[发明专利]一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法

说明书

本发明公开了一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；通过对自循环变水头控制装置高度、透明土轴压以及透明土配合比的改变，可以开展多因素下管涌渗透试验，通过圆弧导轨，可使扇面激光发射器在导轨上匀速转动，使相机捕捉到不同截面处的样本状态，避免了选取截面随机性带来的缺陷，并且实现了土体管涌过程中三维全息可视化展示，本发明装置结构简单、操作方便、适于推广应用。

技术领域

本发明涉及一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置及使用方法，属于岩土工程可视化试验技术领域。

背景技术

岩土工程是土木工程学科的分支，是一门涉及土力学、岩石力学、工程地质学等以解决各类实际工程中关于岩石、土等工程技术问题的学科，与人们的生活紧密相连。大量的洪涝灾害资料表明，堤基管涌是江河大堤在汛期的主要险情之一，其不仅发生的数量多而且分布范围广，重要的是易于诱发溃堤险情。98洪水之中，长江中下游堤防堤基较大险情中，52.4%是管涌，占各种险情之首。由于土体的复杂性及多样性，使得渗透变形产生、发展过程也极为复杂并具有随机性。河道堤防得不到有效加固，以至于每年都不得不在汛期投入大量的人力、物力和财力，长期以来由于管涌引起的坝体破坏及堤防溃决给社会造成了重大损失。侵蚀性内管涌发生的水力及几何条件是当前研究的热点和难点，现有的研究表明，管涌发生的水力条件与级配、细料含量、应力状态等多因素相关，然而具体关系如何目前尚未形成统一结论。工程实践统计表明，在高渗透强度长期作用下，基础、堤身、堤身与地基结合部均可能发生侵蚀型内管涌，因而加强对侵蚀型内管涌的研究对我国高坝、超高坝的建设需求具有十分重要的现实意义。

当前国内还未严格区分常规管涌和侵蚀型内管涌，从细观层面上分析两者发生、发展的机理可知，虽然两者本质较为一致，均为细颗粒在骨架孔隙中移动，但常规管涌发展呈现出自渗流出口逆游侵蚀特征，而侵蚀型内管涌则表现为顺流侵蚀。相对于常规管涌，侵蚀型内管涌则更具隐蔽性、危害性，其发生不易察觉。

非稳定渗透水头作用下管涌因为其发生具有突然性和破坏性大等特点，所以对其进行研究比较困难。测量土体在各种应力状态下的变形，尤其是在非稳定渗透水头作用下土体管涌破坏时土体内部的连续变形和位移场，一直是岩土工作者长期面临的问题。传统的方法是在原状土中预埋一些离散的传感器，但土体中的传感器不能提供土体内部的连续变形特征，而且易受到周围环境的影响，因此其结果往往是不准确的，并且由于土体的不透明性，限制了对其应力、应变的深入研究。研究人员曾经采用CT、X射线成像技术、核磁共振等方法来研究土体的连续变形和流动，但高昂的设备费和技术上的难点在很大程度上限制了这些技术的广泛应用。

目前已有学者提出将透明土技术应用到管涌试验中，但传统有关透明土的试验中，一般直接对所获得的散斑场照片进行分析，忽略了由于光线入射材料折射率的不同所导致的误差，由于管涌发生发展初期所涉及的局部颗粒运移是小变形，这种人为观测引起的误差会使得实际的土体位移与所观测到的位移相差甚远，对深入开展管涌发生发展机理的研究产生不利影响。因此基于透明土材料和数字图像处理技术，利用与透明土相同材料制成的参照格栅，提出一种既经济又切实可行的非稳定渗透水头作用下管涌破坏时土体位移精确可视化的试验装置和试验方法就显得尤为必要了。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以开展多因素下管涌渗透试验以及实现土体管涌过程三维全息可视化的实验装置及使用方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种土体管涌破坏三维全息可视化的试验装置，包括自循环变水头控制装置、透明模型箱、垂直加载装置、数值观测系统以及计算机；

所述自循环变水头控制装置包括水箱、水箱高度控制装置、储水箱以及位于所述储水箱内的潜水泵，所述水箱内部竖直设置有一溢流板将所述水箱分为回流区以及溢流区，所述回流区底部与所述储水箱管道连接，所述溢流区底部设有分别与所述潜水泵连接的管道以及与所述透明模型箱底部连接的进水管，所述进水管上设有流量计以及水阀；