暗管材料排水性能评价装置以及方法

摘要

本发明公开了一种暗管材料排水性能评价装置以及方法，装置包括：砂筒，装有暗管，用于模拟暗管周围的渗流环境；测压排，用于测量暗管周围水头；溢流箱，为渗流砂筒提供水流及稳定的水头；升降台，用于调整溢流箱高度；集水箱，用于承接暗管和溢流箱排水并对其循环使用。方法包括如下步骤：装填连接、饱和排气、试验测量、收尾换样、分析总结。本发明的装置结构简单、操作方便、精确度高，结果容易分析，便于对多种暗管材料比较评价，从而优选性能更佳的暗管材料。

说明书

技术领域

本发明涉及暗管排水技术领域，具体涉及一种暗管材料排水性能评价装置以及方法。

背景技术

暗管排水是农田排水方式之一，暗管管材与外包料统称为暗管材料，目前暗管常用的管材为塑料波纹管，常用外包料为土工织物。塑料暗管有不同的大小尺寸、表面结构及开孔形式，外包料有不同的厚度、孔隙分布及渗透系数。为优选暗管材料以获得更好的排水效果，在实施应用暗管前需对不同暗管材料进行排水性能评价。常用的评价方法有：大田试验、砂槽试验、数值模拟等。

大田试验更切合实际，但实际试验环境变异性大、试验条件难以控制、成本高且费时费力；砂槽试验可以有效评价暗管材料的排水性能，但装置尺寸太大，装填困难，实施麻烦，难以应对多种暗管材料组合；数值模拟方便快捷，但排水边界较为简单，不能对不同暗管材料尤其是波纹管及无纺布组合有效表征。

发明内容

本发明是为了解决以上问题而进行的，目的在于提供评价暗管材料排水性能的试验装置以及方法，可快速准确地对多种不同暗管材料的排水性能进行比较评价。

为实现上述目的，本发明的方案如下：

第一方面，本发明提供一种暗管材料排水性能评价装置，其特征在于：包括砂筒、测压排、溢流箱、升降台和集水箱；

所述砂筒内部填土并装有暗管，用于模拟暗管周围的渗流环境；

所述测压排与砂筒相连接，用以测量砂筒剖面水头；

所述溢流箱与砂筒相连接，为砂筒提供水流及稳定的水头；

所述升降台的顶端放置溢流箱，以调整溢流箱的高度，用于调节溢流箱的供水水头；

所述集水箱与溢流箱相连接，以承接暗管和溢流箱的排水，并将排水循环供给到溢流箱。

作为优选方案，所述砂筒由四部分组成，包括内筒、外筒、前面板和后面板；所述外筒将内筒同心套在里面形成一个套筒，套筒的一端与前面板密封粘接，套筒的另一端与后面板通过法兰连接；所述后面板外形尺寸与前面板相同，且通过法兰与外筒连接；所述法兰内均设有橡胶圆环用以密封止水；

还包括四条输水管；所述溢流箱为一矩形槽体，槽体中设有高度低于槽体的竖直挡板；所述挡板将槽体分为两部分，一部分为进水溢流端，另一部分为余水排除端；所述进水溢流端设置有一个进水孔和两个出水孔；所述两个出水孔分别通过两条输水管均与砂筒相连；所述余水排除端设置有一个排水孔，所述排水孔通过一条输水管与集水箱相连；

所述集水箱内设有水泵；所述水泵通过一条输水管与进水孔相连，将集水箱中的水供给到溢流箱。

进一步地，所述内筒为一个管壁上均匀钻满圆孔的圆柱形壳体，内筒的内壁上设置有一层过滤网；所述外筒为一个与内筒长度相同的圆柱形壳体，外筒直径大于内筒；所述外筒上设置有两个供水孔，所述两个供水孔位于外筒横截面直径的两端点处；所述外筒上还设有可用于测压的排气孔和排水孔，所述排气孔和排水孔位于外筒横截面另一直径的两端点处，所述外筒的横截面直径与横截面另一直径呈90°交叉布置；所述外筒外壁上贴有刻度纸，以控制填土精度。

更进一步地，所述前面板为一圆形面板，其直径大于外筒；所述前面板中心设置有暗管孔，用于放置暗管；所述暗管孔直径与暗管外直径相同；所述前面板上还设置有若干测压孔，所述测压孔以前面板的圆心为中心呈米字形环状分布。

更进一步地，所述前面板和后面板的底端均削平一段以使评价装置平稳放置。

第二方面，本发明提供一种暗管材料排水性能评价方法，其特征在于：采用上述的暗管材料排水性能评价装置进行排水性能评价，包括以下步骤：

(1)装填连接：打开砂筒后面板，将暗管安装在暗管孔处，水平朝下放置砂筒，然后分层均匀填入砂土，填土密度根据所用砂土按照易于压实且不发生陷土的原则确定，填满砂土后合上后面板，然后将砂筒摆正，最后将砂筒与测压排和溢流箱相连，将溢流箱与集水箱相连；

(2)饱和排气：打开砂筒排气孔，使用水泵通过供水孔稳定缓慢地向砂筒供水，暗管开始排水后逐步缓慢提高水泵流量使砂筒内水位上升，直至砂筒完全饱和，然后堵住排气孔，关闭水泵，将砂筒静置24h后再次打开水泵供水，将排气孔连接到测压管并对所有测压管进行排气；

(3)试验测量：固定溢流箱高度后，每隔3-6h对暗管流量进行一次测量，暗管流量趋于稳定后缩短测量间隔，每1h进行一次测量直至流量稳定，所测流量应排除温度波动带来的影响，然后记录稳定流量及剖面水头，控制升降台条调整不同溢流箱高度，记录不同水头下的暗管流量及剖面水头；

(4)收尾换样：进行完一个暗管材料处理后，用排水孔排空装置中的水，断开装置各部分间的连接，清理砂筒中的砂土，清洗装置后更换暗管材料再次按照步骤(1)至(3)进行下一次试验，直至做完所有试验处理；

(5)分析总结：绘制不同处理的水头流量曲线，根据曲线位置判断不同暗管材料排水性能的好坏；进一步地绘制砂筒的剖面水头等值线图对流场进行分析。

本发明的优点与有益效果如下：

本发明所提出的暗管材料排水性能评价装置以及方法，模拟了暗管周围的实际渗流环境，通过调节不同供水水头，可以获得不同暗管材料的排水流量，从而比较得到排水性能更优的暗管材料，为暗管材料的设计和选择提供了依据。装置轻便、操作简单，可对大量不同处理的暗管材料进行试验，试验之间对比性强，结果精确易于分析，在暗管排水的设计和应用方面均具有一定价值。

附图说明

图1为本发明实施例涉及的暗管材料排水性能评价装置的正视图；

图2为本发明实施例涉及的砂筒侧视图；

图3为本发明实施例涉及的水头流量散点图；

图4为本发明实施例涉及的渗流剖面水头等值线图一；

图5为本发明实施例涉及的渗流剖面水头等值线图二。

图中：暗管0，砂筒1，内筒11，外筒12，前面板13，后面板14，供水孔15，排气孔16，排水孔17，暗管孔18、测压孔19；测压排2；溢流箱3，进水孔31，出水孔32，排水孔33；升降台4；集水箱5，水泵51；输水管6。

具体实施方式

以下结合附图对本发明涉及的暗管材料排水性能评价装置以及方法的具体实施方案进行详细地说明。

如图1所示，本实施例所提供的暗管材料排水性能评价装置包括：砂筒1、测压排2、溢流箱3、升降台4、集水箱5。

如图1-2所示，砂筒1由内筒11、外筒12、前面板13、后面板14组成，外筒12左右两端布置有两个供水孔15、上端布置有排气孔16、下端布置有排水孔17，前面板13上布置有暗管孔18、测压孔19，暗管0放置在暗管孔18内。

如图1所示，溢流箱3上布置有进水孔31、出水孔32、排水孔33。集水箱5放置在砂筒1正下方，水泵51放置在集水箱5中。装置各部分之间通过输水管6连接。

以上是本实施例所提供的暗管材料排水性能评价装置具体结构，下面对基于该装置对暗管材料排水性能进行评价的方法进行介绍，包括以下步骤：

步骤(1)：打开砂筒1后面板14，将暗管0包好外包料后安装于前面板13中间的暗管孔18并用胶密封。将砂筒1水平朝下放置，按所取密度分层填土，填满土后将后面板14合上，最后将砂筒1竖起。将测压排2与砂筒1前面板13上的测压孔19相连，使用输水管6将溢流箱3上的出水孔32与外筒12上的供水孔15相连，使用输水管6将溢流箱3上的进水孔31与水泵51相连，使用输水管6将溢流箱3上的排水孔33与集水箱5相连。

步骤(2)：打开排气孔16，向集水箱5中倒满水，打开水泵51，调节水泵51流量，使水流以足够小的流量流入砂筒1。待暗管0开始排水后，逐步增加水泵51的流量，使供水流量始终略大于暗管排水流量，直至整个砂筒1饱和，然后堵住排气孔16。关闭水泵51将砂筒1静置24h，再次打开水泵51，打开排气孔16排走溢出的气体后将排气孔16连至测压排2，最后排出测压排2中的气体。

步骤(3)：控制升降台4调节溢流箱3到设定高度，之后每隔6h测量记录一次暗管流量，暗管流量趋于稳定后改为每隔1h进行一次测量直至流量大小稳定，记录下稳定流量以及当时的水温，并读取各测压孔19和排气孔16的测压管水头，然后再次控制升降台4改变溢流箱3的高度，读取不同供水水头下的暗管流量和测压管水头，至少改变五次水头进行测量，水头范围应涵盖高、中、低水头。

步骤(4)：做完一个暗管材料处理后，将水泵51停机，打开排水孔17排出装置中的重力水，断开装置各部分之间的连接，打开后面板14，将砂筒1内的填土挖出，取下暗管0，将装置清洗干净，更换暗管材料按照步骤1、步骤2、步骤3的顺序再次进行下一个处理的试验，直至所有处理的试验完成。

步骤(5)：根据记录的水温将测得的暗管流量统一校正为20℃时的大小。将温度校正后的暗管流量与排气孔16处测得的外筒12与内筒11间的水头绘制成散点图，并对其进行线性拟合，根据拟合线之间的相对位置可以判断暗管材料排水性能好坏，如图3所示，在相同的供水水头下处理5的流量大于处理1的流量，表明处理5代表的暗管材料其排水性能要优于处理1。根据测得的不同位置测压管水头值绘制砂筒1剖面的水头等值线图，如图4-5所示，两图分别为同一水头下不同暗管材料处理的剖面水头分布情况，图4所示剖面水头分布均匀，暗管周围水头变化平缓，表明水流从四周均匀进入暗管，沿程没有较大的水头损失，暗管排水性能较好，而图5所示剖面水头分布不均，暗管周围尤其是暗管下方水头变化剧烈，表明水流多从暗管下方进入暗管，在下方入口处有较大的水头损失，暗管排水性能较差。

以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的暗管材料排水性能评价装置以及方法并不限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。