一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试装置及方法

本发明属于岩土工程及水利工程材料渗透性能测试，尤其涉及一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试装置及方法。

背景技术：

1、碎石填料是指由天然岩石或卵石经机械破碎、筛分后得到的粒径大于5mm的颗粒状建筑材料，其内部具有大量连通的颗粒间孔隙，具有良好的透水性和排水能力。碎石填料广泛应用于堆石坝体、高填方路基、透水铺装基层及排水垫层等工程中，具有排水通畅、承载力高、变形适应性强等工程优势。

2、渗透性能是评价碎石填料工程适用性的核心指标之一，直接关系到工程结构的排水效率、渗透稳定性和长期服役安全。现有碎石填料渗透系数测试方法多基于常水头试验原理，通常在单一水头差下测定碎石填料试件的等效渗透系数。然而，碎石填料内部颗粒间孔隙尺寸较大，连通孔道形态复杂，在较大水力梯度或较高渗流速度条件下，其渗流过程可能不再完全满足线性达西关系。单一水头条件下获得的渗透系数难以全面反映碎石填料在不同水力梯度、积水深度或淹没边界条件下的实际渗流特性。

3、现有碎石填料渗透系数测试装置通常存在以下不足：

4、第一，测试默认水流服从达西定律（线性渗透）。现有渗透仪多针对细粒土设计，但碎石填料内部孔隙巨大，工程服役时（如暴雨期排涝）渗流速度极快，碎石填料内部颗粒间孔隙尺寸较大，孔隙水流雷诺数通常远超临界值，水流呈现强烈的非线性惯性效应，惯性阻力急剧增大，渗透行为呈现显著的非线性特征（不服从达西定律）。现有常规测试装置仅能获得单一水头下的等效线性渗透系数，完全忽略了流速平方项带来的非线性惯性阻力（forchheimer效应），导致测试结果在实际大流量工况下严重失真。

5、第二，测试工况较为单一。多数装置采用常水头或单一溢流口结构，只能获得某一固定水头差下的渗流结果，难以在同一试样状态下连续获得不同水力梯度下的流速数据。

6、第三，试样侧壁密封方式对测试结果影响较大。碎石填料为松散颗粒堆积体，颗粒间孔隙较大，试样侧壁极易产生旁路渗流。现有技术中常采用橡胶膜、橡胶套、涂胶或卡箍方式密封试样外周，但上述方式要么操作繁琐，要么可能对试样边缘孔隙结构产生挤压扰动，从而影响渗透测试的准确性。

7、第四，现有装置中接水容器通常仅用于收集出流水量，不能同时作为下游水头边界使用。在需要模拟淹没出流或下游积水边界时，需要额外设置水箱、溢流结构或复杂水路，导致装置结构复杂，且不同工况之间切换不便。

8、第五，在改变水头差或出流边界时，部分装置需要重新调整试样、拆装密封结构或改变外接管路，导致不同工况下的测试数据可比性不足，不利于表征碎石填料的非线性渗透特性。

9、第六，现有渗透测试装置的试样尺寸普遍偏小（直径多≤101mm），而碎石填料的最大粒径可达100mm以上，按规范要求必须对原级配进行缩尺后才能装样。缩尺改变了填料的级配特征和孔隙结构，测试结果无法真实反映现场原级配碎石填料的实际渗透性能，即存在明显的“缩尺效应”。

10、因此，有必要提出一种专门面向碎石填料材料的多工况非线性渗透特性测试装置及方法，使其能够在同一试样安装状态下完成自由出流、恒压淹没出流和变压淹没出流等多种工况测试，并通过多组水力梯度与渗流速度数据获得碎石填料的非线性渗透特性参数。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试装置及方法，克服现有技术的不足，解决现有碎石填料渗透测试装置测试工况单一、试样侧壁易产生旁路渗流、下游边界难以控制以及难以获得非线性渗透参数的问题，能够实现在同一试样安装状态下完成自由出流、恒压淹没出流和变压淹没出流等多种工况测试，并通过多组剔除局部水头损失后的水力梯度与渗流速度数据获得碎石填料的非线性渗透特性参数。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、技术方案之一：一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试装置，包括供水单元、上游稳压单元、试样安装单元、下游量水边界单元、回流单元以及数据采集与控制单元；所述供水单元包括储水箱和第一水泵，所述第一水泵用于将储水箱内的水输送至上游稳压单元；所述上游稳压单元包括上游稳压箱、上游液位传感器和上游溢流回水管，所述上游稳压箱与试样安装单元的进水端连通，所述上游液位传感器用于检测上游稳压箱内的液位，所述上游溢流回水管用于将上游稳压箱内超过设定液位的水回流至储水箱；所述回流单元包括第二水泵和回流管，所述第二水泵用于将量水箱内的水回流至储水箱或上游稳压箱；所述数据采集与控制单元分别与上游液位传感器、下游液位传感器、第一水泵、第二水泵、微型压力传感器和阀门连接；所述下游量水边界单元包括量水箱、下游液位传感器和下游连通管，所述量水箱通过下游连通管与试样安装单元的出水端连通，所述下游液位传感器用于检测量水箱内的液位；所述试样安装单元和下游量水边界单元之间通过工况切换单元相连接；所述试样安装单元包括试样安装管段、碎石填料试样、上游均流板、下游均流板、环形弹性密封套、径向压紧件和轴向限位件、安装管段测压孔和微型压力传感器，所述碎石填料试样设置于试样安装管段内，所述上游均流板和下游均流板分别设置于碎石填料试样的进水侧和出水侧，所述环形弹性密封套设置于碎石填料试样外周面与试样安装管段内壁之间，所述径向压紧件用于压紧环形弹性密封套，所述轴向限位件用于限制碎石填料试样沿水流方向发生轴向位移，所述微型压力传感器的量程为0-10kpa，测量精度不低于0.1%fs；所述工况切换单元包括自由出流支路、淹没出流支路、变压出流支路以及设置于各支路上的阀门，所述自由出流支路、淹没出流支路和变压出流支路用于使试样安装单元在恒压自由出流、恒压淹没出流和变压淹没出流三种工况之间切换。

4、进一步的，所述试样安装管段的侧壁沿轴向设置有至少两个沿程测压孔，每个沿程测压孔内均密封插设有一个微型压力传感器，所述微型压力传感器的探头末端与碎石填料试样的侧壁平齐，所述微型压力传感器与数据采集与控制单元连接，用于获取试样内部的沿程真实水力梯度，所述微型压力传感器的量程为0-10kpa，测量精度不低于0.1%fs。

5、进一步的，所述环形弹性密封套的轴向长度不小于碎石填料试样高度的70%，厚度5mm-10mm；所述径向压紧件包括压紧环、锥形压紧面和锁紧螺母，所述锁紧螺母旋紧时通过压紧环和锥形压紧面使环形弹性密封套产生径向弹性变形；所述轴向限位件包括上游限位环和下游承托环，所述上游限位环和下游承托环分别设置于碎石填料试样的进水侧和出水侧，且所述上游限位环和下游承托环均设置有透水孔。

6、进一步的，所述上游均流板和下游均流板均为多孔板，所述多孔板上设置有多个直径为10mm的透水孔，所述多孔板的开孔率为50%-70%。

7、进一步的，所述量水箱为截面积已知的透明箱体，所述量水箱的有效横截面积为碎石填料试样横截面积的5倍-10倍,且所述量水箱既用于根据液位变化计算渗流流量，又用于形成碎石填料的下游水头边界。

8、技术方案之二：根据一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试装置的一种碎石填料多工况非线性渗透特性测试方法，具体包括如下步骤：

9、s1、制备并装填碎石填料试样，根据工程实际需求设定目标干密度或目标孔隙率n；称取对应质量的碎石填料，分3-5层填入试样安装管段的试样容纳腔内；每填入一层，采用振动或击实方式使其达到目标压实状态，确保整体填筑达到预设的目标干密度；装填完毕后，测量试样的实际高度、直径和横截面积，随后从试样底部缓慢注水，对试样进行持续12h-48h的预饱水处理，排除孔隙内部的滞留空气；

10、s2、将预饱水后的碎石填料试样放入试样安装管段内，使碎石填料试样的进水侧对应上游均流板，出水侧对应下游均流板；通过径向压紧件压紧环形弹性密封套，使环形弹性密封套与碎石填料试样外周面及试样安装管段内壁密封接触，并通过轴向限位件限制碎石填料试样沿水流方向移动；

11、s3、启动第一水泵，将储水箱内的水输送至上游稳压箱，通过上游溢流回水管使上游稳压箱内液位维持在设定高度；通过工况切换单元选择恒压自由出流工况、恒压淹没出流工况或变压淹没出流工况；在所选择的工况下，采集上游液位、量水箱液位以及测试时间；

12、s4、根据量水箱在测试时间内的液位变化计算碎石填料试样的渗流流量，根据渗流流量和碎石填料试样横截面积计算渗流速度；

13、s5、根据至少两个所述微型压力传感器测得的内部水头高度差，除以相邻两个沿程测压孔之间的轴向距离，计算得到消除端部阻力效应的局部水力梯度；

14、s6、改变上游稳压箱液位、量水箱液位或测试工况，重复步骤s3至s5，获得多组水力梯度和渗流速度数据；

15、s7、根据多组水力梯度和渗流速度数据拟合获得碎石填料试样的非线性渗透特性参数，所述非线性渗透特性参数至少包括线性摩擦阻力系数和非线性惯性阻力系数。

16、进一步的，在恒压自由出流工况下，打开自由出流支路的阀门，关闭淹没出流支路和变压出流支路的阀门，使试样安装单元的出水端通过自由出流支路与量水箱连通；在恒压淹没出流工况下，打开淹没出流支路的阀门，使试样安装单元的出水端位于量水箱液位以下，并通过第二水泵和回流管调节量水箱液位；在变压淹没出流工况下，打开变压出流支路的阀门或排水阀，使量水箱液位随时间变化。

17、进一步的，在步骤s7中，所述根据多组水力梯度和渗流速度数据获得碎石填料试样的非线性渗透特性参数，具体包含以下步骤：

18、分别获取恒压自由出流工况和恒压淹没出流工况下的多组稳态水力梯度与渗流速度数据，并采用二次多项式分别进行拟合：

19、恒压自由出流状态：

20、恒压淹没出流状态：

21、其中：为线性摩擦阻力系数，为非线性惯性阻力系数；

22、计算下游边界壅水响应系数，，用于表征碎石填料试样孔隙水流对下游淹没边界的敏感程度。

23、进一步的，包括基于变压淹没出流工况获取动态非线性响应参数的步骤：

24、获取变压淹没出流工况下量水箱液位随时间的动态变化数据，联立非恒定流能量守恒方程，建立非线性动态阻力微分方程：

25、

26、式中：为上游液位高度，为随时间变化的量水箱液位高度，为碎石填料试样高度，为量水箱有效横截面积，为碎石填料试样横截面积，为动态线性阻力参数，为动态惯性阻力参数，为当地加速度阻力系数；对上述微分方程进行数值求解，分离提取出动态惯性阻力参数。

27、进一步的，在获得所述下游边界壅水响应系数、线性摩擦阻力系数以及动态惯性阻力参数后，结合测定的碎石填料孔隙率及设定的特征工程渗流速度，计算透水非线性综合失稳评价指数pni（permeability nonlinearity instability index）：

28、

29、通过所述pni对不同孔隙率的碎石填料试样在多变环境下的综合非线性排水性能的稳定性进行量化分级与定性评价。

30、建筑工程中碎石填料内部孔隙巨大，工程服役时（如暴雨排涝）流速极快，水流呈现强烈的非线性惯性效应。传统的达西渗透系数k是一个常数，只能表征水流处于低速线性层流状态下的“摩擦阻力”（对应公式中的a），完全无法反映高流速下流体惯性引起的阻力剧增（对应非线性系数b），更无法反映下游管道积水、水位剧变等复杂工况对渗透能力的动态削弱。因此，必须引入结合了非线性与多工况特性的综合指数。

31、为此，本发明基于多工况联合测试数据，构建了pni（permeability nonlinearityinstability index）这一透水非线性综合失稳指数评价指数。该指数并非对传统非线性系数b的替代，而是在其基础上进行的功能升级与评价维度拓展并具有严密的流体力学依据：

32、1）表示：“动态惯性力”与“线性粘滞力”的无量纲比值：代表在工程设计的特征流速下，非线性紊流作用占据主导的程度；

33、2）表示：孔隙几何约束因子：孔隙率n越小，内部孔道越狭窄曲折，该值越大，流速局部激增的风险越高；

34、3）为多工况边界劣化系数：将下游淹没边界引起的水流内部紊乱加剧效应进行放大;

35、4）为根据工程实际设计标准预先确定的峰值渗流速度：对于海绵城市透水铺装工程，可选取当地规定重现期暴雨强度对应的渗流速度；对于堆石坝排水体，可选取校核洪水位下的最大渗流速度；对于路基排水工程，可选取地区暴雨强度公式计算的设计值。的取值应在测试报告中明确说明。

36、pni指数并非参数的无根据堆砌，而是将“流动状态”、“边界条件”与“材料内因”统一的物理无量纲量，是连接“实验室物理测量值”与“工程应用决策值”的桥梁工具。两者配合使用：传统系数b供理论分析和数值模拟使用，pni供工程选材和性能稳定性评价使用。该透水非线性综合失稳指数评价指数pni填补了碎石填料在复杂边界条件下非线性渗透响应无量化标准的空白，为海绵城市透水铺装及堆石坝抗洪排涝等工程提供了更安全、精确的参数依据。

37、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

38、1.本发明将测试对象限定为碎石填料，针对碎石填料孔隙率高、流速大、侧壁易旁路渗流的特点，设置了环形弹性密封套、径向压紧件和轴向限位件，有利于减少试样侧壁旁路渗流；

39、2.本发明的试样安装单元中，径向密封与轴向限位功能相对分离，能够在保证密封效果的同时降低对碎石填料试样边缘孔隙结构的挤压扰动；

40、3.本发明通过上游稳压箱、下游量水箱、回流管路和工况切换阀组的组合，使同一碎石填料试样能够在不拆卸状态下完成恒压自由出流、恒压淹没出流和变压淹没出流等多种工况测试，提高了不同工况测试数据之间的可比性；

41、4.本发明中的量水箱不仅用于收集出流水，还用于计算渗流流量，并能够作为下游水头边界参与测试过程，使流量计量与下游边界构建相结合，简化了测试装置结构；

42、5.本发明能够获得多组水力梯度与渗流速度数据，适于分析碎石填料在不同水头条件下的非线性渗透特性；

43、6.本发明首次创造性构建了面向大孔介质的透水非线性综合失稳指数pni这一多维评价体系。不同于传统装置仅测取线性渗透系数k，本装置通过自由出流、淹没出流及变压动态出流三种工况的无缝切换，精准分离出流体粘性引起的‘线性摩擦阻力系数’与孔隙突变引起的‘非线性惯性阻力系数’，提出了透水非线性综合失稳指数pni与常规渗透系数之间的承接关系。pni指数为复杂服役环境下碎石填料的排水性能稳定性提供了首个量化评价标准，填补了该领域的空白。