一种模拟边界水流影响渗流的方法及装置制造方法及图纸

一种模拟边界水流对渗流影响的方法及渗流装置，在传统的渗流理论基础上，应用环柱土样渗流的轴对称特点，结合管流理论，采用管流方式提供土体渗流的边界水流条件，可再现边界水流对渗流的作用过程，揭示其作用规律和机理。根据管流的流速分布规律和流态变化特点，不同的管流流量，则代表不同的边界水流条件。渗流大小和边界水流条件均连续可调，可定量研究边界水流对渗流的影响大小。本发明专利技术实施简单，操作方

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土力学渗流实验方法，特别涉及一种用于模拟边界水流对渗流影响作用 的实验装置，属于水利工程领域。
技术介绍
早在1856年，法国工程师达西(Darcy)提出了线性渗流的达西定律。1889年，俄国的 茹可夫斯基首先推导了渗流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基提出了求解渗流场的电模拟 法。由于渗流的微分方程在复杂边界条件下很难得到其解析解，所以人们力图用数值算法解 决它。1910年理查森(L.F.Richardson)首先提出了有限差分法。在20世纪60年代之后， 由于计算机及计算技术的迅速发展，人们广泛应用有限单元法、边界元法和许多其它计算方 法计算解决渗流问题。利用这些实验和计算机模拟手段，无疑，渗流预测及应用均得到了充 分发展，在水利、建筑、交通、采矿、石油、农业和环境等许多行业均应用广泛。然而，以上研究方法与模拟手段主要基于达西定律的线性渗流原理，其相关实验和计算， 均不能考虑其渗流介质存在边界水流的特殊工况。比如，对于江河岸坡，其坡外水位高于坡 体内地下水位时则发生向坡内的渗流，相反则发生水的外渗。该岸坡渗流与山坡渗流有着较 大的区别，即岸坡外的水位是变动的，而且水是运动着的水流。水流流速大小是否影响岸坡 渗流，至今尚未见相关研究的报道。与该问题相伴而生，渗流是否会影响其边界水流流速、 流态等特征呢？国外有不少学者进行了这方面的实验研究，结果表明渗流对边界水流影响显 著，并明显影响相应的泥沙冲淤变化，而且产生了考虑渗流影响的相应冲刷预测模型。因此， 对于作为边界条件的水流，其对渗流的影响可能在一定条件下也不容忽略，有必要通过专门 实验进行研究。在长江崩岸治理的设计中，往往需要考虑垂线平均流速达2.5 4.5m/s的水流 作用，所以在进行重要岸坡稳定分析时，不宜忽略江河水流的影响。为此，急需研制能够反 映边界水流对渗流影响作用的渗流实验装置，进一步探究其影响大小，完善渗流理论。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种渗流实验方法和实验装置，能模拟作为边界条件的水流对渗流 的影响过程，解决岸坡失稳机理研究中急需的地下渗流模拟设备难题，能充分反映和揭示边 界水流对土内渗流的影响和作用规律，可定量研究边界水流条件对渗流的作用机理，且试验 实施容易、操作简单。本专利技术的目的是通过如下技术方案实现的一种模拟边界水流影响渗流的方法，是在传统的渗流试验理论基础上，通过对渗流介质 一侧增加切向水流边界条件，观测某一渗流强度(单位时间内透过渗流介质的水量)下，不 同切向水流边界条件所对应的渗流水头差，同时也可以改变渗流强度，重复试验，并依据流 体力学理论及观测数据，可整理边界水流对渗流的影响大小和作用机理。若在同一渗流强度 下，边界水流条件的变化并不影响渗流水头差，或者其影响杂乱无章，那么说明二者没有显 著的联系；相反，若渗流水头观测数据随着边界水流条件的改变而变化，并呈规律性变化， 则说明二者之间存在着必然的联系。通过变换切向水流边界条件、渗流强度和土体物理力学 参数，进行系统的实验研究，可揭示边界水流影响渗流的内在机理。本专利技术所述的实验方法，需要同时满足以下要求l)所有水体均为无气水，以确保渗流 的稳定性，这要求实验设备便于抽真空，以利于排出水中和土中的空气；2)为定量研究边界 水流条件对渗流的影响， 一个试验必须代表工程中的一个点，如水下岸坡坡面上的一个点， 这要求试验中的渗流介质边界面上各点均有着相同的渗流边界条件；3)渗流供水强度可以调 节，以获得不同的渗流强度；4)切向边界水流循环使用、节约用水，水流脉动性小，水流循 环流动过程中不掺气，且流速可连续调节，以获取多种边界水流条件。本专利技术所述的实验装置，依据以上实验方法和要求设计而成，包括两流作用室、渗流供 水装置、管道水流循环装置和观测装置。两流作用室模拟边界水流和渗流相互作用，渗流供 水装置为两流作用室提供恒定的供水流量，管道水流循环装置为两流作用室提供恒定的切向 边界水流条件，观测装置包括水温、环柱土样内外表面处总水头、管流流速等监测装置。本专利技术所述的两流作用室，为边界水流和土内渗流共同作用的一个腔室，包括圆筒型渗 流池、土体环柱试样和中间过流管，其中，渗流池截面采用圆形，是为了能够承受较大的真 空负压，利于试样土体的含水饱和。渗流池内的水是静止的，构成环柱土样的外侧水头边界， 而位于环柱土样中心的中间过流管，管内可以是静水，也可以是切向水流，这构成环柱土样 的内侧水流边界条件。本专利技术所述的渗流供水装置，采用定水头和阀门开度可调的方法，为两流作用室提供恒 定的流量，以抵消透过土体试样的渗流水量，使得渗流总水头(或渗流池内的水位)保持不 变。本专利技术所述的管道水流循环装置，采用管道内置多个水泵的方式(水泵功率可调)，将管 道里面的水循环起来，通过两流作用室内的中间过流管，为两流作用室环柱土样的渗流提供 稳定的边界水流条件。与传统渗流实验方法及实验设备相比，本专利技术通过对边界水流和渗流的耦合作用模拟， 可实现定量研究边界水流对渗流的影响大小和作用机理，拓展了渗流实验的研究范围，可望 为岸坡失稳机理与防治对策研究提供更符合实际的实验理论支持。本专利技术原理简单，理论明 确，且实施容易，操作简单、有效。附图说明图l本专利技术实施例的渗流机制示意图。 图2本专利技术实施例的水流循环机制示意图。其中，1.两流作用室；2. 土体环柱试样；3.中间过流管；4.供水池；5.供水阀；6.供 水连接管；7.测压管；8.微型水泵；9.水流循环管道；10.溢流管。具体实施例方式本专利技术的目的是模拟边界水流对渗流的作用，所以形成渗流和边界水流的相关装置为实 验设备的主要装置。图l示意了本专利技术的渗流机制。在水平放置的圆形两流作用室l内，土 体环柱试样2位于两流作用室中间位置，试样内表面和外表面均为不锈钢丝网，其孔径应小 于所用土体颗粒的最小粒径，即虽然透水，但土颗粒通不过，因此试验前对所用土料进行粒 径处理是非常必要的。当环柱试样内外总水头存在差异」//时，则土体内将发生渗流。图中 环柱试样外面的水位高于内腔，故产生向内腔的渗流。环柱试样是空心的，所形成的内腔成 为水流的通道，即中间过流管3，其水流状况即为渗流的边界水流条件。环柱试样淹没在两 流作用室内，其水位在试验中保持不变，渗出的水量由供水池4提供。供水池4单位时间内 的供水量由水位落差Z/w和供水阀5控制。在固定水位落差7/w的情况下，调节供水阀5可以 取得不同的供水流量。由于一次试验渗流用水不多，供水池内水位变动远小于水位落差i/w， 所以试验中可忽略由此带来的误差，但这要求供水池底面积较大，以使试验中其水位变化最 大不能大于0.057/w。对于静水渗流，若定义环柱试样外径i 卜内径及2，由下面的式(l)可计 算试样内表面各点的渗透比降(也是试样内的最大比降)；对于中间过流管内的水流速度大于 零时，则边界水流对渗流的影响体现在监测的总水头差Z1//，同样可采用式(l)计算试样内表 面的渗透比降，该数值称为表观渗透比降，这是因为水流的影响，使得不同的渗透比降对应 于同一个渗流强度，这不符合广泛适用于静水边界条件的传统渗流理论。图2示意了本专利技术的水流循环机制。两流作用室内的中间过流管与水流循环管道9顺直 连接，且内径相同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种模拟边界水流对渗流影响的方法，其特征在于：应用环柱土样渗流的轴对称特点，使得土样内表面各点的渗流要素相同；采用循环管流方式提供土体渗流的边界水流条件，根据管流的流速分布规律和流态变化特点，不同的管流流量，则代表不同的边界水流条件。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：谢立全，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]