(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202011302730.9
(22)申请日 2020.11.19
(71)申请人 中国水利水电第十二工程局有限公
司
地址 310004 浙江省杭州市下城区环城北
路141号
(72)发明人 吕兴坤 李莹莹 曹希良
其他发明人请求不公开姓名
(74)专利代理机构 浙江杭州金通专利事务所有
限公司 33100
代理人 黄素萍
(51)Int.Cl.
G01N 15/08(2006.01)
(54)发明名称
(57)摘要
本发明涉及一种粗粒土垂直渗透变形试验
量测定装置，常水头提供装置分别与试样容器和
自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机
构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升
降；所述溢流槽与水箱液体相连通。以及包含该
粗粒土垂直渗透变形试验仪的粗粒土垂直渗透
变形试验方法。本发明的粗粒土垂直渗透变形试
验仪通过设计单独的可提升的溢流槽，使溢流槽
与水箱分离，并采用溢流槽和水箱之间循环水流
设计，结合小巧的溢流槽用于被提升来提供高水
压，实现高水力坡降，大大减小了设备的体积以
及运行的能耗。权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 112268848 A 2021.01.26
C N 112268848
A
1.一种粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，包括常水头提供装置、测压管、试样容器和流量测定装置，常水头提供装置分别与试样容器和测压管连接，流量测定装置与试样容器连接；其中，常水头提供装置包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；所述溢流槽与水箱液体相连通。
2.根据权利要求1所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，溢流槽内设有竖向隔板，竖向隔板将溢流槽分隔为恒压区和溢流区，恒压区和溢流区顶部液体相连通。
3.根据权利要求2所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，恒压区设有进水口和出水口；溢流区通过溢流管与水箱连接；水箱通过供水软管连接供水泵后与恒压区进水口连接。
4.根据权利要求1所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，溢流槽自动提升机构包括程控电机、导向齿轮、导向绳和支架；溢流槽通过托架和连接块连接在支架上，连接块固定在导向绳上；还包括与程控电机电路连接的智能控制模块和数显屏幕。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，试样容器包括试样筒、下透水板、上透水板、斜透水板以及位于试样筒底部的透明漏斗与集砂器。
6.根据权利要求5所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，试样筒底部设有试样筒进水口，进水口连接水压管；试样筒顶部设有试样筒溢流孔，试样筒溢流孔的内腔设置为方形结构；试样筒侧壁还设有三个的测压孔，每个测压孔通过导线连接一个测压管，三个测压孔分别位于试样筒顶部、中部和底部；在试样筒上还设有排气孔。
7.根据权利要求6所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，恒压区出水口和试样筒进水口通过水圧管连接；水圧管上还连接测压管。
8.根据权利要求5所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其特征在于，流量测定装置包括集水瓶、流量计和连接管，集水瓶顶部通过连接管与试样筒溢流孔连接，集水瓶底部通过连接管与流量计连接。
9.一种粗粒土垂直渗透变形试验方法，其特征在于，提供权利要求1-8中任意一项所述的粗粒土垂直渗透变形试验仪，其具体步骤如下：
1.粗粒土垂直渗透变形试验仪检校；
2.粗粒土垂直渗透变形指标的测定；
3.按《土工试验规程》SL237-014-1999规定进行计算整理资料。
10.根据权利要求9所述的粗粒土垂直渗透变形试验方法，其特征在于，
步骤1中包括：
①按试验要求组装好粗粒土垂直渗透变形试验仪全部组件，开机通电，先进行试样饱和，溢流槽自动提升至试样容器顶部以上20cm高度停止，同时供水泵开始工作，水由水箱进入溢流槽，待溢流槽内超过水位控制板高度的水通过溢流口回流到水箱进行新的循环时，打开进水口的阀门和排气孔阀门，对试样容器充水排气，让试样容器内充满水，排除管路中的全部气体后关闭排气孔阀门，检查试样容器不漏水即可；
②测读测压管读数，核验水头差，并确认溢流槽水头与测压管的压差；校准流量计读数，测定流量计读数误差值以确定流量计校准值；
步骤2中包括：
①在试样容器中先固定好下透水板，铺设孔径3mm的透水网于下透水板上及试样筒侧壁，将配制成最优含水率的粗粒土试样分层装入试样筒，并分层击实达到预定干密度，最后在试样顶部铺设透水网并放置上透水板；
②打开进水口及排气孔阀门，启动溢流槽自动提升机构，选择水头提升高度，高度设置为高出试样筒顶面20cm；溢流槽提升至该设定高度后，进行试样的饱和程序：保持溢流槽的水持续流入到试样筒中，待排气孔无气泡排出且有稳定水流流出时，关闭排气口阀门，观察测压管水位及气泡排出情况，待试样筒的溢流孔有稳定水流排出时，可以确认整个饱和过程结束；
③置水力坡降数值，换算成溢流槽提升高度，使溢流槽提升至设定的高度后开始试验：观察测压管读数，核对水力坡降实际值与设置值偏差，观察流量计读数，当流量计读数趋于稳定时读取数值，间隔10分钟再次读数，连续三次读数偏差不大于5％时，可停止本级水力坡降试验；重新设置下一级水力坡降值进行试验，水力坡降值可选范围0.1～6.0；
④不断提高水力坡降值进行渗透试验，直至土样出现细颗粒跳动、冒气泡、颗粒移动、土体悬浮、透明漏斗中水流变浑浊、渗流量及测压管水位急剧变化情况，及时记录数据后结束试验。
粗粒土垂直渗透变形试验仪及实验方法
技术领域
[0001]本发明涉及水利水电建设技术领域，具体的说是一种测定粗粒土在高水头压力下渗透稳定性的粗粒土垂直渗透变形试验仪和粗粒土垂直渗透变形试验方法。
背景技术
[0002]高土石坝筑坝技术近年来在我国快速发展，目前最高坝高已经达到三百米级。我国在这方面已经走在世界的最前沿，掌握了最先进的技术和经验。随着高土石坝技术的发展，大坝安全成为业内关注的焦点问题。坝体渗透变形成为坝体结构安全的重要影响因素。为此水利部2018年将渗透临界坡降列为岩土甲级资质必备参数。因此粗粒土渗透变形试验成为高土石坝筑坝技术中重要的一项试验，为大坝安全评估提供直接的参数。
[0003]当前国内还没有通过技术鉴定的制式粗粒土渗透变形试验仪。仅《土工试验规程》(GB/T 50123-2019)中给出了粗颗粒土的渗透及渗透变形试验方法与试验装置，各相关科研机构各自制作满足自己特
定需求的试验测试模型。这些装置适用的量测范围小、设计粗糙、体积大集成度小，专业性强易用性差，所以研发一整套成熟完善的仪器设备成为迫切的任务。
发明内容
[0004]为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种适用于高水头压力的用于粗粒土垂直渗透变形试验的常水头提供装置，以及包括该常水头提供装置的粗粒土垂直渗透变形试验仪。本发明通过增设与水箱液体连通的溢流槽，对该体积较小的溢流槽进行升降，来达到升降较高的高度，实现高水头压力的土垂直渗透变形试验的高水压供应。
[0005]本发明提供的用于粗粒土垂直渗透变形试验的常水头提供装置，包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；所述溢流槽与水箱液体相连通水箱。可升降的溢流槽体积小重量轻可方便提升较高的高度，能提供最高可达6.0的水力坡降，满足高水力坡降的试验要求，特别是坝高达300米级工程的试验要求。
[0006]溢流槽在溢流槽自动提升机构控制下进行升降，可提供不同高度的水压以形成不同水力坡降。此外，溢流槽相对现有的水箱体积大幅减小，提升和下降溢流槽相对水箱变得容易很多。因此，溢流槽可以提升相对试样到更高的高度，通过本发明的常水头提供装置可以提供更高的水力坡降，比如6.0以上。
[0007]在本发明中，水力坡降为试样地面与顶面的水头差/试样的高度。试样的高度一般为30-50厘米，本发明的溢流槽可提升的高度可以超过3米及以上，当溢流槽提高的高度达到3米时，水力坡降达到6.0。一些实施方式中，溢流槽可以提升的高度通常为0.3-3米。另一些实施方式中，溢流槽可以提升的高度可以超过5米。
[0008]一些优选的实施方式中，溢流槽内设有竖向的水位控制板，竖向的水位控制板将溢流槽分隔为恒压区和溢流区，恒压区和溢流区顶部液体相连通。通过溢流区的设置除了
能够保证恒压区的水压稳定，也保证了高水头供水的水压稳定性。也为了适应不同高度水头情况下，供水泵供水调整的不及时产生多余的水量，降低对供水泵调整供水功率的精度需求。
[0009]一些优选的实施方式中，恒压区设有进水口和出水口；溢流区设有溢流口。[0010]一些优选的实施方式中，水箱通过供水软管连接供水泵后与恒压区进水口连接；出水口连接水圧管。
[0011]一些优选的实施方式中，溢流口连接溢流管，所述溢流管另一端与水箱连接。[0012]一些优选的实施方式中，溢流槽自动提升机构包括程控电机、导向齿轮、导向绳和支架；溢流槽通过托架和连接块连接在支架上，连接块固定在导向绳上。溢流槽通过托架和连接块与溢流槽自动提升机构的导向绳固定连接实现升降。
[0013]一些优选的实施方式中，溢流槽提升结构还包括与程控电机电路连接的智能控制模块和数显屏幕。一些实施例中，智能控制模块和数显屏幕可以集成在程控电机上。[0014]另一方面，本发明还提供一种粗粒土垂直渗透变形试验仪，包括常水头提供装置、测压管、试样容器和流量测定装置，常水头提供装置分别与试样容器和测压管连接，流量测定装置与试样容器连接；其中，常水头提供装置包括溢流槽，水箱和溢流槽自动提升机构；所述溢流槽与溢流槽自动提升机构连接并在溢流槽自动提升机构控制下进行升降；所述溢流槽与水箱液体相连通。该粗粒土垂直渗透变形试验仪能够进行高水力坡降的粗粒土垂直渗透试验。
[0015]一些优选的实施方式中，溢流槽内设有竖向隔板，竖向隔板将溢流槽分隔为恒压区和溢流区，恒压区和溢流区顶部液体相连通。
[0016]一些优选的实施方式中，恒压区设有进水口和出水口；溢流区设有溢流口；水箱通过供水软管连接供水泵后与恒压区进水口连接；溢流口连接溢流管，所述溢流管另一端与水箱连接。
[0017]一些优选的实施方式中，溢流槽自动提升机构包括程控电机、导向齿轮、导向绳和支架；溢流槽通过托架和连接块连接在支架上，连接块固定在导向绳上；还包括与程控电机电路连接的智能控制模块和数显屏幕。
[0018]一些优选的实施方式中，试样容器包括试样筒、下透水板、上透水板、斜透水板以及位于试样筒
底部的透明漏斗与集砂器。
[0019]一些优选的实施方式中，试样筒底部设有试样筒进水口，进水口连接水压管；试样筒顶部设有试样筒溢流孔，试样筒溢流孔的内腔设置为方形结构；试样筒侧壁还设有三个的测压孔，每个测压孔通过导线连接一个测压管，三个测压孔分别位于试样筒顶部、中部和底部；在试样筒上还设有排气孔。
[0020]试样筒的溢流孔设计成内方外圆结构，可快速排泄渗透水流，防止水流擁高的情况发生。有效的防止了水位升高时溢流孔排水不畅，保证试样筒上表面水位恒定。[0021]一些实施方式中，测压孔可以设置三个以上，比如，四个、五个、六个等等，这些测压孔均匀排列在试样筒侧壁的竖向上，用于测量试样筒不同高度的试样水压。
[0022]一些优选的实施方式中，流量测定装置包括集水瓶、流量计和连接管，集水瓶顶部通过连接管与试样筒溢流孔连接，集水瓶底部通过连接管与流量计连接。
[0023]本发明还提供一种粗粒土垂直渗透变形试验方法，其中，提供本发明的粗粒土垂
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