备室内测定试样；

S2：室内测定的初始化；

S3：测定管涌发生临界水力梯度：通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度i_cr；

S4：测定管涌发展颗粒流失率：收集涌出的水和土体颗粒，在水下将收集的涌出水与土颗粒分离开，并在水下测量收集到的涌出土颗粒的浮重量，通过某小段时间内涌出土颗粒的浮重量增量计算土颗粒流失率μ；

S5：测定水力梯度影响颗粒流失率：按上述步骤进行重复测试，在得到试样的临界水力梯度后，分别提高上游水头形成不同的水力梯度，获取土体颗粒流失率与水力梯度之间的关系；

S6：测定土体性质影响管涌临界水力梯度及颗粒流失率：取不同颗粒组成以及不同初始孔隙率的试样，重复测定步骤S1-S5，测定土体颗粒组成以及初始孔隙率对土体管涌临界水力梯度以及颗粒流失率的影响；

S7：根据临界水力梯度和颗粒流失率处理测试结果：建立土体颗粒组成控制参数，建立土体初始孔隙率与管涌临界水力梯度、管涌发展颗粒流失率之间的关系。

7.  根据权利要求6所述的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，其特征在于：所述步骤S3中的管涌发生临界水力梯度的测定具体步骤如下：

分级提升水头高度，直至土体发生管涌破坏，记录管涌时水头差，测量管涌发生时的渗透流量；通过水头差与渗径之间的关系确定土体管涌时的临界水力梯度i_cr。