[發明專利]一種模擬邊界水流影響滲流的方法及裝置

無效

• 申請號: 200810040478.1
• 申請日: 2008-07-11
• 公開（公告）號: CN101308128A
• 公開（公告）日: 2008-11-19
• 發明（設計）人: 謝立全
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01N33/00
• 分類號: G01N33/00
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 吳林松

技術領域

本發明涉及一種土力學滲流實驗方法，特別涉及一種用于模擬邊界水流對滲流影響作用 的實驗裝置，屬于水利工程領域。

背景技術

早在1856年，法國工程師達西(Darcy)提出了線性滲流的達西定律。1889年，俄國的 茹可夫斯基首先推導了滲流的微分方程。1922年，巴甫洛夫斯基提出了求解滲流場的電模擬 法。由于滲流的微分方程在復雜邊界條件下很難得到其解析解，所以人們力圖用數值算法解 決它。1910年理查森(L.F.Richardson)首先提出了有限差分法。在20世紀60年代之后， 由于計算機及計算技術的迅速發展，人們廣泛應用有限單元法、邊界元法和許多其它計算方 法計算解決滲流問題。利用這些實驗和計算機模擬手段，無疑，滲流預測及應用均得到了充 分發展，在水利、建筑、交通、采礦、石油、農業和環境等許多行業均應用廣泛。

然而，以上研究方法與模擬手段主要基于達西定律的線性滲流原理，其相關實驗和計算， 均不能考慮其滲流介質存在邊界水流的特殊工況。比如，對于江河岸坡，其坡外水位高于坡 體內地下水位時則發生向坡內的滲流，相反則發生水的外滲。該岸坡滲流與山坡滲流有著較 大的區別，即岸坡外的水位是變動的，而且水是運動著的水流。水流流速大小是否影響岸坡 滲流，至今尚未見相關研究的報道。與該問題相伴而生，滲流是否會影響其邊界水流流速、 流態等特征呢？國外有不少學者進行了這方面的實驗研究，結果表明滲流對邊界水流影響顯 著，并明顯影響相應的泥沙沖淤變化，而且產生了考慮滲流影響的相應沖刷預測模型。因此， 對于作為邊界條件的水流，其對滲流的影響可能在一定條件下也不容忽略，有必要通過專門 實驗進行研究。在長江崩岸治理的設計中，往往需要考慮垂線平均流速達2.5～4.5m/s的水流 作用，所以在進行重要岸坡穩定分析時，不宜忽略江河水流的影響。為此，急需研制能夠反 映邊界水流對滲流影響作用的滲流實驗裝置，進一步探究其影響大小，完善滲流理論。

發明內容

本發明的目的是提供一種滲流實驗方法和實驗裝置，能模擬作為邊界條件的水流對滲流 的影響過程，解決岸坡失穩機理研究中急需的地下滲流模擬設備難題，能充分反映和揭示邊 界水流對土內滲流的影響和作用規律，可定量研究邊界水流條件對滲流的作用機理，且試驗 實施容易、操作簡單。

本發明的目的是通過如下技術方案實現的：

一種模擬邊界水流影響滲流的方法，是在傳統的滲流試驗理論基礎上，通過對滲流介質 一側增加切向水流邊界條件，觀測某一滲流強度(單位時間內透過滲流介質的水量)下，不 同切向水流邊界條件所對應的滲流水頭差，同時也可以改變滲流強度，重復試驗，并依據流 體力學理論及觀測數據，可整理邊界水流對滲流的影響大小和作用機理。若在同一滲流強度 下，邊界水流條件的變化并不影響滲流水頭差，或者其影響雜亂無章，那么說明二者沒有顯 著的聯系；相反，若滲流水頭觀測數據隨著邊界水流條件的改變而變化，并呈規律性變化， 則說明二者之間存在著必然的聯系。通過變換切向水流邊界條件、滲流強度和土體物理力學 參數，進行系統的實驗研究，可揭示邊界水流影響滲流的內在機理。

本發明所述的實驗方法，需要同時滿足以下要求：1)所有水體均為無氣水，以確保滲流 的穩定性，這要求實驗設備便于抽真空，以利于排出水中和土中的空氣；2)為定量研究邊界 水流條件對滲流的影響，一個試驗必須代表工程中的一個點，如水下岸坡坡面上的一個點， 這要求試驗中的滲流介質邊界面上各點均有著相同的滲流邊界條件；3)滲流供水強度可以調 節，以獲得不同的滲流強度；4)切向邊界水流循環使用、節約用水，水流脈動性小，水流循 環流動過程中不摻氣，且流速可連續調節，以獲取多種邊界水流條件。

本發明所述的實驗裝置，依據以上實驗方法和要求設計而成，包括兩流作用室、滲流供 水裝置、管道水流循環裝置和觀測裝置。兩流作用室模擬邊界水流和滲流相互作用，滲流供 水裝置為兩流作用室提供恒定的供水流量，管道水流循環裝置為兩流作用室提供恒定的切向 邊界水流條件，觀測裝置包括水溫、環柱土樣內外表面處總水頭、管流流速等監測裝置。