[发明专利]基于PIV技术三维观测管涌装置及方法

权利要求书

1.一种基于PIV技术三维观测管涌装置，其特征在于，包括透明填充模型箱、注水池及PIV粒子图像测速系统，所述PIV粒子图像测速系统包括示踪粒子及成像系统，所述成像系统包括两个观察屏照明系统、两架CCD摄像机及计算机采集系统，两架所述的CCD摄像机与所述计算机采集系统连接，所述透明填充模型箱上，其两个相邻的侧面上各装配一所述观察屏照明系统，其底面开设进水孔，其顶面为可拆卸安装的顶板，所述顶板中间为可开闭的管涌口，所述注水池设置在高于所述透明填充模型箱的位置，所述注水池底部引出一水管与所述进水孔连接，所述管涌口连接一导管，所述导管另一端引入一沉淀容器，所述示踪粒子用于配置试验用土并填充入所述透明填充模型箱内；所述水管上设置有水阀及水压控制器，所述观察屏照明系统为医用观察屏，所述医用观察屏与所述计算机采集系统连接，两架所述的CCD摄像机分别设置在所述透明填充模型箱的正前方和一侧方；所述透明填充模型箱为长方体形有机玻璃箱体，在所述透明填充模型箱的两竖向边角处各设置一刻度

尺；所述透明填充模型箱底部填充至少30cm厚度的卵石层作为进水缓冲区；所述示踪粒子为陶瓷颗粒，所述试验用土还包括细颗粒的染色荧光砂及粗颗粒的透明砂。

2.一种如权利要求1所述的基于PIV技术三维观测管涌装置的测定方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）在透明填充模型箱内底部放置卵石形成卵石层作为注水缓冲区；

（2）示踪粒子选用陶瓷颗粒，细砂土选用荧光砂，将不同粒径的荧光砂染成不同颜色的染色荧光砂，相同粒径的染色荧光砂颜色一致，按照粒径大小预先将陶瓷颗粒分别与粒径一致的染色荧光砂混合配置，至少配置成两组粒径不同的目标流失土颗粒组；

（3）根据地层的信息，将不同粒径的透明砂与所述目标流失土颗粒组的土样配置成管涌发生的粒径土样，形成混合地层的试验用土，混合地层的试验用土中易发生管涌颗粒为目标流失土颗粒组；

（4）在卵石层上方依据相关设计对相关土层的厚度进行设计，根据透明填充模型箱上的刻度尺进行设置地层厚度，根据实验需求配置不同级配的土层；

（5）根据采用的透明砂，用食盐和水配置一定浓度的盐溶液作为孔隙液，并将配置好的孔隙液注入注水池中；

（6）准备完毕后，先打开两个观察屏照明系统，将观察屏调至最高亮度，观察在透明砂中的染色荧光砂的分布状况，然后，将两架CCD摄像机分别从透明填充模型箱的正面和一侧面对透明填充模型箱进行拍摄；

（7）打开顶板的管涌口，调至初始水压，打开CCD摄像机，其水位线逐渐上升，启动管涌的启动水位可以根据水压控制器调定施压水压，直至管涌口开始出水时停止，并根据试验需求逐步提升水压，提升到产生管涌的试验水头梯度，每次水头压力至少增加0 .02MP，直至试验土层出现管涌，其压力为最大水头压，并记录其上升的水流逐步出现管涌通道的过程；

（8）通过两台CCD摄像机拍摄出的图像数据传至计算机采集系统，并由电脑程序建立三维模型分析细颗粒荧光砂的流场，测定染色荧光砂在不同时间内的空间区域的三维分布形状变化，标记并记录不同粒径的陶瓷颗粒的位置变化以及流动速度；

（9）对所述管涌口通过导管流到沉淀容器中的溶液，通过烘干试验测定其流失的细颗粒质量，并对烘干后的细颗粒进行筛分，试验确定流失细颗粒的级配情况。

3.按照如权利要求2所述的基于PIV技术三维观测管涌装置的测定方法，其特征在于，所述步骤（2）中，所述陶瓷颗粒与染色荧光砂的重量配比为1：9；所述步骤（3）中，将混合地层的试验用土级配成不良级配，使混合地层试验用土的不均匀系数CU5，或者，使混合地层的试验用土的曲率系数Cc1或Cc3。

4.按照如权利要求2或3所述的基于PIV技术三维观测管涌装置的测定方法，其特征在于，所述步骤（5）中，配置消除折射率的孔隙液的具体方法，在试验之前用烧杯安装放置好试验配置好的透明砂之后，贴烧杯壁插入透明砂中一根贴着刻度尺测试棒，并紧靠处也放置一根相同的刻度尺，并注入浓度为12%的盐溶液，在烧杯后面打光，观测其刻度的差距，如果刻度向上偏移，则减少盐浓度，按一定比例进行微量调整；如果刻度向下偏移，则反之，最终调整溶液至刻度相同后，配置完成孔隙液。