[发明专利]一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法

说明书

本发明涉及岩土水利工程领域，特别涉及一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法。其装置包括供水腔体、储水装置、气压施加装置、牵引装置，供水腔体包括内管、外管、顶板、底板、腔体拉杆，供水腔体由腔体拉杆挤压顶板、底板与外管的连接而形成，内管连接在底板上，内管的高度低于外管的高度，内管内部构成内腔体，内管和外管之间构成外腔体，储水装置向内腔体持续供水至内管形成溢流面，溢流水进入外腔体并经排水口回流到储水装置内，内腔体底部设有出水口对接渗透仪，气压施加装置连通供水腔体，牵引装置连接供水腔体。通过气压转水压提供基础高水头，采用调整水源悬挂高度的方式进行水头微调，突破气压控制精度不足的瓶颈。

技术领域

本发明涉及岩土工程和水利工程领域，特别涉及一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法。

背景技术

渗流侵蚀（简称渗蚀），或称之渗透破坏，指的是土体在渗透水流作用下，内部细颗粒被水流拖拽迁移到土体外部的现象，是造成堤防、大坝等水利设施破坏的主要原因。据相关文献统计显示，世界上近一半的土石坝发生破坏的主要原因是土体内部渗流侵蚀，因此，研究渗流侵蚀的内在作用机理对堤坝等水利设施设计与施工具有重要的工程意义。鉴于现场水利设施的复杂和危险性，一般很少开展现场渗流侵蚀试验，而是以现场监测为主，于是对于渗流侵蚀试验的研究转而以室内缩尺试验为主，相关学者进行了大量的室内渗蚀试验研究。

水头供应装置是室内渗流试验的关键设备之一。一方面需要高精度控制水头，另一方面，还要在大流量渗流状态下保持水头稳定。上述两方面要求，在一般情况下是矛盾的，特别是在所需控制水头较高时。例如，高土石坝渗流可在近300m的水头下发生，按目前压力传感器最高水平估计，控制精度一般只能达到0.15m（按0.05%精度计算）；当试验土料为砂砾料时，渗流量较大，现有的固定容积供水装置无法保证提供连续稳定的渗流水源，而其他可提供连续渗流的高水头装置又不满足高控制精度要求。因此，高水头渗透试验亟需能够保证水头的高控制精度，同时提供连续大流量高压力渗流水头的功能。

 当前针对高压力水供应装置的开发仅有个别学者开展了探索。如学者邹玉华等（详见文献：邹玉华, 陈群, 何昌荣,等. 砾石土及其滤层大型水平联合抗渗试验[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2011(S1):60-66.）报道在其进行大型高压渗透试验时，通过高压水泵+变频器对试验提供高压力的渗流水源，最大压力水可以达到3MPa，由于水头控制依赖量测精度，以目前最高的量测精度（约满量程的0.05%）计，控制精度只能达到约1.5kPa；此外，现有技术条件下的高压变频水泵的压力波动很大，并且变频器的水头压力调节精度（通常是几十千帕的调节精度）是很低的，无法做到精准调节到目标水头压力大小。

中国发明专利202110340631.8公开了一种超高水头渗透特性试验水头供水加压装置，其加压原理同前述的供水装置类似，均是通过变频器对高压水泵进行调压，由于量测精度的限制，无法做到精准控制高压力水头大小，换言之，以上高水头供应装置提供的高水头压力波动大，压力控制误差大。

中国发明专利201810046098.2公开了一种可施加流水和高水头压力的混凝土加速侵蚀装置，采用高压气瓶对渗流液体增压，实现了对混凝土侵蚀的高压渗透条件，同样，由于气压控制精度问题，无法同时实现高水头、高精度和大流量兼顾。

随着我国对水利工程建设投入力度不断增大，建设堤坝采用的土体抗渗设计离不开室内试验提供可靠的水力参数指标（如渗透系数、临界水力梯度等），高水头供应装置是大型高应力渗流试验不可或缺的硬件之一，然而目前的高水水头供应装置仅仅采用单一调节方法实现了水头大小“粗调”控制，从科学严谨性和准确性角度来说还是不够的，因此，研发可连续提供大流量、高压力且可精准调控其压力大小的渗流水头供应装置具有重要的科研价值和工程意义。

发明内容