[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

说明书

技术领域

本发明涉及土工参数室内测试技术领域，特别涉及一种岩土工程中的一种无粘性土管涌临界水力梯度与颗粒流失规律的室内试验联合测定方法及测定装置。

背景技术

管涌是在渗流作用下土体细颗粒沿骨架颗粒形成的孔隙被带出的现象，是引起的堤防破坏而导致洪灾的主要原因。管涌主要发生的无粘性土中，是渗透破坏的一种重要形式。每年世界各地都有大量因管涌造成大坝破坏的事故发生，严重威胁人民生命财产安全，因此管涌的防治与预警是关乎民生的重要问题。掌握管涌发生的判别条件是进行管涌防治与预警的首要问题。管涌的发生判别一般采用的临界水力梯度法，国内外研究与工程人员进行了大量的研究，开展了一系列的管涌模型试验，探索了不同土体中管涌发生的临界水力梯度，已逐渐掌握了土体临界水力梯度确定的试验确定方法。

在管涌的防治与预警中，不仅要需要掌握管涌在何种条件下会发生，还需要对管涌的发展速度等进行评估，通过理论分析、经验判断以及数值模拟的手段，对管涌的发生发展进行预测与预警。其中必然涉及的问题就是利用何种指标评判一种土体在某种条件下管涌发展速度，从而实现管涌发展程度的预测。随着人们对管涌发生发展规律及机理认识的加深，发现管涌过程中颗粒的流失率是管涌发展速度的控制参数。颗粒流失率指管涌过程中一定水力梯度条件下颗粒的流失量与时间的比值，表示的是管涌过程中颗粒流失的快慢。然而目前，管涌的室内试验测试方法仅对管涌临界条件的确定研究较多，仅通过临界水力梯度无法获得表征管涌发展速度的相关参数，同时尚未形成成熟的管涌土体颗粒流失率测定技术。

发明内容

有鉴于此，本发明所要解决的技术问题是提供一种土体管涌临界水力梯度与颗粒流失规律的联合测定装置及方法。本测定方法通过室内模型试验进行管涌发生临界水力梯度和管涌发展过程中的颗粒流失率的联合测定，在试验中采用不同的土体颗粒组成以及土体初始孔隙率进行试验，确定管涌临界水力梯度以及颗粒流失规律与土体颗粒组成和土体初始孔隙率之间的关系。

本发明的目的之一是提出一种管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置；本发明的目的之二是提出一种管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法。

本发明的目的之一是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定装置，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，并产生发生管涌破坏时的涌出水与土颗粒；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。

进一步，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。

进一步，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。

进一步，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。

进一步，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。

本发明的目的之二是通过以下技术方案来实现的：

本发明提供的管涌临界水力梯度与颗粒流失率室内联合测定方法，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；