一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置和试验方法与流程

本发明涉及渗流模型试验装置和试验方法，特别涉及一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置和试验方法，属于岩土工程渗流试验领域。

背景技术

一般来说,地表水流的冲刷破坏比较容易发现和挽救,而地下水的渗流冲刷不易观察和发现,常被忽视,一旦出现问题,会迅速导致工程的破坏,难以补救。从国内外统计分析来看,由于渗透破坏发生事故或失事的土石坝占总数的30％～40％,而接触冲刷破坏占很大的比例。因此,接触冲刷问题越来越引起工程师和学者们的重视。接触冲刷是指渗透水流沿着两种不同粒径组成的土层层面流动而带走细颗粒的现象。上下两地层的颗粒直径悬殊越大越易发生接触冲刷。在自然界中沿两种介质界面,如坝体与坝基、土坝与涵管等接触面流动而造成的冲刷,都属于此类破坏,一般认为接触冲刷在砂砾石层与粘土层的交界面处最易发生。

在本发明专利前，中国申请发明专利“一种接触冲刷水工模型”(申请号201510108636.2)，公布了一种由透明模型箱、土样、透水钢板、顶盖、压槽、底座等组成的接触冲刷模型的试验装置和试验方法。该技术方案具有应用范围广、设备成本低、能够真实反映土石结合部接触冲刷渗透破坏等优点；但是，该试验装置仅能模拟土体与刚性介质间接触冲刷，不能模拟两种土体间接触冲刷的情况，导致装置应用面较窄。

当前，国内外学者们针对接触冲刷已开展了大量的理论、试验和数模研究，取得了大量的成果与结论。但当前接触冲刷试验研究一般基于缩尺模型，辅以相关监测手段，获得的往往是模型边界面(表观)或内部少量离散点信息，未实现真正意义上的实时观测，更无法对接触冲刷本质特征——细颗粒运移及流失规律进行动态、全息的获取。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，将透明土技术、平面激光诱发荧光技术、pfc技术以及数字图像处理技术相结合，提出一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置和试验方法，利用土体在渗透流体作用下的平均水力梯度和流速的变化，结合颗粒的孔隙分布曲线(csd曲线)来判断土体是否发生接触冲刷，为水利工程和岩土工程的合理设计提供依据。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置，包括透明模型箱，所述透明模型箱内设置有透明土样，所述透明模型箱周边分别设置有用于将所述透明土样固液两相以及不同粒径的接触面明显区分的平面激光诱发荧光系统、用于记录试验过程中接触冲刷发展的图像采集系统和用于测得试验试样中不同渗径长度处水头的孔压采集装置，所述透明模型箱的进水口和出水口连有循环供水系统。

所述循环供水系统包括相连通的集水箱和循环水箱和动力装置，所述动力装置的进水处连有所述出水口，所述集水箱的出水处通过供水管与所述进水口相连，所述集水箱的下方设置有电动升降平台，所述电动升降平台与计算机相连，所述供水管内设置有流量计。

所述循环水箱内设置有微孔滤膜。

所述进水口和出水口分别设置有进水控制阀和出水控制阀。

所述透明模型箱内设置有两平行设置的透水板，所述透明土样位于所述透水板形成的空腔内，所述透水板与所述透明模型箱的端面之间形成缓冲区，靠近所述出水口一侧的所述缓冲区内设置有滤网。

所述面激光诱发荧光系统包括激光器，所述激光器下面设置有高度调节装置。

所述图像采集系统包括ccd相机，所述ccd相机下方设置有相机支架，所述ccd相机与计算机相连。

所述孔压采集装置包含孔压采集器，并与无纸化记录仪连接。

所述透明模型箱的上顶板四周设置有密封条，所述密封条与所述透明模型箱侧壁相接触，紧固螺栓穿过所述上顶板周边和透明模型箱侧壁外部延伸边所述起到固定作用。

所述图像采集系统置于所述透明模型箱正前方，所述孔压采集装置置于所述透明模型箱后方，所述平面激光诱发荧光系统置于所述透明模型箱右侧。

一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验方法，包括以下步骤：

s01，制备两种不同粒径范围的透明土颗粒，同时调配好模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液，提前加入适当的荧光染色剂，并将孔隙液体倒入集水箱；

s02，将配置好的透明土分两层填入透明模型箱，下层为粒径较小的透明土样，上层为粒径较大的透明土样，并均匀压实；

s03，打开进水控制阀，使孔隙液体经缓冲区透过透水板，直至透明模型箱充满孔隙液体；

s04，打开激光器并调整位置，使其能够照射整个试样，同时打开ccd相机，调整其位置使其能够拍摄整个试样；

s05，打开出水控制阀，孔隙液体通过出水管流出，经出水管流入循环水箱，经微孔滤膜净化后进行循环，开始接触冲刷试验，同时ccd相机开始连续自动拍摄；

s06，通过电动升降平台改变集水箱高度，调整上游水头，记录试验过程中流量、水力梯度、孔隙压力等参数；

s07，试验完成后，通过数字图像处理软件对试验图像进行分析，以获取接触面颗粒的位移场；联合pfc技术得到颗粒的轮廓，获得颗粒的孔隙分布曲线，通过颗分滤网过滤下来的颗粒验证孔隙分布曲线的正确性；再结合试验过程中获得的平均水力梯度和流速的变化，判断透明土样在变水头作用下是否发生接触冲刷。

本发明的有益效果：

1、试验模型简单、操作方便、经济可行性高；

2、本发明创新性地将透明土技术、平面激光诱发荧光技术、pfc技术以及数字图像处理技术相结合，可以模拟土体在渗流作用下接触冲刷发展过程，以开展渗流试验研究及机理分析，建设渗流可视化模型试验平台。通过对循环供水系统中水位的高度以及透明土粒径比的改变，可以开展多因素下接触冲刷试验，研究渗流水头边界条件(△h/t)、细料含量(ff)、控制特征粒径比(dc35/d85)、两种介质的粒径差(△d)对接触冲刷的影响，揭示接触冲刷发生机理，为后续研究提供试验基础。

3、本发明克服了之前仅简单地通过研究土体不同的颗粒直径差或者通过数值模拟判断接触冲刷发生与否的不足之处，从接触冲刷发生、发展本质角度设计出利用土体在流体作用下的平均水力梯度和流速变化，以及颗粒的孔隙分布曲线(csd曲线)来判断接触冲刷发生与否的试验装置和试验方法，具有非常重要的创新意义。

附图说明

图1为本发明的一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置的结构示意图；

图2为本发明的上顶盖的结构示意图；

图3为本发明的透水板的结构示意图。

图中附图标记如下：1-集水箱；2-水箱支架；3-电动升降平台；4-供水管；5-流量计；6-进水口；7-进水控制阀；8-缓冲区；9-透水板；10-紧固螺栓；11-密封条；12-相机支架；13-ccd相机；14-计算机；15-激光器；16-高度调节装置；17-滤网；18-孔压采集装置；19-出水口；20-出水控制阀；21-透明模型箱；22-透明土样；23-循环水箱；24-动力装置；25-微孔滤膜。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1所示，一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验装置，包括透明模型箱21，透明模型箱21由石英制作而成。透明模型箱21的尺寸为400(长)×150(宽)×150(高)(单位：mm)，壁厚5mm。透明模型箱21内设置有透明土样22，透明模型箱21周边分别设置有用于将透明土样22固液两相明显区分的平面激光诱发荧光系统、用于记录试验过程中接触冲刷发展的图像采集系统和用于测得试验试样中不同渗径长度处水头的孔压采集装置18。像采集系统与平面激光诱发荧光系统结合，能够准确识别两种粒径的透明土样22的接触面。其中，图像采集系统置于透明模型箱21正前方，孔压采集装置18置于透明模型箱21后方，平面激光诱发荧光系统置于透明模型箱21右侧。透明模型箱21的进水口6和出水口19连有循环供水系统。

如图2所示，透明模型箱21的上顶板四周设置有密封条11，密封条11与透明模型箱21侧壁相接触，紧固螺栓10穿过上顶板周边和透明模型箱21侧壁外部延伸边起到固定作用。

循环供水系统包括相连通的集水箱1和循环水箱23和动力装置24，动力装置24的进水处连有出水口19，集水箱1的出水处通过供水管4与进水口6相连，集水箱1的下方设置有电动升降平台3，电动升降平台3与计算机14相连，供水管4内设置有流量计5。

循环水箱23内设置有多层微孔滤膜25，采用纤维素或高分子材料制成，能够有效过滤流体中杂质，保持流体的纯度。

进水口6和出水口19分别设置有进水控制阀7和出水控制阀20。

透明模型箱21内设置有两平行设置的透水板9，透水板9的结构如图3所示。透水板9的孔径为5mm，用以模拟真实条件下水流对于土体的冲击作用。透明土样22位于透水板9形成的空腔内。透明土样22根据土层分层特征，按颗粒粒径差异区分为上下两层。透水板9与透明模型箱21的端面之间形成两个缓冲区8，靠近出水口19一侧的缓冲区8内设置有滤网17，滤网17位于透水板9与出水口19中间。如图2所示，透明模型箱21上顶板可打开以装填透明土样22，上顶板安装有密封条11和紧固螺栓10。

面激光诱发荧光系统包括激光器15，激光器15下面设置有高度调节装置16，可根据需要调节激光入射高度。

图像采集系统包括ccd相机13，ccd相机13下方设置有相机支架12，ccd相机13与计算机14相连。

孔压采集装置18包含孔压采集器，并与无纸化记录仪连接。孔压采集器18等距布设在透明模型箱21外壁，可以测得试验试样中不同渗径长度处的水头，进而可以计算出试样不同位置的压力梯度。

本发明的一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验方法，工作原理具体为：通过激光器15激发荧光使得透明土样22固液两相以及不同粒径的接触面明显区分，利用ccd相机13高速拍摄记录试验过程中接触冲刷的发展；利用数字图像处理技术获取接触面颗粒的位移场，并联合pfc技术得到透明土样22的轮廓，获取颗粒的孔隙分布曲线(csd曲线)，通过颗分滤网17过滤下来的颗粒验证孔隙分布曲线的正确性；再结合试验过程中获得的平均水力梯度和流速的变化，判断透明土样在变水头作用下是否发生接触冲刷。

一种模拟土体接触冲刷发展过程的试验方法，主要包括以下步骤：

步骤一，利用熔融石英砂在常温下混合具有相应折射率的孔隙流体，并进行充分搅拌至土样均匀透明配置成透明土样22，制备出两种不同粒径范围的透明土颗粒，同时保持所处环境温度恒定，调配好模拟孔隙液体具有相同折射率的溶液，提前加入适当的荧光染色剂，并将孔隙液体倒入集水箱1。荧光剂的作用是为了区分固液交界面，确定固相颗粒形态以及孔隙形态，其中固相颗粒形态是建立pfc模型的依据，而孔隙形态是用来确定土体孔隙直径。

步骤二，在平整的场地内，安放透明模型箱21，保持场地内光线均匀。打开模型箱上顶板，将配置好的透明土分两层填入透明模型箱21，下层为粒径较小的透明土样，上层为粒径较大的透明土样，并均匀压实；

步骤三，打开进水控制阀7，使孔隙液体经缓冲区8透过透水板9，慢慢渗入透明土样22，直至透明模型箱21充满孔隙液体。待孔隙液体与透明土样22充分接触后，盖上上顶板，并密封。

步骤四，打开激光器15并调整位置，使其能够照射整个试样，激光器15是固态绿激光，功率为2v。打开激光器15，通过高度调节装置16调整激光入射的高度使得其对准透明模型箱21的中心轴打入透明土22，形成激光切面，激光器15与透明模型箱21的外立面垂直相距100mm。同时打开ccd相机13，调整其位置使其能够拍摄整个试样。

步骤五，打开出水控制阀20，孔隙液体通过出水管流出，经出水管流入循环水箱23，经微孔滤膜25净化后进行循环，开始接触冲刷试验，同时ccd相机13开始连续自动拍摄。ccd相机13是深圳华谷动力科技有限公司生产的wp-us140/m型ccd高速工业数字相机，调整ccd相机支架12的高度和角度，使得ccd相机13的镜头对准透明模型箱21的外立面，获得较好的可视范围，使其能够包含整个透明土22，ccd相机13与计算机14相连，并设置其以1帧/秒的频率采集图像并传送至计算机14，ccd相机13与透明模型箱21的外立面垂直相距250mm。

步骤六，通过电动升降平台3改变集水箱1高度，调整上游水头，记录试验过程中流量、水力梯度、孔隙压力等参数。打开出水控制阀20，使得孔隙液体从出水口19流出，接触冲刷试验正式开始，通过透明模型箱21外壁设置的孔隙压力测量装置18可以实时读取试样不同位置处的孔隙压力值。

步骤七，透明土22在渗透流体的作用下发生破坏后，所得破坏后的混合物排入缓冲区8，完成试验。试验过程中，通过数字图像处理技术对获得的图像进行分析，获取接触面处土体颗粒相对位移。试验完成后，以获取接触面颗粒的位移场。其中，数字图像处理软件指matlab软件(matrix&laboratory)，是一个多范式的数值模拟环境。该软件包含有矩阵操作、函数和数据绘制、算法的实现、创建用户界面以及与用其他语言，包括c、c++、c#、java、fortran和python等编写的的程序交互等诸多功能，是目前最好的科学计算类软件。在本发明中该方法的作用是处理试验图像，提高图像质量；还可以测量透明土体在接触冲刷前后的相对位移，颗粒间的距离，为后续颗粒孔隙分布曲线(csd曲线)的获取提供支撑。然后联合pfc技术得到颗粒的轮廓，建立相应pfc模型获得颗粒的孔隙分布曲线，揭示土体在渗透流体作用下孔隙的分布。通过颗分滤网17过滤下来的颗粒验证孔隙分布曲线的正确性；再结合试验过程中获得的平均水力梯度和流速的变化，判断透明土样在变水头作用下是否发生接触冲刷。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。