[发明专利]一种多功能渗透管涌测试仪

说明书

本发明公开了一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架、试样筒，试样筒由加载反力架上设置的支撑架固定，加载反力架的顶部固定设置有轴向加压器，试样筒的上部设置有试样筒顶帽，试样筒顶帽进水口连接有压力体积控制器，试样筒的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽，漏槽出水口与外部设置的泥沙水过滤装置相连接，试样筒的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器，试样筒的侧壁的上中下部位设置有土压力计，试样筒内部样品的上下部位设置有多孔渗透板。该测试仪采用计算机控制，用于测定粗粒土管涌渗透过程及反滤料作用过程的渗流流速、渗透系数、孔隙水压力、水力梯度、有效应力等参数，测量精度高、测量程序简便、测量方式简单。

技术领域

本发明涉及水利工程及岩土工程技术领域，具体涉及一种多功能渗透管涌测试仪。

背景技术

随着水利水电的发展及对水资源安全的要求，粗粒土的渗透稳定性是水利工程的重要指标。粗粒土是土石坝、堤防的主要填筑材料以及反滤材料，也是土力学的主要研究对象之一。土体在渗流作用下，产生内部侵蚀，形成管涌，发生渗漏破坏，并可能最终导致工程失事。因此研究土体的渗透性、管涌侵蚀机理以及抗渗破坏性能有重要意义。渗透是液体在多孔介质中运动的现象，这一现象表达的定量指标是渗透系数，在现行土工试验规程中推荐的为常水头渗透仪(砂性土)、变水头渗透仪(粘性土)来测量渗透系数。内部侵蚀是渗流路径(如:黏性材料的裂缝或无黏性材料的孔隙)的水流的侵蚀力(或冲蚀力)对土体颗粒的冲刷、侵蚀作用，使土体中的细颗粒不断流失，从而发生流土或管涌现象。内部侵蚀表现为土体渗透系数、水力梯度不断增大，并最终形成管涌路径。目前，现有的渗透变形测试仪不能反映作用在岩土体上的应力对渗透特性的影响，也不能表征管涌形成过程的细观机理，不能合理地评价岩土体渗控工程设计所需的临界水力坡度等指标。粗粒土的渗透参数的测量，如对粗粒土的渗透系数、干密度、孔隙率、渗透降坡，渗流流速一般为手动测量，现无系统的设备来测试粗粒土的渗透参数，更没有微机控制的测量设备。现有的测量设备测量精度不高，测量程序繁琐，测量方式麻烦。由于存在超径颗粒，水分在粗粒土的渗透路径要比细粒土中复杂得多，常规渗透仪尺寸较小，将其用于粗粒土过程中不可避免遇到尺寸效应，个别粗大颗粒极大减小了水体在试样中的过水断面，为了得到真实可信的渗透系数，有必要将试样筒体加大至最大颗粒粒径数倍左右才能消除尺寸效应。

国内外已开展了一些探索性工作，针对复杂荷载影响下的土体侵蚀管涌机理，进行了一些相关仪器的研发及试验研究，大多是在现有三轴仪的基础上，改装了三轴仪的底座，并增加了砂水收集容器。这类仪器存在的主要缺陷在于，第一，试样的尺寸受三轴仪尺寸的影响，只能限定在一定的范围内，试验仪器不能避免颗粒尺寸带来的尺寸效应的影响；第二，试样装填在一定尺寸的橡胶膜内，受橡胶膜的影响不能测试试样局部范围的应力状态和孔隙水压力状态，试验仪器不能反映管涌形成过程中试样局部范围的临界状态。针对土体管涌侵蚀形成机理及侵蚀过程土体局部变化情况，有国外学者研制了相关的管涌侵蚀仪器，但是其在供水方面存在不足，只能完成常规的渗透供水(如常水头、常流速等)，无法满足目前高坝、高水头、大流量等特定的试验条件要求。而一些大尺寸的粗粒土渗透仪，虽然可以避免大颗粒带来的尺寸效应，但是仅能完成常规的渗透试验，仪器不能形成管涌路径，无法提供预防管涌的渗透参数。也有学者试制了粗粒土的管涌测试仪器，该仪器类似于国外常用的渗透破坏测试仪器，仅限于测试常规供水条件下的渗透破坏参数，且没有设置微机控制的测量装置，渗透参数需要进行手动测量，测量精度不高。此外，该仪器也不能反映管涌形成过程中，土体渗透及力学性能随时间和空间的变化。为了真实有效获取粗粒土的渗透参数及管涌破坏机理，亟待对现有渗透试验装置进行大幅扩容的同时，还要考虑如何有效获取管涌形成过程、形成机理及管涌侵蚀过程各类渗透参数及力学参数随时间和空间的变化规律，以期为大坝及堤防工程的渗控设计提供合理有效的参数，也为管涌侵蚀机理的理论研究提供合理的试验装置。

发明内容