一种往复流梯度比试验装置及试验方法

本发明涉及土工织物过滤性能检测，尤其是涉及一种往复流梯度比试验装置及试验方法。

背景技术：

1、沿海城市由于多处地势低洼地带，容易遭受到洪涝灾害的侵袭。近年来，在快速城市化以及全球气候变化的双重影响下，城市洪涝风险不断增加，已成为制约城市可持续发展的突出问题。为了应对日益增重的城市洪涝灾害，“城市洪涝韧性”的概念应运而生。城市洪涝韧性的实现可以从空间网络体系、流空间、以及功能性空间的构建三个方面来开展工作，其中功能性空间是指：在洪涝应对中通过构建工程等方法来建设具有减小灾害风险、降低灾害损失功能的城市基础设施，例如：河岸、堤坝、海岸中的护岸工程等。通常，为了避免岸坡内外水位差过大造成的失稳问题，需要设置反滤工程，其核心功能是：既能保证良好的排水性能，避免由于孔压过高造成的土体变形与破坏，又可有效阻止土颗粒的大量流失，避免土体侵蚀、管涌现象的发生。土工织物是由高分子合成材料制成的新型土工材料，具有良好的透水性和较小的孔隙，能够满足工程对反滤材料的要求，此外，还具有成本低廉、便于运输、布设方便、环境友好、可持续性强等众多优点，因此它也被越来越多的应用到城市防涝工程中。

2、然而，在河岸、堤坝等应用场景中，由于降雨、排洪、波浪拍击等因素的影响，岸坡内外水位常常处于快速变化之中，水流方向不断变换，岸坡受到往复水流的作用，土工织物反滤层也会受到连续的流动冲击，这给反滤体系的稳定带来了极大的不确定性，例如：增加了土壤细粒流失的可能性，土-土工织物界面处的桥型网络可能无法形成。近年来，也有许多往复流下土工织物反滤失效的案例报道。因此，必须进行相应的试验，来评估土工织物在往复流动条件下的反滤性能。目前最为常用的土工织物反滤性能测试试验为梯度比试验，由calhoun(1972)首次提出并由astm(1992)将其标准化，用于直接评估土-土工织物在不同水力梯度下的反滤相容性。该方法的主要内容为：在一定水流条件下，对土-土工织物体系开展渗透试验，通过比较土-土工织物体系(被保护土)及其界面处土-土工织物复合层渗透系数的变化情况以及相对大小来判断该体系在土工织物作用下发生淤堵的可能性。

3、专利cn202110472743.9公开了一种土工织物反滤特性的测试装置及其测试方法，该装置能进行真空抽气饱和以及法向压力加载，能识别土工织物的淤堵情况，可模拟应力与渗流作用下土工织物滤层的反滤特性，较好地反映实际工程环境。但是，其只能用于单向流动条件下的测试，在城市洪涝灾害日益增重的背景下，护岸、护坡等场景中应用的土工织物常常处在往复水流的作用下，其反滤机制与作用效果与在常规条件下相比，存在着明显的不确定性。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了提供一种往复流梯度比试验装置及试验方法，模拟实际工程中土工织物受到的往复水流作用。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种往复流梯度比试验装置包括：

3、渗透室，所述渗透室内设有刚性多孔承压顶板和刚性多孔承压底板，刚性多孔承压顶板与刚性多孔承压底板之间装填土样，土样底部设置土工织物，渗透室上下两端分别设有上进-出水阀和下进-出水阀；

4、往复流水头控制组件，与上进-出水阀和下进-出水阀相连通，用于提供试验所需的往复流水头；

5、数据测量与采集组件，包括用于测量与采集土样不同位置处水压的水头测量与采集模块；

6、竖向加压组件，用于对土样施加竖向压力。

7、优选地，所述往复流水头控制组件包括进水容器、进-出水容器、出水容器和三通阀；

8、所述三通阀的三端分别与进水容器、出水容器以及下进-出水阀相连通，进-出水容器与上进-出水阀连通；

9、所述进水容器、进-出水容器和出水容器均分别连接有用于调节其高度的高度调节件。

10、进一步优选地，所述高度调节件包括钢丝绳和绞盘。

11、进一步优选地，所述进水容器与进-出水容器设有三个孔，从上到下依次为1口、2口、3口，出水容器设有两个孔，从上到下依次为1口、2口；

12、所述三通阀为二位三通电磁阀，通电时，保持1、2口联通，断电时，保持2、3口联通，三通电磁阀的1口与进水容器的2口相连接，三通电磁阀的2口与下进-出水阀相连接，三通电磁阀的3口与出水容器的2口相连接，进-出水容器的2口与上进-出水阀相连接。

13、更进一步优选地，所述进水容器、进-出水容器和出水容器的1口为溢流口。

14、更进一步优选地，所述进水容器、进-出水容器和出水容器均连接水箱。

15、更进一步优选地，所述进水容器的1口连接进-出水容器的3口，进水容器的3口通过水泵连接水箱。

16、更进一步优选地，所述进-出水容器的1口连接水箱，3口连接进水容器的1口。

17、优选地，所述数据测量与采集组件还包括渗水量测量与采集模块；

18、所述渗水量测量与采集模块包括盛水容器、称重组件和定时排水器，盛水容器与出水容器的溢流口连接，称重组件设于盛水容器下，盛水容器内设有水温传感器；

19、所述定时排水器将盛水容器与水箱相连接。

20、优选地，所述渗透室还包括顶盖、上筒、下筒和底座；

21、所述底座、下筒、上筒、顶盖由下至上依次密封可拆卸连接，下筒与上筒内径相同且内部相连通，之间可拆卸设置土工织物；

22、所述顶盖上设有上进-出水阀和加压活塞孔，上筒内滑动设有刚性多孔承压顶板，竖向加压组件通过加压活塞孔连接刚性多孔承压顶板，下筒内固定有刚性多孔承压底板，底座上设有下-进出水阀。

23、进一步优选地，所述竖向加压组件包括加载顶杆和用于驱动加载顶杆上下移动的驱动件；

24、所述加载顶杆穿过加压活塞孔与刚性多孔承压顶板连接。

25、更进一步优选地，所述驱动件包括气缸。

26、优选地，所述渗透室侧壁上沿竖向间隔设有多个径向测压孔，水头测量与采集模块包括多个与径向测压孔相连接的水压传感器。

27、进一步优选地，所述水压传感器均通过三通排水阀与径向测压孔连接，三通排水阀一端与径向测压孔连接，一端与水压传感器连接，另一端则为自由排水端，自由排水端上设有球阀开关。

28、进一步优选地，所述水压传感器连接数据采集仪。

29、优选地，所述往复流梯度比试验装置，还包括真空抽气饱和组件，通过与渗透室的内部相连通，依靠抽吸作用，加速土样的饱和过程。

30、进一步优选地，所述真空抽气饱和组件包括真空泵和真空阀表。

31、优选地，所述土工织物下方设有卵砾石模拟层。

32、进一步优选地，所述卵砾石模拟层包括洁净钢珠或玻璃珠。

33、优选地，所述装置包括用于控制往复流水头控制组件、数据测量与采集组件、竖向加压组件和真空抽气饱和组件的控制组件。

34、进一步优选地，所述控制组件包括plc控制器。

35、一种往复流梯度比试验方法，使用上述试验装置进行，包括以下步骤：

36、s1：对土样进行饱和；

37、s2：通过竖向加压组件分段式逐级进行加压，待土样稳定后再进行下一段施压，最后稳定保持在试验设定压力；

38、s3：通过数据测量与采集组件测量与采集静水条件下土样各位置的水头高度，根据其是否随高度呈线性变化来判断土样是否饱和并记录土样的初始水头状态；

39、s4：通过往复流水头控制组件完成两种水流流向下的水头调节；

40、s5：根据试验要求，按周期不断切换水流方向，进行循环往复水流条件下的梯度比试验，通过数据测量与采集组件测量并采集全过程的水头变化；

41、s6：待试验结束后，取出土工织物，使其淤堵面朝下放置于清水中，静置一段时间，待其表面浮土自然落下沉淀，再将其烘干测定质量。

42、一种上述往复流梯度比试验装置的应用，将所述装置用于土工织物在往复水流条件下的反滤特性测试。

43、现有梯度比试验装置多依靠人工读取测压管上的数据来记录系统的水头变化，这种做法耗时耗力且准确性受限，并且这种方式只适用于水流条件较为稳定，不需要频繁记录数据的试验。而在往复流条件下，水流条件变化迅速，需高频采集与记录数据，此时，传统的试验装置已不再适用。此外，在护岸、护坡等具体的应用场景中，通常需要在土工织物表面设置块石或者混凝土保护层，因此，在进行相应的测试试验时，需将滤层所受法向应力纳入考虑，而传统的试验装置也并不能满足这一需求。

44、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

45、1.本发明提供了一种适用于往复流条件的梯度比试验装置及其试验方法，该装置能模拟实际工程中土工织物受到的往复水流作用；

46、2.本发明试验装置配置了往复流水头控制组件，能够进行土工织物滤层在任意周期往复水流条件下的梯度比试验，克服了传统装置只能进行单向水流下梯度比试验的弊端，拓宽了传统梯度比试验装置的研究条件；

47、3.本发明试验装置配置了数据测量与采集组件，能够实现所需数据的自动测量、采集与记录，继而省去繁琐、费力的测压管人工读数环节，极大的简化了试验操作人员的工作流程，且适用条件更为广泛，能够满足短周期往复水流条件下(例波浪流)等需高频采集与记录数据的试验要求；

48、4.本发明试验装置配置了竖向加压组件，能够进行应力与渗流耦合作用下的梯度比试验，解决了传统试验装置不能对滤层施加竖向荷载的缺点，可以更好的模拟现实条件；

49、5.本发明通过三通阀、进水容器、进-出水容器与出水容器的配合设置，使得可设定的往复流周期范围很广，能覆盖多种试验要求，还可依据高度差来调节控制试验水力梯度。