一种泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置及其试验方法

本发明涉及土体渗透破坏试验，特别是涉及一种泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置及其试验方法。

背景技术：

1、如何实现渗透破坏的科学防控，是堤防工程中亟需解决的难点问题。现有技术中常用的试验方式是变水头渗透试验，在试验过程中，逐级提升水头，观察记录涌水量、涌砂量、不同位置的测压管水头，得到渗透破坏临界水头。然而，现有技术不能满足多相渗流体定量注入试验土层，从而抑制土体渗透破坏的试验要求，土体孔隙压力监测系统也不能适用于多相渗流体系。

技术实现思路

1、发明目的：本发明的目的是提供一种操作简单、装置方便维护，能够监测泡沫流体对土体渗透破坏抑制作用的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置及其试验方法。

2、技术方案：为实现上述目的，本发明所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，包括用于土体渗透破坏试验的主体结构、用于进水排水的变水头控制单元、用于监测主体结构压力的孔隙压力监测单元、用于分析监测到的压力数据的计算机分析单元，其特征在于：还包括泡沫流体注入单元，泡沫流体注入单元包括液体输入模块、气体输入模块、泡沫发生器，液体输入模块和气体输入模块输出端与泡沫发生器输入端相连，泡沫发生器产生的泡沫流体注入到主体结构内。

3、主体结构包括：进水室、出水室、砂槽，进水室、出水室分别置于砂槽两侧，在进水室、出水室、砂槽之间设置有防止砂颗粒流失的多孔隔板，同时多孔隔板两侧设置有硅胶垫，进水室、出水室、砂槽、多孔隔板、硅胶垫之间通过螺栓螺母压紧固定。

4、砂槽上设有透明顶板，在透明顶板和砂槽之间还设有硅胶垫，通过螺栓螺母压紧固定，透明顶板上在靠近出水室一侧设出砂口，在出砂口处粘接一个用于收集渗透破坏产生涌砂的砂罐，砂罐顶部设有排水孔，通过水管与变水头控制单元的水箱连接，透明顶板上在靠进水室一侧，设置有泡沫流体注入孔，砂槽前端设置有压力监测孔。

5、变水头控制单元的水箱包括：上游水箱、第一下游水箱、第二下游水箱，上游水箱与进水室的进水口连接，第一下游水箱与砂罐顶部排水孔连接、第二下游水箱与出水室的出水口连接。

6、孔隙压力监测单元设有与压力监测孔对应的孔隙压力传感器，传感器通过导线与压力监测孔相连，传感器采集到的信号传输到计算机分析单元。

7、液体输入模块包括：平流泵、活塞容器，活塞容器输入端与平流泵相连，其输出端与泡沫发生器的输入端相连。

8、气体输入模块依次设有：气瓶、第一压力表、调压阀、第二压力表、过滤器、气体流量控制器、单向阀、背压阀、第三压力表，再与泡沫发生器的输入端相连。

9、一种使用泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置的试验方法，包括以下步骤：

10、s1：装配试验装置，在砂槽内分层抛填砂样，将预制泡沫流体注入砂槽内，进行渗透破坏试验；

11、s2：逐级提升上游水箱水头，待渗流稳定后，便进行下一级水头试验，记录砂样顶面的渗透破坏区域变化过程及泡沫流体赋存范围变化，当渗透破坏区域与进水室贯通时，停止试验。

12、所述的s1装配好泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置包括以下子步骤：

13、s101：在砂槽两侧侧壁均匀涂抹凡士林，将进水室、硅胶垫、多孔隔板、出水室与砂槽拼装好，用螺栓螺母压紧固定；

14、s102：将孔隙压力传感器通过导管与砂槽前端测压孔相连，通过数据线连接至计算机分析单元；

15、s103：根据颗粒级配和密实度配制试验砂样并进行水下分层抛填，抹平压实砂样后，依次放置硅胶垫层和透明顶板，用螺栓固定拧紧；

16、s104：打开液体输入模块、气体输入模块，将液体和气体分别通过平流泵和气体流量控制器注入泡沫流体发生器预制泡沫流体；

17、s105：待泡沫流体达到动态稳定状态后，将泡沫流体发生器与透明顶板的泡沫流体注入孔通过导管连接，将预制泡沫流体通过泡沫注入孔注入砂槽内；

18、s106：将上游水箱与进水室的进水口连接，第一下游水箱与砂罐顶部排水孔连接、第二下游水箱与出水室的出水口连接，打开变水头控制单元的循环水系统，使水箱中始终有足量的水。

19、所述的s2进行渗透破坏试验包括以下子步骤：

20、s201：打开进水口和出砂口，开始渗透破坏试验，逐级提升上游水箱水头，待渗流稳定后，即多次测量渗流量基本稳定，出砂口附近无明显砂粒移动且涌砂管无砂粒涌出，便进行下一级水头试验；

21、s202：试验开始后记录每级水头下相应的涌水量、涌砂量，记录砂样顶面的渗透破坏区域变化过程及泡沫流体赋存范围变化，通过孔隙压力监测单元实时采集压力监测孔的孔隙压力；

22、s203：当渗透破坏区域与进水室贯通时，即砂槽内砂样顶面产生了一条通道，水能经过通道进入进水室，停止试验，同时停止数据采集，关闭各阀门；

23、s204：每组试验结束之后清洗砂样并烘干，试验装置复位。

24、有益效果：本发明具有如下优点：1、本发明具有多功能性，通过泡沫流体注入单元将泡沫流体通过泡沫流体注入孔注入土样时，可开展泡沫流体抑制土体渗透破坏试验，关闭泡沫流体注入孔则可开展传统土体渗透破坏试验；同时能够在距离出砂口不同距离的泡沫流体注入孔注入泡沫流体，探究泡沫流体注入位置对其抑制渗透破坏发展效果的影响；

25、2、本发明能够通过改变液体种类、气体种类、液体注入流量、气体注入流量探究不同性质泡沫流体在不同土体中的扩散规律和抑制不同土体渗透破坏发展的效果；

26、3、本发明改变上游水头调节土样中的水力梯度，通过涌砂罐收集涌砂，出水口收集涌水，分析土体渗透破坏发展过程中涌水和涌砂量随水力梯度的变化规律及渗透破坏临界水力梯度，根据土体渗透破坏区域演化过程，涌水量、涌砂量变化规律、临界水力梯度等分析泡沫流体抑制土体渗透破坏机制；

27、4、本发明通过透明顶板对土体渗透破坏发展过程进行可视化观测，分析土体渗透破坏区域随水力梯度的演化规律，通过孔隙压力传感器实时监测土体中不同测点处的孔隙压力，探究含泡沫流体和不含泡沫流体条件下，渗透破坏发展过程中土体内渗流场时空变化规律；

28、5、本发明采用模块化拼接式设计，可根据试验目的调整模型拼接，并有利于设备维护。

技术特征：

1.一种泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，包括用于土体渗透破坏试验的主体结构(1)、用于进水排水的变水头控制单元(2)、用于监测主体结构(1)压力的孔隙压力监测单元(3)、用于分析监测到的压力数据的计算机分析单元(4)，其特征在于：还包括泡沫流体注入单元(5)，泡沫流体注入单元(5)包括液体输入模块(51)、气体输入模块(52)、泡沫发生器(53)，液体输入模块(51)和气体输入模块(52)输出端与泡沫发生器(53)输入端相连，泡沫发生器(53)产生的泡沫流体注入到主体结构(1)内。

2.根据权利要求1所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：主体结构(1)包括：进水室(11)、出水室(12)、砂槽(13)，进水室(11)、出水室(12)分别置于砂槽(13)两侧，在进水室(11)、出水室(12)、砂槽(13)之间设置有防止砂颗粒流失的多孔隔板(14)，同时多孔隔板(14)两侧设置有硅胶垫，进水室(11)、出水室(12)、砂槽(13)、多孔隔板(14)、硅胶垫之间通过螺栓螺母压紧固定。

3.根据权利要求2所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：砂槽(13)上设有透明顶板(15)，在透明顶板(15)和砂槽(13)之间还设有硅胶垫，通过螺栓螺母压紧固定，透明顶板(15)上在靠近出水室(12)一侧设出砂口(15.1)，在出砂口(15.1)处粘接一个用于收集渗透破坏产生涌砂的砂罐(16)，砂罐(16)顶部设有排水孔，通过水管与变水头控制单元(2)的水箱连接，透明顶板(15)上在靠进水室(11)一侧，设置有泡沫流体注入孔(15.2)，砂槽(13)前端设置有压力监测孔(13.1)。

4.根据权利要求1或3所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：变水头控制单元(2)的水箱包括：上游水箱(21)、第一下游水箱(22)、第二下游水箱(23)，上游水箱(21)与进水室(11)的进水口连接，第一下游水箱(22)与砂罐(16)顶部排水孔连接、第二下游水箱(23)与出水室(12)的出水口连接。

5.根据权利要求1或3所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：孔隙压力监测单元(3)设有与压力监测孔(13.1)对应的孔隙压力传感器，传感器通过导线与压力监测孔(13.1)相连，传感器采集到的信号传输到计算机分析单元(4)。

6.根据权利要求1所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：液体输入模块(51)包括：平流泵(51.1)、活塞容器(51.2)，活塞容器(51.2)输入端与平流泵(51.1)相连，其输出端与泡沫发生器(53)的输入端相连。

7.根据权利要求1所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置，其特征在于：气体输入模块(52)依次设有：气瓶(52.1)、第一压力表(52.2)、调压阀(52.3)、第二压力表(52.4)、过滤器(52.5)、气体流量控制器(52.6)、单向阀(52.7)、背压阀(52.8)、第三压力表(52.9)，再与泡沫发生器(53)的输入端相连。

8.一种使用如权利要求1所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验方法，其特征在于：所述的s1装配好泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置包括以下子步骤：

10.根据权利要求8所述的泡沫流体抑制土体渗透破坏试验方法，其特征在于：所述的s2进行渗透破坏试验包括以下子步骤：

技术总结
本发明公开了一种泡沫流体抑制土体渗透破坏试验装置及其试验方法，该装置包括主体结构、变水头控制单元、孔隙压力监测单元、计算机分析单元、泡沫流体注入单元，泡沫流体注入单元包括液体输入模块、气体输入模块、泡沫发生器，液体输入模块和气体输入模块与泡沫发生器相连，泡沫发生器输出端与主体结构相连；该试验方法包括装配装置，在砂槽内抛填砂样，将泡沫流体注入砂槽内进行试验；逐级提升水头，渗流稳定后进行下一级水头试验，记录砂样顶面的渗透破坏区域变化过程及泡沫流体赋存范围变化，通过孔隙压力监测单元实时监测砂样内孔隙压力，当渗透破坏区域与进水室贯通时，停止试验。本发明能够用于验证及评估泡沫流体抑制土体渗透破坏效果。

技术研发人员：王媛,巩佳琨,祁天,邱昊天
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13