一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法

本发明属于水利工程试验领域，尤其涉及一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗 效果模拟的试验装置和试验方法。

在水利工程领域，防渗墙因其结构可靠、防渗效果好、适应各类地层条件、施工简 便以及造价低等优点，尤其是在处理坝基渗漏、坝后“流土”、“管涌”等渗透变形隐患问题上 效果良好，在国内外得到了广泛的应用和发展。按照墙体是否插到岩基或者不透水层，可将 防渗墙分为封闭式防渗墙和悬挂式防渗墙。工程中一般采用悬挂式防渗墙，因此对它的研 究也就相对更多。由于水利工程往往处于渗流应力等多场耦合的复杂环境下，对其防渗效 果的评估变得相当困难。若防渗墙贯入土体的深度过大，会带来工程造价的增加，导致经济 上的浪费；若防渗墙贯入土体的深度不够，则会导致防渗效果不佳，甚至会酿成严重的工程 事故。所以如何合理确定渗流应力耦合下防渗墙贯入深度成为工程界和学术界普遍关注的 问题。

在本专利前，有关防渗墙的专利大都专注于其施工方法的发明和创新，由于土体 的不透明性，鲜有涉及其防渗效果的模拟。透明土材料是利用透明颗粒与其具有相同折射 率的孔隙流体配置而成的材料，因其能够与土体的具有相同的工程物理性质而在模型试验 中得到了广泛的应用。利用透明土材料和计算机3图像处理软件来进行渗流应力耦合作用 下防渗墙防渗效果模拟和工程桩间土体位移的可视化观测，操作方便，经济合理，是未来水 利工程测试技术的发展趋势。

本发明的目的在于克服已有技术的不足和缺陷，利用透明土技术和计算机3图像 处理软件，提出一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法， 解决了多场复杂环境下悬挂式防渗墙防渗效果难以评估以及桩间土体位移难以测量的难 题，该试验装置不仅提高了科研效率，还可以作为教学仪器使用。

本发明公开了一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试 验方法，该装置包括数字观测系统、水头调节系统和防渗效果模拟装置；所述的数字观测系 统由透明土14、CCD相机6、激光器16以及计算机3组成；所述的水头调节系统通过供水管2与 透明模型箱13左侧壁相连；所述透明模型箱13内部的左侧设置有多层多孔板7，多层多孔板 7的右侧放置有透明土14，透明土14中插入悬挂式防渗墙10，悬挂式防渗墙10正上方安放防 渗墙升降装置9；所述悬挂式防渗墙10的右侧的透明土14中插入工程桩17，工程桩17的上方 放置加载板12和砝码11；透明模型箱13的正前方安放CCD相机6；透明模型箱13的右侧安放 激光器16；利用激光器16在透明土14中形成散斑场，设置悬挂式防渗墙10贯入透明土14一 定深度，通过CCD相机6对渗流应力耦合下的透明土14进行连续拍摄，后借助计算机图像处 理软件对所得的散斑场进行分析，从而模拟了渗流应力耦合下悬挂式防渗墙10的防渗效 果；

进一步地，所述的透明土14由正十二烷和十五号白油的混合溶液与熔融石英砂混 合搅拌直至均匀透明所制成；

进一步地，所述水头调节系统中设有供水箱1，供水箱1内有与透明土14具有相同 折射率的孔隙流体；

进一步地，所述的供水箱1侧壁的不同高度设有水位控制阀18，通过打开不同的水 位控制阀18可以调节供水箱1内水位的高度，实现调整试验过程中渗透水头的大小；

进一步地，所述的悬挂式防渗墙10正上方安放防渗墙升降装置9，所述的防渗墙升 降装置9与计算机3相连，可控制悬挂式防渗墙贯入土体的深度；

进一步地，所述的防渗墙升降装置9中设置红外线测距仪17，与防渗墙升降装置9 所输入的数据做比较，校核悬挂式防渗墙10贯入土体的深度；

进一步地，所述的透明模型箱13的侧壁间隔布置测压管8，用以监测试验过程土体 中测压管水头的变化；

进一步地，所述的悬挂式防渗墙10为长方体形的有机钢化玻璃板；

进一步地，所述的工程桩17为直径5mm-10mm的钢棒，沉桩过程中采用静压沉桩的 方法将钢棒打入透明土14中；

进一步地，所述的工程桩14的上部安放加载板12和砝码11，以模拟真实条件下结 构物的自重；

进一步地，所述加载板12的底面设置有卡槽，以便工程桩17嵌固其中；

进一步地，所述的水头调节系统中设有供水箱1，供水箱1内有与透明土14具有相 同折射率的孔隙流体；

进一步地，所述的透明模型箱13为上部开口的长方体，由树脂玻璃制成，以保证有 较好的透光性，其底部与底座相连；透明模型箱的长为1000mm左右，宽和高为400mm-500mm；

进一步地，所述的供水管2上设有供水管水阀4，可控制渗透流体的进出；

进一步地，所述的进供水管2上设有流量计5，可监测试验过程中流入透明模型箱 13渗透流体的流量；

进一步地，所述的透明模型箱13内部的左侧设有多层多孔板7，以模拟真实条件下 渗透流体对透明土14的冲击作用；

进一步地，所述的激光器16为半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，可以提供0- 3W之间任意稳定的功率，并配有线性转换器，可将点光源转化为线性光源；

进一步地，所述的CCD相机6采用的是德国Basler产品(scA1600-14fm),可以通过 调节其支架的高度和角度，可以得到理想的CCD相机6的可视范围；

进一步地，所述的计算机3图像处理软件为PIV软件，可分析获得的试验过程中散 斑场的照片，得到渗透破坏过程中工程桩17间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合 下悬挂式防渗墙10防渗效果的模拟；

进一步地，所述的一种渗流应力耦合下悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和 试验方法，其特征在于：

1)在合适的环境中安放、组装试验器材，按试验所模拟的工程土的性质配置相应 透明土14，并将其分层放置于透明模型箱13中；

2)工程桩17打入透明土后，在其上部放置加载板12和一定质量的砝码11；

3)利用防渗墙升降装置9将悬挂式防渗墙10贯入透明土14一定深度；

4)打开激光器16，调整其光线入射角度，使激光垂直打入透明土14中形成明亮的 散斑场；

5)打开CCD相机6并连接计算机3，调整其可视范围，使其能够包含整个透明土14， 设置其以2幅/s的速度进行连续拍摄并传送至计算机3；

6)在供水箱1内注入与透明土14具有相同折射率的孔隙流体，打开某一水位控制 阀18和供水管水阀4，使得供水箱1内的流体依次通过供水管2和多层多孔板7进入透明模型 箱13内，开展渗流试验；

7)逐一提升供水箱1的水位控制阀18，直至工程桩17发生渗流失稳时停止试验；

8)试验结束后，通过计算机3处理软件PIV分析获得的试验过程中散斑场的照片， 得到渗透破坏过程中工程桩17间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合下悬挂式防渗 墙防渗效果的模拟。

与其研究悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置和试验方法相比，具有如下显著 优点：

1)模型试验装置简单，拆卸方便，可重复使用并广泛应用于水利工程试验领域；

2)本发明创新性地将透明土技术和计算机图像处理软件相结合用以研究悬挂式 防渗墙的防渗效果，实现了渗流应力耦合作用下防渗墙防渗效果的模拟，为实际工程中合 理确定悬挂式防渗墙贯入土体的深度提供依据；

3)与之前仅考虑一种影响因素对悬挂式防渗墙防渗效果模拟的试验装置不同，本 发明不仅可以直接观测渗流应力多场复杂环境下悬挂式防渗墙的防渗效果，还设置工程结 构物模型作为参照以考虑试验过程中桩-土位移的变化，所得试验结果更具参考性。

图1为本发明试验装置的正视系统示意图

图2为本发明试验装置的侧视系统示意图

其中：1为供水箱；2为供水管；3为计算机；4为供水箱水阀；5为流量计；6为CCD相 机；7为多层多孔板；8为测压管；9为防渗墙升降装置；10为悬挂式防渗墙；11为砝码；12为加 载板；13为透明模型箱；14为透明土；15为底座；16为激光器；17为红外线测距仪；17为工程 桩；18为水位控制阀。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行两种清楚、 完整的描述。

实施例1：

第一步：在一个平整的光学平台上安放透明模型箱13和底座15，并保证试验所处 的环境光线均匀；本实例中所采用的透明模型箱13的尺寸为1000(长)×400(宽)×500(高) (单位：mm)，其上部开口，底部与底座15相连；透明模型箱13的材料选用透光性满足要求的 树脂玻璃；在透明模型箱13内部的左侧设多层多孔板7以模拟真实条件下渗透流体对透明 土14的冲击作用；在透明模型箱13内部等距布置7根测压管以实时监测试验过程中测压管 水头的变化；

按照试验所模拟的工程土的物理力学性质(主要包括孔隙比、含水率、粘聚力、摩 擦角等)设计透明土14的配合比；本实例所采用的制备方法是将正十二烷与十五号白油在 一定的温度下(本实例中为24℃)按一定的质量比(本实例中为1：4)组成混合溶液，并与熔 融石英砂颗粒充分拌合直至土样均匀透明，制备成模拟饱和粘性土的透明土14；

将所制成的透明土14分层填入透明模型箱13内。

第二步：将4根工程桩17通过沉桩加载仪打入透明土14中，沉桩采用静压沉桩的方 法，沉桩过程中要严格控制沉桩速度，保证工程桩垂直贯入透明土14中，防止出现桩位偏差 过大等问题，本实例中所采用的工程桩17直径10mm，长度150mm，不锈钢材质，沉桩前用湿毛 巾将其表面擦拭干净后晾干；在工程桩17顶部放置加载板12和砝码11；本实例中放置的砝 码11的质量为100g。

第三步：打开防渗墙升降装置9，在计算机33中输入设定的贯入深度，本实例中设 定的贯入深度是300m；贯入过程要严格控制速度，保证悬挂式防渗墙10垂直贯入透明土14 中，防止出现偏差过大等问题；打开红外线测距系统17，测出其至透明土14表面的距离，以 校核悬挂式防渗墙10的贯入深度。

第四步：在透明模型箱13的正右方安放激光器16，本实例中所采用的激光器16为 半导体片光源，采用内腔式氦氖激光器，功率为2V，并配有线性转换器，可将点光源转化为 线性光源。打开激光器16，并调整其具体位置，使其对准透明模型箱13中的透明土14，形成 散斑场；本实例中的激光器与透明模型箱9的外立面垂直相距450mm。

第五步：在透明模型箱13的正前方安放CCD相机6，本实例中所采用的CCD相机6是 德国Basler产品(scA1600-14fm)；打开CCD相机6，并调整其支架的高度和角度，使得CCD相 机6的镜头垂直对准透明模型箱13的外立面，保证其可视范围能够包含整个；CCD相机5与计 算机3相连，设置CCD相机5以2幅/秒的频率采集图像并传送至计算机3。

第六步：所述的水头调节系统包括供水箱1和供水箱2，所述的供水箱1侧壁的不同 高度设有水位控制阀18，可以调节供水箱1内水位的高度，实现调整试验过程中渗透水头的 大小；所述的供水箱2中设有流量计，可监测试验过程中流入透明模型箱13渗透流体的流 量；所述的供水箱2中设有供水管水阀4，可控制渗透流体的进出；

在供水箱1内注入与透明土14中透明液具有相同配合比的正十二烷和十五号白油 的混合溶液；打开供水箱1侧壁某一水位控制阀18和供水管水阀4，使得供水箱1内的与透明 土14具有相同折射率的孔隙流体依次通过供水管2和多层多孔板7进入透明模型箱13内冲 击透明土14，开展渗流试验，试验过程中实时记录测压管8中水位的变化。

第七步：逐一提升供水箱1的水位控制阀18，直至工程桩17发生渗流失稳时停止试 验。

第八步：试验结束后，通过计算机处理软件PIV分析获得的试验过程中散斑场的照 片，得到渗透破坏过程中工程桩间土体的位移场，从而实现了对渗流应力耦合下悬挂式防 渗墙防渗效果的模拟。

实施例2：

实施例1采用的是在悬挂式防渗墙10贯入深度一定的情况下通过逐一提升水位大 小考察渗透水头对工程桩17结构稳定性的影响，对于悬挂式防渗墙10的贯入深度对工程桩 17结构稳定性的影响，可在实施例1的基础上，改变步骤三、六、七的实施方式。具体改进如 下：打开防渗墙升降装置9，在计算机3中输入设定的贯入深度，本实例中设定的贯入深度是 400m；贯入过程要严格控制速度，保证悬挂式防渗墙10垂直贯入透明土14中，防止出现偏差 过大等问题；打开供水箱1侧壁某一水位控制阀18并保证在试验过程中渗透水头保持不变， 使得供水箱11内与透明土14具有相同折射率的孔隙流体一次通过供水管2和多层多孔板7 进入透明模型箱13内冲击透明土14，开展渗流试验；通过防渗墙升降装置9缓慢提升悬挂式 防渗墙10，每次提升距离为20mm，间隔时间30min，同时打开红外线测距系统17，测出其至透 明土14表面的距离，以校核悬挂式防渗墙10的贯入深度，直至工程桩17发生渗流失稳时停 止试验，试验过程中实时记录测压管8中水位的变化。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。