[发明专利]平面流网绘制及渗流原理教学试验装置及试验方法

摘要

本发明公开了一种平面流网绘制及渗流原理演示教学试验装置及试验方法，它包括一个填充有饱和砂土的模型箱和一台注水泵；模型箱砂土中心竖立有一块将模型箱分隔为左右两个相等的隔间的抽拉式隔板，隔板插入模型箱底板时将模型箱左右两侧完全隔离；在一隔间的侧壁的最底部、中部和上部分别设有三个排水口和两只透明水头量测管；在另一隔间侧壁上部设有竖向排列的三个排水口；另外还包括多只可移动的透明水头量测管。利用该试验装置可以绘制砂土中二维渗流流网、展示流砂现象的形成过程和渗透系数测定，能将复杂的工程问题，变成直观的模型操作试验，能满足不同场合的教学使用，产生较好的教学效果和经济效益。

主权项

1.一种平面流网绘制及渗流原理演示教学试验方法，其特征在于，实施该试验方法的试验装置结构是：包括一个透明模型箱和一台注水泵，模型箱中填充有饱和砂土，填充高度为200‑250mm；模型箱砂土中心竖立有一块高于模型箱顶部的透明隔板用于模拟板桩，透明隔板将模型箱分隔为左右两个相等的隔间，其中一个隔间称为A隔间，另一个称为B隔间，要求透明隔板一方面能与模型箱前后壁和底部紧密接触，从而保证当隔板插入模型箱底板时将A、B隔间完全隔离，另一方面又能沿着模型箱前后壁上下抽动；在A隔间的模型箱侧壁的最底部、中部和上部分别设有三个排水口，在A隔间的侧壁上还从外部插入有两只用于测量砂土渗透系数的带阀门的透明水头量测管；在B隔间的模型箱侧壁上部设有竖向排列的三个排水口，三个排水口高度必须高于A隔间中部的排水口；另外还包括多只可移动的透明水头量测管，用于测量测砂土中不同点的总水头高度，多只水头量测管内部设置有浮标；试验方法包括演示平面流网绘制教学试验方法和演示渗流原理教学试验方法，所述的演示平面流网绘制教学试验方法有两个方案，所述的演示渗流原理教学试验方法包括演示流砂发展过程教学试验方法和演示测定土体渗透系数教学试验方法；其中：所述的演示平面流网绘制教学试验方法步骤是：第一种方案：第一步：首先备齐透明模型箱、透明隔板、水头量测管以及水泵，并检查水头量测管内部浮标及滤网是否完好；第二步：关闭模型箱A隔间上部及下部排水口以及A隔间的两只水头量测管阀门，并打开微型水泵，向模型箱内注水，当模型箱内水位高度为100mm时，关闭水泵，检查模型箱底部及侧壁的密水性；第三步：检查无误后，向模型箱内缓慢均匀播撒砂土，播撒砂土过程中水泵始终向模型箱内注水，以确保模型箱内砂土处于饱和状态，当模型箱内砂土高度为200mm时，停止向模型箱内撒砂，同时关闭水泵，此后将砂土表面抚平；第四步：将透明隔板插入砂土表面以下100mm，此时，模型箱A、B隔间透明隔板以下部分是连通的；第五步：根据试验要求选择性开启模型箱B隔间的一个排水口，此时A隔间中部排水口是打开的，以产生总水头差；同时，将B隔间其余两个排水口阀门均关闭；第六步：打开水泵，向模型箱B隔间内注水，调整注水速度，确保总水头差的恒定，当模型箱A、B隔间打开的排水口均有水均匀流出时，保持此时注水速度恒定；第七步：绘制二维流网等势线，绘制时选择模型箱底面作为基准面，水头量测管内浮标顶面至模型箱底面垂直距离作为测点总水头高度；第7.1步：首先绘制模型箱B隔间的砂土二维流网等势线，具体方法如下：第7.1.1步：将多只可移动水头量测管沿模型箱前侧壁内侧一字排开放置于B隔间，相邻量测管均匀间隔；第7.1.2步：首先将第一只可移动水头量测管刺入B隔间的砂土100mm，待第一只可移动水头量测管内浮标稳定后，将此时浮标顶面与模型箱底面之间垂直距离作为所绘等势线的总水头高度，然后分别调整B隔间其余所有可移动水头量测管的刺入砂土深度，使得其余所有可移动水头量测管的浮标顶面与模型箱底面之间垂直距离与第一只可移动水头量测管浮标顶面与模型箱底面之间垂直距离相同，记录此时所有可移动水头量测管入土深度，并将所有可移动水头量测管端点位置对应标记于模型箱前侧外壁，上述所有标记点即为总水头相等的点，即位于渗流场流网中同一条等势线上；第7.1.3步：用平滑曲线将模型箱前侧外壁所标记的所有总水头相等点连接，该平滑曲线即为一条等势线的一部分，由于隔板外边缘及模型箱底边均为二维流网流线，故等势线应与板桩外边缘及模型箱底边正交，将上述所绘平滑曲线两端延长，使其分别与隔板左侧面及模型箱底面垂直相交，从而绘制出一条完整的等势线；第7.1.4步：采用上述方法，通过改变所有可移动水头量测管刺入砂土的深度，另外绘制3‑4条等势线，此外，B隔间砂土表面也为一条等势线，将砂土表面轮廓线均标记于模型箱前侧外壁；至此，B隔间的砂土二维流网等势线绘制完毕；第7.2步：绘制模型箱A隔间的砂土二维流网等势线；首先将多只可移动水头量测管沿模型箱前侧壁内侧一字排开放置于A隔间，相邻量测管均匀间隔；然后按照第7.1.2‑7.1.4步骤操作即可；至此，A隔间的砂土二维流网等势线绘制完毕；第7.3步：在模型箱前侧外壁绘制一条同时与隔板前壁底边及模型箱底边正交的竖直线，该条直线也是一条等势线；至此，模型箱内砂土二维流网等势线绘制完毕；第八步：当A、B隔间砂土二维流网势线绘制完毕后，绘制多条与各条等势线正交的平滑曲线，一条平滑曲线即为二维流网的一条流线，这样就绘制多条流线，此外，透明隔板插入土体部分、模型箱侧壁与土体接触部分边及模型箱底边均为流线，将上述流线也标记于模型箱前侧外壁，至此，一个完整的二维渗流流网绘制完毕；第九步：改变模型箱B隔间模型箱排水口位置，重复上述第5‑8步骤可绘制不同总水头差条件下的二维渗流流网，从而对比不同总水头差下渗流流网的异同；第二种方案：第一步：首先备齐透明模型箱、透明隔板、水头量测管以及水泵，并检查水头量测管内部浮标及滤网是否完好；第二步：关闭模型箱A隔间上部及下部排水口以及A隔间侧壁从外部插入的两只水头量测管阀门，并打开微型水泵，向模型箱内注水，当模型箱内水位高度为100mm时，关闭水泵，检查模型箱底部及侧壁的密水性；第三步：检查无误后，向模型箱内缓慢均匀播撒砂土，播撒砂土过程中水泵始终向模型箱内注水，以确保模型箱内砂土处于饱和状态，当模型箱内砂土高度为200mm时，停止向模型箱内撒砂，同时关闭水泵，此后将砂土表面抚平；第四步：将透明隔板插入砂土表面以下100mm，此时，模型箱A、B隔间在透明隔板以下部分是连通的；第五步：根据试验要求选择性开启模型箱B隔间的一个排水口，此时A隔间中部排水口是打开的，以产生总水头差；同时，将B隔间的其余两个排水口均关闭；第六步：打开水泵，向模型箱B隔间内注水，调整注水速度，确保总水头差的恒定，当模型箱A、B隔间打开的排水口均有水均匀流出时，保持此时注水速度恒定；第七步：计算隔板两侧总水头差，根据总水头差的大小确定等势线的条数n，其中等势线条数n为奇数；并将总水头差(n‑1)等分，从而相邻等势线间的总水头差值为隔板两侧总水头差的1/(n‑1)；第八步：绘制二维流网等势线；第8.1步：绘制模型箱B隔间的砂土二维流网(n‑1)/2条等势线，具体方法如下：第8.1.1步：在B隔间二维渗流场中，测量隔板两侧自由水面高度差，即板桩两侧总水头差，将所有可移动水头量测管沿模型箱前侧壁内侧一字排开放置于B隔间，所有可移动水头量测管均匀间隔；将第一只可移动水头量测管底端接触B隔间砂土表面，记录此时第一只可移动水头量测管浮标顶面与模型箱底面之间的垂直高度，然后将第一只可移动水头量测管刺入砂土，此时管内浮标开始下降，待浮标下降幅度达到隔板两侧总水头差高度的1/(n‑1)倍时，固定第一只可移动水头量测管位置保持不变；第8.1.2步：分别将其余所有可移动水头量测管刺入B隔间砂土，当管内浮标顶面与模型箱底面之间垂直距离与第一只可移动水头量测管浮标顶面与模型箱底面之间垂直距离相同时，将其固定，同时记录所有可移动水头量测管刺入砂土深度，并将所有水可移动头量测管的尖端入土深度分别标记于模型箱前壁；第8.1.3步：用平滑曲线将模型箱前侧外壁所确定的所有总水头高度相等点连接，并将所绘平滑曲线两端延长，使其分别与隔板前壁边界及模型箱前壁底面边界垂直相交，从而绘制出一条完整的等势线；第8.1.4步：重复步骤8.1.1‑8.1.3步骤，依次绘制出可移动水头量测管内浮标下降幅度达到板桩两侧总水头差2/(n‑1)、3/(n‑1)至(n‑3)/2(n‑1)倍时所对应的共(n‑5)/2条等势线，此外，B隔间砂土表面为一条等势线，将其轮廓线绘制于有机玻璃模型箱前侧外壁，加上第8.1.3步所绘制的一条等势线，至此，模型箱B隔间的二维流网的等势线全部绘出，共(n‑1)/2条；第8.2步：绘制模型箱A隔间的砂土二维流网(n‑1)/2等势线；将所有可移动水头量测管插入A隔间，按照第8.1.1‑8.1.4步骤操作，依次绘制出模型箱A隔间砂土中可移动水头量测管内浮标下降幅度达到板桩两侧总水头差(n+1)/2(n‑1)、(n+3)/2(n‑1)至(n‑2)/(n‑1)倍时所对应的共(n‑3)/2条等势线；此外，模型箱A隔间砂土表面为一条等势线，将其轮廓线绘制于有机玻璃模型箱前侧外壁，至此，模型箱A隔间的二维流网的等势线全部绘出，共(n‑1)/2条；第8.3步：绘制一条等势线分别与隔板前壁下边缘和模型箱前壁底边垂直，加上8.1步绘制B隔间的(n‑1)/2条等势线和8.2步绘制A隔间的(n‑1)/2条等势线，至此，二维流网的n条等势线全部绘出；第九步：等势线绘制完毕后，绘制多条与各条等势线正交的平滑曲线，一条平滑曲线即为二维流网的一条流线，这样就绘制多条流线，相邻流线应间隔均匀，此外，透明隔板插入土体部分、模型箱侧壁与土体接触部分边及模型箱底边均为流线，将上述流线也标记于模型箱前侧外壁，至此，一个完整的二维渗流流网绘制完毕；第十步：改变模型箱B隔间模型箱排水口位置，重复上述第五‑九步骤可绘制不同总水头差条件下的二维渗流流网，从而对比不同总水头差下渗流流网的异同；所述的演示流砂发展过程教学试验方法步骤是：第一步：首先备齐透明模型箱、透明隔板、水头量测管以及水泵，并检查水头量测管内部浮标及滤网是否完好；第二步：打开微型水泵，向模型箱内注水，当模型箱内水位高度为100mm时，关闭水泵，检查模型箱底部及侧壁的密水性，此时关闭模型箱A隔间上部及下部排水口以及A隔间的两只水头量测管阀门；第三步：检查无误后，向模型箱内缓慢均匀播撒砂土，播撒砂土过程中水泵始终向模型箱内注水，以确保模型箱内砂土处于饱和状态，当模型箱内砂土高度为200mm时，停止向模型箱内撒砂，同时关闭水泵，此后将砂土表面抚平；第四步：将透明隔板插入砂土表面以下100mm，此时，模型箱A、B隔间底部是连通的；第五步：根据试验要求选择性开启模型箱B隔间的一个排水口，此时A隔间中部排水口是打开的，以产生总水头差；同时，将B隔间的其余两个排水口阀门均关闭；第六步：打开水泵，向模型箱B隔间内注水，调整注水速度，确保总水头差的恒定，当模型箱A、B隔间所有打开的排水口均有水均匀流出时，保持此时注水速度恒定；第七步：将隔板缓慢上提，同时观察隔板周围部砂土变化，当隔板底部砂土颗粒开始向A隔间翻涌时，此时流砂现象发生，停止上提隔板，记录此时隔板插入砂土深度，从而可以计算土体临界水力梯度，临界水力梯度可由下式计算：式中：icr砂土临界水力梯度；Δh为隔板两侧砂土总水头差，即A、B隔间水面高度差；l为隔板插入砂土深度；t为隔板厚度；所述的演示测定土体渗透系数教学试验方法步骤是：第一步：将隔板插至模型箱底部密封卡槽中，此时A、B隔间完全隔离，同时关闭模型箱A隔间三个排水口以及A隔间的两只水头量测管阀门；第二步：打开微型水泵，向模型箱A隔间内注水，当模型箱A隔间内水位高度为100mm时，关闭水泵，检查模型箱底部及侧壁的密水性；第三步：检查无误后，向模型箱A隔间内缓慢均匀播撒砂土，播撒砂土过程中水泵始终向模型箱内注水，以确保模型箱内砂土处于饱和状态，当模型箱A隔间内砂土高度为200mm时，停止向模型箱内撒砂，同时关闭水泵；第四步：打开模型箱A隔间上部排水口，保持中间排水口、下部排水口以及A隔间的两只水头量测管阀门继续关闭；第五步：打开水泵，向模型箱A隔间内注水，要求注水速度恒定，确保A隔间上部排水口有水均匀流出；第六步：打开模型箱A隔间的两只水头量测管阀门以及底部排水口阀门，此时有水从下部排水口均匀流出并收集流出的水，记录相对应时间，同时模型箱A隔间的两只水头量测管内水位产生高度差，待水头量测管内水位稳定后，记录两只水头量测管水位高度差，即为砂土中总水头损失；第七步：测量收集到的模型箱A隔间下部排水口在相对应时间内排出的水量，至此，土体渗透系数由下式进行计算：式中：k为砂土渗透系数；Q为量杯收集总排水量；l为2只水头量测管之间竖向距离；A为模型箱底板面积的0.5倍；T为收集排水量所用时间。