CN109813621A - 一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置及其试验方法 - Google Patents
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- Investigation Of Foundation Soil And Reinforcement Of Foundation Soil By Compacting Or Drainage (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，包括试验箱和可升降的高位水箱，试验箱的两端设置有试验箱进水口和试验箱出水口，试验箱中部设置有岩块组，岩块组由四块软弱岩块经切割打磨成长条形后呈“田”字形排列，试验箱内位于岩块组两侧均设置有整流件，试验箱位于岩块组和整流件的底部设置有测压管，高位水箱通过进水管与试验箱相连通，进水管一端与高位水箱底部连接，另一端与试验箱进水口可拆卸连接；该基岩软弱结构面水力冲刷试验装置可验证基岩软弱结构面在适当条件下可形成渗漏通道，结构新颖，操作方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置及其试验方法。
背景技术
堤坝渗漏隐患直接影响着堤坝的安全。针对以往对堤坝基岩软弱结构形成集中渗漏通道研究的不足，急需发明一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，以解决现有技术的不足。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的缺陷，提供一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置及其试验方法，可验证基岩软弱结构面在适当条件下可形成渗漏通道，结构新颖，操作方便。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，包括试验箱和可升降的高位水箱，所述试验箱的两端设置有试验箱进水口和试验箱出水口，所述试验箱中部设置有岩块组，所述岩块组由四块软弱岩块经切割打磨成长条形后呈“田”字形排列，试验箱内位于岩块组两侧均设置有整流件，试验箱位于岩块组和整流件的底部设置有测压管，高位水箱通过进水管与试验箱相连通，进水管一端与高位水箱底部连接，另一端与试验箱进水口可拆卸连接。
为了进一步实现本发明，所述岩块组与试验箱的接触面用环氧树脂密封。
为了进一步实现本发明，位于试验箱进水口和岩块组之间的整流件包括第一整流板和第二整流板，位于试验箱出水口和岩块组之间的整流件包括第三整流板。
为了进一步实现本发明，所述第一整流板和第二整流板相互平行设置。
为了进一步实现本发明，所述第一整流板、第二整流板和第三整流板的四周与试验箱的内壁固定连接。
为了进一步实现本发明，所述进水管上设置有流量计。
一种基岩软弱结构面水力冲刷试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使高位水箱处于试验的最高位，用高位水箱对试验箱进行充水，并将试验箱的气体排出；
S2.往试验箱内加入示踪剂，示踪剂从试验箱进水口处流入，最后向试验箱出水口流出，直至整个箱体充满示踪剂时，示踪试验结束。
S3.通过逐渐降低高位水箱的高度使水流逐渐变小并趋向稳定。
S4.将进水管的末端从试验箱进水口拆除并接入试验箱出水口，使试验箱进水口和试验箱出水口功能对调，然后逐渐升高高位水箱的高度使水流逐渐变大至高位水箱处于试验的最高位，稳定一段时间后试验结束。
为了进一步实现本发明，所述示踪剂为墨水。
有益效果
本发明通过设置试验箱和可升降的高位水箱，试验箱中部设置有岩块组，岩块组由四块软弱岩块经切割打磨成长条形后呈“田”字形排列，可验证基岩软弱结构面在适当条件下可形成渗漏通道，结构新颖，操作方便。
附图说明
图1为本发明基岩软弱结构面水力冲刷试验装置的结构示意图；
图2为本发明基岩软弱结构面水力冲刷试验装置中岩块组的结构示意图；
图3为水力坡降J变化图；
图4为渗透系数K变化图；
图5为等效水力隙宽b变化图；
图6为冲刷试验J-K图；
图7为冲刷试验J-V图；
图8为冲刷试验J-Q图；
图9为冲刷试验b-J图。
附图标记说明
1、试验箱；11、试验箱进水口；12、试验箱出水口；13、岩块组；131、环氧树脂；14、第一整流板；15、第二整流板；16、第三整流板；17、测压管；2、高位水箱；21、水箱进水口；22、水箱出水口；3、进水管；31、流量计。
具体实施方式
以下实施例是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例一
如图1-图2所示，本发明基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，包括试验箱1和可升降的高位水箱2，其中：
试验箱1采用有机玻璃制成，试验箱1的两端设置有试验箱进水口11和试验箱出水口12，试验箱1中部设置有岩块组13，岩块组13由四块软弱岩块经切割打磨成长条形后呈“田”字形排列，岩块之间的“十”字缝模拟软弱结构面，岩块组13与试验箱的接触面用环氧树脂131密封，以使水流全部流经由“十”字缝流出。
试验箱1内位于岩块组13两侧均设置有整流件，位于试验箱进水口11和岩块组13之间的整流件包括第一整流板14和第二整流板15，第一整流板14和第二整流板15相互平行设置，位于试验箱1出水口和岩块组13之间的整流件包括第三整流板16，第一整流14板、第二整流板15和第三整流板16的四周与试验箱1的内壁固定连接。
试验箱1位于岩块组13和整流件的底部设置有测压管17。
高位水箱2通过进水管3与试验箱1相连通，进水管3一端与高位水箱2底部连接，另一端与试验箱进水口11可拆卸连接，进水管3上设置有流量计31，用于检测从高位水箱2流至试验箱1的水的流量。
高位水箱2侧面上设置有水箱进水口21和水箱出水口22。
一种基岩软弱结构面水力冲刷试验方法，
包括以下步骤；
步骤1，使高位水箱处于试验的最高位，用高位水箱对试验箱进行充水，这一过程试验箱会产生气泡，将试验箱的气体排出。
步骤2，用墨水作为示踪剂，往试验箱内加入示踪剂，示踪剂从试验箱进水口处流入，由于岩块前后均竖有带筛孔的整流板，对水水流有缓冲作用，示踪剂在整流板前与水流混合在一起，然后通过裂隙，在裂隙出口与整流板之间与水流混合并趋向均匀，最后向试验箱出水口流出，直至整个箱体充满示踪剂时，示踪试验结束，
步骤3，通过逐渐降低高位水箱的高度使水流逐渐变小并趋向稳定；
步骤4，将进水管的末端从试验箱进水口拆除并接入试验箱出水口，使试验箱进水口和试验箱出水口功能对调，然后逐渐升高高位水箱的高度使水流逐渐变大至高位水箱处于试验的最高位，稳定一段时间后试验结束。
从示踪试验中可知，由于裂隙的存在，大部分水流沿裂隙快速通过，即展示了优势流的存在，使裂隙附近的岩体受水流作用力更大，更有利于软弱结构面的冲蚀发展。
试验过程中的前一段时间每天测量、记录2次，接下来每天观测一次，然后2～4天观测一次。观测项目有：渗流量变化、测压管水头变化等。
试验原始数据如下表1
表1水力冲刷试验数据
试验数据处理方法
试验中实测数据有：渗流量Q(m3/s)，上下游水位H1、H2(m)，试验前裂隙宽度b0(mm)，渗径L(m)。
垂直于水流方向的裂隙面积
A＝L1b01+L2b02-b01b02 (1)
渗透渗速
平均水力坡降
渗透系数
等效水力隙宽
式中，A为垂直于水流方向的裂隙面积，V为渗透渗速，J为平均水力坡降，K为渗透系数，b01、b02分别为试验前水平、竖直方向裂隙宽度，b为等效水力隙宽，L1为垂直于水流方向、水平方向裂隙长度，L2为垂直于水流方向、竖直方向裂隙长度，ν为水的运动黏度，g为重力加速度。
根据试验测得数据就可求出J、K、b，绘于3-图5中。从图3-图5中可看出，J先变大后变小，而K、b正好相反。
为了进一步探求J、K、V、Q、b各量之间的内在联系，分别绘制J-K、J-V、J-Q、b-J关系曲线图(图6～图9)。从这些图中可知，由于2007年3月13日对调了进出水口，试验数据总的变化趋势是，水力坡降J先增大后减小，渗透系数K先减小后增大，等效水力隙宽b先减小后增大。试验中，水力坡降J从0.875增加到4.05，然后又降至0.5，并在试验快结束时趋于稳定。渗透系数K从31.4降至7.4cm/s，然后又增大至52.1，并在试验范围内趋于稳定。等效水力隙宽b从0.6mm减小至0.3mm，然后逐渐上升，至0.8mm时试验结束。从图中还可看出，裂隙渗透系数K、流量Q、等效水力隙宽b随着水力坡降J的增大而变小，而流速V随J的增加而略有增加，变化较小。这是因为当裂隙趋向淤积变小时，b变小，J增大，表明阻力增大，因此，K变小，Q也变小，而流速略有变化，当裂隙趋于冲蚀时，情况刚好相反。
试验表明：岩体裂隙在地下水作用下裂隙宽度先变小，具有淤积趋势，对调出水口后，随着水力坡降的增加，裂隙面附近颗粒被水流带走，裂隙宽度变大。在地下水流向改变条件下，岩体裂隙逐渐变大。实际情况中，特别是堤坝，江水位频繁升降，地下水流向也频繁交替，软弱结构面受水流冲刷隙宽逐渐变大，在适当的条件下，最终可形成集中渗漏通道。因此，这种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，可验证基岩软弱结构面在适当条件下可形成渗漏通道。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，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。
Claims (8)
1.一种基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，包括试验箱和可升降的高位水箱，所述试验箱的两端设置有试验箱进水口和试验箱出水口，所述试验箱中部设置有岩块组，所述岩块组由四块软弱岩块经切割打磨成长条形后呈“田”字形排列，试验箱内位于岩块组两侧均设置有整流件，试验箱位于岩块组和整流件的底部设置有测压管，高位水箱通过进水管与试验箱相连通，进水管一端与高位水箱底部连接，另一端与试验箱进水口可拆卸连接。
2.根据权利要求1所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，所述岩块组与试验箱的接触面用环氧树脂密封。
3.根据权利要求1所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，位于试验箱进水口和岩块组之间的整流件包括第一整流板和第二整流板，位于试验箱出水口和岩块组之间的整流件包括第三整流板。
4.根据权利要求3所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，所述第一整流板和第二整流板相互平行设置。
5.根据权利要求3所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，所述第一整流板、第二整流板和第三整流板的四周与试验箱的内壁固定连接。
6.根据权利要求1所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验装置，其特征在于，所述进水管上设置有流量计。
7.一种采用如权利要求1～6任一所述试验装置的基岩软弱结构面水力冲刷试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.使高位水箱处于试验的最高位，用高位水箱对试验箱进行充水，并将试验箱的气体排出；
S2.往试验箱内加入示踪剂，示踪剂从试验箱进水口处流入，最后向试验箱出水口流出，直至整个箱体充满示踪剂时，示踪试验结束。
S3.通过逐渐降低高位水箱的高度使水流逐渐变小并趋向稳定。
S4.将进水管的末端从试验箱进水口拆除并接入试验箱出水口，使试验箱进水口和试验箱出水口功能对调，然后逐渐升高高位水箱的高度使水流逐渐变大至高位水箱处于试验的最高位，稳定一段时间后试验结束。
8.根据权利要求7所述的基岩软弱结构面水力冲刷试验方法，其特征在于，所述示踪剂为墨水。
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