[发明专利]一种模拟岩土体中管道水流冲刷效应的测试装置及测试方法

说明书

本发明涉及一种边坡稳定性影响因素的测试技术，具体公开了一种模拟岩土体中管道水流冲刷效应的测试装置，包括底板和设置于底板上的内部具有贯通管道的模拟岩土层，底板包括固定端和升降端，固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；模拟岩土层中的贯通管道包括上游端口和下游端口，下游端口配置有与端口形状匹配的阻水塞，上游端口与水源相连。本发明的优点是：适用于强降雨或排水条件下水流对岩土层中贯通管道壁面拖曳力的测定，从而为量化强降雨或排水条件下管道拖曳力对岩土体失稳的影响提供参考和贡献。

技术领域

本发明涉及一种边坡稳定性影响因素的测试技术，尤其是一种用于测定岩土体管道流对岩土体稳定性影响的测试装置和方法。

背景技术

岩土体中的贯通管道、非贯通管道和孔隙共同构成一个复杂的多孔网络体系。其中，贯通管道是地下水与地表水之间相互转换的主要路径，是地下水与岩土体之间水力联系的重要通道，也是岩土体失稳破坏常常追踪的边界条件。岩土体管道流极大地影响了交通、水利水电和矿山等工程的施工安全和正常运行，其研究受到工程界和学术界的广泛关注。

土木工程领域对岩土体中水运动的描述，普遍采用线性Darcy定律。该定律适于单一均匀多孔介质、雷诺数Re上限为[1,10]的线性层流。基于线性Darcy渗流理论，计算相对均匀岩土体孔隙介质的流场并据此评价流固耦合作用下的力学响应是可行的。然而，当Re超出线性层流上限或岩土体存在贯通管道集中渗漏通道时，仍用Darcy理论计算则会产生显著误差。1868年，著名的俄国流体学家布辛习涅斯基提出了Newton流体在光滑平行板缝中的运动学理论。在该理论构架体系下，也能推导出光滑等直径圆形管道中流体的运动方程。在求解含贯通管道岩土体介质的地下水渗流问题时，目前普遍采用开口立方定律。然而，具体计算时大多将管道的壁面视为不透水边界，该假设隐含管道所赋存的岩土体基质也具不透水性(注：岩土体基质指包含孔隙结构和非贯通管道多孔介质部分)，同时还假定管道内不含散粒充填物，这与实际相比仍存在较大偏差。因此，尚需提升和完善经典的地下水渗流运动理论，从而更准确地描述含充填物的贯通管道岩土体多孔介质的流场特征，以及更合理地评价地下水渗流作用下岩土体的力学响应。查阅国内外相关文献资料，有关管道流的研究鲜有考虑水流对管道壁面产生的拖曳力作用。

发明内容

为了更好地研究贯通管道壁面水流拖曳力对岩土体稳定性的影响，本发明提供了一种模拟岩土体中管道水流冲刷效应的测试装置及测试方法。

本发明所采用的技术方案是：模拟岩土体中管道水流冲刷效应的测试装置，包括底板和铺设于底板上的内部具有贯通管道的模拟岩土层，所述底板包括固定端和升降端，所述固定端通过水平轴固定且可绕水平轴转动，所述升降端与升降装置相连，升降装置可连续调节升降端在竖直方向上的高度；所述模拟岩土层中的贯通管道包括靠近固定端的上游端口和靠近升降端的下游端口，所述下游端口配置有与端口形状匹配的阻水塞，所述上游端口与水源相连。

现有的管道水流在贯通管道壁面产生的拖曳力计算没有一定的理论，本发明提出了一套水流对贯通管道壁面产生的拖曳力测试技术。

为此，本发明研制了上述模拟岩土体中管道水流冲刷效应的测试装置，使用该装置可实现水流对岩土介质中贯通管道壁面拖曳力的测定。

容易理解的，本发明贯通管道的上游端口应当与水源相连，水源的选择不限，但需要保证水流能够平缓均匀的进入贯通管道中，以实现模拟自然管道流的目的，因此贯通管道的上游端口不能与带压水龙头等设备连接，最好是配备专用的储水容器为贯通管道供水。

本发明中的升降装置应当能够实现带动升降端平稳连续升降的功能，以便于准确测定岩土体开始产生滑动时的倾斜角度。例如采用图1所述的升降支架，该支架的升降可采用液压或气压驱动来实现。除此之外容易想到也可以采用其他能够实现上述功能的升降装置，例如还可以采用滑轮组作为升降装置。