[发明专利]一种潜蚀可视化试验装置、试验方法及透明土制备方法

说明书

本发明公开了一种潜蚀可视化试验装置、试验方法及透明土制备方法，其利用熔融石英砂颗粒代替土颗粒，配置与石英砂颗粒折射率相等的油代替水，并在油中加入荧光染料，从而制成透明土试样；基于平面激光诱导荧光技术，利用固态绿激光器照射透明土试样，荧光染料使油在激光照射平面内发出明亮荧光，而熔融石英砂颗粒则以黑色斑点形式出现；在潜蚀发生发展过程中，利用高速摄像机实时拍摄激光图片，通过分析不同水力条件下，试样不同位置的激光图像，可以实现对透明土试样内部细颗粒运移、淤堵等力学行为的可视化，同时，能够获得透明土试样内部孔隙结构的演化过程。

技术领域

本发明属于土力学试验技术领域，特别涉及一种潜蚀可视化试验装置、试验方法及透明土制备方法。

背景技术

潜蚀是指渗流携带内部不稳定土体中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中运移，逐渐在地基内形成局部被掏空、局部被充填的现象。级配曲线尾部比较平缓的宽级配土体和缺乏中间级配土体都属于内部不稳定土体。潜蚀发展到一定程度可能造成地基不均匀沉降或者破坏大坝防渗体系，威胁大坝安全。巴基斯坦的Tarbela大坝、加拿大的Bennett大坝、我国四川某大坝等多个工程均因潜蚀导致严重事故，Tarbela大坝更是因此被迫放空水库。

潜蚀的发生发展均位于地基内部，隐蔽性强，如果能够实时观测到潜蚀过程中发生的细颗粒运移、淤堵等细观行为，对于深刻认识潜蚀发生机理，制定有效的防治措施等均具有十分重要的理论和实际意义。然而，目前的试验手段存在各种缺陷。比如，常规试验只能通过透明的仪器壁面观察表面现象，或者只能通过埋设在土体中的传感器读数的变化推测土体内部发生的颗粒运移、淤堵行为。研究人员曾利用潜蚀水槽模型试验装置，开展了单层地基防渗墙端部附近的潜蚀试验。研究发现，试样内部不同区域的渗透性在潜蚀过程中是不断变化的，并推测这些变化是由细颗粒运移－淤堵－冲破淤堵等复杂反复的细观过程导致的。最近，一些学者结合先进测试技术，尝试探讨潜蚀的可视化问题。研究人员也曾利用显微摄像可视化跟踪技术、数字图形计算机实时处理技术，研究潜蚀过程，然而这些研究仍然只能观测到仪器壁面的现象。还有研究者结合粒子图像测速技术(PIV)和透明土，研究了孔隙液体对土体渗透性的影响。以及利用PIV和透明土测试土体内部孔隙液体流动特性。然而基于PIV的测试技术只能观测到试样内有限个示踪粒子的运动轨迹，仍然无法观测到土体内部细颗粒的运移。

发明内容

为解决以上问题，本发明提出了一种潜蚀可视化试验装置、试验方法及透明土制备方法，基于平面激光诱导荧光技术研制潜蚀可视化试验装置，探讨制备高透明度的内部不稳定的透明土试样的方法，利用新的试验装置开展透明土潜蚀试验研究，再现潜蚀发生发展过程中土体内部细颗粒运移、淤堵等细观行为。

为了实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：

一种潜蚀可视化试验装置，其特征在于，包括，

渗透仪，其设有透明模型箱，其内部填筑有透明土试样，其外壁上设置有刻度条；所述透明模型箱底部安装有上游集油腔体，所述上游集油腔体与进油管相连；所述透明模型箱与所述上游集油腔体之间设有上游多孔盖板；所述透明模型箱顶部安装有下游集油腔体，所述下游集油腔体与出油管相连；所述透明模型箱与所述下游集油腔体之间设有下游多孔盖板；所述渗透仪沿高度方向上以一定的间距设置有多个测压管；

压力施加装置，其分为低压单元和高压单元，均通过所述进油管与所述渗透仪连接；其中所述低压单元为移动油箱组件，通过提升移动油箱至不同高度位置提供不同的输入渗透油压；所述高压单元包括储油器、压力源和调压阀，通过所述压力源对所述储油器施加压力，所述储油器内的油产生高压油，通过调节所述调压阀，提供不同的输入渗透油压；

激光控制系统，其包括激光器、多模光纤和一字线棱镜；其中所述激光器安装在所渗透仪侧面；所述一字线棱镜安装在所述多模光纤末端；所述激光器透过一字线棱镜产生共面集中的激光射线，通过移动激光器的位置，可以在透明土试样内部不同位置获取不同的剖面图像；