[发明专利]基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置及方法

权利要求书

1.一种基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验装置，包括用于填充透明土模型的模型箱，其特征在于，该模型箱呈长方体，包括有机玻璃板制成的透明上面板和一个透明侧面板，其余四个面板均为铝板；在模型箱的一个端部面板上设进液孔，进液孔通过供液管连接至上游储液槽的底部开口；在上面板表面设有出液口，出液口靠近与进液孔相对的模型箱另一端部；该装置还包括一个下游集液槽，槽中设置加热棒、制冷片、磁力搅拌器和抽液泵，抽液泵的出口通过抽液管接至上游储液槽，制冷片与制冷压缩机连接；在模型箱的出液口上罩设一个中空的收集箱，收集箱能分离孔隙流体与透明土颗粒，并通过流道将孔隙流体送至下游集液槽；

在模型箱的正上方固定安置激光器和面状光源处理器，激光器发出的束状激光由后者转换成面状激光后照射至模型箱的透明上面板；在正对透明侧面板处设置CCD相机，CCD相机通过信号线连接至计算机。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述下游集液槽的表面设有过滤网，从收集箱溢出的孔隙流体经过滤后再进入下游集液槽；所述加热棒、制冷片和磁力搅拌器均位于过滤网下方；下游集液槽中装有温度传感器，加热棒、制冷压缩机和温度传感器通过电缆接至温控器。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述流道由一块弧面凹形有机玻璃条和两块直角梯形有机玻璃板组成。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述上游储液槽放置在电动升降台上，一个流量计装在与其相连的供液管上；所述进液孔处设阻挡透明土颗粒的土工布。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在上游储液槽侧壁设开口，通过排液管接至下游集液槽。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述出液口呈圆台状，其下表面粘贴在上面板的表面，内部为圆柱状通孔并通过上面板的开孔连通至模型箱内部；收集箱的后侧面板呈凹字形，面板的中间是一个凹陷的缺口，其底部高度与出液口的圆台高度一致，出液口与收集箱共同组成一个用于分离孔隙流体与透明土颗粒的滞流区域。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述模型箱的上面板与模型箱的各侧面板及收集箱的各侧面板之间分别由螺钉实现固定连接，且连接部位设置防液胶条。

8.利用权利要求1所述装置的基于激光测试技术和透明土可视化的管涌试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)清洗模型箱的透明侧面板与上面板；先向模型箱中倒入一定量的孔隙流体，然后缓慢加入熔融石英砂并持续搅拌以排除气泡；重复该操作直到整个模型箱填满，安装上面板后设置防液胶条；

(2)调整激光器和面状光源转换器的位置，使面状激光通过进液孔与出液口之间的上面板投射至透明土模型；调整上游储液槽的高度，使其液面高度与出液口的圆台上表面等高，此时液位差为零；

(3)向下游集液槽中导入足量的孔隙流体，以温控器设定加热温度后启动抽液泵，使孔隙流体通过抽液管流入上游储液槽；超过上游储液槽侧壁开口的孔隙流体则通过供液管和透明土模型回流至下游集液槽中，使孔隙流体温度达到预设值；

(4)略提升上游储液槽高度，使模型箱内孔隙流体逐渐参与循环，直到所有孔隙流体温度达到预设温度；

(5)提升上游储液槽的高度，待渗流稳定后，再次提升上游储液槽高度；重复上述过程，直到管涌破坏完全发生；该过程中以CCD相机对激光照射面覆盖的透明土模型进行拍摄，并将图像数据上传至计算机，以PIV程序分析土颗粒运移流场。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述激光器是发射波长为532nm的绿光激光器。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述孔隙流体是折射率与透明土颗粒一致的混合矿物油或溶液。