CN111060435A - 一种井点降水地下水渗流规律试验的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及岩土工程渗流实验用具，具体为一种井点降水地下水渗流规律试验的装置及方法。包括实验模型装置、水位控制装置和流量监测装置。实验模型装置包括有试验模型箱，试验模型箱内设置有竖向放置的滤板，实验模型箱一侧壁面上方开孔作为水位控制出水管口，水位控制出水管口的上方安装水龙头，水位控制出水管口下侧与右侧安装有水平放置的滤片及竖直放置水位隔板；实验模型箱另一侧安装降水管，降水管一端伸入在试验模型箱底部；水位隔板、滤片与滤板之间区域内部放置岩土试样，岩土试样内部等距安装若干渗压计。本发明提供的一种模拟试验装置，结构简单，加工难度小，造价低，并且对试验条件的要求较低。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程渗流实验用具，具体为一种井点降水地下水渗流规律试验的装置及方法。
背景技术
随着现代岩土工程的不断发展，人们为了利用有限的土地，越来越倾向于地下空间的开发与应用。地下结构埋设深度增加，规模扩大，建筑地基基础埋深也逐步增加，工程建设不可避免的需要在含水层中进行施工，因此对于地下水的渗流规律的研究至关重要。
井点降水技术适用于地下水位比较高的施工环境中，能降低地下水位，可有效疏干基土中的水分、促使土体固结，提高地基强度。为使井点降水技术发挥其预期功效，更全面深入的掌握并改良井点降水技术，需要通过地下水渗流规律及井点降水效果进行研究，结合渗流模拟实验数据，使其更好的运用到工程实际中。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提供一种井点降水地下水渗流规律试验的装置。
本发明采取以下技术方案：一种井点降水地下水渗流规律试验的装置，包括实验模型装置、水位控制装置和流量监测装置。
实验模型装置包括有试验模型箱，试验模型箱内设置有竖向放置的滤板，实验模型箱一侧壁面上方开孔作为水位控制出水管口，水位控制出水管口的上方安装水龙头，水位控制出水管口下侧与右侧安装有水平放置的滤片及竖直放置水位隔板；实验模型箱另一侧安装降水管，降水管一端伸入在试验模型箱底部；水位隔板、滤片与滤板之间区域内部放置岩土试样，岩土试样内部等距安装若干渗压计。
水位控制装置包括可以调节上下位置高度的降水水位控制调节架，降水水位控制调节架内部安装降水水位控制支架调节旋钮，降水水位控制调节架上放置降水水位控制容器，降水水位控制容器一侧通过所述降水管与实验模型箱相连，降水水位控制容器另一侧开孔安装降水水位控制容器出水管。
流量监测装置包括流量监测容器，流量监测容器与降水水位控制容器出水管连接；安装降水水位控制容器出水管的开孔高度低于水位控制出水管口。
一种井点降水地下水渗流规律试验的装置的试验方法，包括以下步骤。
S100～将岩土试样放置在试验模型箱内部由水位隔板、滤片和滤板阻隔的区域内，打开水龙头匀速缓慢向试验模型箱中注水直至水位达到水位控制出水管口所在高度处从管口中稳定流出，保持水龙头匀速连续注水，保证整个试验过程中控制出水管口水的持续稳定流出。向降水水位控制容器中注水直至水流从降水水位控制容器出水管中稳定流出，停止注水。
S200～将降水管注水至水流从非注水端稳定流出，堵住降水管两侧端口，将注水管倒置，分别将两端口放置于试验模型箱和降水水位控制容器的水位线下。
S300～水流将从处于高水位状态的试验模型箱中流向处于低水位状态的降水水位控制容器中，以模拟井点降水的排水过程。待水流再次从降水水位控制容器出水管稳定流出时，记录单位时间t内流量监测容器中水位高度的变化量为ΔL，取量筒底面积为A，根据Q=ΔL·A计算出单位时间t内排水量Q，实验模型箱左右两端水位差ΔH，并实时监控记录在此单位排水量条件下各渗压计的读数。
S400～通过改变降水水位控制调节架内部安装的降水水位控制支架调节旋钮，以达到改变降水水位控制容器放置高度的目的，从而改变容器内部的液面相对高度，使得试验模型箱与降水水位控制容器中的液面差发生改变，得到不同的单位时间排水量Q及实验模型箱左右两端水位差ΔH。并重复上述试验步骤，从而模拟出不同单位时间排水流量Q条件下的不同井点降水作用效果，并实时监控记录不同Q下的各渗压计读数进行对比分析。
S500～进行实验模型与实际工程的相似模拟计算；取实际工程中井点降水基坑的尺寸长、宽、高为Lr、Sr、Hr，实际降低的水位为ΔHr，抽水泵的单位时间排水量为Qr，抽水泵口径为Ar，抽水速度为Vr；取实验模型中，模型箱的长、宽、高为Lm、Sm、Hm，模型箱左右两侧所降的水位差为ΔHm,单位时间排水量为Qm，量筒单位时间内液面上升高度为Δhm，量筒底面积为Am；
建立相似模拟关系式为：
将实验模型的模拟结果应用于实际工程中，为准确控制井点降水水位的变化量提供依据，降基坑内的水位有效降低到施工所需高度处。
与现有技术相比，本发明通过调节降水水位控制支架的高度改变水位差从而模拟不同排水流量下的井点降水，通过记录单位时间内监测容器内液面高度的变化量来计算单位排水量。通过量测在不同单位排水量Q下实验模型箱内降水高度ΔH及各渗压计的读数总结排水效果及井点降水的渗流规律。
具有以下有益效果：
1．本发明提供的一种模拟试验装置，结构简单，加工难度小，造价低，并且对试验条件的要求较低，且容易操作便于快速推广；
2．本发明提供的一种模拟试验装置，可以对实际井点降水工程中的降水效果进行模拟，并揭示降水过程中地下水的渗流分布情况。运用相似模拟计算方法将模拟结果推广到实际工程中，指导实际井点降水工程中的施工。
3．本发明在试验过程中，改变单位时间排水量的方法为调节降水水位控制调节架高度，从而改变降水管两侧水位差达到改变排水速度的目的；只需要调节降水水位控制支架调节旋钮，无需频繁变动实验器具，可以很大程度上节省时间，且操作起来简单易行，仅需一人便可进行试验。
4.在降排水过程中，实时监测渗压计的读数变化，监测不同测点的水位高度与孔隙压力分布情况，对实际工程中的施工进度调整与灾害防治具有指导性意义。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图中1—试验模型箱，2—降水水位控制容器，3—降水水位控制调节架，4—流量监测容器，5—水龙头，6—水位隔板，7—滤片，8—滤板，9—降水管，10—水位控制出水管口，11—降水水位控制容器出水管，12—降水水位控制支架调节旋钮，13—渗压计，14—岩土试样，15—水。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的使用方式进行清楚、完整的描述。
一种井点降水地下水渗流规律试验的装置，包括实验模型装置、水位控制装置和流量监测装置。
实验模型装置包括有试验模型箱1，试验模型箱1内设置有竖向放置的滤板8，实验模型箱1左侧壁面上方开孔作为水位控制出水管口10，水位控制出水管口10的上方安装水龙头5，水位控制出水管口10下侧与右侧安装有水平放置的滤片7及竖直放置水位隔板6；实验模型箱1右侧安装降水管9，降水管9一端伸入在试验模型箱1底部；水位隔板6、滤片7与滤板8之间区域内部放置岩土试样14，岩土试样14内部等距安装若干渗压计13。
水位控制装置包括可以调节上下位置的降水水位控制调节架3，降水水位控制调节架3内部安装降水水位控制支架调节旋钮12，降水水位控制调节架3上放置降水水位控制容器15，降水水位控制容器2一侧通过所述降水管9与实验模型箱相连，降水水位控制容器2另一侧开孔安装降水水位控制容器出水管11。
流量监测装置包括流量监测容器4，流量监测容器4与降水水位控制容器出水管11连接；安装降水水位控制容器出水管11的开孔高度低于水位控制出水管口10。
其中降水水位控制容器出水管11的高度不得高于水位控制出水管口10的高度，即降水水位控制容器2中右侧水位高度H1与降水水位控制容器2中液体的水位高度h1必须满足以下关系式：H1＞h1。根据虹吸原理，利用液面高度差的作用力现象，将液体充满降水管9后，将开口高的一端置于15中，试验模型箱1中的液体会持续通过作为虹吸管的降水管9向降水水位控制容器2流出。
因为H1＞h1，所以根据帕斯卡定律p=ρgh，降水水位控制容器2中的液体压强小于试验模型箱1中的液体压强，另外，由于试验模型箱1、降水水位控制容器2中两液面间的高度差所引起的大气压强差值相对地球的大气压计算高度来说，可以忽略不计。降水管9左端的压强就大于右端的的压强，在大气压和液体压强的共同作用下，降水管9中的水由试验模型箱1向降水水位控制容器2移动。通过调节降水水位控制调节架3的高度可以改变降水水位控制容器2内的水位高度h1，从而改变水位差△h，随着水位差△h数值增大，压强差也随之增加，单位时间排水流量Q增加，达到模拟不同井点降水排水条件下井点降水的目的。
滤片7、滤板8的选材与安装要求可以严格阻隔岩土试样的穿过而对水不产生阻隔租用。水位隔板6的选材为有机玻璃，可以严格阻隔岩土试样与水的穿过，水位隔板6与滤片7的接触安装部分需做严格的密封处理。
一种井点降水地下水渗流规律试验的装置的试验方法，包括以下步骤：
S100～将岩土试样14放置在试验模型箱1中，由水位隔板6、滤片7和滤板8阻隔的区域内，打开水龙头5匀速缓慢向试验模型箱1中注水直至水位达到水位控制出水管口10所在高度处从水位控制出水管口10中稳定流出，通过记录单位时间内监测容器内液面高度的变化量来计算单位时间排水量。通过读取在不同单位时间排水量Q下实验模型箱内降水高度ΔH及各渗压计的读数总结排水效果及井点降水的渗流规律。
S200～将降水管9注水至水流从非注水端稳定流出，堵住降水管9两侧端口，将注水管9倒置，分别将两端口放置于试验模型箱1和降水水位控制容器2的水位线下。
S300～水流将从处于高水位状态的试验模型箱1中流向处于低水位状态的降水水位控制容器2中，模拟井点降水的排水，待水流再次从降水水位控制容器出水管11稳定流出时，记录单位时间内流量监测容器4中水位高度的变化量ΔL，根据Q=ΔL·A计算出单位时间内排水量Q，并实时监测记录在此单位排水量Q条件下各渗压计的读数。
S400～通过改变降水水位控制调节架3内部安装的降水水位控制支架调节旋钮12，以达到改变降水水位控制容器2放置高度的目的，使得试验模型箱1与降水水位控制容器2中的液面差发生改变，得到不同的单位时间排水量Q。并重复上述试验步骤，从而模拟出不同单位时间排水流量Q条件下的不同井点降水作用效果，实时监控记录不同Q下的各渗压计读数进行对比分析。
水位控制出水管口10处水位高度固定记为H，实验模型箱1右侧抽水后稳定水位记为H1，则由于降水管9模拟井点降水作用产生的水位差为ΔH1=H-H1。降水水位控制容器2内液面高度记为h1，则产生虹吸效应的水头差Δh1=H1-h1。流量监测容器4底面积为A,流量监测容器4液面在单位时间t内高度的变化量记为ΔL1,则单位时间t内排水量Q1=ΔL1∙A
改变降水水位控制调节架3的高度，模拟不同井点排水条件。
记录如下数据表。
显然Δh∝Q，ΔH∝Q，则通过大量数据对比分析，可以求得变量ki，建立关系式ΔHi=Ki∙Qi。使井点降水高度ΔH为一可控值，应用于工程实际中，可通过控制单位时间排水量Q将基坑水位有效降低至工作面下所需高度。
在降排水过程中，实时监测不同ΔH下各渗压计的读数，记录各点的孔隙水压力值P及地下水位，可绘制岩土试样14内部的实时地下水位分布曲线，为基坑的维护与进一步施工开挖提供实验数据，对实际工程中的施工进度调整与灾害防治具有指导性意义。
S500～进行实验模型与实际工程的相似模拟计算，取实际工程中井点降水基坑的尺寸长、宽、高为Lr、Sr、Hr，实际降低的水位为ΔHr，抽水泵的单位时间排水量为Qr，抽水泵口径为Ar，抽水速度为Vr；取实验模型中，模型箱的长、宽、高为Lm、Sm、Hm，模型箱左右两侧所降的水位差为ΔHm,单位时间排水量为Qm，量筒单位时间内液面上升高度为Δhm，量筒底面积为Am。
建立相似模拟关系式为：
从而将实验模型的模拟结果应用于实际工程中，为准确控制井点降水水位的变化量提供依据，降基坑内的水位有效降低到施工所需高度处。
Claims (2)
1.一种井点降水地下水渗流规律试验的装置，其特征在于：包括实验模型装置、水位控制装置和流量监测装置；
所述的实验模型装置包括有试验模型箱（1），试验模型箱（1）内设置有竖向放置的滤板（8），实验模型箱（1）一侧壁面上方开孔作为水位控制出水管口（10），水位控制出水管口（10）的上方安装水龙头（5），水位控制出水管口（10）所在区域安装有水平放置的滤片（7）及竖直放置水位隔板（6）；实验模型箱（1）另一侧安装降水管（9），降水管（9）一端伸入在试验模型箱（1）底部；水位隔板（6）、滤片（7）与滤板（8）之间区域内部放置岩土试样（14），岩土试样（14）内部等距安装若干渗压计（13）；
所述的水位控制装置包括可以调节上下位置的降水水位控制调节架（3），降水水位控制调节架（3）内部安装降水水位控制支架调节旋钮（12），降水水位控制调节架（3）上放置降水水位控制容器（2），降水水位控制容器（2）一侧通过所述降水管（9）与实验模型箱相连，降水水位控制容器（2）另一侧开孔安装降水水位控制容器出水管（11）；
所述流量监测装置包括流量监测容器（4），流量监测容器（4）与降水水位控制容器出水管（11）连接；开孔安装降水水位控制容器出水管（11）的高度低于水位控制出水管口（10）。
2.一种如权利要求1所述的井点降水地下水渗流规律试验的装置的试验方法，其特征在于：包括以下步骤，
S100～将岩土试样（14）放置在试验模型箱（1）中，由水位隔板（6）、滤片（7）和滤板（8）阻隔的区域内，打开水龙头（5）匀速缓慢向试验模型箱（1）中注水直至水位达到水位控制出水管口（10）所在高度处从水位控制出水管口（10）中稳定流出，整个实验过程中保证水龙头（5）持续向实验模型箱（1）内注水；向降水水位控制容器（2）中注水直至水流从降水水位控制容器出水管（11）中稳定流出，停止注水；
S200～将降水管（9）注水至水流从非注水端稳定流出，堵住降水管（9）两侧端口，将注水管（9）倒置，分别将两端口放置于试验模型箱（1）和降水水位控制容器（2）的水位线下；
S300～水流将从处于高水位状态的试验模型箱（1）中流向处于低水位状态的降水水位控制容器（2）中，模拟井点降水的排水，待水流再次从降水水位控制容器出水管（11）稳定流出时，记录单位时间内流量监测容器（4）中水位高度的变化量ΔL，根据Q=ΔL·A计算出单位时间内排水量Q，并实时监控记录在此单位排水量条件下各渗压计的读数；
S400～通过改变降水水位控制调节架（3）内部安装的降水水位控制支架调节旋钮（12），以达到改变降水水位控制容器（2）放置高度的目的，使得试验模型箱（1）与降水水位控制容器（2）中的液面差发生改变，得到不同的单位时间排水量Q，并重复上述试验步骤，从而模拟出不同单位时间排水流量Q条件下的不同井点降水作用效果，依次实时监控记录不同Q下的各渗压计读数进行对比分析；
S500～进行实验模型与实际工程的相似模拟计算；取实际工程中井点降水基坑的尺寸长、宽、高为Lr、Sr、Hr，实际降低的水位为ΔHr，抽水泵的单位时间排水量为Qr，抽水泵口径为Ar，抽水速度为Vr；取实验模型中，模型箱的长、宽、高为Lm、Sm、Hm，模型箱左右两侧所降的水位差为ΔHm,单位时间排水量为Qm，量筒单位时间内液面上升高度为Δhm，量筒底面积为Am；
建立相似模拟关系式为：
将实验模型的模拟结果应用于实际工程中，为准确控制井点降水水位的变化量提供依据，降基坑内的水位有效降低到施工所需高度处。
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