一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法

摘要

本发明涉及岩土水利工程领域，特别涉及一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法。其装置包括供水腔体、储水装置、气压施加装置、牵引装置，供水腔体包括内管、外管、顶板、底板、腔体拉杆，供水腔体由腔体拉杆挤压顶板、底板与外管的连接而形成，内管连接在底板上，内管的高度低于外管的高度，内管内部构成内腔体，内管和外管之间构成外腔体，储水装置向内腔体持续供水至内管形成溢流面，溢流水进入外腔体并经排水口回流到储水装置内，内腔体底部设有出水口对接渗透仪，气压施加装置连通供水腔体，牵引装置连接供水腔体。通过气压转水压提供基础高水头，采用调整水源悬挂高度的方式进行水头微调，突破气压控制精度不足的瓶颈。

说明书

技术领域

本发明涉及岩土工程和水利工程领域，特别涉及一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法。

背景技术

渗流侵蚀（简称渗蚀），或称之渗透破坏，指的是土体在渗透水流作用下，内部细颗粒被水流拖拽迁移到土体外部的现象，是造成堤防、大坝等水利设施破坏的主要原因。据相关文献统计显示，世界上近一半的土石坝发生破坏的主要原因是土体内部渗流侵蚀，因此，研究渗流侵蚀的内在作用机理对堤坝等水利设施设计与施工具有重要的工程意义。鉴于现场水利设施的复杂和危险性，一般很少开展现场渗流侵蚀试验，而是以现场监测为主，于是对于渗流侵蚀试验的研究转而以室内缩尺试验为主，相关学者进行了大量的室内渗蚀试验研究。

水头供应装置是室内渗流试验的关键设备之一。一方面需要高精度控制水头，另一方面，还要在大流量渗流状态下保持水头稳定。上述两方面要求，在一般情况下是矛盾的，特别是在所需控制水头较高时。例如，高土石坝渗流可在近300m的水头下发生，按目前压力传感器最高水平估计，控制精度一般只能达到0.15m（按0.05%精度计算）；当试验土料为砂砾料时，渗流量较大，现有的固定容积供水装置无法保证提供连续稳定的渗流水源，而其他可提供连续渗流的高水头装置又不满足高控制精度要求。因此，高水头渗透试验亟需能够保证水头的高控制精度，同时提供连续大流量高压力渗流水头的功能。

当前针对高压力水供应装置的开发仅有个别学者开展了探索。如学者邹玉华等（详见文献：邹玉华, 陈群, 何昌荣,等. 砾石土及其滤层大型水平联合抗渗试验[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2011(S1):60-66.）报道在其进行大型高压渗透试验时，通过高压水泵+变频器对试验提供高压力的渗流水源，最大压力水可以达到3MPa，由于水头控制依赖量测精度，以目前最高的量测精度（约满量程的0.05%）计，控制精度只能达到约1.5kPa；此外，现有技术条件下的高压变频水泵的压力波动很大，并且变频器的水头压力调节精度（通常是几十千帕的调节精度）是很低的，无法做到精准调节到目标水头压力大小。

中国发明专利202110340631.8公开了一种超高水头渗透特性试验水头供水加压装置，其加压原理同前述的供水装置类似，均是通过变频器对高压水泵进行调压，由于量测精度的限制，无法做到精准控制高压力水头大小，换言之，以上高水头供应装置提供的高水头压力波动大，压力控制误差大。

中国发明专利201810046098.2公开了一种可施加流水和高水头压力的混凝土加速侵蚀装置，采用高压气瓶对渗流液体增压，实现了对混凝土侵蚀的高压渗透条件，同样，由于气压控制精度问题，无法同时实现高水头、高精度和大流量兼顾。

随着我国对水利工程建设投入力度不断增大，建设堤坝采用的土体抗渗设计离不开室内试验提供可靠的水力参数指标（如渗透系数、临界水力梯度等），高水头供应装置是大型高应力渗流试验不可或缺的硬件之一，然而目前的高水水头供应装置仅仅采用单一调节方法实现了水头大小“粗调”控制，从科学严谨性和准确性角度来说还是不够的，因此，研发可连续提供大流量、高压力且可精准调控其压力大小的渗流水头供应装置具有重要的科研价值和工程意义。

发明内容

鉴于现有技术存在的问题，本发明提供一种高控制精度的大流量高水头施加装置及其应用方法，旨在通过气压转水压思想、可调速牵引装置和传统的“溢水法”思想来实现精准施加高水头，与现有水头施加方法相比，在实现大流量高水头压力的前提下，水头调节更便捷和精准、渗透水流更稳定和连续。

本发明提供一种高控制精度的大流量高水头施加装置，包括供水腔体、储水装置、气压施加装置、牵引装置，所述供水腔体包括内管、外管、顶板、底板、腔体拉杆，所述供水腔体由腔体拉杆挤压顶板、底板与外管的连接而形成，所述内管连接在底板上，所述内管的高度低于外管的高度，所述内管内部构成内腔体，所述内管和外管之间构成外腔体，所述储水装置向内腔体持续供水至内管形成溢流面，溢流水进入外腔体并经排水口回流到储水装置内，所述内腔体底部设有出水口对接用于渗流侵蚀试验试样的渗透仪，所述气压施加装置连通供水腔体，所述牵引装置连接供水腔体并提升或降低供水腔体的位置。

作为本发明的进一步改进，所述供水腔体包括密封垫，所述顶板和底板均设有环形凹槽，所述密封垫放置在环形凹槽内，所述外管的上下端分别嵌入顶板和底板的环形凹槽内。

作为本发明的进一步改进，所述内管和外管为有机玻璃管或钢化玻璃管，所述供水腔体的顶板和底板为有机玻璃或钢板。

作为本发明的进一步改进，所述储水装置包括自来水源、储水箱、高压水泵、第一流量调节阀、第二流量调节阀、进水管、排水管，所述自来水源向储水箱中供水，所述顶板设有进水口，所述高压水泵一端位于储水箱内、另一端通过进水管接入进水口并向内腔体供水，所述第一流量调节阀设置在进水管上，所述底板设有排水口，所述排水口通过排水管接回储水箱内，所述第二流量调节阀设置在排水管上。

作为本发明的进一步改进，所述气压施加装置包括空气压缩机、进气管、第一级精密减压阀、第二级精密减压阀、孔压传感器、数据显示器，所述顶板设有进气口、气压检测口，所述空气压缩机通过进气管连通进气口，所述第一级精密减压阀、第二级精密减压阀依次设置在进气管上，所述孔压传感器设置在气压检测口上，所述数据显示器连接孔压传感器。

作为本发明的进一步改进，所述牵引装置包括可调速的伺服电机、吊篮、支撑架，所述吊篮由多根刚制拉杆和刚制底板紧固而成，所述支撑架由工字型钢制立柱和横梁紧固而成，所述伺服电机固定在支撑架的工字型钢制横梁上，所述供水腔体设置在吊篮的钢制底板上，所述伺服电机通过钢性绳连接吊篮。

作为本发明的进一步改进，该装置还包括出水管、水管阀门，所述出水管一端连接内腔体底部设有出水口、另一端对接渗透仪，所述水管阀门设置在出水管上。

本发明还提供一种根据所述高控制精度的大流量高水头施加装置的应用方法，包括以下步骤：

S1.准备好待进行高水头渗流侵蚀试验的试样，组装好高控制精度的大流量高水头施加装置，将供水腔体底部出水管与试样的进水管连接好；

S2.关闭供水腔体中即内腔体底部出水口的水管阀门，打开自来水源使储水箱开始蓄水，同时打开高压水泵对内腔体进行供水，至内腔体的水面开始溢出到外围环形区域，调节供水腔体顶部进水管的第一流量调节阀处于适中大小，保证试验有充足的流量，同时调整外腔体底部排水管的第二流量调节阀，使内腔体溢出水量一部分通过外腔体底部的排水管回流到储水箱内，一部分留在外腔体内形成一定水位，使供水腔体内空气与外界隔离；

S3.将供水腔体底部的出水管连接到渗透仪的进水口，通过牵引装置将供水腔体位置调整到最低处，调整试样出水口水面与供水腔体内溢流面平齐，使渗流水头差为零；

S4.根据目标高水头压力值，调节第一级精密气压调节阀，使其最大施加气压力值高于目标高水头压力值1/4—1/3，结合数据显示器显示施加的压力数值，缓慢调节第二级精密调压阀，当施加压力数值较接近与目标值，且超过了精密气压调压阀的控制精度时，停止采用精密气压调压阀，改用牵引装置缓慢提升供水腔体位置继续增加所施加水头，获得目标水头压力值进行试验。

作为本发明的进一步改进，当用作混凝土侵蚀试验的大流量高水头施加装置时，所述步骤S1中渗流侵蚀试验的试样替换为混泥土试样，所述步骤S2中的渗流水源替换为混凝土侵蚀试验所需液体。

作为本发明的进一步改进，当用于模拟高水位缓慢上升或下降的试验时，执行完步骤S4后还包括步骤：

S5.将所述高控制精度的大流量高水头施加装置调节到目标高水头压力值后，保持对供水腔体的施加的气压不变，通过牵引装置缓慢提升或降低供水腔体的位置。

本发明的有益效果是：

基于目前渗透侵蚀试验水头施加方法研究现状，利用气压可转化为水压的思路，本发明提出了一种可高控制精度的大流量高压力水供应装置及其应用方法，该技术具有以下综合优势。

（1）提供高水头压力。目前常规的水头施加装置由于室内高度的限制，提供水头压力有限，无法满足更高水头施加的需要。本发明提出双结构腔体采用气压转水压的思路，用气压来补偿供水装置的位置水头，最终实现压力调节范围在0～8MPa的水头，满足了需要更高水头施加的试验需要，相比于常规方法的最大施加的水头高度，本发明大大提高渗蚀等试验可利用的水头压力。

（2）精准调节水头压力。鉴于现有试验规范没有明确提供可行的渗流水头提升方法的现状，本发明提出两级气压调节进行压力粗调，然后采用可调速电机牵引提升供水腔体位置，实现水头压力微调，进而精准获得目标水头压力值，整个试验水头控制操作简便、准确。

（3）渗蚀水流连续稳定、大流量。现有方法获得的高压力水主要存在两个问题，一是可以得到高压力水，但水头压力不稳定，难以精准调节控制水头压力增量，如采用变频高压水泵；二是可以获得稳定的高压力水，但供水量和流量有限，如采用高压气瓶对有限体积的腔体液体施加气压。本发明采用高压水泵持续大量向供水腔体内管补充水源，采用溢水法提供的稳定的压力水头面，从而确保渗流水头连续稳定，渗流流量更大。

附图说明

图1是本发明大流量高水头施加装置的正立面结构图；

图2是本发明图1中标注的A-A剖面的结构示意图。

附图中各标号的含义如下：

1为内管；2为外管；3为腔体拉杆；4为钢制拉杆；5为孔压传感器；6为顶板；7为底板；8为刚制底板；9为密封垫；10为排水口；11为出水口；12为进水口；13为进水管；14为进气管；15为第一级精密减压阀；16为第二级精密减压阀；17为第一流量调节阀；18为第二流量调节阀；19为自来水龙头；20为排水管；21为钢性绳；22为工字型钢制立柱；23为工字型钢制横梁；24为伺服电机；25为数据显示器；26为空气压缩机；27为高压水泵；28为储水箱；29为水管阀门；30为出水管；31为吊篮；32为支撑架。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明通过气压转水压提供基础高水头，采用调整水源悬挂高度的方式进行水头微调，利用高度调整的高精度，突破气压控制精度不足的瓶颈，形成一种高控制精度的大流量高水头施加装置。主要为土料、混凝土等材料的高水头渗流试验提供一种高控制精度的大流量高水头施加装置及应用方法。

如图1和图2所示，本发明的一种高控制精度的大流量高水头施加装置，包括供水腔体、储水装置、气压施加装置、牵引装置，供水腔体包括内管1、外管2、顶板6、底板7、腔体拉杆3，供水腔体由腔体拉杆3挤压顶板6、底板7与外管2的连接而形成，内管1连接在底板7上，内管1的高度低于外管2的高度，内管1内部构成内腔体，内管1和外管2之间构成外腔体，储水装置向内腔体持续供水至内管1形成溢流面，溢流水进入外腔体并经排水口回流到储水装置内，内腔体底部设有出水口11对接用于渗流侵蚀试验试样的渗透仪，气压施加装置连通供水腔体，牵引装置连接供水腔体并提升或降低供水腔体的位置。

该装置还包括出水管30、水管阀门29，出水管30一端连接内腔体底部设有出水口11、另一端对接渗透仪，水管阀门29设置在出水管30上。

供水腔体为渗流侵蚀试验提供恒定的压力水头，内腔体通过高压水泵27从储水装置抽水对其进行持续供水，在内管1形成溢流面，溢流水进入外腔体，经排水口10回流到储水装置内，渗流水源经供水腔体底部出水口11流出，所形成的溢流面即为稳定的渗流水头高度。

供水腔体包括密封垫9，顶板6和底板7均设有环形凹槽，密封垫9放置在环形凹槽内，外管2的上下端分别嵌入顶板6和底板7的环形凹槽内，密封垫9为圆形橡胶条。

供水腔体的内管1和外管2采用刚性圆管，其材质为有机玻璃管或钢化玻璃管，顶板6和底板7由有机玻璃或钢板制作而成，供水腔体外腔体采用六根不锈钢腔体拉杆3挤压顶板6、底板7和外管2形成的；内腔体采用高度稍低的内管1黏贴在底板7形成。

供水腔体中外管2外径大小为40～100cm，壁厚为10～30mm，内管1外径大小为20～80cm，壁厚为5～10mm。

如图1所示，储水装置包括自来水源、储水箱28、高压水泵27、第一流量调节阀17、第二流量调节阀18、进水管13、排水管20，自来水源通过自来水龙头19向储水箱28中供水，顶板6设有进水口12，高压水泵27一端位于储水箱28内、另一端通过进水管13接入进水口12并向内腔体供水，第一流量调节阀17设置在进水管13上，底板7设有排水口10，排水口10通过排水管20接回储水箱28内，第二流量调节阀18设置在排水管20上。高压水泵27对供水腔体供水量大小由进水管13上的第一流量调节阀17进行控制，外腔体的排水流量大小由排水管20上的第二流量调节阀18进行控制。高压水泵27可持续为供水腔体内管提供充足水源。

储水装置的储水箱28容积为0.125～1.0m

如图1所示，气压施加装置给供水腔体提供稳定气压来源，其包括空气压缩机26、进气管14、第一级精密减压阀15、第二级精密减压阀16、孔压传感器5、数据显示器25，顶板6设有进气口、气压检测口，空气压缩机26通过进气管14连通进气口，第一级精密减压阀15、第二级精密减压阀16依次设置在进气管14上，孔压传感器5设置在气压检测口上，数据显示器25连接孔压传感器5。气压施加装置通过进气管14和两级精密减压阀对供水腔体施加稳定气压，利用气压转水压的原理来实现对供水腔体内管1溢流面施加稳定水压。

气压施加装置的空气压缩机26提供气压范围0～10MPa，第一级精密减压阀15和第二级精密减压阀16的调压范围为0～8MPa，孔压传感器5量程范围0～8MPa，精度为0.2kPa。

如图1所示，牵引装置用于改变供水腔体高度来调节水头变化，其包括可调速的伺服电机24、吊篮31、支撑架32，吊篮31由多根刚制拉杆4和刚制底板8紧固而成，支撑架32由工字型钢制立柱22和横梁23紧固而成，伺服电机24固定在支撑架32的工字型钢制横梁23上，供水腔体设置在吊篮31的钢制底板8上，伺服电机24通过钢性绳21连接吊篮31。高水头大小通过牵引装置来调节供水腔体位置来进行微调，进而精准获得设定的高水头大小。

牵引装置的变频调速伺服电机24最大提拉重物质量500kg，提升速度范围0～3m/min，固定在支撑架32上方，吊篮31为正方体形，边长为0.6～1.2m，由12根钢制拉杆4和一块正方形钢制底板8通过焊接及螺栓连接而成，支撑架32采用工字型钢制立柱22和横梁23通过螺栓连接而成，并采用钢制斜支撑进行加固稳定。工字型钢制立柱22也可以替换为试验室墙面、立柱等，工字型钢制横梁23可以替换为试验室屋面桁架、横梁等。

上述各组成部件的参数和性能是本发明的优选方案，通过相互配合，相较于传统的水头施加装置，明显地提高了最大施加的渗流水头，且还可便捷精准控制每级水头地施加。

本发明一种高控制精度的大流量高水头施加装置具备以下应用方法。

实施例一：

用作高水头渗蚀试验的供水装置。

渗蚀试验所需最大水头大小主要由试验的土样类型和外加应力大小共同决定，一部分情况下，渗蚀试验所需水头较小一般室内高度即可满足试验需求时，本发明提出的装置在不施加气压时即是低水头施加装置。

具体步骤为：

S1.准备好待进行高水头渗流侵蚀试验的试样，组装好如图1所示的大流量高水头施加装置，将供水腔体底部出水管与试样的进水管连接好。

S2. 关闭供水腔体内管1（即内腔体）底部出水口11的水管阀门29，打开自来水龙头19使储水箱28开始蓄水，同时打开高压水泵27对内腔体进行供水，内腔体的水面开始溢出到外腔体的外围环形区域，调节供水腔体顶部进水管13的第一流量调节阀17处于适中大小，保证试验有充足的流量，同时调整外腔体环形区域底部排水管20的第二流量调节阀18，使得溢出水量一部分通过外腔体环形区域底部的排水管20回流到储水箱28内，一部分留在环形区域内形成一定水位，避免腔体内空气与外界直接相连通。

S3.将供水腔体底部的出水管30连接到渗透仪的进水口，通过牵引装置将供水腔体位置调整到最低处，调整试样出水口水面与供水腔体内溢流面平齐，使得渗流水头差为零。

S4.根据目标高水头压力值，调节第一级精密气压调节阀15，使其最大施加气压力值高于目标高水头压力值1/4—1/3，然后结合孔压传感器5连接的数据显示器25显示施加的压力数值，缓慢调节第二级精密调压阀16，当施加压力数值较接近与目标值，且超过了调压阀的控制精度时，停止采用调压阀，改用牵引装置缓慢提升供水腔体位置继续增加所施加水头，以此便可精准获得目标水头压力值进行试验。

实施例二：

用作混凝土侵蚀试验的高水头供水装置。

在前述实施例一的基础上，将渗蚀试验所需的试样替换为混凝土试样，将渗流水源替换为相应的液体即可满足混凝土侵蚀试验需求。

实施例三：

用于模拟高水位缓慢上升或下降。

在实施例一的基础上，将水头装置调节到目标高水头压力值后，保持对供水腔体的施加的气压不变，通过牵引装置缓慢提升或降低供水腔体的位置，实现准确控制施加水头压力的大小，即可模拟高水位（或高压力）的缓慢上升或下降的工况。

大流量高水头施加装置结合了气压控制和高度控制的优点，可以高精度地控制水头，避免仅通过高度控制水头存在的水头控制范围有限问题，同时避免了仅通过气压控制时因传感器精度限制存在的精度不足问题。提供的水头压力稳定、水流连续和充沛，为高水头土料渗蚀试验、混凝土侵蚀试验提供稳定、精准的大流量渗流水源。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。