一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置及方法

摘要

本发明提出了一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置及方法，该装置包括：一用于模拟渗透过程的渗透模块,渗透模块包括由上至下依次可拆卸连接的上筒、第一中筒、第二中筒和下筒；上筒、第一中筒、第二中筒和下筒依次连通且均由透明材料制成；第一中筒和第二中筒之间可拆卸地安装一土工织物；上筒连通一用于提供恒压水流的给水模块；第一中筒靠近上筒的一端设置第一孔隙水压力传感器；第一中筒靠近第二中筒的一端设置第二孔隙水压力传感器；第二中筒靠近第一中筒的一端设置第三孔隙水压力传感器；第二中筒靠近下筒的一端设置第四孔隙水压力传感器；下筒连通一测量渗水量的称重模块。本发明可用于评价土工织物与砂土耦合渗透特性。

说明书

技术领域

本发明属于土工织物渗透仪相关技术领域，尤其涉及一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置及方法。

背景技术

土工织物，又称土工布，是一种渗透特性好、抗拉强度高、易施工、造价低的新型高分子聚合材料。近些年，因其孔隙率高且孔径小，具有良好的反滤特性，被广泛应用于水利、岩土和环境等工程中。其中，比较重要的一项应用是管袋坝工程，即由土工织物制成的土工管袋经充填、堆叠围堰后吹填形成的堤坝工程。

管袋坝凭借其低碳节能、工艺简单、技术可靠、造价节省、工期可控等优点被广泛应用于各类水利工程中。相较于工程实践的迅速发展，其筑坝理论的研究相对落后，尤其是作为挡水建筑物，其渗流场都未建立，极大的限制了对坝体安全的研究。由于管袋坝区别于传统土石坝，渗流场不仅由坝体所用砂料确定，还需要考虑砂料充填入土工织物后形成的充填管袋整体渗透特性。因此，亟需一种能够测试土工织物与砂土耦合渗透特性的仪器，以用于研究由土工织物包裹土料所组成的充填管袋整体的渗透特性，为管袋坝整体渗流场的建立所需基础数据的获取提供有效测量装置及方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置及方法，以解决现有仪器无法测试土工织物与砂土耦合渗透特性的问题。为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置，包括：一用于模拟渗透过程的渗透模块，所述渗透模块包括由上至下依次可拆卸连接的上筒、第一中筒、第二中筒和下筒；所述上筒、第一中筒、第二中筒和下筒依次连通且均由透明材料制成；所述第一中筒和第二中筒之间可拆卸地安装一土工织物；

其中，所述上筒连通一用于提供恒压水流的给水模块；

所述第一中筒，用于放置第一砂土试样，所述第一中筒靠近上筒的一端设置第一孔隙水压力传感器；所述第一中筒靠近第二中筒的一端设置第二孔隙水压力传感器；

所述第二中筒，用于放置第二砂土试样，所述第二中筒靠近第一中筒的一端设置第三孔隙水压力传感器；所述第二中筒靠近所述下筒的一端设置第四孔隙水压力传感器；

所述下筒连通一测量渗水量的称重模块。

优选地，所述上筒的下端面、第一中筒的上端面、第一中筒的下端面、第二中筒的上端面、第二中筒的下端面、下筒的上端面均为一法兰盘。

优选地，所述第一中筒的上端面和上筒的下端面之间、所述第一中筒的下端面和第二中筒的上端面之间、第二中筒的下端面和下筒的上端面之间均通过螺栓连接。

优选地，所述上筒的下端面、第一中筒的上端面、第一中筒的下端面、第二中筒的上端面、第二中筒的下端面、下筒的上端面上分别固定一发泡止水密封圈。

优选地，所述下筒和第二中筒设置第二纱网；所述第二纱网位于下筒处发泡止水密封圈和第二中筒处发泡止水密封圈之间；所述上筒和第一中筒之间设置第一纱网；所述第一纱网上筒处发泡止水密封圈和第一中筒处发泡止水密封圈之间。

优选地，所述给水模块包括与上筒依次连接的缓冲箱、水泵和水源。

优选地，所述缓冲箱和上筒之间的水管道上设置一精密压力表；所述缓冲箱和水泵的水管道上设置一单向止回阀；所述水泵和水源之间的管道上设置一阀门；所述水泵电连接一精密调速器。

优选地，所述称重模块包括一与所述下筒连通的盛水箱；所述水箱上设置

一称重压力传感器。

一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验方法，基于所述的测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置，包括以下步骤：

（1）制作试样和土工织物：首先根据第一中筒的容量计算所需第一砂土试样的试样量、根据第一中筒的容量计算所需第二砂土试样的试样量，之后准备两份相同的第一砂土试样、两份相同的第二砂土试样；

裁剪土工织物，该土工织物的面积大于第一中筒的内径且大于第二中筒的内径；在土工织物在开设用于供紧固螺栓穿过的孔；

（2）校准给水模块；

（3）选取一对相同的渗透模块、一对相同的给水模块、一对相同的称重模块、一对相同的信息采集模块、一对相同的第一孔隙水压力传感器、一对相同的第二孔隙水压力传感器、一对相同的第三孔隙水压力传感器、一对相同的第四孔隙水压力传感器；

（4）构建第一试验装置：依次连接一渗透模块内的上筒、第一中筒、第二中筒和下筒；其中，第一中筒内放置一第一砂土试样，第二中筒内放置一第二砂土试样；

最后将一给水模块、一称重模块分别与一渗透模块连通；将一信息采集模块分别与一第一孔隙水压力传感器、一第二孔隙水压力传感器、一第三孔隙水压力传感器、一第四孔隙水压力传感器和一称重模块电连接；

（5）构件第二试验装置：依次连接另一渗透模块内的上筒、第一中筒、第二中筒和下筒；其中，第一中筒内放置另一第一砂土试样，第二中筒内放置另一第二砂土试样；第二中筒和第一中筒之间放置土工织物；

最后将另一给水模块、另一称重模块分别与另一渗透模块连通；将另一信息采集模块分别与另一第一孔隙水压力传感器、另一第二孔隙水压力传感器、另一第三孔隙水压力传感器、另一第四孔隙水压力传感器和另一称重模块电连接；

（6）进行排气工序：打开第一试验装置中上筒处连通给水模块的上进水口、上筒上的上排气口、下筒处连通称重模块的下出水口、下筒处上的下排气口；同时打开第二试验装置中上筒处连通给水模块的上进水口、上筒上的上排气口、下筒处连通称重模块的下出水口、下筒处上的下排气口；

两给水模块分别供水至第一试验装置、第二试验装置中的渗透模块；

待第一试验装置中的渗透模块中无气泡时，关闭第一试验装置中的上排气口、下排气口和下出水口；待第二试验装置中的渗透模块中无气泡时，关闭第二试验装置中的上排气口、下排气口和下出水口；

（7）进行浸泡工序：两给水模块继续供水至第一试验装置、第二试验装置中的渗透模块，以对两渗透模块进行浸泡；同时第一试验装置、第二试验装置内的第一孔隙水压力传感器、第二孔隙水压力传感器、第三孔隙水压力传感器、第四孔隙水压力传感器将水压值传递至对应的信息采集模块；

当第一试验装置内的信息采集模块采集的水压值稳定时，完成第一试验装置的浸泡工序；

当第二试验装置内的信息采集模块采集的水压值稳定时，完成第二试验装置的浸泡工序；

（8）进行渗流工序：打开第一试验装置中的出水口进行渗流，渗流过程中第一试验装置中的信息采集模块实时采集水压值、第一试验装置中称重模块的渗水量数据；

打开第二试验装置中的出水口进行渗流，渗流过程中第二试验装置中的信息采集模块实时采集水压值、第二试验装置中称重模块的渗水量数据。

与现有技术相比，本发明的优点为：

（1）首先设计由可视化的渗透模块、给水模块、称重模块、信息采集模块和多个传感器组成的试验装置，之后准备两套相同的该试验装置，并在其中一试验装置的第一中筒和第二中筒之间设置土工织物。两组试验装置中，第二试验装置中的信息采集模块均实时获取经过土工织物前、后的水压值、渗流至称重模块内的渗流水量，最后信息采集模块获取包含水压值和渗流水量两个变量的第二渗透特性曲线；第一试验装置中的信息采集模块实时与第二试验装置中相同位置处的的水压值、渗流至称重模块内的渗流水量，最后信息采集模块获取包含水压值和渗流水量两个变量的第一渗透特性曲线；基于第一渗透特性曲线和第二渗透特性曲线，可用于评价土工织物-砂土耦合整体的渗透特性。

（2）该测试方法中，在进行渗流工序前，经过了排气工序和浸泡工序，排除了外界对于水压值和渗流水量的影响，测试精度高。

（3）该测试方法中，只需打开给水模块，过程中控制上排气口、上进水口、下排气口和下排水口的通断，即可完成对水压值和渗流水量的获取，便于操作。

（4）该测试方法中，可改变在第一中筒和第二中筒内放置的砂土试样类型、土工织物的类型，测试范围广。

附图说明

图1为本发明一实施例的测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置框架图；

图2为图1中第一中筒、第二中筒、土工织物、和紧固螺栓构成整体的剖视图；

图3为图1中第一中筒、第二中筒、土工织物、和紧固螺栓构成整体的又一方向剖视图；

图4为图1中第一中筒、第二中筒、土工织物、和紧固螺栓构成整体的横截面剖视图。

其中，1-上排气口、2-上进水口、3-上筒、4-第一中筒、5-第二中筒、6-下筒、7-下出水口、8-下排气口、9-进水空间、10-待测样品、11-出水空间、12-带孔洞垫板、13-紧固螺栓、14-法兰盘、15-发泡止水密封圈、16-土工织物、17-第一纱网、18-第一孔隙水压力传感器、19-第二孔隙水压力传感器、20-第三孔隙水压力传感器、21-第四孔隙水压力传感器、22-称重压力传感器、23-采集卡、24-控制显示模块、25-阀门、26-水泵、27-精密调速器、28-单向止回阀、29-缓冲箱、30-精密压力表、31-盛水箱。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。

如图1~3所示，一种测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置，包括：用于模拟渗透过程的渗透模块、用于提供恒压水流的给水模块、用于测量渗水量的称重模块、包括多个孔隙水压力传感器的传感器模块、用于获取传感器模块数据、称重模块数据的信息采集模块。

渗透模块包括由上至下依次可拆卸连接的上筒3、第一中筒4、第二中筒5和下筒6；上筒3、第一中筒4、第二中筒5和下筒6依次连通且均由透明材料制成；第一中筒4和第二中筒5之间可拆卸地安装一土工织物16。即根据需要，第一中筒4和第二中筒5之间可设置该土工织物16，也可以去除。即本试验装置既可直接测试无土工织物（即第一中筒4与第二中筒5之间不安装土工织物）影响时砂土的渗透特性，也可在第一中筒4与第二中筒5之间安装土工织物，测试土工织物-砂土的渗透特性。

具体的，上筒3连通一用于提供恒压水流的给水模块；第一中筒4靠近上筒3的一端设置第一孔隙水压力传感器18；上筒3的下端面均为一法兰盘14，且上筒3的下端面固定一发泡止水密封圈15。

第一中筒4，用于放置第一砂土试样，即待测样品10；第一中筒4靠近第二中筒5的一端设置第二孔隙水压力传感器19；第一中筒4的下端面、下端面均为一法兰盘14；第一中筒4的上端面下端面上均固定一发泡止水密封圈15。优选地，第一中筒4的底面为一带孔洞垫板12，固定于该法兰盘14的内圈。

第二中筒5，用于放置第二砂土试样，第二中筒5靠近第一中筒4的一端设置第三孔隙水压力传感器20；第二中筒5的上端面、下端面均为一法兰盘14；第二中筒5的上端面下端面上均固定一发泡止水密封圈15。即当第一中筒4和第二中筒5之间安装土工织物16时，第二孔隙水压力传感器19和第三孔隙水压力传感器20的作用是实时监测土工织物两表面的水压力分布情况；为实现实时监测渗透模块内部水压力分布情况，通过第一孔隙水压力传感器18和第二孔隙水压力传感器19、第三孔隙水压力传感器20和第四孔隙水压力传感器21进行监测，并可通过采集卡23、控制显示模块24直接进行相关数据传输处理。

下筒6的出水空间11连通一测量渗水量的称重模块；第二中筒5靠近下筒6的一端设置第四孔隙水压力传感器21。下筒6的上端面均为一法兰盘14；下筒6的上端面上分别固定一发泡止水密封圈15。优选地，下筒6的顶面为一带孔洞垫板12，固定于该法兰盘14的内圈。

在本实施例中，上筒3、第一中筒4、第二中筒5和下筒6均包括一筒体、固定于筒体上的法兰盘14。

在本实施例中，第一中筒4的上端面和上筒3的下端面之间、第一中筒4的下端面和第二中筒5的上端面之间、第二中筒5的下端面和下筒6的上端面之间均通过紧固螺栓13连接。即安装土工织物16时：在第一中筒4与第一中筒4相接的法兰盘14上贴有发泡止水密封圈15，相邻法兰盘14之间可粘合已裁剪好的土工织物，通过螺栓的固定，用于实现对土工织物的粘合、固定。

在本实施例中，下筒6和第二中筒5设置第二纱网；第二纱网位于下筒6处发泡止水密封圈15和第二中筒5处发泡止水密封圈15之间；上筒3和第一中筒4之间设置第一纱网17；第一纱网17上筒3处发泡止水密封圈15和第一中筒4处发泡止水密封圈15之间。

在本实施例中，给水模块包括与上筒3依次连接的缓冲箱29、水泵26和水源；缓冲箱29和上筒3之间的水管道上设置一精密压力表30；缓冲箱29和水泵26的水管道上设置一单向止回阀28；水泵26和水源之间的管道上设置一阀门25；水泵26电连接一精密调速器27。其中，精密压力表30可以与第一孔隙水压力传感器18共同配合，辅以精密调速器27调节水泵26功率，用于实现对流入渗透模块中水流的精准控制。精密压力表30的作用是辅以观察，进一步精密调控流入上筒3内中进水空间9的水流；为实现消除水流波动脉冲，设有缓冲箱29；为实现平衡水流在接触第砂土试样前的水头损耗，给水模块可同时配合第一孔隙水压力传感器18共同调节水压力，以确保水头精准稳定。

称重模块包括一与下筒6连通的盛水箱31；水箱上设置一称重压力传感器22。

信息采集模块包括控制显示模块24和与控制显示模块24电连接的采集卡23，用于析有土工织物时第二孔隙水压力传感器19与第三孔隙水压力传感器20的水压力分布的变化情况、以及依据第一孔隙水压力传感器18、第四孔隙水压力传感器21，最后对比有、无土工织物时砂、土体的渗流流速、梯度比等数据变化情况，以探求土工织物对处于渗透中砂土渗透水压力差影响。

基于该测试土工织物与砂土耦合渗透特性的试验装置的试验方法，包括步骤（1）~（8），具体如下：

试验前，确保各模块可正常使用，且齐全完备。

（1）制作试样、土工织物、第一纱网17和第二纱网。

首先根据第一中筒4的容量计算所需第一砂土试样的试样量、根据第一中筒4的容量计算所需第二砂土试样的试样量，之后准备两份相同的第一砂土试样、两份相同的第二砂土试样。在本实施例中，第一中筒4、第二中筒5装填直径16cm、高40cm的砂土试样。

裁剪土工织物16，该土工织物16的面积大于第一中筒4的内径且大于第二中筒5的内径；在土工织物物16在开设用于供紧固螺栓13穿过的孔；

裁剪两份相同的第一纱网17、两份相同的第二纱网，该土工织物16的面积大于第一中筒4的内径且大于第二中筒5的内径；在第一纱网17、第二纱网上开设用于供紧固螺栓13穿过的孔；

（2）校准给水模块。试验开始前，需对给水模块进行校准，测试某水压力数值下水泵26所需功率，以备试验开始时，能够快速精准的通过精密调速器27调节水泵26为渗透模块进行供水。

（3）准备2套用于对比试验的试验构件。

具体的，选取一对相同的渗透模块、一对相同的给水模块、一对相同的称重模块、一对相同的信息采集模块、一对相同的第一孔隙水压力传感器18、一对相同的第二孔隙水压力传感器19、一对相同的第三孔隙水压力传感器20、一对相同的第四孔隙水压力传感器21；取凡士林膏适量，均匀满壁涂抹于一对第一中筒4、第二中筒5的内壁。

（4）构建第一试验装置。

即无土工织物16时，依次连接一渗透模块内的上筒3、第一中筒4、第二中筒5和下筒6；其中，第一中内放置一第一砂土试样，第二中筒5内放置一第二砂土试样。

具体的，将下筒6竖直放置，即下出水口7、下排气口8竖直向下放置；于下筒6的法兰盘14上粘贴发泡止水密封圈15并放置第二纱网，同时将已粘贴好发泡止水密封圈15的第二中筒5放置于其上，用紧固螺栓13紧固，然后于第二中筒5上端法兰盘14粘贴发泡止水密封圈15，并将已粘贴好发泡止水密封圈15的第一中筒4置于其上方，通过紧固螺栓13紧固。将第一砂土试样置于第一中筒4内、第二砂土试样置于第二中筒5中，压紧密实。于第一中筒4的上端法兰盘14粘贴发泡止水圈并安放第一纱网17，并安装上筒3于其上，最后用紧固螺栓13紧固。

最后将一给水模块、一称重模块分别与一渗透模块连通；将一信息采集模块分别与一第一孔隙水压力传感器18、一第二孔隙水压力传感器19、一第三孔隙水压力传感器20、一第四孔隙水压力传感器21和一称重模块电连接；

（5）构件第二试验装置。

即有土工织物16时，依次连接另一渗透模块内的上筒3、第一中筒4、第二中筒5和下筒6；其中，第一中筒4内放置另一第一砂土试样，第二中筒5内放置另一第二砂土试样；第二中筒5和第一中筒4之间放置土工织物。

具体的，将下筒6竖直放置，即下出水口7下排气口8竖直向下放置；于下筒6的法兰盘14上粘贴发泡止水密封圈15并放置第二纱网，同时将已粘贴好发泡止水密封圈15的第二中筒5放置于其上，用紧固螺栓13紧固，然后取第二砂土试样装于第二中筒5中，并压紧密实；然后粘贴发泡止水密封圈15，安放土工织物，并将已粘贴好发泡止水密封圈15的第一中筒4置于其上方，通过紧固螺栓13紧固；将第一砂土试样置于第一中筒4中，压紧密实；于第一中筒4的上法兰盘14粘贴发泡止水密封圈15及安放纱网，并安上筒3于其上，最后用紧固螺栓13紧固。

最后将另一给水模块、另一称重模块分别与另一渗透模块连通；将另一信息采集模块分别与另一第一孔隙水压力传感器18、另一第二孔隙水压力传感器19、另一第三孔隙水压力传感器20、另一第四孔隙水压力传感器21和另一称重模块电连接；

（6）进行排气工序。

打开第一试验装置中上筒3处连通给水模块的上进水口2、上筒3上的上排气口1、下筒6处连通称重模块的下出水口7、下筒6处上的下排气口8；同时打开第二试验装置中上筒3处连通给水模块的上进水口2、上筒3上的上排气口1、下筒6处连通称重模块的下出水口7、下筒6处上的下排气口8；然后接通电源，使水泵26工作。

两给水模块分别提供一定压力值的水至第一试验装置、第二试验装置中的渗透模块；即调节精密调速器27、精密压力表30，为渗透模块提供一定压力值的水；

待第一试验装置中的渗透模块中无气泡时，关闭第一试验装置中的上排气口1、下排气口8和下出水口7；待第二试验装置中的渗透模块中无气泡时，关闭第二试验装置中的上排气口1、下排气口8和下出水口7。

（7）进行浸泡工序。

两给水模块继续供水至第一试验装置、第二试验装置中的渗透模块，以对两渗透模块进行浸泡；同时第一试验装置、第二试验装置内的第一孔隙水压力传感器18、第二孔隙水压力传感器19、第三孔隙水压力传感器20、第四孔隙水压力传感器21将水压值传递至对应的信息采集模块。

观察控制显示模块24中采集数据变化情况，当第一试验装置内的信息采集模块采集的水压值稳定时，完成第一试验装置的浸泡工序；

当第二试验装置内的信息采集模块采集的水压值稳定时，完成第二试验装置的浸泡工序。

（8）进行渗流工序。

打开第一试验装置中的出水口进行渗流，渗流过程中第一试验装置中的信息采集模块实时采集水压值、第一试验装置中称重模块的渗水量数据；

打开第二试验装置中的出水口进行渗流，渗流过程中第二试验装置中的信息采集模块实时采集水压值、第二试验装置中称重模块的渗水量数据。

具体的，信息采集模块实时收集各传感器的水压力值及渗水量数据，依据达西定律进行相关换算及计算，并最终对比得出土工织物与砂土耦合渗透特性情况。

①过四处孔隙水压力测压管a（18）、b（19）、c（20）、d（21），实时监测渗透装置内部水压力分布情况，同时依据一段时间差内的水压力差值，可通过计算机（24）直接进行相关数据处理；

②有织物时，通过观察与同等条件下无织物时孔隙水压力传感器b（20）和水压力传感器c（21）的数据变化，以及计算孔隙水压力传感器a（18）、b（19）及孔隙水压力传感器c（20）、d（21）之间试样的渗透水压力的变化，以探求土工织物对处于渗透中待测物（10）渗透水压力差的影响；

③计算机（24）整合称重传感器（31）时间段内的差值，配合水压力变化数据，采集并计算相关数值。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。