[實用新型]一種利用透明土觀測管涌現象的實驗裝置

有效

• 申請號: 201720214709.0
• 申請日: 2017-03-07
• 公開（公告）號: CN206504973U
• 公開（公告）日: 2017-09-19
• 發明（設計）人: 姬良龍;倪小東
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N15/00
• 分類號: G01N15/00;G01N13/04
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 祁文彥

技術領域

本實用新型是涉及一種利用透明土的特性對管涌現象觀測的實驗裝置，具體地說是利用透明土與細土顆粒折射率不一致的規律來觀察裝置中細顆粒管涌運動。

背景技術

管涌是指在滲流作用下，土體中的細顆粒被地下水從粗顆粒的空隙中帶走，從而導致土體形成貫通的滲流通道，造成土體塌陷的現象。對于管涌的監測現有方法有：瞬變電磁場法，通過對比堤防內部物理參數在汛期和枯水期的變化檢測管涌；高密度電阻率法，通過定點重復觀測研究不同水位下堤壩隱患電阻率圖像的動態變化進行模擬實驗；流場法：利用拉普拉斯方程下水流場與電流場的相似性，檢測管涌入水口出的水流場實現管涌檢測。

上面列舉的管涌檢測方法雖各不相同，但都采用間接檢測的方式，目前還沒有較好的可以直接觀測管涌的方法。

發明內容

本實用新型的目的是克服了現有技術中的不足，提出了一種能夠比較直觀地模擬和觀察管涌中細顆粒運動的裝置。

為了解決上述技術問題，本實用新型通過以下技術方案實現：

一種利用透明土觀測管涌現象的實驗裝置，包括一個不透水的容器，該容器為透明有機玻璃材質，容器內部被透水板分隔成進液室和砂槽，砂槽的表層和底層均設置15厘米厚的透明土，表層與底層之間設置5厘米厚的透明土與彩色砂混合物；靠近砂槽的容器外50cm處設置有激光光源發射器,該發射器裝有特定鏡頭，以控制照射效果使其成一窄面；容器外還設置有用于觀察和拍攝的CCD相機及計算機。

進液室內的溶液為15#白礦物油和正構烷烴類溶液按1:1重量混合成的混合溶液，15#白礦物油的折射率為1.4620，正構烷烴類溶液的折射率為1.4216；透明土為顆粒狀熔融石英砂，透明土的折射率為1.4585。

本實驗中所述透明土與滲透用溶液的折射率極其接近，成像時近似看做為同一種物質，排除滲透用溶液對成像的干擾；透明土與標準土的物理力學性質較為相似（如重度、內摩擦角），在模擬管涌時與實際情況比較接近，滲透用溶液比水的粘滯系數大，可以通過根據粘滯系數同比例增加顆粒半徑來補償粘滯系數。

與現有技術相比，本實用新型的有益效果是：

本實用新型對管涌現象的模擬比較接近實際情況，并且能實現將管道內顆粒即彩色砂的流動動態變化圖像直接輸入計算機，比較直觀地通過顯示屏展示，能讓觀測者直接了解到細粒土在管涌現象中的運動狀況。

附圖說明

圖1是管涌現象模擬示意圖；

圖2是透水板結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖與具體實施方式對本實用新型作進一步詳細描述：

實施例1

如圖1所示，一種利用透明土觀測管涌現象的實驗裝置，包括一個不透水的容器，該容器為透明有機玻璃材質，容器內部被透水板2分隔成進液室1和砂槽4，砂槽4的容器外50cm處設置有激光光源發射器5；容器外還設置有用于觀察和拍攝的CCD相機8及計算機9。

如圖2所示，透水板2的結構為有機玻璃板上開設有若干個透水孔。

由于透明土目前有效觀測厚度為20cm，因此，砂槽4的表層和底層均設置15厘米厚的透明土，表層與底層之間設置5厘米厚的透明土與彩色砂混合物。

本實施例中，透明土選用顆粒狀熔融石英砂（折射率為1.4585），比較接近實際情況中標準土的物理力學性質（如重度、內摩擦角），滲透溶液選用15#白礦物油（折射率為1.4620）和正構烷烴類溶液（折射率為1.4216）按重量1:1混合的混合溶液，并通過根據粘滯系數同比例增加顆粒半徑來補償粘滯系數，使其與水的粘滯系數相近。

實驗開始后，將混合溶液注入進液室，進液室中的混合溶液透過透水板進入砂槽，此時砂槽中的土的性質（如重度、內摩擦角、粘滯系數等）比較接近實際中的土的情況。隨著進液室1中液面增高，水壓不斷增大，砂槽4中的透明土中孔隙水應力增加，有效應力減小。當水壓增到一定程度時，透明土中有效應力降為零，土體發生管涌現象。

打開激光光源發射器5，通過CCD相機和計算機，在計算機顯示屏上顯示出管涌現象發生在中間5厘米厚的透明土與彩色砂混合物層，透明土作為骨架顆粒，彩色砂流動形成管涌通道3，僅有彩色砂可見。由于透明土與混合溶液折射率十分相似，成像時色彩差遠小于混合溶液與正常彩色砂的色彩差，可近似看做同一種物質，因此計算機成像為混合溶液帶動正常彩色砂在管涌通道3內流動，并在管涌口涌出。