CN110672497A - 一种多功能渗透管涌测试仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架、试样筒，试样筒由加载反力架上设置的支撑架固定，加载反力架的顶部固定设置有轴向加压器，试样筒的上部设置有试样筒顶帽，试样筒顶帽进水口连接有压力体积控制器，试样筒的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽，漏槽出水口与外部设置的泥沙水过滤装置相连接，试样筒的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器，试样筒的侧壁的上中下部位设置有土压力计，试样筒内部样品的上下部位设置有多孔渗透板。该测试仪采用计算机控制，用于测定粗粒土管涌渗透过程及反滤料作用过程的渗流流速、渗透系数、孔隙水压力、水力梯度、有效应力等参数，测量精度高、测量程序简便、测量方式简单。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程及岩土工程技术领域，具体涉及一种多功能渗透管涌测试仪。
背景技术
随着水利水电的发展及对水资源安全的要求，粗粒土的渗透稳定性是水利工程的重要指标。粗粒土是土石坝、堤防的主要填筑材料以及反滤材料，也是土力学的主要研究对象之一。土体在渗流作用下，产生内部侵蚀，形成管涌，发生渗漏破坏，并可能最终导致工程失事。因此研究土体的渗透性、管涌侵蚀机理以及抗渗破坏性能有重要意义。渗透是液体在多孔介质中运动的现象，这一现象表达的定量指标是渗透系数，在现行土工试验规程中推荐的为常水头渗透仪(砂性土)、变水头渗透仪(粘性土)来测量渗透系数。内部侵蚀是渗流路径(如:黏性材料的裂缝或无黏性材料的孔隙)的水流的侵蚀力(或冲蚀力)对土体颗粒的冲刷、侵蚀作用，使土体中的细颗粒不断流失，从而发生流土或管涌现象。内部侵蚀表现为土体渗透系数、水力梯度不断增大，并最终形成管涌路径。目前，现有的渗透变形测试仪不能反映作用在岩土体上的应力对渗透特性的影响，也不能表征管涌形成过程的细观机理，不能合理地评价岩土体渗控工程设计所需的临界水力坡度等指标。粗粒土的渗透参数的测量，如对粗粒土的渗透系数、干密度、孔隙率、渗透降坡，渗流流速一般为手动测量，现无***的设备来测试粗粒土的渗透参数，更没有微机控制的测量设备。现有的测量设备测量精度不高，测量程序繁琐，测量方式麻烦。由于存在超径颗粒，水分在粗粒土的渗透路径要比细粒土中复杂得多，常规渗透仪尺寸较小，将其用于粗粒土过程中不可避免遇到尺寸效应，个别粗大颗粒极大减小了水体在试样中的过水断面，为了得到真实可信的渗透系数，有必要将试样筒体加大至最大颗粒粒径数倍左右才能消除尺寸效应。
国内外已开展了一些探索性工作，针对复杂荷载影响下的土体侵蚀管涌机理，进行了一些相关仪器的研发及试验研究，大多是在现有三轴仪的基础上，改装了三轴仪的底座，并增加了砂水收集容器。这类仪器存在的主要缺陷在于，第一，试样的尺寸受三轴仪尺寸的影响，只能限定在一定的范围内，试验仪器不能避免颗粒尺寸带来的尺寸效应的影响；第二，试样装填在一定尺寸的橡胶膜内，受橡胶膜的影响不能测试试样局部范围的应力状态和孔隙水压力状态，试验仪器不能反映管涌形成过程中试样局部范围的临界状态。针对土体管涌侵蚀形成机理及侵蚀过程土体局部变化情况，有国外学者研制了相关的管涌侵蚀仪器，但是其在供水方面存在不足，只能完成常规的渗透供水(如常水头、常流速等)，无法满足目前高坝、高水头、大流量等特定的试验条件要求。而一些大尺寸的粗粒土渗透仪，虽然可以避免大颗粒带来的尺寸效应，但是仅能完成常规的渗透试验，仪器不能形成管涌路径，无法提供预防管涌的渗透参数。也有学者试制了粗粒土的管涌测试仪器，该仪器类似于国外常用的渗透破坏测试仪器，仅限于测试常规供水条件下的渗透破坏参数，且没有设置微机控制的测量装置，渗透参数需要进行手动测量，测量精度不高。此外，该仪器也不能反映管涌形成过程中，土体渗透及力学性能随时间和空间的变化。为了真实有效获取粗粒土的渗透参数及管涌破坏机理，亟待对现有渗透试验装置进行大幅扩容的同时，还要考虑如何有效获取管涌形成过程、形成机理及管涌侵蚀过程各类渗透参数及力学参数随时间和空间的变化规律，以期为大坝及堤防工程的渗控设计提供合理有效的参数，也为管涌侵蚀机理的理论研究提供合理的试验装置。
发明内容
本发明解决了现有技术存在的针对粗粒土的管涌渗透侵蚀发生过程、机理及局部土体的细观变化情况难以用各类室内渗透实验仪器进行完整、全面、***的表征，实验结果难以客观地反映粗粒土在管涌渗透侵蚀过程的渗透特性及力学性能变化机理等问题，提供一种多功能渗透管涌测试仪，该仪器能够对被保护土(基土)-反滤料进行反滤渗透试验，测试被保护土-反滤料复合土层，在轴向加载和不加载等不同荷载情况的渗透系数、渗透流量、出砂量、轴向应力、轴向应变、孔隙水压力、反滤渗透破坏情况，以及局部水力梯度变化等。该仪器能够进行粗粒土的垂直渗透试验，测试不同级配土体的渗透系数以及不同轴向加载情况下的渗透系数变化情况。该仪器能够进行各种粗粒土的渗透管涌侵蚀规律试验，测试不同上游水位变化模式情况下，土体内细颗粒的运移规律，土体局部位置孔隙水压力、有效应力变化，及局部临界水力梯度变化规律，从而得到复杂应力状态下土体的管涌侵蚀变化机理。
本发明通过以下技术方案实现：
一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架、试样筒，所述试样筒设置在加载反力架的内部，试样筒由加载反力架上设置的支撑架固定，所述加载反力架的顶部固定设置有轴向加压器，所述轴向加压器的下部设置有轴向加压杆，所述轴向加压杆上设置有位移传感器，所述试样筒的上部设置有试样筒顶帽，所述试样筒顶帽与试样筒由固定螺栓固定在一起，所述试样筒顶帽上设置有顶帽排气阀、试样筒顶帽进水口、中心孔，所述中心孔可穿过轴向加压杆，所述试样筒顶帽进水口连接有压力体积控制器，所述压力体积控制器与试样筒顶帽进水口之间管道上设置有电磁阀，所述试样筒的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽，所述试样筒底帽漏斗形漏槽的底部设置有漏槽出水口，所述漏槽出水口与外部设置的泥沙水过滤装置相连接，所述试样筒的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器，所述试样筒顶帽进水口、漏槽出水口处设置有水压传感器，所述试样筒的侧壁的上中下部位设置有土压力计，所述试样筒的内部装有样品，所述试样筒内部样品的上下部位设置有多孔渗透板，所述多孔渗透板与试样筒之间由设置的橡皮圈密封，所述多孔渗透板上设置有渗透孔，轴向加压杆可向下与多孔渗透板接触并向多孔渗透板施加压力。
目前，为了真实有效研究并获取在粗粒土在不同渗透条件下的管涌形成、发生、发展以及破坏的表现形式、过程、机理及各类渗透参数的变化情况，一般通过传统渗透仪或改制的三轴试验仪进行手动测量。由于管涌的形成和破坏过程是一个非常复杂的力学-水力学的耦合过程，其理论和试验积累都还不够成熟完善，现无***的设备来测试粗粒土的管涌参数，更没有微机控制的测量设备，所以本申请提供了一种多功能渗透管涌测试仪，本测试设备主要用于测试粗粒土的管涌发生破坏机理及不同级配被保护土(基土)-反滤料性能。设备通过设置的轴向加压器和下部设置的轴向加压杆进行轴向加载，通过位移传感器测量轴向位移。测试设备试样容器为有机玻璃圆筒型式，容器直径为300mm大于5倍最大颗粒粒径(颗粒级配中最大颗粒粒级可为60mm)，有效避免了存在超径颗粒带来的尺寸效应的影响。该设备符合中华人民共和国行业标准《土工试验规程》SL237—1999规定的粗颗粒土的渗透试验。设备采用并联的两台压力体积控制***进行渗透水流流速的控制(即通过水头压力差来计算渗透水流的流速，可进行恒流速或变流速的渗透试验)。渗透方式为底部进水顶部溢水口出水和顶部溢水口进水底部进水口出水两种方向的渗流方式，即可完成由下至上和由上至下两种渗透方向的供水模式。试样容器上、下两面装有多孔渗透板，多孔渗透板的开孔设计可保证管涌土形成管涌路径，且上多孔渗透板兼起传递荷载作用。该***使用配置的自动采集***采集记录试验全过程数据并传输至计算及硬盘，通过自编软件计算各类渗透参数，并可实时显示各类参数曲线，此外，压力体积控制器与计算机进行通信，可通过自编软件控制和记录水头压力数据。自编软件控制计算机自动或手动定时称量泥沙水过滤分离装置收集的液体，称量流水(重量)并与纯水比重相比较，求得流土中的含土量，确定试验破坏时间和流土状况。该设备可减少操作人员的劳动强度，是一套自动化程度很高的多功能渗透管涌测试仪器。在试验时分五层以上装样、击实，刮平顶面，安上无纺布，再放置上多孔渗透板。拧紧试样筒顶帽和试样筒之间的固定螺栓。为防止试验时试样向上膨胀，轴向采用100kN加载***进行加载，通过轴向加压杆作用于上多孔渗透板并将其压紧。装样结束后，按照《土工试验规程》SL237—1999所述的方法对粗粒土试样进饱和，饱和后开始试验。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述试样筒设置在加载反力架的内部，试样筒由加载反力架上设置的支撑架固定，所述加载反力架的顶部固定设置有轴向加压器，所述轴向加压器的下部设置有轴向加压杆，所述轴向加压杆上设置有位移传感器，所述试样筒的上部设置有试样筒顶帽，所述试样筒顶帽与试样筒由固定螺栓固定在一起，所述试样筒顶帽上设置有顶帽排气阀、试样筒顶帽进水口、中心孔，所述轴向加压杆可穿过中心孔，所述试样筒顶帽进水口连接有压力体积控制器，所述压力体积控制器通过聚四氟乙烯管与试样筒顶帽进水口之间的管道上设置有电磁阀，所述试样筒的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽，所述试样筒底帽漏斗形漏槽的底部设置有漏槽出水口，所述漏槽出水口通过聚四氟乙烯管与外部设置的泥沙水过滤分离装置相连接，所述试样筒的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器，所述试样筒顶帽进水口、漏槽出水口处设置有水压传感器，所述试样筒的侧壁的上中下部位设置有土压力计，所述试样筒的内部装有样品，所述试样筒内部样品的上下部位设置有多孔渗透板，所述多孔渗透板与试样筒之间由设置的橡皮圈密封，所述多孔渗透板上设置有渗透孔。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述测试仪可将压力体积控制器通过聚四氟乙烯管与下部漏槽出水口连接作为进水口，将试样筒顶帽进水口通过聚四氟乙烯管与泥沙水过滤分离装置作为出水口，使该测试仪对样品产生竖直向上的渗流并测试。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述压力体积控制器设置有两台，每台压力体积控制器上设置有一个电磁阀控制开关，所设置的两台压力体积控制器并联连接在实验的过程中，根据每次试验水头压力要求，在计算机软件上设定试验所需的压力值后，通过计算机操作并联的两台压力体积控制器实现***压力水头的变化控制。一台体积控制器工作时，另一台抽水并加压至设定压力值，当第一台内的水渗透到设定限值时，通过电磁阀快速切换到第二台进行工作，从而保证水头压力的恒定或均匀变化，并且在两个压力体积控制器的配合下能够达到无限量供水体积。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，
1)所述压力体积控制器(9)提供最大压力为：3MPa，即最大压力水头为：300m。压力水头的计算公式如下：
hp＝p/γw
其中：hp-压力水头，m；p-压力体积控制器(9)提供的压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3。
2)所述压力体积控制器提供：0MPa→3MPa的线性增压模式和3MPa→0MPa的线性减压模式。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述有机玻璃试样筒内壁采用聚四氟乙烯涂层技术处理。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述玻璃试样筒依次等间距布置5个测压孔和土压力计接口孔，并分别与水压传感器和土压力计连接。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述测试仪可将下部漏槽出水口作为进水口，将试样筒顶帽进水口作为出水口，逆向使用该测试仪对样品进行测试。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述水压传感器、轴向加压器、位移传感器、土压力计均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述的一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性试样烘干，进行颗粒分析试验，绘制试样级配曲线。用O型密封圈将多孔渗透板安装至试样筒底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网。
步骤2、按照设计的密实度，分层装填试样，每层土样高度不能超过土压力计底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理试样表面。在试样筒顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板，将试样筒置于支撑架上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽和试样筒顶帽，并分别连接至压力体积控制器和泥沙水过滤装置。
步骤3、打开压力体积控制器的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀，关闭泥沙水过滤装置的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器并给压力体积控制器施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀有水流溢出，在顶帽排气阀连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡。
步骤4、关闭顶帽排气阀，控制轴向加压器通过轴向加压杆向多孔渗透板施加5N的轴向力，使轴向加压杆与多孔渗透板接触，多孔渗透板与试样顶部紧密接触。
步骤5、将压力体积控制器通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽，泥沙水过滤装置通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽，打开压力体积控制器的进水阀门和泥沙水过滤装置的止水阀门，形成由下向上的渗流路径。逐级升高压力体积控制器的供水压力，逐级记录时间、水压传感器、土压力计、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力pi、水力梯度ii、渗透系数ki、有效应力。每一土层的渗透系数ki和水力梯度ii的计算如下：
其中：pi-第i土层的水压传感器测得的孔隙水压力，kPa；pi+1-第i+1土层的水压传感器测得的孔隙水压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；Δli-第i土层的竖向厚度，m；ii-第i土层的水力梯度；Q-渗透流量，m3/s；A-土层的横截面积，m2；ki-第i土层的渗透系数，m/s。
进一步的，一种多功能渗透管涌测试仪，所述的一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性基土和反滤料试样烘干，进行颗粒分析试验，分别绘制基土和反滤料试样级配曲线。用O型密封圈将多孔渗透板安装至试样筒底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网。
步骤2、按照设计的基土厚度和密实度，依次分层装填基土试样，每层土样高度不能超过土压力计底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理基土试样表面，使试样表面平整。在基土试样表面依次分层装填反滤料试样并分别整平、击实，至设计反滤层厚度。在反滤料顶部分层装填一定厚度的卵石层。在试样筒顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板，将试样筒置于支撑架上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽和试样筒顶帽，并分别连接至压力体积控制器和泥沙水过滤装置。
步骤3、打开压力体积控制器的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀，关闭泥沙水过滤装置的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器并给压力体积控制器施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀有水流溢出，在顶帽排气阀连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡。
步骤4、关闭顶帽排气阀，控制轴向加压器通过轴向加压杆向多孔渗透板施加5N的轴向力，使轴向加压杆与多孔渗透板接触，多孔渗透板与试样顶部紧密接触。
步骤5、将压力体积控制器通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽，泥沙水过滤装置通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽，打开压力体积控制器的进水阀门和泥沙水过滤装置的止水阀门，形成由下向上的渗流路径。逐级升高压力体积控制器的供水压力，逐级记录时间、水压传感器、土压力计、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力pi、水力梯度ii、渗透系数ki、有效应力。每一土层的渗透系数ki和水力梯度ii的计算如下：
其中：pi-第i土层的水压传感器测得的孔隙水压力，kPa；pi+1-第i+1土层的水压传感器测得的孔隙水压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；Δli-第i土层的竖向厚度，m；ii-第i土层的水力梯度；Q-渗透流量，m3/s；A-土层的横截面积，m2；ki-第i土层的渗透系数，m/s。
综上所述，本发明的以下有益效果：
1、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，该仪器能够对多种土体-反滤层进行反滤渗透试验，测试多种土体-反滤层复合土层，在轴向加载和不加载等不同荷载情况的渗透系数、渗透流量、出砂量、轴向应力、轴向应变、孔隙水压力、反滤渗透破坏情况，以及局部水力梯度变化等。该仪器能够进行粗粒土的垂直渗透试验，测试不同级配土体的渗透系数以及不同轴向加载情况下的渗透系数变化情况。该仪器能够进行各种粗粒土的渗透管涌侵蚀规律试验，测试不同上游水位变化模式情况下，土体内细颗粒的运移规律，土体局部位置孔隙水压力、有效应力变化，及局部临界水力梯度变化规律，从而得到复杂应力状态下土体的管涌侵蚀变化机理。
2、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，解决了粗粒土的管涌渗透侵蚀发生过程、机理及局部土体的细观变化情况难以用各类室内渗透实验仪器进行完整、全面、***的表征，实验结果难以客观地反映粗粒土在管涌渗透侵蚀过程的渗透特性及力学性能变化机理等问题，能够测试管涌开始、发生、发展及破坏等阶段，土体从上到下不同位置的渗透参数随时间的变化情况，为管涌的理论研究和试验研究提供有力工具。
3、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，解决了现有土体管涌-应力测试装置受试样尺寸影响，不能有效测试粗粒土的管涌过程应力变化情况和受超径颗粒影响存在尺寸效应影响的情况。
4、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，该测试仪的各部件之间组合方式巧妙、高效、紧密，测试仪采用计算机控制，渗透水流可以从下向上或者从上向下，适用于粗粒土和各类散粒土，用于测定粗粒土的孔隙水压力、渗透系数、水力梯度，渗流流速等参数，测量精度高，测量程序简便，测量方式简单。
5、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，解决了传统渗透仪仅通过出砂量来判断反滤性能的缺陷，该仪器能够测试被保护土(基土)-反滤料复合土层，在轴向加载和不加载等不同荷载情况的渗透系数、渗透流量、出砂量、轴向应力、轴向应变、孔隙水压力、局部水力梯度等参数，从而可通过多种复合参数来合理判断被保护土层的各种反滤层适用范围。
6、本发明一种多功能渗透管涌测试仪，通过所设置的两台并联的压力体积控制器，可以为测试仪提供无限量供水体积，解决了现有粗粒土渗透仪需要反复人工补水的缺陷；通过压力体积控制器可提供最大3MPa的渗透水压，且渗透水压可以线性增加(降低)进行循环往复变化，真正模拟现有水利工程面临的高水头、大流速、水位升降变化的特定试验条件。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明多孔渗透板结构示意图。
附图中标记及对应的零部件名称：
1-轴向加压器，2-轴向加压杆，3-试样筒顶帽，4-多孔渗透板，5-样品，6-水压传感器，7-土压力计，8-试样筒顶帽进水口，9-压力体积控制器，10-电磁阀，11-试样筒，12-试样筒底帽漏斗形漏槽，13-漏槽出水口，14-固定螺栓，15-加载反力架，16-泥沙水过滤分离装置，17-橡皮圈，18-渗透孔，19-顶帽排气阀，20-支撑架，21-位移传感器，22-中心孔。
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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例1
如图1-2所示，一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架15、试样筒11，所述试样筒11设置在加载反力架15的内部，试样筒11由加载反力架15上设置的支撑架20固定，所述加载反力架15的顶部固定设置有轴向加压器1，所述轴向加压器1的下部设置有轴向加压杆2，所述轴向加压杆2上设置有位移传感器21，所述试样筒11的上部设置有试样筒顶帽3，所述试样筒顶帽3与试样筒11由固定螺栓14固定在一起，所述试样筒顶帽3上设置有顶帽排气阀19、试样筒顶帽进水口8、中心孔22，所述轴向加压杆2可穿过中心孔22，所述试样筒顶帽进水口8连接有压力体积控制器9，所述压力体积控制器9通过聚四氟乙烯管与试样筒顶帽进水口8之间的管道上设置有电磁阀10，所述试样筒11的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽12，所述试样筒底帽漏斗形漏槽12的底部设置有漏槽出水口13，所述漏槽出水口13通过聚四氟乙烯管与外部设置的泥沙水过滤分离装置16相连接，所述试样筒11的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器6，所述试样筒顶帽进水口8、漏槽出水口13处设置有水压传感器6，所述试样筒11的侧壁的上中下部位设置有土压力计7，所述试样筒11的内部装有样品5，所述试样筒11内部样品5的上下部位设置有多孔渗透板4，所述多孔渗透板4与试样筒11之间由设置的橡皮圈17密封，所述多孔渗透板4上设置有渗透孔18，所述测试仪可将压力体积控制器9通过聚四氟乙烯管与下部漏槽出水口13连接作为进水口，将试样筒顶帽进水口8通过聚四氟乙烯管与泥沙水过滤分离装置16作为出水口，使该测试仪对样品产生竖直向上的渗流并测试，所述压力体积控制器9设置有两台，每台压力体积控制器9上设置有一个电磁阀10控制开关，所设置的两台压力体积控制器9并联连接在实验的过程中，根据每次试验水头压力要求，在计算机软件上设定试验所需的压力值后，通过计算机操作并联的两台压力体积控制器10实现***压力水头的变化控制。一台体积控制器工作时，另一台抽水并加压至设定压力值，当第一台内的水渗透到设定限值时，通过电磁阀快速切换到第二台进行工作，从而保证水头压力的恒定或均匀变化，并且在两个压力体积控制器10的配合下能够达到无限量供水体积，所述压力体积控制器9提供最大压力为：3MPa，即最大压力水头为：300m；压力水头的计算公式如下：hp＝p/γw，其中：hp-压力水头，m；p-压力体积控制器9提供的压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；所述压力体积控制器9提供：0MPa→3MPa的线性增压模式和3MPa→0MPa的线性减压模式，所述有机玻璃试样筒11内壁采用聚四氟乙烯涂层技术处理，所述玻璃试样筒11依次等间距间隔布置3-5个测压孔和3-5个土压力计接口孔，并分别与水压传感器6和土压力计7连接，所述水压传感器6、轴向加压器1、位移传感器21、土压力计7均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储，一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性试样烘干，进行颗粒分析试验，绘制试样级配曲线，用O型密封圈将多孔渗透板4安装至试样筒11底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网；
步骤2、按照设计的密实度，分层装填试样，每层土样高度不能超过土压力计7底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理试样表面。在试样筒4顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板4，将试样筒4置于支撑架20上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽12和试样筒顶帽3，并分别连接至压力体积控制器9和泥沙水过滤装置16；
步骤3、打开压力体积控制器9的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀19，关闭泥沙水过滤装置16的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器9并给压力体积控制器9施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀19有水流溢出，在顶帽排气阀19连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡；
步骤4、关闭顶帽排气阀19，控制轴向加压器1通过轴向加压杆2向多孔渗透板4施加5N的轴向力，使轴向加压杆2与多孔渗透板4接触，多孔渗透板4与试样顶部紧密接触；
步骤5、将压力体积控制器9通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽12，泥沙水过滤装置16通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽3，打开压力体积控制器9的进水阀门和泥沙水过滤装置16的止水阀门，形成由下向上的渗流路径。逐级升高压力体积控制器9的供水压力，逐级记录时间、水压传感器6、土压力计7、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力p、渗透系数ki、水利梯度、有效应力；
所述水压传感器6、轴向加压器1、位移传感器21、土压力计7均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
实施例2
如图1-2所示，一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架15、试样筒11，所述试样筒11设置在加载反力架15的内部，试样筒11由加载反力架15上设置的支撑架20固定，所述加载反力架15的顶部固定设置有轴向加压器1，所述轴向加压器1的下部设置有轴向加压杆2，所述轴向加压杆2上设置有位移传感器21，所述试样筒11的上部设置有试样筒顶帽3，所述试样筒顶帽3与试样筒11由固定螺栓14固定在一起，所述试样筒顶帽3上设置有顶帽排气阀19、试样筒顶帽进水口8、中心孔22，所述轴向加压杆2可穿过中心孔22，所述试样筒顶帽进水口8连接有压力体积控制器9，所述压力体积控制器9通过聚四氟乙烯管与试样筒顶帽进水口8之间的管道上设置有电磁阀10，所述试样筒11的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽12，所述试样筒底帽漏斗形漏槽12的底部设置有漏槽出水口13，所述漏槽出水口13通过聚四氟乙烯管与外部设置的泥沙水过滤分离装置16相连接，所述试样筒11的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器6，所述试样筒顶帽进水口8、漏槽出水口13处设置有水压传感器6，所述试样筒11的侧壁的上中下部位设置有土压力计7，所述试样筒11的内部装有样品5，所述试样筒11内部样品5的上下部位设置有多孔渗透板4，所述多孔渗透板4与试样筒11之间由设置的橡皮圈17密封，所述多孔渗透板4上设置有渗透孔18，所述测试仪可将压力体积控制器9通过聚四氟乙烯管与下部漏槽出水口13连接作为进水口，将试样筒顶帽进水口8通过聚四氟乙烯管与泥沙水过滤分离装置16作为出水口，使该测试仪对样品产生竖直向上的渗流并测试，所述压力体积控制器9设置有两台，每台压力体积控制器9上设置有一个电磁阀10控制开关，所设置的两台压力体积控制器9并联连接在实验的过程中，根据每次试验水头压力要求，在计算机软件上设定试验所需的压力值后，通过计算机操作并联的两台压力体积控制器10实现***压力水头的变化控制。一台体积控制器工作时，另一台抽水并加压至设定压力值，当第一台内的水渗透到设定限值时，通过电磁阀快速切换到第二台进行工作，从而保证水头压力的恒定或均匀变化，并且在两个压力体积控制器10的配合下能够达到无限量供水体积，所述压力体积控制器9提供最大压力为：3MPa，即最大压力水头为：300m；压力水头的计算公式如下：hp＝p/γw，其中：hp-压力水头，m；p-压力体积控制器9提供的压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；所述压力体积控制器9提供：0MPa→3MPa的线性增压模式和3MPa→0MPa的线性减压模式，所述有机玻璃试样筒11内壁采用聚四氟乙烯涂层技术处理，所述玻璃试样筒11依次等间距间隔布置3-5个测压孔和3-5个土压力计接口孔，并分别与水压传感器6和土压力计7连接，所述水压传感器6、轴向加压器1、位移传感器21、土压力计7均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性基土和反滤料试样烘干，进行颗粒分析试验，分别绘制基土和反滤料试样级配曲线。用O型密封圈将多孔渗透板4安装至试样筒11底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网；
步骤2、按照设计的基土厚度和密实度，依次分层装填基土试样，每层土样高度不能超过土压力计7底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理基土试样表面，使试样表面平整。在基土试样表面依次分层装填反滤料试样并分别整平、击实，至设计反滤层厚度。在反滤料顶部分层装填一定厚度的卵石层。在试样筒4顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板4，将试样筒4置于支撑架20上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽12和试样筒顶帽3，并分别连接至压力体积控制器9和泥沙水过滤装置16；
步骤3、打开压力体积控制器9的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀19，关闭泥沙水过滤装置16的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器9并给压力体积控制器9施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀19有水流溢出，在顶帽排气阀19连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡；
步骤4、关闭顶帽排气阀19，控制轴向加压器1通过轴向加压杆2向多孔渗透板4施加5N的轴向力，使轴向加压杆2与多孔渗透板4接触，多孔渗透板4与试样顶部紧密接触；
步骤5、将压力体积控制器9通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽12，泥沙水过滤装置16通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽3，打开压力体积控制器9的进水阀门和泥沙水过滤装置16的止水阀门，形成由下向上的渗流路径。逐级升高压力体积控制器9的供水压力，逐级记录时间、水压传感器6、土压力计7、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力p、渗透系数ki、水利梯度、有效应力，所述水压传感器6、轴向加压器1、位移传感器21、土压力计7均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能渗透管涌测试仪，包括加载反力架(15)、试样筒(11)，其特征在于，所述试样筒(11)设置在加载反力架(15)的内部，试样筒(11)由加载反力架(15)上设置的支撑架(20)固定，所述加载反力架(15)的顶部固定设置有轴向加压器(1)，所述轴向加压器(1)的下部设置有轴向加压杆(2)，所述轴向加压杆(2)上设置有位移传感器(21)，所述试样筒(11)的上部设置有试样筒顶帽(3)，所述试样筒顶帽(3)与试样筒(11)由固定螺栓(14)固定在一起，所述试样筒顶帽(3)上设置有顶帽排气阀(19)、试样筒顶帽进水口(8)、中心孔(22)，所述轴向加压杆(2)可穿过中心孔(22)，所述试样筒顶帽进水口(8)连接有压力体积控制器(9)，所述压力体积控制器(9)通过聚四氟乙烯管与试样筒顶帽进水口(8)之间的管道上设置有电磁阀(10)，所述试样筒(11)的底部设置有试样筒底帽漏斗形漏槽(12)，所述试样筒底帽漏斗形漏槽(12)的底部设置有漏槽出水口(13)，所述漏槽出水口(13)通过聚四氟乙烯管与外部设置的泥沙水过滤分离装置(16)相连接，所述试样筒(11)的侧壁上由上至下均匀设置有水压传感器(6)，所述试样筒顶帽进水口(8)、漏槽出水口(13)处设置有水压传感器(6)，所述试样筒(11)的侧壁的上中下部位设置有土压力计(7)，所述试样筒(11)的内部装有样品(5)，所述试样筒(11)内部样品(5)的上下部位设置有多孔渗透板(4)，所述多孔渗透板(4)与试样筒(11)之间由设置的橡皮圈(17)密封，所述多孔渗透板(4)上设置有渗透孔(18)。
2.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述测试仪可将压力体积控制器(9)通过聚四氟乙烯管与下部漏槽出水口(13)连接作为进水口，将试样筒顶帽进水口(8)通过聚四氟乙烯管与泥沙水过滤分离装置(16)作为出水口，使该测试仪对样品产生竖直向上的渗流并测试。
3.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述压力体积控制器(9)设置有两台，每台压力体积控制器(9)上设置有一个电磁阀(10)控制开关，所设置的两台压力体积控制器(9)并联连接在实验的过程中，根据每次试验水头压力要求，在计算机软件上设定试验所需的压力值后，通过计算机操作并联的两台压力体积控制器(9)实现***压力水头的变化控制；一台体积控制器工作时，另一台抽水并加压至设定压力值，当第一台内的水渗透到设定限值时，通过电磁阀快速切换到第二台进行工作，从而保证水头压力的恒定或均匀变化，并且在两个压力体积控制器(9)的配合下能够达到无限量供水体积。
4.根据权利要求3所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述压力体积控制器(9)提供最大压力为：3MPa，即最大压力水头为：300m；压力水头的计算公式如下：
hp＝p/γw
其中：hp-压力水头，m；p-压力体积控制器(9)提供的压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；所述压力体积控制器(9)提供：0MPa→3MPa的线性增压模式和3MPa→0MPa的线性减压模式。
5.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述有机玻璃试样筒(11)内壁采用聚四氟乙烯涂层技术处理。
6.根据权利要求5所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述试样筒(11)依次等间距间隔布置3-5个测压孔和3-5个土压力计接口孔，并分别与水压传感器(6)和土压力计(7)连接。
7.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述水压传感器(6)、轴向加压器(1)、位移传感器(21)、土压力计(7)均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
8.根据权利要求1～7任意一项所述的一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性试样烘干，进行颗粒分析试验，绘制试样级配曲线，用O型密封圈将多孔渗透板(4)安装至试样筒(11)底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网；
步骤2、按照设计的密实度，分层装填试样，每层土样高度不能超过土压力计(7)底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理试样表面；在试样筒(11)顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板(4)，将试样筒(11)置于支撑架(20)上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽(12)和试样筒顶帽(3)，并分别连接至压力体积控制器(9)和泥沙水过滤分离装置(16)；
步骤3、打开压力体积控制器(9)的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀(19)，关闭泥沙水过滤分离装置(16)的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器(9)并给压力体积控制器(9)施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀(19)有水流溢出，在顶帽排气阀(19)连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡；
步骤4、关闭顶帽排气阀(19)，控制轴向加压器(1)通过轴向加压杆(2)向多孔渗透板(4)施加5N的轴向力，使轴向加压杆(2)与多孔渗透板(4)接触，多孔渗透板(4)与试样顶部紧密接触；
步骤5、将压力体积控制器(9)通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽(12)，泥沙水过滤分离装置(16)通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽(3)，打开压力体积控制器(9)的进水阀门和泥沙水过滤分离装置(16)的止水阀门，形成由下向上的渗流路径；逐级升高压力体积控制器(9)的供水压力，逐级记录时间、水压传感器(6)、土压力计(7)、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力pi、水力梯度ii、渗透系数ki、有效应力；每一土层的渗透系数ki和水力梯度ii的计算如下：
其中：pi-第i土层的水压传感器(6)测得的孔隙水压力，kPa；pi+1-第i+1土层的水压传感器(6)测得的孔隙水压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；Δli-第i土层的竖向厚度，m；ii-第i土层的水力梯度；Q-渗透流量，m3/s；A-土层的横截面积，m2；ki-第i土层的渗透系数，m/s。
9.根据权利要求1～7任意一项所述的一种多功能渗透管涌测试仪试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、选取代表性基土和反滤料试样烘干，进行颗粒分析试验，分别绘制基土和反滤料试样级配曲线；用O型密封圈将多孔渗透板(4)安装至试样筒(11)底部，并在多孔渗透板上部安装金属滤网；
步骤2、按照设计的基土厚度和密实度，依次分层装填基土试样，每层土样高度不能超过土压力计(7)底部高度，并进行人工击实，达到要求的密实度和高度后，清理基土试样表面，使试样表面平整；在基土试样表面依次分层装填反滤料试样并分别整平、击实，至设计反滤层厚度；在反滤料顶部分层装填一定厚度的卵石层；在试样筒(11)顶部安装钢丝滤网和多孔渗透板(4)，将试样筒(11)置于支撑架(20)上，安装好试样筒底帽漏斗形漏槽(12)和试样筒顶帽(3)，并分别连接至压力体积控制器(9)和泥沙水过滤分离装置(16)；
步骤3、打开压力体积控制器(9)的进水阀门，打开试样筒顶帽排气阀(19)，关闭泥沙水过滤分离装置(16)的止水阀门，通过计算计软件调试压力体积控制器(9)并给压力体积控制器(9)施加10kPa的压力，让水缓慢渗流通过试样，直至顶帽排气阀(19)有水流溢出，在顶帽排气阀(19)连接聚四氟乙烯导管至一个10L塑料桶，让水流缓慢流进塑料桶3h以上，以完全排出试样中气泡；
步骤4、关闭顶帽排气阀(19)，控制轴向加压器(1)通过轴向加压杆(2)向多孔渗透板(4)施加5N的轴向力，使轴向加压杆(2)与多孔渗透板(4)接触，多孔渗透板(4)与试样顶部紧密接触；
步骤5、将压力体积控制器(9)通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒底帽漏斗形漏槽(12)，泥沙水过滤分离装置(16)通过聚四氟乙烯导管连接至试样筒顶帽(3)，打开压力体积控制器(9)的进水阀门和泥沙水过滤分离装置(16)的止水阀门，形成由下向上的渗流路径；逐级升高压力体积控制器(9)的供水压力，逐级记录时间、水压传感器(6)、土压力计(7)、位移传感器、渗透流量Q、渗出细颗粒量等数据，并计算每个时间段内，试样不同深度土层的孔隙水压力pi、水力梯度ii、渗透系数ki、有效应力；每一土层的渗透系数ki和水力梯度ii的计算如下：
其中：pi-第i土层的水压传感器(6)测得的孔隙水压力，kPa；pi+1-第i+1土层的水压传感器(6)测得的孔隙水压力，kPa；γw-水的重度，kN/m3；Δli-第i土层的竖向厚度，m；ii-第i土层的水力梯度；Q-渗透流量，m3/s；A-土层的横截面积，m2；ki-第i土层的渗透系数，m/s。
10.根据权利要求1所述的一种多功能渗透管涌测试仪，其特征在于，所述水压传感器(6)、轴向加压器(1)、位移传感器(21)、土压力计(7)均与外部设置的数据采集计算机相连接，由数据采集仪自动采集数据，并由内部软件进行不同工况的数据计算和分类存储。
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