观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及散体材料试验的技术领域，尤其涉及一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置及方法。

背景技术

散体材料是指具有一定颗粒级配的彼此联系的固体颗粒所组成的集合体，在自然界中普遍存在，主要的形式主要为泥沙、土壤、砂石、矿石等，当散体材料颗粒粒径级配较大时，材料内部细颗粒就容易在水流的渗透作用下发生迁移，最终会导致材料整体的稳定性收到破坏，这种现象被称为管涌，除此之外，散体材料可能发生的迁移现象还有流土等，由于散体材料在自然界中普遍存在，降雨以及地下水等水动力条件也容易发生，故散体材料在水力作用下发生迁移的现象也普遍存在，前人对此已经做出了一定的研究。

前人对于散体材料在水力作用下发生迁移的研究主要为研究颗粒粒径、颗粒浓度、渗透速度等因素对迁移过程的影响，但对于迁移的具体过程是如何发生的欠缺研究与思考。目前，细颗粒的迁移导致散体颗粒堆积体内部结构的变化主要集中在野外原地试验、水槽试验及土柱渗透性试验。土柱渗透试验可以观察其想象，然而结论却难以在细观上证实，不能得到细颗粒的运移过程。因此，开展不同水头条件下颗粒迁移试验，能更好地研究散体颗粒堆积体内部结构演化过程。

发明内容

有鉴于此，本发明的实施例提供了一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置，旨在现有的土柱渗透试验中不能在不同水头条件下得到颗粒运移过程的问题。

本发明的实施例提供一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置，包括：

降雨筒，所述降雨筒的下方为开口设置，所述降雨筒的侧壁上开设有一个进水口和多个沿上下向间隔设置的溢水口，所述进水口和所说溢水口相对设置；

多个试验仓，沿上下向依次连接，位于最上层的所述试验仓与所述降雨筒的下方连接，每一所述试验仓内均设有上下贯通的空腔，用于放置散体材料，且每一所述试验仓的底部均设有滤网，所述试验仓为透明材质制成；

出水筒，设于位于最下层的所述试验仓的下方，并与所述试验仓连通，所述出水筒的出水口外连接有蠕动泵；

电阻应变仪测试系统，所述电阻应变测试系统的通道分别与多个所述试验仓连接，并在所述通道上分别安装多个孔隙水压力计，多个所述孔隙水压力计分别安装至多个所述试验仓内；以及，

摄像机，设于所述试验仓的侧边，所述摄像机的摄像头朝向所述试验仓设置。

进一步地，所述滤网的过滤孔的孔径为4mm-6mm。

进一步地，所述试验仓采用高透明亚克力桶制成。

进一步地，所述试验仓的上下两端均设有向外延伸的法轮盘，所述法轮盘上设有多个螺纹孔，相邻的两个试验仓通过在通孔内穿设螺钉固定。

进一步地，相邻的两个所述试验仓之间还设有橡胶垫圈，所述橡胶垫圈设于两个相邻的所述法轮盘之间。

进一步地，所述溢水口和所述入水口上均设有阀门。

本发明化提供一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验方法，其特征在于，应用如上所述的观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置，包括以下步骤：

S1，将散体材料样品晾晒干或烘干，并将其进行筛分，按颗粒级配制配试样样品；

S2，在电阻应变仪测试系统通道上连接孔隙水压力计，对孔隙水压力计进行标号并标定其灵敏度；

S3，将配置好的样品装入下层的所述试验仓内，装样完成后，在试验仓内放置滤网，上方依次叠加试验仓，再次装样，重复直至完成至少三层样品的装样；

S4，调节所述降雨筒的进水量和出水量，并设置所述蠕动泵的第一流量，使得所述试验仓内逆向进水，水为从底部逐渐上升，以排出样品中的气体，使其饱和，再启动电阻应变仪测试系统；然后再设置所述蠕动泵的第二流量，正向出水，打开所述进水口和所述溢水口，保持常水头，并通过所述摄像机路线，记录时间，并观察散体材料颗粒的迁移情况；

S5，保持试验所述常水头，待所述孔隙水压力计读书稳定不变后，停止进水、摄像，待所述出水口再无水流出后，关闭所述电阻应变仪测试系统；

S6，分层取出所述试验仓内的样品，晾晒干或烘干，再次进行筛分，分别记录试验后各粒径组含量，并与其对应初始粒径对比，得出在不同高度水头条件上、中、下层的孔隙水压力变化；

S7，将从所述出水口接到的水以及可穿透的细颗粒，按时间顺序过滤晒干后，称量各个时间段流出的颗粒质量，从而得到在不同水头条件下颗粒的迁移情况。

本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明的观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置中通过可拆卸的多层试验仓，既可以方便试验后分层取样，又能够保证取样晾晒后筛分所得出数据的准确性，定量描述颗粒的迁移规律，同时也能获得不同高度处的孔隙水压力变化，在每层试验仓间设置滤网，能将上下两层粗颗粒间隔开，还可以允许水和细颗粒通过。控制进水口和溢水口的进水量和出水量，能够得到不同水头条件的试验条件，可以获取多组实验条件下的实验数据。且通过摄像机透过透明的试验仓，可以清洗的观察到试验过程中颗粒的迁移情况。

附图说明

图1是本发明的观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置一实施例的结构示意图；

图2是图1中的试验仓的俯视图；

图3是本发明提供的观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验方法的流程图。

图中：1、进水口，2、溢水口，3、降雨筒，4、法轮盘，5、滤网，6、橡胶垫圈，7、孔隙水压力计，8、试验仓，9、出水筒，10、电阻应变仪测试系统，11、摄像机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。

请参考图1-图2所示，本发明的实施例提供的一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置，包括降雨筒3、多个试验仓8、出水筒9、电阻应变仪测试系统10和摄像机11，所述降雨筒3的下方为开口设置，所述降雨筒3的侧壁上开设有一个进水口1和多个沿上下向间隔设置的溢水口2，所述进水口1和所说溢水口2相对设置；多个试验仓8沿上下向依次连接，位于最上层的所述试验仓8与所述降雨筒3的下方连接，每一所述试验仓8内均设有上下贯通的空腔，用于放置散体材料，且每一所述试验仓8的底部均设有滤网5，所述试验仓8为透明材质制成；出水筒9设于位于最下层的所述试验仓8的下方，并与所述试验仓8连通，所述出水筒9的出水口外连接有蠕动泵；所述电阻应变测试系统的通道分别与多个所述试验仓8连接，并在所述通道上分别安装多个孔隙水压力计7，多个所述孔隙水压力计7分别安装至多个所述试验仓8内；以及，摄像机11设于所述试验仓8的侧边，所述摄像机11的摄像头朝向所述试验仓8设置。

通过自行设计的可拆卸的多层试验仓8，既可以方便试验后分层取样，又能够保证取样晾晒后筛分所得出数据的准确性，定量描述颗粒的迁移规律，同时也能获得不同高度处的孔隙水压力变化，在每层试验仓8间设置滤网5，能将上下两层粗颗粒间隔开，还可以允许水和细颗粒通过。控制进水口1和溢水口2的进水量和出水量，能够得到不同水头条件的试验条件，可以获取多组实验条件下的实验数据。且通过摄像机11透过透明的试验仓8，可以清洗的观察到试验过程中颗粒的迁移情况。

具体地，所述滤网5的过滤孔的孔径为4mm-6mm。优选地，本申请中采用孔径为5mm的过滤网5片，采用过滤网5片一方面将上下两层的散体材料颗粒区分开，方便试验后取样称重，另一方面在允许水和细颗粒通过的同事阻止粗颗粒通过。

本申请中，所述试验仓8采用高透明亚克力桶制成，高透明亚克力桶具有可视性好的特点，可以清晰观察到试验过程中颗粒的迁移情况，且试验仓8呈圆柱形，所述试验仓8的上下两端均设有向外延伸的法轮盘4，所述法轮盘4上设有多个螺纹孔，相邻的两个试验仓8通过在通孔内穿设螺钉固定。通过在圆柱外设置法轮盘4，通过螺钉固定连接，便于安装和拆卸。

更进一步地，相邻的两个所述试验仓8之间还设有橡胶垫圈6，所述橡胶垫圈6设于两个相邻的所述法轮盘4之间。橡胶垫圈6可以用于隔水密封，防渗透。

进一步地，所述溢水口2和所述入水口上均设有阀门，用于控制溢水口2和入水口的水量大小，从而获得不同的水头条件。

参照图3所示，本发明还提供一种观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验方法，应用如上所述的观察散体材料在水力作用下的迁移规律的试验装置，包括以下步骤：

S1，将散体材料样品晾晒干或烘干，并将其进行筛分，按颗粒级配制配试样样品；

S2，在电阻应变仪测试系统10通道上连接孔隙水压力计7，对孔隙水压力计7进行标号并标定其灵敏度；

S3，将配置好的样品装入下层的所述试验仓8内，装样完成后，在试验仓8内放置滤网5，上方依次叠加试验仓8，再次装样，重复直至完成至少三层样品的装样；其中，多层试验仓8内分别布置不同级配的散体颗粒，通过各层装配不同级配的颗粒组合，可以测出不同样品在同等水力梯度下的迁移规律。

S4，调节所述降雨筒3的进水量和出水量，并设置所述蠕动泵的第一流量，使得所述试验仓8内逆向进水，水为从底部逐渐上升，以排出样品中的气体，使其饱和，再启动电阻应变仪测试系统10；然后再设置所述蠕动泵的第二流量，正向出水，打开所述进水口1和所述溢水口2，保持常水头，并通过所述摄像机11路线，记录时间，并观察散体材料颗粒的迁移情况；

S5，保持试验所述常水头，待所述孔隙水压力计7读书稳定不变后，停止进水、摄像，待所述出水口再无水流出后，关闭所述电阻应变仪测试系统10；

S6，分层取出所述试验仓8内的样品，晾晒干或烘干，再次进行筛分，分别记录试验后各粒径组含量，并与其对应初始粒径对比，得出在不同高度水头条件上、中、下层的孔隙水压力变化；

S7，将从所述出水口接到的水以及可穿透的细颗粒，按时间顺序过滤晒干后，称量各个时间段流出的颗粒质量，从而得到在不同水头条件下颗粒的迁移情况。

在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。

在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。