一种基于透明砂土的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法

摘要

本发明是一种基于透明砂土的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法，本方法涉及内容包括透明砂土模型试验参数相似关系、透明砂土材料配制、孔隙流体配制、示踪剂配制、模型装置设计和试验流程。本方法适用于地质工程、岩土工程技术领域，能够广泛应用于各类基坑地下水渗流问题进行可视化模拟。

说明书

技术领域

本发明属于地质工程、岩土工程技术领域，尤其是涉及一种基于透明 砂土的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法。

背景技术

近年来，随着我国基本建设的发展，越来越多的深基坑遭遇承压水和 降水过程中的环境保护问题。特别是在建筑密集区，如何平衡基坑内降水 和基坑外水位降落，从而控制降水诱发的沉降问题成为研究的热点。随着 基坑降水领域的不断深入研究，在基坑降水过程中的墙-井作用关系已经逐 步被广大学者和工程人员所认可。然而，由于受地质条件和观测手段的限 制，墙-井作用下承压水渗流模式和紊流现象不能被直接观察。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述技术缺陷而提供的一种基于透明砂土 的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于透明砂土的基坑降水地下水渗流可视化模拟试验方法，其特 征在于，本方法涉及内容包括透明砂土模型试验参数相似关系、透明砂土 材料配制、孔隙流体配制、示踪剂配制、模型装置设计和试验流程。

所述的透明砂土模型试验参数相似关系是依据模型试验相似理论推 导得出的。首先确定几何相似比1:100，试验参数相似关系推导如下：

(1)依据达西定律

已知α_p＝α_l＝100,α_g＝1,α_ρ＝*,α_μ＝*,α_k＝*,α_d＝*

${\alpha }_K=\frac{{\alpha }_k{\alpha }_{\rho }{\alpha }_g}{{\alpha }_{\mu }}=\frac{{\alpha }_k{\alpha }_{\rho }}{{\alpha }_{\mu }}---\left(I\right)$

${\alpha }_{\nu }=\frac{{\alpha }_p}{{\alpha }_l}\frac{{\alpha }_k}{{\alpha }_{\mu }}=\frac{{\alpha }_k}{{\alpha }_{\mu }}---\left(II\right)$

${\alpha }_t=\frac{{\alpha }_l}{{\alpha }_{\nu }}=100\frac{{\alpha }_{\mu }}{{\alpha }_k}---\left(III\right)$

${\alpha }_Q={\alpha }_A{\alpha }_{\nu }={\alpha }_l^2{\alpha }_{\nu }=10000\frac{{\alpha }_k}{{\alpha }_{\mu }}---\left(IV\right)$

${\alpha }_{R_e}=\frac{{\alpha }_{\rho }{\alpha }_{\nu }{\alpha }_d}{{\alpha }_{\mu }}=\frac{{\alpha }_{\rho }{\alpha }_k{\alpha }_d}{{\alpha }_{\mu }^2}---\left(V\right)$

式中：α_下标表示某一物理参数量值在原型条件下与模型条件下的比值，其 中_下标可表示为以下物理量：几何尺寸l，单位是m；压力p，单位 是Pa；平均速度ν，单位是m/s；流体密度ρ，单位是kg/m³；；动 力粘滞系数μ，单位是Pa·s，重力加速度g，单位是m/s²；渗透系 数K，单位是m/d；孔隙介质的渗透率k，单位是m·d，它只与固体 骨架的性质有关；雷诺数R_e；固体骨架颗粒平均粒径d，单位是m； *表示常数，需利用试验或其他方法确定；

(2)依据福希海默公式

已知α_p＝α_l＝100,α_g＝1,α_ρ＝*,α_μ＝*,α_k＝*,α_β＝*,α_d＝*

${\alpha }_{\nu }=\frac{-\frac{{\alpha }_{\mu }}{{\alpha }_k}+{(\frac{{\alpha }_{\mu }^2}{{\alpha }_k^2}+4{\alpha }_{\beta }{\alpha }_{\rho })}^{\frac{1}{2}}}{2{\alpha }_{\beta }{\alpha }_{\rho }}---\left(VI\right)$

${\alpha }_t=\frac{{\alpha }_l}{{\alpha }_{\nu }}=\frac{100}{{\alpha }_{\nu }}---\left(VII\right)$

${\alpha }_Q={\alpha }_A{\alpha }_{\nu }={\alpha }_l^2{\alpha }_{\nu }=10000{\alpha }_{\nu }---\left(VIII\right)$

${\alpha }_{R_e}=\frac{{\alpha }_{\rho }{\alpha }_{\nu }{\alpha }_d}{{\alpha }_{\mu }}---\left(IX\right)$

式中：β为非达西流惯性系数，只与固体骨架的孔隙率和渗透率有关；其 它_下标表示的物理量与第(1)部分相同。

所述的透明砂土材料由不同粒径高纯度熔融石英砂配制而成，为最大 程度上保证试验相似性，熔融石英砂颗粒分布应与实际模拟砂层颗粒分布 一致或等比缩放。

所述的孔隙流体由不同折射率白矿油配制而成，为保证试验透明度和 相似性，配制而成孔隙流体折射率为1.4585，且应保证流体动力粘滞系数 小于1×10^-2Pa·s。

所述的示踪剂由配制而成的孔隙流体加固体化工染料过滤提纯制成， 为保证示踪剂稳定性，需在试验前进行时效分析和扩散试验，选择最优颜 色和浓度。

本发明的“模型装置”，这部分内容可以采用常规技术实现，故说明 书未披露其详细结构。所述的模型装置包括主体结构、定水头边界、降水 井管、止水帷幕、示踪剂释放装置、分层孔压测量装置、高速摄像机。所 述的主体结构尺寸应满足最大水力边界要求，同时还应保证密闭性；所述 的顶水头边界应设置在水力边界以外，保证水位降落漏斗完整；所述的降 水井管、止水帷幕应按照相似关系中的几何相似比确定尺寸；示踪剂释放 装置应尽量设置在拟观测的重点部位，但同时需考虑装置在透明砂土中可 能产生的阻水效应，宜采用细导流管与针管释放示踪剂；所述的分层孔压 测量装置为测量试验过程中分层孔隙水压力，但为消除装置在透明砂土中 可能产生的阻水效应，宜采用侧壁测压管进行测量；所述的高速摄像机用 于拍摄示踪剂流动状态，拍摄过程中高速摄像机镜头需正对被观测区域， 并保证拍摄速度大于流体流动速度。

所述的试验流程应当包括以下几个步骤：

(1)向模型主体结构中根据试验设计分层填埋透明砂土材料；

(2)在填筑过程中特定位置按照试验设计安装降水井管、止水帷幕、 示踪剂释放装置、分层孔压测量装置；

(3)通过定水头边界向透明砂土材料内加注孔隙流体；

(4)将模型主体结构密闭，利用真空泵将孔隙流体中气泡抽出，提 高试验砂土透明度；

(5)开启降水井管，按照定流量或定水头方式抽取孔隙流体，同时 定水头边界处始终保持水位稳定；

(6)通过示踪剂释放装置释放示踪剂，利用高速摄像机拍摄示踪剂 流动状态；

(7)利用分层孔压测量装置测量试验过程中分层孔隙水压力分布及 变化。

综上，本发明方法原理为：根据模型试验相似理论，确定试验参数相 似关系，根据相似关系选择并配制透明砂土和孔隙流体，并选择适当的示 踪材料，设计模型装置并确定试验流程。

具体实施中，需首先确定试验参数相似关系，结合试验原型条件配制 特定颗粒级配的透明砂土材料，并配制相应的孔隙流体，通过时效分析和 扩散试验配制示踪剂，根据试验要求设计模型装置布设方式及试验工况。 分层填埋透明砂土材料，在填筑过程中特定位置按照试验设计安装降水井 管、止水帷幕、示踪剂释放装置、分层孔压测量装置，通过定水头边界向 透明砂土材料内加注孔隙流体，将模型主体结构密闭，利用真空泵将孔隙 流体中气泡抽出，开启降水井管，按照定流量或定水头方式抽取孔隙流体， 同时定水头边界处始终保持水位稳定，通过示踪剂释放装置释放示踪剂， 利用高速摄像机拍摄示踪剂流动状态，利用分层孔压测量装置测量试验过 程中分层孔隙水压力分布及变化。

附图说明

图1为本发明的技术流程图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

具体实施例中，如图1所示，首先确定试验参数相似关系，结合试验 原型条件配制特定颗粒级配的透明砂土材料，并配制相应的孔隙流体，通 过时效分析和扩散试验配制示踪剂，根据试验要求设计模型装置布设方式 及试验工况。分层填埋透明砂土材料，在填筑过程中特定位置按照试验设 计安装降水井管、止水帷幕、示踪剂释放装置、分层孔压测量装置，通过 定水头边界向透明砂土材料内加注孔隙流体，将模型主体结构密闭，利用 真空泵将孔隙流体中气泡抽出，开启降水井管，按照定流量或定水头方式 抽取孔隙流体，同时定水头边界处始终保持水位稳定，通过示踪剂释放装 置释放示踪剂，利用高速摄像机拍摄示踪剂流动状态，利用分层孔压测量 装置测量试验过程中分层孔隙水压力分布及变化。