CN115165702A - 一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，它包括安装在进水管上的流量计，进水管的末端位于水头控制单元上方，能够为水头控制单元注水；水头控制单元的容器外侧面纵向布设有多个溢流管，导流管一端与溢流管连接，另一端接入称重装置；渗透实验单元的上端和下端均设有进水口和出水口，出水口设有土水分离装置。通过流量计检测进水管内的水流量调整进水管放水的大小；水头控制单元的容器外侧面纵向布设有多个溢流管，可以按多种的不同高度幅度来调节变化水头大小；渗透实验单元的上端和下端均设有进水口和出水口，能够从上下两个方向检测土样的渗水量和渗出水量。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程技术领域，尤其涉及一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置及方法。
背景技术
具有防洪功能的大型水电站修建运行后，每年库区均存在几十米的水位变幅，带给库岸相对应高度范围的消落带。水位的变幅为库岸边坡提供水动力作用，进而有可能导致库岸滑坡等地质灾害，严重威胁库区居民生命财产安全和航道安全。因此，针对库岸土体开展渗透试验研究，探究土体渗透性能演化规律以及库岸边坡失稳机制，显得尤为重要。在针对库岸土体开展渗透试验时，(1)首先，需采用大尺寸试样以减少试验误差，常规55型和70型不符合试样大尺寸的要求；(2)其次，需考虑库岸土体实际所处的水位是变化的，且变化幅度较大和频率较快。而传统土体渗透试验装置中，很少考虑水位处于变化状态这一特点，且测压管水位的变化一般采用提升或下降供水箱的方式来实现，然而在试验过程中随着试验进行，水头不仅难以保持恒定导致精度不够，而且开展多种不同渗透水压下库岸土体渗透试验时，水头不便于调节，过程繁琐；(3)同时，传统土体渗透试验装置往往只针对一种渗流方向，然而实际工程中，渗透方向会随着水位变化而发生变化，在水位低的时候由岸坡内往外渗透、水位高时由水库往岸坡渗透，因此传统土体渗透试验装置适用面较窄。(4)另外，在试验模拟时，库岸土体的透水性高，要求装置能保证长时间供水，同时试验时土样渗水量多，需考虑如何有效监测土样的渗水量。(5)最后，在渗透过程中，土样会发生细颗粒迁移进而改变土体渗透性能，如何观测细颗粒起动以及迁移变化过程也是十分值得考虑。
中国专利文CN206756653U，公开(公告)日：2017年12月15日，公开了一种定水头和变水头土壤渗透系数测定组合装置。一种定水头和变水头土壤渗透系数测定组合装置，主要包括支架，所述支架包含顶板、背板以及底座，所述顶板上放置有马氏瓶，在背板上固定设有定水头供水管、刻度尺、变水头供水管，所述定水头供水管上端与马氏瓶相连通，下端与输水管相连通，所述变水头供水管上端为敞口，下端也与输水管相连通；所述输水管下端与测试装置内部空间相连通。其特点在于，可解决同条件下粘性土和沙壤土的饱和入渗系数，可有效的减少误差，减少试验的复杂过程，提高实验效率，增加测定的精确度和可靠度；其不足在于：无法模拟实际库岸土体在不同水位情况下的渗水量，以及双向渗透的实验。
中国专利文CN 205670111 U，公开(公告)日：2016年11月02日，公开了一种模拟常水头渗透装置，用于测量渗透介质的渗透系数，特征在于，包括常水头调节部，渗透部，渗透液存储部；常水头调节部包括水头储水单元以及回水软管，渗透部包括渗透单元以及渗透出水管，水由水头储水单元底部流入渗透单元，经渗透单元底部向上渗流，排除渗透介质内的空气实现渗透过程；其中，通过抬高或降低回水软管靠近水头储水单元的部分，可以调节水头储水单元内部的水面高度，从而实现水头的调节。其特点在于，可在普通试验平台上操作，并且可以实现多余水量的循环利用，节约水资源；同样无法模拟实际库岸土体在不同水位情况下的渗水量，以及双向渗透的实验。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：解决上述背景技术中存在的问题，提供一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置。
本发明另一个要解决的技术问题是：提供一种采用可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置的实验方法。
为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，它包括安装在进水管上的流量计，进水管的末端位于水头控制单元上方，能够为水头控制单元注水，软管一端连接在水头控制单元的底部，另一端与渗透实验单元连接；所述水头控制单元包括上端开口的透明容器，容器的外侧面纵向布设有多个溢流管，各溢流管均设有溢流控制阀，导流管一端与溢流管连接，另一端接入称重装置；所述渗透实验单元的上端设有带有阀门的上端进水口和上端出水口，下端设有带有阀门的下端进水口和下端出水口，软管能够选择性的连接上端进水口或者下端进水口；上端出水口或下端出水口设有土水分离装置。
所述流量计的前端设有进水控制阀。
所述水头控制单元设置在伸缩支架上。
所述称重装置包括接应在导流管下方的接纳容器，接纳容器放置在电子天平上。
所述渗透实验单元包括上端可开启，用于填充实验土样的罐体，罐体两端设有透水层，透水层分别高于上端进水口和上端出水口，以及下端进水口和下端出水口与罐体连接的通道，在上下两端的透水层之间用于填充实验土样；所述罐体为透明材质。
所述上下两端的透水层与实验土样之间的入渗面设有过滤网，出渗面设有钢丝网。
所述罐体外壁纵向设有刻度尺。
还设有监控器，所述监控器对罐体进行视频监控。
所述土水分离装置包括设置在渗透实验单元罐体下端出水口或上端出水口的漏斗和位于漏斗下方的烧杯；所述漏斗内部设有过滤网。
一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置的实验方法，它包括以下步骤：
S1.将软管连接水头控制单元底部的出水口和渗透实验单元的下端进水口，关闭所有溢水管和其余进、出水口阀门，打开进水控制阀，使水头控制单元和渗透实验单元内充满水，进行漏水测试，确保在试验过程中不漏水，测试后完成后，排出渗透实验单元中的水；
S2.在渗透实验单元的罐体中装填透水层，之后在透水层上铺设孔径0.03-0.06mm的过滤网；
S3.在装入土样前，在透明罐体内侧壁涂抹凡士林，将在外部通过击实锤分层夯实达到设定密度和厚度的土样装入罐体中，之后在土样上部铺设孔径0.03-0.06mm的过滤网，过滤网上部装填碎石层；
S4.盖合罐体，关闭溢流控制阀、下端出水阀门、上端进水阀门，打开进水控制阀，微开下端进水阀门，保持水头控制单元容器内的水位高度与土样顶部持平；
S5.取出铺设在土样上层出渗面的过滤网和透水层，在土样上部铺设孔径1-5mm的钢丝网，钢丝网上部装填透水层；
S6.将烧杯、漏斗依次布设在上端出水口下部，打开上端出水阀门16a，通过联合调节伸缩支架和溢流控制阀，准确调节水头控制单元容器内的入渗水头高度为预定值，随后根据流量计数据显示调节进水控制阀以保持水头控制单元容器内的水位不变且长时间连续供水；
S7.在导流管处外接接纳容器和电子天平，让渗流发生一段时间后打开具有存储记忆功能的电子天平，同时开启监控器30；
S8.根据电子天平读取每五分钟的导流管的溢出量Q1，结合流量计累计流量Q2数据显示，可以间接计算出土样每五分钟的渗水量Q，结合水头差ΔH、土样高度L、土样断面积A、温度T等数据可以最终计算出在某一渗透水压作用下，库岸土样的饱和渗透系数随时间变化规律，以及某一渗透水压作用下，库岸土体稳定渗流时的饱和渗透系数KT；其计算式为：
Q＝Q1-Q2
式中：KT为水温为T℃时试样的渗透系数cm/s；Q为渗透达到稳定后t时间段内的渗水量cm3；L为渗径cm，即土样高度cm；A为土样的断面积cm2；ΔH为试样上下游的水头差cm；t为渗透时间s；
S9.调节伸缩支架和导流管阀门，改变水头控制单元入渗水头以模拟实际工程中库岸土体所处的动水环境，重复步骤S6-S8，以测定不同渗透水压作用下库岸土体的饱和渗透系数KT；
S10.当需要调整渗流方向为自上而下时，关闭渗透实验单元罐体底部的下端进水口和上端出水口阀门，将软管连通到渗透实验单元罐体的上端进水口，将土水分离装置设置在下端出水口，以模拟实际工程中动水环境对库岸土体渗流方向的影响，重复S6-S9，以测定渗流方向与渗透水压联合变化下库岸土体的饱和渗透系数KT。
本发明有如下有益效果：
1、通过流量计检测进水管内的水流量，进水管与自来水管道的水龙头连接，通过流量计的读数调整水龙头放水的大小。水头控制单元的容器透明便于观察水位，容器的外侧面纵向布设有多个溢流管，可以按不同高度幅度来调节变化水头大小。渗透实验单元的上端和下端均设有进水口和出水口，能够从上下两个方向检测土样的渗水量和渗出水量。
2、进水控制阀依次连接流量计向水头控制单元容器内供水，既可以保证长时间自动供水，也可以通过流量计监测供水流量并通过水龙头调节供水流量。
3、水头控制单元设置在伸缩支架上，能够进一步调整水头控制单元的高度，满足实际水位上升和下降的落差实验要求。
4、罐体两端设有透水层，软管通入的水流进行缓冲。上下透水层与实验土样之间的入渗面设有过滤网，出渗面设有钢丝网，过滤网主要用于控制外部水流均匀流入土样，同时减轻水流对土样的冲击。钢丝网主要用于使被冲蚀细颗粒能顺利流出，避免在渗流出口聚集，堵塞渗流通道从而影响试验效果。
5、针对实际工程中库岸土体所处的动水环境中水位变化幅度大、速率快等特点，可以快速有效定量调节水头大小，甚至可以改变渗流方向。
6、针对实际工程中库岸土体透水性强等自身特点，保证可以长时间连续稳定供水，
7、针对传统渗透仪需要人工频繁使用量筒监测相同间隔时间的渗水量，可以实现长时间自动连续监测渗水量，不仅节约人力成本，且减少了人为测量的误差。
8、针对实际工程中库岸土体在高水头作用下会发生细颗粒流失，碎石层和钢丝网可以细颗粒提供天然流失通道，另外还可以通过视频监测摄像头观测细颗粒起动以及迁移变化过程。
9、土水收集分离***可以监测细颗粒流失的粒径范围和含量。
10、根据不同土样的大尺寸要求，选配合适尺寸的渗流玻璃筒连接试验装置，开展不同大尺寸土样的渗透试验。
附图说明
图1为本发明主视结构示意图。
图2为本发明立体结构示意图。
图3为本发明渗透实验单元剖视结构示意图。
图中：进水管1，进水控制阀2，流量计3，水头控制单元4，溢流管5，溢流控制阀6，导流管7，接纳容器8，电子天平9，伸缩支架10，软管11，下端进水口12，下端进水阀门12a，上端进水口13，上端进水阀门13a，渗透实验单元14，透水层141，过滤网142，钢丝网143，刻度尺15，上端出水口16，上端出水阀门16a，下端出水口17，下端出水阀门17a，连接管18，漏斗19，烧杯20，监控器30。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。
实施例一：
参见图1-3，一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，它包括安装在进水管1上的流量计3，进水管1的末端位于水头控制单元4上方，能够为水头控制单元4注水，软管11一端连接在水头控制单元4的底部，另一端与渗透实验单元14连接；所述水头控制单元4包括上端开口的透明容器，容器的外侧面纵向布设有多个溢流管5，各溢流管5均设有溢流控制阀6，导流管7一端与溢流管5连接，另一端接入称重装置；所述渗透实验单元14的上端设有带有阀门的上端进水口13和上端出水口16，下端设有带有阀门的下端进水口12和下端出水口17，软管11能够选择性的连接上端进水口13或者下端进水口12；上端出水口16或下端出水口17设有土水分离装置。通过流量计3检测进水管1内的水流量，进水管1与自来水管道的水龙头连接，通过流量计3的读数调整水龙头放水的大小。水头控制单元4的容器透明便于观察水位，容器的外侧面纵向布设有六个溢流管5，相邻溢流管相距100mm，可以按0.1m、0.2m、0.3m等多种不同幅度来调节变化水头大小。渗透实验单元14的上端和下端均设有进水口和出水口，软管11能够选择性的连接上端进水口13或者下端进水口12，能够从上下两个方向检测土样的渗水量和渗出水量。
水龙头依次连接流量计3向水头控制单元4容器内供水，既可以保证长时间自动供水，也可以通过流量计3监测供水流量并通过水龙头调节供水流量，一方面，防止由于供水量过大，造成水无法及时从溢流管5排出，进而不能实现水头调节；另一方面，防止溢水量过大，需要人工一直在试验装置旁边清理排水。水头溢流管5外接称重装置，用称量法测量溢出水量，可以间接计算入渗水量和渗出水量，相较于人工频繁测量渗水量而言，可以提高数据采集效率，节省人力成本，减少试验误差。
在优选的方案中，所述流量计3的前端进水管1上设有进水控制阀2。该进水控制阀2可以是普通水龙头，适用于在自来水管没有有水龙头的情况，也可以是电动或者手动的水流调节阀。
在优选的方案中，所述水头控制单元4设置在伸缩支架10上。能够进一步调整水头控制单元4的高度，满足实际水位上升和下降的落差实验要求。在本实施例中，伸缩支架10高度调节范围为400mm～2400mm，伸缩支架10和溢流管5的溢流控制阀6联合调节可使水头控制在0.5m～3m任一位置，且可以按0.1m、0.2m、0.3m等多种不同幅度来调节变化水头大小
在优选的方案中，所述称重装置包括接应在导流管7下方的接纳容器8，接纳容器8放置在电子天平9上。结构简单，使用方便。电子天平9是具有自动存储记录称重数据功能，以此用称量法测量溢出水量，可以间接计算入渗水量和渗出水量，相较于人工频繁测量渗水量而言，可以提高数据采集效率，节省人力成本，减少试验误差。在计算中，一定时间内，流量计3显示的累计流量即为总进水量，减去接纳容器8中的溢出水量，等于入渗水量和渗出水量。
在优选的方案中，所述渗透实验单元14包括上端可开启，用于填充实验土样的罐体，罐体两端设有透水层141，透水层141分别高于上端进水口13和上端出水口16，以及下端进水口12和下端出水口17与罐体连接的通道，在上下两端的透水层141之间用于填充实验土样；所述罐体为透明材质。在本实施例中，罐体采用透明有机玻璃筒，便于观察，筒身厚10mm，内径为200mm，高度为440mm。罐体上端和下端分别设有一个进水口以及一个出水口，以调节渗流方向。下端出水口17和上端出水口16分别距离罐体的底部和顶部10mm，且下端进水口12和上端进水口13位于透水层141的高度内。透水层141为碎石或者透水石。
当渗流方向自下而上时，关闭上端进水口13的上端进水阀门13a，下端进水口12连接软管11，下端出水口17作为排气管，待软管11内的气体排出后，关闭下端出水阀门17a，上端出水口16的上端出水口阀门16a打开，作为土水溢出管，将土水溢流至土水分离装置。
当渗流方向自上而下时，关闭下端进水口12的下端进水阀门12a，上端进水口13连接软管11，上端出水口16的上端出水阀门16a打开，作为排气管，待软管11内的气体排出后，关闭上端出水阀门16a，下端出水口17作为土水溢出管，将土水溢流至土水分离装置。
在下端出水口17或上端出水口16作为土水溢出管时，为便于导入到水分离装置，可以在下端出水口17或上端出水口16的端部安装连接管18导流。
罐体两端设有透水层141，对水流进行缓冲，使软管11中的水均匀渗入实验土样。具体的，实验土样上部和下部分别装填20mm高度的碎石进行透水。
在优选的方案中，所述上下两端的透水层141与实验土样之间的入渗面设有过滤网142，出渗面设有钢丝网143。土样的入渗面铺设孔径约0.03-0.06mm的过滤网142，出渗面铺设孔径约1-5mm的钢丝网143，其中过滤网142主要用于控制外部水流均匀流入土样，同时减轻水流对土样的冲击。钢丝网143主要用于使被冲蚀细颗粒能顺利流出，避免在渗流出口聚集，堵塞渗流通道从而影响试验效果。其中，入渗面是水最先接触土样的界面，出渗面为水从土样中出的界面。过滤网142可以使尼龙材质或者金属材质。
进一步地，所述罐体外壁纵向设有刻度尺15。罐体贴有以土样底面为起始0刻度的刻度尺，以便在试验过程中对土样上表面位置的观察和记录。
进一步地，还设有监控器30，所述监控器30对罐体和刻度尺15进行视频监控，以此来记录细颗粒起动以及迁移变化过程。
在优选的方案中，所述土水分离装置包括设置在渗透实验单元14罐体下端出水口17或上端出水口16的漏斗19和位于漏斗19下方的烧杯20；所述漏斗19内部设有过滤网。当水挟裹细颗粒从土样流出至土水分离装置时，土颗粒会滞留于过滤网内，水过滤至下部烧杯20中，从而土水分离，可以分别测得流量、渗出土颗粒的质量以及各粒径范围土颗粒的含量。
实施例二：
一种采用可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置的实验方法，它包括以下步骤：
S1.将软管11连接水头控制单元4底部的出水口和渗透实验单元14的下端进水口12，关闭所有溢水管5和其余进、出水口阀门，打开进水控制阀2，使水头控制单元4和渗透实验单元14内充满水，进行漏水测试，确保在试验过程中不漏水，测试后完成后，排出渗透实验单元14中的水；
S2.在渗透实验单元14的罐体中装填20mm高度的碎石作为缓冲透水层141，之后在碎石层上铺设孔径约0.03-0.06mm的过滤网，以控制外部水均匀流入土样，同时减轻水流对试样的冲击；
S3.在装入土样前，在透明罐体内侧壁涂抹凡士林，以减小边界效应对渗流的影响，将在外部通过击实锤分层夯实达到设定密度和厚度的土样装入罐体中，之后在土样上部铺设孔径约0.03-0.06mm的过滤网，过滤网上部装填高为20mm的碎石层，此时土样上层铺设的过滤网主要是为了防止土样在饱和过程中细颗粒流失。
S4.盖合罐体，关闭溢流控制阀6、下端出水阀门17a、上端进水阀门13a，打开进水控制阀2，微开下端进水阀门12a，保持水头控制单元4容器内的水位高度与土样顶部持平；为了保证土样样充分饱和，维持水位稳定并静置24h，此时试样中体积含水量保持稳定；
S5.取出铺设在土样上层出渗面的过滤网和碎石，在土样上部铺设孔径约1-5mm的钢丝网，钢丝网上部装填高为20mm的碎石层，此时的碎石层既可以为土样细颗粒提供了天然流失通道，也可以防止充水时破坏试样结构；
S6.将烧杯20、漏斗19依次布设在上端出水口16下部，打开上端出水阀门16a，通过联合调节伸缩支架10和溢流控制阀6，准确调节水头控制单元4容器内的入渗水头高度为预定值，随后根据流量计3数据显示调节进水控制阀2以保持水头控制单元4容器内的水位不变且长时间连续供水；
S7.在导流管7处外接接纳容器8和电子天平9，让渗流发生一段时间后打开具有存储记忆功能的电子天平9，同时开启监控器30，以此来记录细颗粒起动以及迁移变化过程；
S8.根据电子天平9读取每五分钟的导流管7的溢出量Q1，结合流量计3累计流量Q2数据显示，可以间接计算出土样每五分钟的渗水量Q，结合水头差ΔH、土样高度L、土样断面积A、温度T等数据可以最终计算出在某一渗透水压作用下，库岸土样的饱和渗透系数随时间变化规律，以及某一渗透水压作用下，库岸土体稳定渗流时的饱和渗透系数KT；主要依据以下公式进行计算：
Q＝Q1-Q2
式中：KT为水温为T℃时试样的渗透系数cm/s；Q为渗透达到稳定后t时间段内的渗水量cm3；L为渗径cm，即土样高度cm；A为土样的断面积cm2；ΔH为试样上下游的水头差cm；t为渗透时间s。
为避免温度变化引起的试验误差，以20℃为标准温度，标准温度下的渗透系数按下式计算：
式中K20为标准温度为20℃时试样的渗透系数cm/s；η20为20℃时水的动力粘滞系数kPa·s；ηT为T℃时水的动力粘滞系数kPa·s。其中ηT/η20的比值可以在《土工试验方法标准(GB/T 50123-2019)》查表获取。
S9.调节伸缩支架10和导流管7阀门，改变水头控制单元4入渗水头以模拟实际工程中库岸土体所处的动水环境，重复步骤S6-S8，以测定不同渗透水压作用下库岸土体的饱和渗透系数；
S10.当需要调整渗流方向为自上而下时，关闭渗透实验单元14罐体底部的下端进水口12和上端出水口16阀门，将软管11连通到渗透实验单元14罐体的上端进水口13，将土水分离装置设置在下端出水口17，以模拟实际工程中动水环境对库岸土体渗流方向的影响，重复S6-S9，以测定渗流方向与渗透水压联合变化下库岸土体的饱和渗透系数。
本发明的工作过程和原理：
在渗透实验单元14的罐体中装填20mm高度的碎石作为缓冲透水层141，之后在碎石层上铺设孔径约0.03-0.06mm的过滤网。在装入土样前，在透明罐体内侧壁涂抹凡士林，将在外部通过击实锤分层夯实达到设定密度和厚度的土样装入罐体中，之后在土样上部铺设孔径约0.03-0.06mm的过滤网，过滤网上部装填高为20mm的碎石层，盖合罐体，关闭溢流控制阀6、下端出水口17、上端进水口13，打开进水控制阀2，微开罐体下端进水口12阀门，保持水头控制单元4容器内的水位高度与土样顶部持平，维持水位稳定并静置24h，进行土样饱和。土样完成饱和后，取出铺设在土样上层出渗面的过滤网和碎石，在土样上部铺设孔径约1-5mm的钢丝网，钢丝网上部装填高为20mm的碎石层。将烧杯20、漏斗19依次布设在上端出水口16下部，打开上端出水口16阀门，通过联合调节伸缩支架10和溢流控制阀6，准确调节水头控制单元4容器内的入渗水头高度为预定值，随后根据流量计3数据显示调节进水控制阀2以保持水头控制单元4容器内的水位不变且长时间连续供水。在导流管7处外接接纳容器8和电子天平9，让渗流发生一段时间后打开具有存储记忆功能的电子天平9，同时开启监控器30，以此来记录细颗粒起动以及迁移变化过程。根据电子天平9读取每五分钟的导流管7的溢出量，结合流量计3数据显示，可以间接计算出土样每五分钟的渗水量，结合水头差、土样高度、土样截面积、温度等数据可以最终计算出在某一渗透水压作用下，库岸土样的饱和渗透系数随时间变化规律，以及某一渗透水压作用下，库岸土体稳定渗流时的饱和渗透系数。
Claims (10)
1.一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：它包括安装在进水管(1)上的流量计(3)，进水管(1)的末端位于水头控制单元(4)上方，能够为水头控制单元(4)注水，软管(11)一端连接在水头控制单元(4)的底部，另一端与渗透实验单元(14)连接；所述水头控制单元(4)包括上端开口的透明容器，容器的外侧面纵向布设有多个溢流管(5)，各溢流管(5)均设有溢流控制阀(6)，导流管(7)一端与溢流管(5)连接，另一端接入称重装置；所述渗透实验单元(14)的上端设有带有阀门的上端进水口(13)和上端出水口(16)，下端设有带有阀门的下端进水口(12)和下端出水口(17)，软管(11)能够选择性的连接上端进水口(13)或者下端进水口(12)；上端出水口(16)或下端出水口(17)设有土水分离装置。
2.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述流量计(3)的前端设有进水控制阀(2)。
3.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述水头控制单元(4)设置在伸缩支架(10)上。
4.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述称重装置包括接应在导流管(7)下方的接纳容器(8)，接纳容器(8)放置在电子天平(9)上。
5.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述渗透实验单元(14)包括上端可开启，用于填充实验土样的罐体，罐体两端设有透水层(141)，透水层(141)分别高于上端进水口(13)和上端出水口(16)，以及下端进水口(12)和下端出水口(17)与罐体连接的通道，在上下两端的透水层(141)之间用于填充实验土样；所述罐体为透明材质。
6.根据权利要求5所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述上下两端的透水层(141)与实验土样之间的入渗面设有过滤网(142)，出渗面设有钢丝网(143)。
7.根据权利要求5所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述罐体外壁纵向设有刻度尺(15)。
8.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：还设有监控器(30)，所述监控器(30)对罐体视频监控。
9.根据权利要求1所述的一种可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置，其特征在于：所述土水分离装置包括设置在渗透实验单元(14)罐体下端出水口(17)或上端出水口(16)的漏斗(19)和位于漏斗(19)下方的烧杯(20)；所述漏斗(19)内部设有过滤网。
10.一种采用权利要求1-9任意一项所述的可调节水头与渗流方向的大尺寸土体渗透性能试验装置的实验方法：其特征在于，它包括以下步骤：
S1.将软管(11)连接水头控制单元(4)底部的出水口和渗透实验单元(14)的下端进水口(12)，关闭所有溢水管(5)和其余进、出水口阀门，打开进水控制阀(2)，使水头控制单元(4)和渗透实验单元(14)内充满水，进行漏水测试，确保在试验过程中不漏水，测试后完成后，排出渗透实验单元(14)中的水；
S2.在渗透实验单元(14)的罐体中装填透水层(141)，之后在透水层(141)上铺设孔径0.03-0.06mm的过滤网(142)；
S3.在装入土样前，在透明罐体内侧壁涂抹凡士林，将在外部通过击实锤分层夯实达到设定密度和厚度的土样装入罐体中，之后在土样上部铺设孔径0.03-0.06mm的过滤网，过滤网上部装填碎石层；
S4.盖合罐体，关闭溢流控制阀(6)、下端出水阀门(17a)、上端进水阀门(13a)，打开进水控制阀(2)，微开下端进水阀门(12a)，保持水头控制单元(4)容器内的水位高度与土样顶部持平；
S5.取出铺设在土样上层出渗面的过滤网和透水层(141)，在土样上部铺设孔径1-5mm的钢丝网(143)，钢丝网(143)上部装填透水层(141)；
S6.将烧杯(20)、漏斗(19)依次布设在上端出水口(16)下部，打开上端出水阀门16a，通过联合调节伸缩支架(10)和溢流控制阀(6)，准确调节水头控制单元(4)容器内的入渗水头高度为预定值，随后根据流量计(3)数据显示调节进水控制阀(2)以保持水头控制单元(4)容器内的水位不变且长时间连续供水；
S7.在导流管(7)处外接接纳容器(8)和电子天平(9)，让渗流发生一段时间后打开具有存储记忆功能的电子天平(9)，同时开启监控器(30)；
S8.根据电子天平(9)读取每五分钟的导流管(7)的溢出量Q1，结合流量计(3)累计流量Q2数据显示，可以间接计算出土样每五分钟的渗水量Q，结合水头差ΔH、土样高度L、土样断面积A、温度T等数据可以最终计算出在某一渗透水压作用下，库岸土样的饱和渗透系数随时间变化规律，以及某一渗透水压作用下，库岸土体稳定渗流时的饱和渗透系数KT；其计算式为：
Q＝Q1-Q2 (1)
式中：KT为水温为T℃时试样的渗透系数cm/s；Q为渗透达到稳定后t时间段内的渗水量cm3；L为渗径cm，即土样高度cm；A为土样的断面积cm2；ΔH为试样上下游的水头差cm；t为渗透时间s；
S9.调节伸缩支架(10)和导流管(7)阀门，改变水头控制单元(4)入渗水头以模拟实际工程中库岸土体所处的动水环境，重复步骤S6-S8，以测定不同渗透水压作用下库岸土体的饱和渗透系数KT；
S10.当需要调整渗流方向为自上而下时，关闭渗透实验单元(14)罐体底部的下端进水口(12)和上端出水口(16)阀门，将软管(11)连通到渗透实验单元(14)罐体的上端进水口(13)，将土水分离装置设置在下端出水口(17)，以模拟实际工程中动水环境对库岸土体渗流方向的影响，重复S6-S9，以测定渗流方向与渗透水压联合变化下库岸土体的饱和渗透系数KT。
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|---|---|---|---|---|
| CN115683976A (zh) * | 2022-10-26 | 2023-02-03 | 中国科学院力学研究所 | 一种长距离驱替用液体渗流装置和长距离渗透方法 |
| CN116840125A (zh) * | 2023-07-05 | 2023-10-03 | 长安大学 | 一种用于道路基层粒料透水各向异性测试设备及方法 |
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2022
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