專利名稱：一種模擬邊界水流影響滲流的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種土力學(xué)滲流實(shí)驗(yàn)方法，特別涉及一種用于模擬邊界水流對(duì)滲流影響作用 的實(shí)驗(yàn)裝置，屬于水利工程領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
早在1856年，法國(guó)工程師達(dá)西(Darcy)提出了線性滲流的達(dá)西定律。1889年，俄國(guó)的 茹可夫斯基首先推導(dǎo)了滲流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基提出了求解滲流場(chǎng)的電模擬 法。由于滲流的微分方程在復(fù)雜邊界條件下很難得到其解析解，所以人們力圖用數(shù)值算法解 決它。1910年理查森(L.F.Richardson)首先提出了有限差分法。在20世紀(jì)60年代之后， 由于計(jì)算機(jī)及計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展，人們廣泛應(yīng)用有限單元法、邊界元法和許多其它計(jì)算方 法計(jì)算解決滲流問(wèn)題。利用這些實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)模擬手段，無(wú)疑，滲流預(yù)測(cè)及應(yīng)用均得到了充 分發(fā)展，在水利、建筑、交通、采礦、石油、農(nóng)業(yè)和環(huán)境等許多行業(yè)均應(yīng)用廣泛。
然而，以上研究方法與模擬手段主要基于達(dá)西定律的線性滲流原理，其相關(guān)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算， 均不能考慮其滲流介質(zhì)存在邊界水流的特殊工況。比如，對(duì)于江河岸坡，其坡外水位高于坡 體內(nèi)地下水位時(shí)則發(fā)生向坡內(nèi)的滲流，相反則發(fā)生水的外滲。該岸坡滲流與山坡滲流有著較 大的區(qū)別，即岸坡外的水位是變動(dòng)的，而且水是運(yùn)動(dòng)著的水流。水流流速大小是否影響岸坡 滲流，至今尚未見(jiàn)相關(guān)研究的報(bào)道。與該問(wèn)題相伴而生，滲流是否會(huì)影響其邊界水流流速、 流態(tài)等特征呢？國(guó)外有不少學(xué)者進(jìn)行了這方面的實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明滲流對(duì)邊界水流影響顯 著，并明顯影響相應(yīng)的泥沙沖淤變化，而且產(chǎn)生了考慮滲流影響的相應(yīng)沖刷預(yù)測(cè)模型。因此， 對(duì)于作為邊界條件的水流，其對(duì)滲流的影響可能在一定條件下也不容忽略，有必要通過(guò)專門 實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究。在長(zhǎng)江崩岸治理的設(shè)計(jì)中，往往需要考慮垂線平均流速達(dá)2.5 4.5m/s的水流 作用，所以在進(jìn)行重要岸坡穩(wěn)定分析時(shí)，不宜忽略江河水流的影響。為此，急需研制能夠反 映邊界水流對(duì)滲流影響作用的滲流實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)一步探究其影響大小，完善滲流理論。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種滲流實(shí)驗(yàn)方法和實(shí)驗(yàn)裝置，能模擬作為邊界條件的水流對(duì)滲流 的影響過(guò)程，解決岸坡失穩(wěn)機(jī)理研究中急需的地下滲流模擬設(shè)備難題，能充分反映和揭示邊 界水流對(duì)土內(nèi)滲流的影響和作用規(guī)律，可定量研究邊界水流條件對(duì)滲流的作用機(jī)理，且試驗(yàn) 實(shí)施容易、操作簡(jiǎn)單。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種模擬邊界水流影響滲流的方法，是在傳統(tǒng)的滲流試驗(yàn)理論基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)滲流介質(zhì) 一側(cè)增加切向水流邊界條件，觀測(cè)某一滲流強(qiáng)度(單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)滲流介質(zhì)的水量)下，不 同切向水流邊界條件所對(duì)應(yīng)的滲流水頭差，同時(shí)也可以改變滲流強(qiáng)度，重復(fù)試驗(yàn)，并依據(jù)流 體力學(xué)理論及觀測(cè)數(shù)據(jù)，可整理邊界水流對(duì)滲流的影響大小和作用機(jī)理。若在同一滲流強(qiáng)度 下，邊界水流條件的變化并不影響滲流水頭差，或者其影響雜亂無(wú)章，那么說(shuō)明二者沒(méi)有顯 著的聯(lián)系；相反，若滲流水頭觀測(cè)數(shù)據(jù)隨著邊界水流條件的改變而變化，并呈規(guī)律性變化， 則說(shuō)明二者之間存在著必然的聯(lián)系。通過(guò)變換切向水流邊界條件、滲流強(qiáng)度和土體物理力學(xué) 參數(shù)，進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，可揭示邊界水流影響滲流的內(nèi)在機(jī)理。
本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)方法，需要同時(shí)滿足以下要求l)所有水體均為無(wú)氣水，以確保滲流 的穩(wěn)定性，這要求實(shí)驗(yàn)設(shè)備便于抽真空，以利于排出水中和土中的空氣；2)為定量研究邊界 水流條件對(duì)滲流的影響， 一個(gè)試驗(yàn)必須代表工程中的一個(gè)點(diǎn)，如水下岸坡坡面上的一個(gè)點(diǎn)， 這要求試驗(yàn)中的滲流介質(zhì)邊界面上各點(diǎn)均有著相同的滲流邊界條件；3)滲流供水強(qiáng)度可以調(diào) 節(jié)，以獲得不同的滲流強(qiáng)度；4)切向邊界水流循環(huán)使用、節(jié)約用水，水流脈動(dòng)性小，水流循 環(huán)流動(dòng)過(guò)程中不摻氣，且流速可連續(xù)調(diào)節(jié)，以獲取多種邊界水流條件。
本發(fā)明所述的實(shí)驗(yàn)裝置，依據(jù)以上實(shí)驗(yàn)方法和要求設(shè)計(jì)而成，包括兩流作用室、滲流供 水裝置、管道水流循環(huán)裝置和觀測(cè)裝置。兩流作用室模擬邊界水流和滲流相互作用，滲流供 水裝置為兩流作用室提供恒定的供水流量，管道水流循環(huán)裝置為兩流作用室提供恒定的切向 邊界水流條件，觀測(cè)裝置包括水溫、環(huán)柱土樣內(nèi)外表面處總水頭、管流流速等監(jiān)測(cè)裝置。
本發(fā)明所述的兩流作用室，為邊界水流和土內(nèi)滲流共同作用的一個(gè)腔室，包括圓筒型滲 流池、土體環(huán)柱試樣和中間過(guò)流管，其中，滲流池截面采用圓形，是為了能夠承受較大的真 空負(fù)壓，利于試樣土體的含水飽和。滲流池內(nèi)的水是靜止的，構(gòu)成環(huán)柱土樣的外側(cè)水頭邊界， 而位于環(huán)柱土樣中心的中間過(guò)流管，管內(nèi)可以是靜水，也可以是切向水流，這構(gòu)成環(huán)柱土樣 的內(nèi)側(cè)水流邊界條件。
本發(fā)明所述的滲流供水裝置，采用定水頭和閥門開(kāi)度可調(diào)的方法，為兩流作用室提供恒 定的流量，以抵消透過(guò)土體試樣的滲流水量，使得滲流總水頭(或滲流池內(nèi)的水位)保持不 變。
本發(fā)明所述的管道水流循環(huán)裝置，采用管道內(nèi)置多個(gè)水泵的方式(水泵功率可調(diào))，將管 道里面的水循環(huán)起來(lái)，通過(guò)兩流作用室內(nèi)的中間過(guò)流管，為兩流作用室環(huán)柱土樣的滲流提供 穩(wěn)定的邊界水流條件。
與傳統(tǒng)滲流實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)備相比，本發(fā)明通過(guò)對(duì)邊界水流和滲流的耦合作用模擬， 可實(shí)現(xiàn)定量研究邊界水流對(duì)滲流的影響大小和作用機(jī)理，拓展了滲流實(shí)驗(yàn)的研究范圍，可望 為岸坡失穩(wěn)機(jī)理與防治對(duì)策研究提供更符合實(shí)際的實(shí)驗(yàn)理論支持。本發(fā)明原理簡(jiǎn)單，理論明 確，且實(shí)施容易，操作簡(jiǎn)單、有效。


圖l本發(fā)明實(shí)施例的滲流機(jī)制示意圖。 圖2本發(fā)明實(shí)施例的水流循環(huán)機(jī)制示意圖。
其中，1.兩流作用室；2. 土體環(huán)柱試樣；3.中間過(guò)流管；4.供水池；5.供水閥；6.供 水連接管；7.測(cè)壓管；8.微型水泵；9.水流循環(huán)管道；10.溢流管。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的目的是模擬邊界水流對(duì)滲流的作用，所以形成滲流和邊界水流的相關(guān)裝置為實(shí) 驗(yàn)設(shè)備的主要裝置。圖l示意了本發(fā)明的滲流機(jī)制。在水平放置的圓形兩流作用室l內(nèi)，土 體環(huán)柱試樣2位于兩流作用室中間位置，試樣內(nèi)表面和外表面均為不銹鋼絲網(wǎng)，其孔徑應(yīng)小 于所用土體顆粒的最小粒徑，即雖然透水，但土顆粒通不過(guò)，因此試驗(yàn)前對(duì)所用土料進(jìn)行粒 徑處理是非常必要的。當(dāng)環(huán)柱試樣內(nèi)外總水頭存在差異」//時(shí)，則土體內(nèi)將發(fā)生滲流。圖中 環(huán)柱試樣外面的水位高于內(nèi)腔，故產(chǎn)生向內(nèi)腔的滲流。環(huán)柱試樣是空心的，所形成的內(nèi)腔成 為水流的通道，即中間過(guò)流管3，其水流狀況即為滲流的邊界水流條件。環(huán)柱試樣淹沒(méi)在兩 流作用室內(nèi)，其水位在試驗(yàn)中保持不變，滲出的水量由供水池4提供。供水池4單位時(shí)間內(nèi) 的供水量由水位落差Z/w和供水閥5控制。在固定水位落差7/w的情況下，調(diào)節(jié)供水閥5可以 取得不同的供水流量。由于一次試驗(yàn)滲流用水不多，供水池內(nèi)水位變動(dòng)遠(yuǎn)小于水位落差i/w， 所以試驗(yàn)中可忽略由此帶來(lái)的誤差，但這要求供水池底面積較大，以使試驗(yàn)中其水位變化最 大不能大于0.057/w。對(duì)于靜水滲流，若定義環(huán)柱試樣外徑i 卜內(nèi)徑及2，由下面的式(l)可計(jì) 算試樣內(nèi)表面各點(diǎn)的滲透比降(也是試樣內(nèi)的最大比降)；對(duì)于中間過(guò)流管內(nèi)的水流速度大于 零時(shí)，則邊界水流對(duì)滲流的影響體現(xiàn)在監(jiān)測(cè)的總水頭差Z1//，同樣可采用式(l)計(jì)算試樣內(nèi)表 面的滲透比降，該數(shù)值稱為表觀滲透比降，這是因?yàn)樗鞯挠绊?，使得不同的滲透比降對(duì)應(yīng) 于同一個(gè)滲流強(qiáng)度，這不符合廣泛適用于靜水邊界條件的傳統(tǒng)滲流理論。
圖2示意了本發(fā)明的水流循環(huán)機(jī)制。兩流作用室內(nèi)的中間過(guò)流管與水流循環(huán)管道9順直 連接，且內(nèi)徑相同，以減少水流的局部水頭損失。水流循環(huán)動(dòng)力由安設(shè)在底部水流循環(huán)管道 9內(nèi)的多個(gè)微型水泵8提供，且微型水泵8的功率可調(diào)，可獲取多個(gè)不同管流流速條件。滲 流進(jìn)入水流循環(huán)管道9的多余水量從溢流管IO排出，使得管道內(nèi)的水量一直不變。
試驗(yàn)中需要監(jiān)測(cè)水溫，因?yàn)樵囼?yàn)用水的溫度直接影響著水的粘滯系數(shù)，進(jìn)而影響著管內(nèi) 水流流態(tài)的判斷、土中水的滲流特性等，這要求試驗(yàn)中盡可能確保溫度不變，利于試驗(yàn)現(xiàn)象 和數(shù)據(jù)的對(duì)比分析；同時(shí)，需要觀測(cè)各個(gè)試驗(yàn)中環(huán)柱土樣內(nèi)外表面處的總水頭、管流流速等。
試驗(yàn)步驟主要有1)安裝土體試樣；2)對(duì)兩流作用室、水流循環(huán)管道抽真空，待真空度達(dá)到650mmHg以上時(shí)，再往里面送無(wú)氣水，并繼續(xù)抽真空，以盡可能減少循環(huán)水體中的 含氣量，并提高土樣含水飽和度；3)打開(kāi)溢流管，試調(diào)供水閥，獲取需要的水頭差」i/，進(jìn) 行滲流試驗(yàn)；4)打開(kāi)微水泵電源，調(diào)節(jié)功率，從小到大逐級(jí)增加，取得不同水流流速條件， 重復(fù)步驟3進(jìn)行試驗(yàn)；5)調(diào)節(jié)供水閥，取得多個(gè)滲流供水量，重復(fù)步驟3和4，進(jìn)行多組試 驗(yàn)；6)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉微水泵電源，如短期內(nèi)不再做試驗(yàn)，需要及時(shí)排干腔室和管道內(nèi)的 水，并清洗微水泵和管道。
實(shí)例兩流作用室的內(nèi)徑30cm，內(nèi)腔長(zhǎng)度30cm。供水池提供的水頭差//w= 150cm。環(huán) 柱試樣采用粒徑范圍0.2 0.3mm的均勻砂，平均粒徑為0.25mm，且試樣長(zhǎng)度30cm，外直徑 20cm，內(nèi)腔直徑4.7cm。水流循環(huán)管道直徑與環(huán)柱試樣內(nèi)的中間過(guò)流管直徑相同。試驗(yàn)過(guò)程
中一直監(jiān)測(cè)供水池的水溫，約27'c，水溫變化均在rc以內(nèi)。通過(guò)不同切向邊界水流條件、
不同滲流水頭差組合情況的水流滲流耦合試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，切向邊界水流對(duì)滲流影響明 顯，并呈規(guī)律性變化。
上述的對(duì)實(shí)施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應(yīng)用本發(fā)明。熟悉 本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對(duì)這些實(shí)施例做出各種修改，并把在此說(shuō)明的一般原理應(yīng) 用到其他實(shí)施例中而不必經(jīng)過(guò)創(chuàng)造性的勞動(dòng)。因此，本發(fā)明不限于這里的實(shí)施例，本領(lǐng)域技 術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，對(duì)于本發(fā)明做出的改進(jìn)和修改都應(yīng)該在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種模擬邊界水流對(duì)滲流影響的方法，其特征在于應(yīng)用環(huán)柱土樣滲流的軸對(duì)稱特點(diǎn)，使得土樣內(nèi)表面各點(diǎn)的滲流要素相同；采用循環(huán)管流方式提供土體滲流的邊界水流條件，根據(jù)管流的流速分布規(guī)律和流態(tài)變化特點(diǎn)，不同的管流流量，則代表不同的邊界水流條件。
2、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于所述的土樣為圓環(huán)柱狀，中間的空心圓 管構(gòu)成水流通道，為中間過(guò)流管。
3、 如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的循環(huán)管流水流在管內(nèi)循環(huán)流動(dòng)， 并與環(huán)柱土樣的中間過(guò)流管順直連接，確保管內(nèi)水流的流速、流態(tài)的連續(xù)一致。
4、 可用于實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求l所述方法的裝置，其特征在于其包括兩流作用室、滲 流供水裝置、管道水流循環(huán)裝置和觀測(cè)裝置，兩流作用室模擬邊界水流和滲流相互作用， 滲流供水裝置為兩流作用室提供恒定的供水流量，管道水流循環(huán)裝置為兩流作用室提供 恒定的切向邊界水流條件，觀測(cè)裝置包括水溫、環(huán)柱土樣內(nèi)外表面處總水頭、管流流速 等監(jiān)測(cè)裝置。
5、 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的兩流作用室，邊界水流和土內(nèi)滲 流共同作用的一個(gè)腔室，包括滲流池、土體環(huán)柱試樣和中間過(guò)流管。
6、 如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于所述的滲流池的截面采用圓形以能夠承 受較大的真空負(fù)壓，利于試樣土體的含水飽和。
7、 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的滲流供水裝置，采用定水頭和閥 門開(kāi)度可調(diào)的方法，為兩流作用室提供恒定的連續(xù)可調(diào)的供水流量，以抵消透過(guò)土體試 樣的滲流水量，使得滲流池內(nèi)的水位一直保持不變。
8、 如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于所述的管道水流循環(huán)裝置，采用管道內(nèi) 置多個(gè)功率可調(diào)水泵的方式，將管道里面的水循環(huán)起來(lái)，通過(guò)中間過(guò)流管，為兩流作用 室的土體環(huán)柱試樣滲流提供穩(wěn)定的水流邊界條件。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其特征在于主要包括以下步驟1)安裝土體試樣； 2)對(duì)兩流作用室、水流循環(huán)管道抽真空，待真空度達(dá)到650mmHg以上時(shí)，再往里面送 無(wú)氣水，并繼續(xù)抽真空，使土樣飽和；3)打開(kāi)溢流管，試調(diào)供水閥，獲取需要的水頭 差」//，進(jìn)行滲流試驗(yàn)；4)打開(kāi)微水泵電源，調(diào)節(jié)功率，從小到大逐級(jí)增加，取得不同 水流流速條件，重復(fù)步驟3進(jìn)行試驗(yàn)；5)調(diào)節(jié)供水閥，取得多個(gè)滲流供水量，重復(fù)步 驟3和4，進(jìn)行多組試驗(yàn)；6)試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，關(guān)閉微水泵電源，如短期內(nèi)不再做試驗(yàn)，需要及時(shí)排干腔室和管道內(nèi)的水，并清洗微水泵和管道。
全文摘要
一種模擬邊界水流對(duì)滲流影響的方法及滲流裝置，在傳統(tǒng)的滲流理論基礎(chǔ)上，應(yīng)用環(huán)柱土樣滲流的軸對(duì)稱特點(diǎn)，結(jié)合管流理論，采用管流方式提供土體滲流的邊界水流條件，可再現(xiàn)邊界水流對(duì)滲流的作用過(guò)程，揭示其作用規(guī)律和機(jī)理。根據(jù)管流的流速分布規(guī)律和流態(tài)變化特點(diǎn)，不同的管流流量，則代表不同的邊界水流條件。滲流大小和邊界水流條件均連續(xù)可調(diào)，可定量研究邊界水流對(duì)滲流的影響大小。本發(fā)明實(shí)施簡(jiǎn)單，操作方便。
文檔編號(hào)G01N33/00GK101308128SQ200810040478
公開(kāi)日2008年11月19日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者謝立全 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)