土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置及方法与流程

1.本发明涉及渗透变形试验技术领域，具体涉及土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置及方法。


背景技术：

2.土石料是建造土石坝和堤防等重大工程的主要材料，也是堤坝天然基础的主要材料；土石料中的细颗粒在高水力比降作用下发生大规模的冲蚀、移动和流失即为发生渗透破坏，该渗透破坏是土石堤坝最大的内在风险。
3.传统的渗透破坏研究一方面将渗透破坏作为单一点的物理特性来研究，认为细颗粒启动后土体开始发生渗透变形，不能反映细颗粒冲蚀后迁移过程可能出现的迁移速率变化、淤堵或停止，没有体现土体作为一个连续体共同承担渗流比降的特征；另一方面，没有考虑应力对渗透破坏的影响，一般地，应力增大时土体孔径减小，可通过的颗粒粒径减小，抗渗比降有所提高，同时，不同粒径级配组成的土体在应力作用下的抗渗比降提升变化程度有所差异；因此，只有在应力作用下开展渗透破坏过程研究，才能准确地把握渗透破坏的时空发展过程。
4.另外，土石坝中的防渗心墙和坝基土石料，一般处于侧限变形条件下，且存在优势性的应力、渗透比降方向组合，即竖向应力为大主应力，渗透比降沿水平方向或近水平方向；此外，土体压实和沉积形成的层面一般沿水平方向；而目前的渗透破坏试验机未考虑这些因素。


技术实现要素：

5.针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种可量测竖向应力作用下渗透破坏在土体内渐进发展过程的土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置及方法。
6.为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：
7.第一方面，提供一种土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置，其包括：
8.外筒，其内同轴设置有用于装土石料试样的多孔内筒，其与多孔内筒之间设置有用于装水的环形槽；
9.可滑动压板，其用于给土石料试样均匀施加向下的竖向压力，其直径与多孔内筒的内径匹配，其径向和周向均匀设置有若干水压力传感器，其下同轴设置有用于向土石料试样中供应高压水的多孔刚性管道；
10.水体扰动装置，用于汲取环形槽上部的水并喷向环形槽内侧底部来进行扰动，将可能沉积于多孔内筒外侧、环形槽底部的土冲向第一管道上部的通水孔；
11.封闭水箱，其与环形槽的底部连通，其内上端设置有拉力传感器，拉力传感器的一端设置有滤网；
12.液体收集装置，其设置在称量装置上，其上端设置有水头控制管，水头控制管与封闭水箱的顶部连通。
13.采用上述技术方案的有益效果为：多孔刚性管道向土石料试样中供应高压水，使高压水通过多孔刚性管道上的孔向四周沿径向均匀渗入土石料试样，同时，可滑动压板给土石料试样施加向下的竖向压力；土石料试样中的细颗粒在渗透比降和竖向应力的共同作用下在试样内部移动、淤堵或流失，部分颗粒和渗水一起穿过多孔内筒上的孔渗入环形槽，并在水体扰动装置的扰动作用下伴随着水流沿斜坡流向出口并进入封闭水箱，渗出的水进入液体收集装置中；此时，封闭水箱中的拉力传感器持续地测量渗出土的质量，称量装置持续地测量出渗出水的质量，水压力传感器持续地测量土的孔隙水压力，且若干水压力传感器沿可滑动压板的径向和周向均匀设置，可量测竖向应力作用下渗透破坏在土体内的渐进发展过程，连续分离并测定出渗出土和渗出水的质量，探明细颗粒在土体内迁移过程导致的局部水力比降变化及与整体水力比降的差异，获得细颗粒在土体内的迁移次序和迁移距离，为渐进渗透破坏机理研究提供工具，并同时测定水平向临界水力比降、破坏水力比降和水平向渗透系数的变化过程。
14.进一步地，环形槽的底部周向设置有自外筒向内筒倾斜的第一斜坡，第一斜坡的底部周向设置有第二斜坡，第二斜坡的最低处设置有通水孔，通水孔与封闭水箱之间设置有第一管道；第一斜坡和第二斜坡提供坡道，使细颗粒在重力的作用下向通水孔运动，有利于细颗粒的收集。
15.进一步地，水体扰动装置包括若干均匀设置在外筒上的水体扰动管，水体扰动管的上端和下端均与环形槽相通，水体扰动管上设置有循环水泵，水体扰动管的出口端指向第二斜坡的切向，并朝向第二斜坡较低的一端，从而使细颗粒在水流的扰动作用下能够尽快地通过通水孔进入封闭水箱。
16.进一步地，可滑动压板设置在多孔内筒的上端，可滑动压板的下端面与水压力传感器的下端面齐平，可滑动压板的上端竖直设置有直线驱动机构和位移传感器；直线驱动机构控制压力并驱动可滑动压板向下运动，实现竖向应力的可控化；位移传感器实时监测可滑动压板的位移情况，从而实现土石料试样竖向变形的可量测。
17.进一步地，土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置还包括框架，外筒的底部、位移传感器远离可滑动压板的一端、直线驱动机构远离可滑动压板的一端均固定设置在框架上，框架用于安装外筒、位移传感器和直线驱动机构等部件，并提供安装空间。
18.进一步地，土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置还包括高压供水装置，高压供水装置与多孔刚性管道的上端连通，高压供水装置从多孔刚性管道的上端供入高压水。
19.进一步地，可滑动压板上固定设置有连接器，连接器与高压供水装置之间设置有第二管道，连接器连通多孔刚性管道和第二管道，从而将高压供水装置提供的高压水供入多孔刚性管道。
20.进一步地，可滑动压板内设置有螺纹通孔，水压力传感器螺纹连接在螺纹通孔中，从而在安装好可滑动压板后将水压力传感器从可滑动压板上部旋入螺纹通孔中；水压力传感器的一端设置有外螺纹，水压力传感器的长度大于可滑动压板的厚度，向可滑动压板旋入水压力传感器后，确保水压力传感器底端(进水口端)与可滑动压板底面平齐。
21.进一步地，多孔刚性管道与可滑动压板之间、水压力传感器与可滑动压板之间均设置有密封件，避免在多孔刚性管道与可滑动压板之间、水压力传感器与可滑动压板之间
发生泄漏。
22.第二方面，提供一种土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量方法，包括以下步骤：
23.s1：在多孔内筒中按设定密度装入土石料试样，土石料试样分层动力击实；沿多孔刚性管道的轴向和周向进行钻孔，将多孔刚性管道插入土石料试样，将多孔刚性管道和可滑动压板连接，并在多孔刚性管道下端留置间隙；
24.s2：将水头控制管顶部折角的内孔最高点放置在与土石料试样顶面同样的高程上；在环形槽中充入水，使水充满封闭水箱后充入水头控制管，直至水头控制管有水流出时暂停加水；在土石料试样吸水逐渐饱和的过程中，保持水头控制管位置不变，不断补充环形槽中的水，直至土石料试样吸水饱和完毕、环形槽中水位不再降低，持续保持环形槽中水的最高点与水头控制管顶部内孔的最高点齐平；
25.s3：安装直线驱动机构和位移传感器；启动直线驱动机构向下压紧可滑动压板，通过可滑动压板向土石料试样施加向下的竖向压力；同时，启动高压供水装置和循环水泵，高压供水装置为多孔刚性管道内供入高压水，使高压水通过多孔刚性管道上的孔流入土石料试样中；循环水泵通过水体扰动管对环形槽中的水体进行扰动，使渗入环形槽中的水和细颗粒沿第一斜坡和第二斜坡流向出口，水和细颗粒通过管道进入封闭水箱，多余水流入水头控制管；
26.s4：拉力传感器持续测量渗出土的浮重量，称量装置持续测量渗出水的质量，若干水压力传感器持续测量不同径向位置处土的孔隙水压力。
附图说明
27.图1为土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置的结构示意图；
28.图2为本方案中可滑动压板处的剖视图；
29.其中，1、土石料试样，2、位移传感器，3、直线驱动机构，4、框架，5、高压供水装置，6、第二管道，7、连接器，8、水压力传感器，9、外筒，10、可滑动压板，11、水体扰动管，12、循环水泵，13、环形槽，14、第一斜坡，15、多孔刚性管道，16、间隙，17、第一管道，18、拉力传感器，19、滤网，20、封闭水箱，21、水头控制管，22、称量装置，23、液体收集装置，24、多孔内筒，25、第二斜坡，26、通水孔。
具体实施方式
30.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
31.如图1所示，本方案提供了一种土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置，其包括：
32.外筒9，其内同轴设置有多孔内筒24，其与多孔内筒24之间设置有环形槽13，环形槽13中充入水，水的高度固定；
33.可滑动压板10，其滑动设置在多孔内筒24的上端，其直径与多孔内筒24的内径匹配，其下部、沿轴线上设置有多孔刚性管道15，其与多孔刚性管道15和多孔内筒24之间设置
有土石料试样1，可滑动压板底部沿径向和周向均匀设置有若干水压力传感器8，其下端面与水压力传感器8的下端面齐平，其上端竖直设置有直线驱动机构3和位移传感器2；其中，多孔刚性管道15的下端无封堵，直线驱动机构3可采用千斤顶；
34.高压供水装置5，其与多孔刚性管道15的上端连通，其可采用增压泵；
35.八个水体扰动管11，其均匀设置在外筒9上，其两端分别与环形槽13中水的上端和下端连通，其上设置有循环水泵12；
36.封闭水箱20，其与环形槽13的底部和水头控制管21的底部连通，其内上端设置有拉力传感器18，拉力传感器18的输出端设置有筒形滤网19；
37.液体收集装置23，其下端设置有称量装置22，其上端设置有水头控制管21，水头控制管21与封闭水箱20的顶部连通。
38.高压供水装置5将高压水泵入多孔刚性管道15，使高压水通过多孔刚性管道15上的孔向四周均匀沿径向渗入土石料试样1，同时，直线驱动机构3使可滑动压板10向下运动，从而通过可滑动压板10施加竖向应力；土石料试样1中的细颗粒在渗透比降和竖向应力的共同作用下在土样内移动，部分穿过多孔内筒24上的孔渗入环形槽13，并在水体扰动管11的冲刷作用下伴随着水流进入封闭水箱20，其余的水进入液体收集装置23中；此时，封闭水箱20中的拉力传感器18持续地测量渗出土的质量，称量装置22持续地测量出渗出水的质量，连续分离并测定出渗出土和渗出水的质量；水压力传感器8持续地测量土的孔隙水压力，且若干水压力传感器8沿可滑动压板10的径向和周向均匀设置，可量测竖向应力作用下渗透破坏在土体内的渐进发展过程，探明细颗粒在土体内迁移过程导致的局部水力比降变化及与整体水力比降的差异，获得细颗粒在土体内的迁移次序和迁移距离，为渐进渗透破坏机理研究提供工具，并同时测定水平向临界水力比降、破坏水力比降和水平向渗透系数的变化过程。
39.直线驱动机构3控制压力、驱动可滑动压板10向下运动，实现竖向应力的可控化；位移传感器2实时监测可滑动压板10的位移情况，从而实现土石料试样竖向变形的可量测。
40.其中，土石料试样1受到的渗流水力比降方向为水平方向，其量值由多孔刚性管道15内的压力水头控制，数值等于多孔刚性管道15顶部压力水头除以土石料试样1半径与多孔刚性管道15半径的差值；土石料试样1所受竖向应力的数值等于直线驱动机构3产生的压力除以可滑动压板10面积。
41.实施时，本方案优选环形槽13的底部设置有内低外高的第一斜坡14，第一斜坡14的底部周向设置有两个半圆形的第二斜坡25，两个第二斜坡25的最低处相交，第二斜坡25的最低处设置有通水孔26，通水孔26与封闭水箱20之间设置有第一管道17，第一管道17与封闭水箱20连通；第一斜坡14和第二斜坡25提供坡道，使细颗粒在重力的作用下向通水孔26运动，有利于细颗粒的收集。
42.如图2所示，水体扰动管11内的水流方向为自上而下，水体扰动管11的出口端朝向第二斜坡25较低的一端，从而对第一斜坡14或第二斜坡25上的细颗粒进行冲刷，以提高细颗粒的输运效率，使得细颗粒能够尽快地通过通水孔26进入封闭水箱20。
43.设计时，本方案优选第一管道17的一端穿过封闭水箱20且位于筒形滤网19内，以避免细颗粒进入封闭水箱20与筒形滤网19之间的空间，确保渗出土质量的测量准确性。
44.实施时，本方案优选土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量装置还包括框架4，外
筒9的底部、位移传感器2远离可滑动压板10的一端、直线驱动机构3远离可滑动压板10的一端均固定设置在框架4上，框架4用于安装外筒9、位移传感器2和直线驱动机构3等部件，并提供安装空间；框架4在通水孔26下端的位置设置安装孔，用于安装第一管道17。
45.在本发明的一个实施例中，可滑动压板10内设置有螺纹通孔，水压力传感器8螺纹连接在螺纹通孔中，从而在安装好可滑动压板10后将水压力传感器8从可滑动压板10上部旋入螺纹通孔中。
46.设计时，本方案优选水压力传感器8的一端设置有外螺纹，水压力传感器的长度大于可滑动压板10的厚度，确保水压力传感器8能够完全旋入可滑动压板10中。
47.实施时，本方案优选可滑动压板10上固定设置有连接器7，连接器7与高压供水装置5之间设置有第二管道6，连接器7连通多孔刚性管道15和第二管道6，从而将高压供水装置5提供的高压水供入多孔刚性管道15。
48.在本发明的一个实施例中，土石料试样1中设置有间隙16，间隙16位于多孔刚性管道15的下端，间隙16的尺寸大于多孔刚性管道15的尺寸；间隙16为多孔刚性管道15的下移提供位移空间，确保多孔刚性管道15能够顺利下移。
49.设计时，本方案优选多孔刚性管道15与可滑动压板10之间、水压力传感器8与可滑动压板10之间均设置有密封件，避免在多孔刚性管道15与可滑动压板10之间、水压力传感器8与可滑动压板10之间发生泄漏。
50.本方案还提供了一种土石料水平向渐进渗透破坏过程的测量方法，包括以下步骤：
51.s1：在多孔内筒24中按设定密度装入土石料试样1，土石料试样1分层动力击实；沿多孔刚性管道15的轴向和周向进行钻孔，将多孔刚性管道15插入土石料试样1，将多孔刚性管道15和可滑动压板10连接，并在多孔刚性管道15下端留置间隙16；
52.s2：将水头控制管11顶部折角的内孔最高点放置在与土石料试样1顶面同样的高程上；在环形槽13中充入水，使水充满封闭水箱20后充入水头控制管11，直至水头控制管11有水流出时暂停加水；在土石料试样1吸水逐渐饱和的过程中，保持水头控制管11位置不变，不断补充环形槽13中的水，直至土石料试样1吸水饱和完毕、环形槽中水位不再降低，持续保持环形槽13中水的最高点与水头控制管11顶部内孔的最高点齐平；
53.s3：安装直线驱动机构3和位移传感器2；启动直线驱动机构3向下压紧可滑动压板10，通过可滑动压板10向土石料试样1施加向下的竖向压力；同时，启动高压供水装置5和循环水泵12，高压供水装置5为多孔刚性管道15内供入高压水，使高压水通过多孔刚性管道15上的孔流入土石料试样1中；循环水泵12通过水体扰动管11对环形槽13中的水体进行扰动，使渗入环形槽13中的水和细颗粒沿第一斜坡14和第二斜坡25流向出口26，水和细颗粒通过管道17进入封闭水箱20，多余水流入水头控制管21；
54.s4：拉力传感器18持续测量渗出土的浮重量，称量装置22持续测量渗出水的质量，若干水压力传感器8持续测量不同径向位置处土的孔隙水压力。