一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置及方法与流程

本发明涉及岩土工程试验，具体为一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置及方法。

背景技术：

1、渗流模型在很多应用科学和工程技术领域有着广泛的应用。如土壤力学、地下水水文学、石油工程、地热工程、给水工程、环境工程、化工和微机械等技术领域。在进行实际施工之前一般要首先进行模型试验，通过试验模拟施工过程中能会遇到的各种情况以及相关因素对施工结果的影响规律，进而制定更加精细的施工方案。受自然环境条件的影响沿海城市的地层地下水渗流速度较大，可能会对施工造成不利影响，因此需要先进行模型试验，如何成功模拟地下水流的高强渗流是现有模型试验装置面临的挑战。

2、现有的渗流模型试验箱一般都只是针对试验土质的不同而进行的一些改进，对渗流速度的控制范围一般无法达到高强渗流条件。常规的渗流模型试验一般通过改变进口水头的方式改变渗流强度，那么如果要达到试验要求的高强渗流条件就需要很高的水头，需要将模型箱入口出的水箱设置的很高，这实现起来是比较困难的。因此在模型试验中如何成功有效地施加强渗流条件，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置及方法，以解决上述背景技术中提出能够提供易于实现且便于控制的高强渗流条件，并且在考虑到高强渗流会产生的影响后对模型试验箱进行了改进的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置及方法，包括模型箱、第一循环水泵、第二循环水泵和水源水箱，所述模型箱内部中空，且内部焊接两块开设有均匀小孔的钢板，所述模型箱通过钢板形成排水缓冲室、主体渗流试验室和蓄水缓冲室，进口侧所述钢板上贴有一层透水石，所述蓄水缓冲室内填充有碎石子，所述蓄水缓冲室的另一侧安装有分水器，所述分水器通过第一循环水泵安装有水源水箱，出口侧所述钢板贴合有土工布，所述排水缓冲室的内部安装有浮子信号器，所述排水缓冲室的出口侧上部通过水环式真空泵安装有气水分离器，所述排水缓冲室的一侧通过第二循环水泵还连接有水源水箱，所述水源水箱内设置有潜水泵并通过管道并与主体渗流试验室连接，所述主体渗流试验室内设置有测压管口。

3、优选的，所述模型箱的排水缓冲室顶部与箱体制造为一体，主体渗流室顶部敞开，蓄水缓冲室顶盖与箱体焊接连接。

4、优选的，所述模型箱中试验土体的上部连接一台潜水泵，所述模型箱正面设有溢流装置，所述模型箱的底面和侧面设置阻水条。

5、优选的，所述模型箱的排水缓冲室侧面连接一台水环式真空泵。

6、优选的，所述排水缓冲室连接的水环式真空泵配合安装有自动控制系统，所述自动控制系统包括：浮子信号器、继电器、控制器，所述浮子信号器放置于排水缓冲室的水面上，所述控制器接收浮子信号器传来的水位信号，所述继电器用于将控制器发出的信号转换为水环式真空泵可识别的启停信号。

7、优选的，所述模型箱左右两侧的箱体内壁上均贴有土工布。

8、优选的，所述模型箱的正面等间距设置测压管口，所述测压管口使用橡胶软管与测压管相接，所述测压管的水平高度略高于模型箱。

9、优选的，所述第一循环水泵和第二循环水泵均搭配有第一循环水泵控制球阀和第一流量计以及第二循环水泵控制球阀和第二流量计。

10、优选的，所述第一循环水泵和第二循环水泵均选用变频泵，

11、优选的，一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的试验方法，该方法包括如下步骤：

12、步骤一：前期准备，在模型箱最右侧的蓄水缓冲室中填满碎石子，之后将顶盖与箱体焊接密封，连接试验管路，确认试验系统各部分连接正确、确认供水路径各部分未出现渗漏情况、确保流量计内部的空气全部排出；

13、步骤二：填充试样，将试验土体分层填充到模型箱的中间部分，每层填充之后用木板进行压实，直至填充土体高度高于焊接钢板上最高部位的开孔；

14、步骤三：充水饱和，打开潜水泵开始向试验土体中缓慢充水，当土体上部开始存水，关闭溢流装置的排水阀，持续加水至模型箱上溢流口的顶部，停止加水，静止12h，观察模型箱中水位是否下降，确保试验土体完全浸润饱和；

15、步骤四：试验操作，接通水环式真空泵的自动控制回路，打开溢流装置的排水阀，开启潜水泵，开启两台循环水泵，配合对应流量计的读数改变球形阀的开度，设置试验需要的强渗流条件，观察流量计的读数基本稳定，确保试验土体处于预设的强渗流条件，更改对应球阀的开度，可进行多组试验；

16、步骤五：结束试验，首先关闭潜水泵停止供水，关闭真空泵的自动控制。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：该发明通过设置变频泵解决了高强渗流条件难以施加的问题，同时又综合考虑了对模箱施加高强渗流时可能会遇到的问题，并提出了有效的解决措施。首先是由于出口侧水泵抽吸过强导致的排水缓冲室中的水位低于钢板上的渗流孔，这将使一部分试验土体并没有处于高强渗流条件下，针对这个问题本发明在箱体出口侧设置了一台真空泵，当水位不满足试验条件时真空泵抽吸作用形成真空有助于水流加速流出，加快水位上升直至满足试验条件，并且为真空泵设置了自动控制系统，简化了试验过程中的操作程序。其次考虑到渗流过程中非水平向渗流的存在会对试验造成不利影响，在试验土体的上部设置了水位恒定的水压，有效抑制了垂直向的渗流，同时在箱体的底部和侧面贴有阻水条，有效抑制了水流在箱体内部的绕流，使高强渗流条件下的模型试验更加可靠。因此本发明可以成功地进行高强渗流条件下的模型试验，应用前景广泛。

技术特征：

1.一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于：包括模型箱(9)、第一循环水泵(3)、第二循环水泵(15)和水源水箱(1)，其特征在于：所述模型箱(9)内部中空，且内部焊接两块开设有均匀小孔的钢板(7)，所述模型箱(9)通过钢板(7)形成排水缓冲室、主体渗流试验室和蓄水缓冲室，进口侧所述钢板(7)上贴有一层透水石(8)，所述蓄水缓冲室内填充有碎石子(6)，所述蓄水缓冲室的另一侧安装有分水器(4)，所述分水器(4)通过第一循环水泵(3)安装有水源水箱(1)，出口侧所述钢板(7)上贴合有土工布(11)，所述排水缓冲室的内部安装有浮子信号器(12)，所述排水缓冲室的出口侧上部通过水环式真空泵安装有气水分离器(14)，所述排水缓冲室的一侧通过第二循环水泵(15)还连接有水源水箱(1)，所述水源水箱(1)内设置有潜水泵(2)并通过管道并与主体渗流试验室连接，所述主体渗流试验室内设置有测压管口(10)。

2.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述模型箱(9)的排水缓冲室顶部与箱体制造为一体，主体渗流室顶部敞开，蓄水缓冲室顶盖(5)与箱体焊接连接。

3.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述模型箱(9)中试验土体的上部连接一台潜水泵(2)，所述模型箱(9)正面设有溢流装置(16)，所述模型箱(9)的底面和侧面设置阻水条。

4.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述模型箱(9)的排水缓冲室侧面连接一台水环式真空泵(13)。

5.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述排水缓冲室连接的水环式真空泵(13)配合安装有自动控制系统，所述自动控制系统包括：浮子信号器(12)、继电器、控制器，所述浮子信号器(12)放置于排水缓冲室的水面上，所述控制器接收浮子信号器(12)传来的水位信号，所述继电器用于将控制器发出的信号转换为水环式真空泵(13)可识别的启停信号。

6.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述模型箱(9)左右两侧的箱体内壁上均贴有土工布(11)。

7.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述模型箱(9)的正面等间距设置测压管口(10)，所述测压管口(10)使用橡胶软管(18)与测压管(17)相接，所述测压管(17)的水平高度略高于模型箱(9)。

8.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述第一循环水泵(3)和第二循环水泵(15)均搭配有第一循环水泵控制球阀(301)和第一流量计(302)以及第二循环水泵控制球阀(1501)和第二流量计(1502)。

9.根据权利要求1所述的一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置，其特征在于，所述第一循环水泵(3)和第二循环水泵(15)均选用变频泵。

10.一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的试验方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种在试验模型箱中施加高强渗流条件的装置及方法，包括模型箱、第一循环水泵、第二循环水泵和水源水箱，所述模型箱内部中空，且内部焊接两块开设有均匀小孔的钢板，所述模型箱通过钢板形成排水缓冲室、主体渗流试验室和蓄水缓冲室进口侧所述钢板上贴有一层透水石。该发明通过设置变频泵解决了高强渗流条件难以施加的问题，考虑到渗流过程中非水平向渗流的存在会对试验造成不利影响，在试验土体的上部设置了水位恒定的水压，有效抑制了垂直向的渗流，同时在箱体的底部和侧面贴有阻水条，有效抑制了水流在箱体内部的绕流，使高强渗流条件下的模型试验更加可靠。因此本发明可以成功地进行高强渗流条件下的模型试验，应用前景广泛。技术研发人员：温良涛,王枫华,吴广磊,朱墨林,闫玥受保护的技术使用者：中交第三公路工程局有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23