平面流網(wǎng)繪制及滲流原理教學(xué)試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置及試驗方法，它包括一個填充有飽和砂土的模型箱和一臺注水泵；模型箱砂土中心豎立有一塊將模型箱分隔為左右兩個相等的隔間的抽拉式隔板，隔板插入模型箱底板時將模型箱左右兩側(cè)完全隔離；在一隔間的側(cè)壁的最底部、中部和上部分別設(shè)有三個排水口和兩只透明水頭量測管；在另一隔間側(cè)壁上部設(shè)有豎向排列的三個排水口；另外還包括多只可移動的透明水頭量測管。利用該試驗裝置可以繪制砂土中二維滲流流網(wǎng)、展示流砂現(xiàn)象的形成過程和滲透系數(shù)測定，能將復(fù)雜的工程問題，變成直觀的模型操作試驗，能滿足不同場合的教學(xué)使用，產(chǎn)生較好的教學(xué)效果和經(jīng)濟效益。
【專利說明】
平面流網(wǎng)繪制及滲流原理教學(xué)試驗裝置及試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于±木工程領(lǐng)域的本科教學(xué)試驗儀器，用于演示平面流網(wǎng)繪制原理及方 法、滲流破壞原理和發(fā)展過程^及±體滲透系數(shù)測定的多功能教學(xué)試驗裝置。本發(fā)明可供 ±木工程、水利工程等專業(yè)進行教學(xué)演示，屬于高等教育±木工程類教學(xué)試驗儀器。
【背景技術(shù)】
[0002] 滲流問題是±力學(xué)教學(xué)及研究的重點內(nèi)容，±的滲流理論是±力學(xué)理論體系的重 要組成部分。滲流問題幾乎涵蓋所有的實際工程建設(shè)，從基坑、大巧的穩(wěn)定性、軟±地基的 排水固結(jié)到海洋吸力式基礎(chǔ)的沉貫等方面都設(shè)及到滲流問題。
[0003] 描述±體中滲流問題的主要方法之一為繪制滲流流網(wǎng)。流網(wǎng)由多條流線與等勢線 正交而成，流網(wǎng)的繪制主要通過計算法、內(nèi)切圓法及數(shù)值模擬等方法，但上述方法難W滿足 課堂教學(xué)的直觀性及操作演示的要求。比如中國專利公開號CN2012205649175公開的一種 水位可控式滲流模型試驗箱。所述試驗箱包含雙室容器、進排水系統(tǒng)W及底座。所述雙室容 器兩側(cè)放置砂±。所述砂±表面布置多個針孔。所述針孔放置不同顏色顏料。通過打開容器 排水系統(tǒng)使±體產(chǎn)生滲流，從而觀察滲流場流線。該專利公開的模型試驗箱僅能通過顏料 顆粒運動軌跡觀察滲流場流線分布，然而卻無法繪制滲流場另一個重要組成部分一等勢 線，從而無法繪制完整的滲流流網(wǎng)，難W掲示±體中滲流場產(chǎn)生的實質(zhì)。此外，若±體中水 力梯度過大，則滲流將由層流轉(zhuǎn)變?yōu)樗亓?，從而?dǎo)致顏料顆粒運動素亂，導(dǎo)致模型試驗箱內(nèi) 無法觀察到流線。
[0004] 因此，有必要開發(fā)一套平面流網(wǎng)繪制試驗演示裝置，用直觀的方法繪制±體中二 維流網(wǎng)的等勢線和流線，增強對滲流問題的理解，掌握±體中流網(wǎng)和滲流場產(chǎn)生的實質(zhì)，加 強學(xué)生動手實踐能力。本發(fā)明裝置還可W演示流砂發(fā)展過程及測定±體滲透系數(shù)，使學(xué)生 進一步直觀掌握滲流理論的實質(zhì)，并運用滲流原理分析解決實際工程問題。
[0005] 通過查新，尚未發(fā)現(xiàn)類似試驗裝置及試驗方法的專利及文獻報道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006] 為了用直觀的方法繪制完整的滲流流網(wǎng)，掲示±體中滲流場產(chǎn)生的實質(zhì)，提高教 學(xué)質(zhì)量，本發(fā)明基于±體中滲流原理及流網(wǎng)的性質(zhì)和特點，提供一種平面流網(wǎng)繪制及滲流 原理演示教學(xué)試驗裝置。
[0007] 本發(fā)明同時提供利用運種試驗裝置進行平面流網(wǎng)繪制的試驗方法，W及進行流砂 原理演示W(wǎng)及滲透系數(shù)測定的試驗方法。
[000引為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0009] -種平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置:它包括一個透明模型箱和一臺 注水累，模型箱中填充有飽和砂±，填充高度為200-250mm;模型箱砂±中屯、豎立有一塊高 于模型箱頂部的透明隔板用于模擬板粧，透明隔板將模型箱分隔為左右兩個相等的隔間， 其中一個隔間稱為A隔間，另一個稱為B隔間，要求透明隔板一方面能與模型箱前后壁和底 部緊密接觸，從而保證當隔板插入模型箱底板時將A、B隔間完全隔離，另一方面又能沿著模 型箱前后壁上下抽動;在A隔間的模型箱側(cè)壁的最底部、中部和上部分別設(shè)有=個排水口， 在A隔間的側(cè)壁上還從外部插入有兩只用于測量砂±滲透系數(shù)的帶閥口的透明水頭量測 管;在B隔間的模型箱側(cè)壁上部設(shè)有豎向排列的=個排水口；另外還包括多只可移動的透明 水頭量測管，用于測量測砂±中不同點的總水頭高度，多只水頭量測管內(nèi)部設(shè)置有浮標，浮 標可隨量測管內(nèi)水面變化而自由升降，浮標頂面與試驗?zāi)Ｐ拖涞酌嬷g距離即為所測±體 中一點的總水頭高度。
[0010] 為了A、B隔間產(chǎn)生總水頭差，要求B隔間的S個排水口高度必須高于A隔間中部的 排水口。
[0011] 所述透明模型箱、透明隔板W及透明水頭量測管優(yōu)先選用有機玻璃材料。透明模 型箱長度優(yōu)選為400-500mm，寬度優(yōu)選為250-300mm，高度優(yōu)選為350-400mm。
[001。所述試驗用砂上粒徑優(yōu)選0.1~0.25mm的均勻細砂。
[0013] 所述透明隔板高度優(yōu)選高于模型箱高100mm。
[0014] 所述透明隔板與模型箱前后壁和底部緊密接觸結(jié)構(gòu)優(yōu)選是:在模型箱前后側(cè)壁中 間位置沿高度方向、W及在模型箱底板上中部位置沿寬度方向分別設(shè)有密封卡槽，密封卡 槽內(nèi)側(cè)設(shè)置0型密封圈，透明隔板豎向插入密封卡槽可在密封卡槽內(nèi)自由上下滑動，當隔板 插入底板密封卡槽后，隔板A、B隔間完全隔離。
[0015] 為了增加試驗的準確性，在模型箱底部布置厚度為3cm的透水版。
[0016] 為了便于水頭量測管刺入砂±，所述的水頭量測管底部成錐形。
[0017] 為了便于砂±中水進入水頭量測管，所述的水頭量測管底部設(shè)有若干透水孔。
[0018] 為了防止細小±顆粒進入水頭量測管，在水頭量測管底部布置一層濾網(wǎng)。
[0019] 本發(fā)明利用上述試驗裝置進行平面流網(wǎng)繪制試驗的方法是：
[0020] 注釋:所述的前壁是W面對操作者的一面為準 [002。方案一：
[0022] 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管W及水累，并檢查水頭量測 管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0023] 第二步：關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口 W及A隔間的兩只水頭量測管閥口， 并打開微型水累，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為IOOmm時，關(guān)閉水累，檢查模型箱 底部及側(cè)壁的密水性；
[0024] 第=步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累始終向 模型箱內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂±高度為200mm時，停止 向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累，此后將砂±表面撫平；
[0025] 第四步:將透明隔板插入砂±表面W下IOOmm，此時，模型箱A、B隔間透明隔板W下 部分是連通的；
[0026] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排 水口是打開的，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間其余兩個排水口閥口均關(guān)閉；
[0027] 第六步:打開水累，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定， 當模型箱A、B隔間打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0028] 第屯步:繪制二維流網(wǎng)等勢線，繪制時選擇模型箱底面作為基準面，水頭量測管內(nèi) 浮標頂面至模型箱底面垂直距離作為測點總水頭高度；
[0029] 第7.1步:首先繪制模型箱B隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線，具體方法如下：
[0030] 第7.1.1步：將多只可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于B隔 間，相鄰量測管均勻間隔；
[0031] 第7.1.2步:首先將第一只可移動水頭量測管刺入B隔間的砂ilOOmm，待第一只可 移動水頭量測管內(nèi)浮標穩(wěn)定后，將此時浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離作為所繪等勢 線的總水頭高度，然后分別調(diào)整B隔間其余所有可移動水頭量測管的刺入砂±深度，使得其 余所有可移動水頭量測管的浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離與第一只可移動水頭量 測管浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離相同，記錄此時所有可移動水頭量測管入±深 度，并將所有可移動水頭量測管端點位置對應(yīng)標記于模型箱前側(cè)外壁，上述所有標記點即 為總水頭相等的點，即位于滲流場流網(wǎng)中同一條等勢線上；
[0032] 第7.1.3步：用平滑曲線將模型箱前側(cè)外壁所標記的所有總水頭相等點連接，該平 滑曲線即為一條等勢線的一部分，由于隔板外邊緣及模型箱底邊均為二維流網(wǎng)流線，故等 勢線應(yīng)與板粧外邊緣及模型箱底邊正交，將上述所繪平滑曲線兩端延長，使其分別與隔板 左側(cè)面及模型箱底面垂直相交，從而繪制出一條完整的等勢線；
[0033] 第7.1.4步:采用上述方法，通過改變所有可移動水頭量測管刺入砂±的深度，另 外繪制3-4條等勢線，此外，B隔間砂±表面也為一條等勢線，將砂±表面輪廓線均標記于模 型箱前側(cè)外壁；
[0034] 至此，B隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[0035] 第7.2步:繪制模型箱A隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線；
[0036] 首先將多只可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于A隔間，相鄰 量測管均勻間隔;然后按照第7.1.2-7.1.4步驟操作即可；
[0037] 至此，A隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[0038] 第7.3步:在模型箱前側(cè)外壁繪制一條同時與隔板前壁底邊及模型箱底邊正交的 豎直線，該條直線也是一條等勢線；
[0039] 至此，模型箱內(nèi)砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[0040] 第八步：當A、B隔間砂±二維流網(wǎng)勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的 平滑曲線，一條平滑曲線即為二維流網(wǎng)的一條流線，運樣就繪制多條流線，此外，透明隔板 插入±體部分、模型箱側(cè)壁與±體接觸部分邊及模型箱底邊均為流線，將上述流線也標記 于模型箱前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢；
[0041 ]第九步：改變模型箱B隔間模型箱排水口位置，重復(fù)上述第5-8步驟可繪制不同總 水頭差條件下的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。
[00創(chuàng)方案仁）
[0043] 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管W及水累，并檢查水頭量測 管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0044] 第二步:關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口 W及A隔間側(cè)壁從外部插入的兩只水 頭量測管閥口，并打開微型水累，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為IOOmm時，關(guān)閉水 累，檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性；
[0045] 第=步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累始終向 模型箱內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂±高度為200mm時，停止 向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累，此后將砂±表面撫平；
[0046] 第四步:將透明隔板插入砂±表面W下1 OOmm，此時，模型箱A、B隔間在透明隔板W 下部分是連通的；
[0047] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排 水口是打開的，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間的其余兩個排水口均關(guān)閉；
[0048] 第六步:打開水累，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定， 當模型箱A、B隔間打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0049] 第屯步:計算隔板兩側(cè)總水頭差，根據(jù)總水頭差的大小確定等勢線的條數(shù)n，其中 等勢線條數(shù)n為奇數(shù);并將總水頭差(n-1)等分，從而相鄰等勢線間的總水頭差值為隔板兩 側(cè)總水頭差的l/(n-l);
[0050] 第八步:繪制二維流網(wǎng)等勢線
[0051] 第8.1步:繪制模型箱B隔間的砂±二維流網(wǎng)(n-l)/2條等勢線，具體方法如下：
[0052] 第8.1.1步:在B隔間二維滲流場中，測量隔板兩側(cè)自由水面高度差，即板粧兩側(cè)總 水頭差，將所有可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于B隔間，所有可移動 水頭量測管均勻間隔；將最外側(cè)(也就是第一只）可移動水頭量測管底端接觸B隔間砂±表 面，記錄此時第一只可移動水頭量測管浮標頂面與模型箱底面之間的垂直高度，然后將第 一只可移動水頭量測管刺入砂上，此時管內(nèi)浮標開始下降，待浮標下降幅度達到隔板兩側(cè) 總水頭差高度的l/(n-l)倍時，固定第一只可移動水頭量測管位置保持不變；
[0053] 第8.1.2步:分別將其余所有可移動水頭量測管刺入B隔間砂±，當管內(nèi)浮標頂面 與模型箱底面之間垂直距離與第一只可移動水頭量測管浮標頂面與模型箱底面之間垂直 距離相同時，將其固定，同時記錄所有可移動水頭量測管刺入砂±深度，并將所有水可移動 頭量測管的尖端入±深度分別標記于模型箱前壁；
[0054] 第8.1.3步：用平滑曲線將模型箱前側(cè)外壁所確定的所有總水頭高度相等點連接， 并將所繪平滑曲線兩端延長，使其分別與隔板前壁邊界及模型箱前壁底面邊界垂直相交， 從而繪制出一條完整的等勢線；
[0055] 第8.1.4步:重復(fù)步驟8.1.1-8.1.3步驟，依次繪制出可移動水頭量測管內(nèi)浮標下 降幅度達到板粧兩側(cè)總水頭差2/(n-l)、3/(n-l)至(n-3)/2(n-l)倍時所對應(yīng)的共(n-5)/2 條等勢線，此外，B隔間砂±表面為一條等勢線，將其輪廓線繪制于有機玻璃模型箱前側(cè)外 壁，加上第8.1.3步所繪制的一條等勢線，至此，模型箱B隔間的二維流網(wǎng)的等勢線全部繪 出，共(n-l)/2條；
[0056] 第8.2步:繪制模型箱A隔間的砂±二維流網(wǎng)(n-1 )/2等勢線；
[0057] 將所有可移動水頭量測管插入A隔間，按照第8.1.1-8.1.4步驟操作，依次繪制出 模型箱A隔間砂±中可移動水頭量測管內(nèi)浮標下降幅度達到板粧兩側(cè)總水頭差(n+l)/2(n- l)、（n+3)/2(n-l)至(n-2)/(n-l)倍時所對應(yīng)的共(n-3)/2條等勢線;此外，模型箱A隔間砂 ±表面為一條等勢線，將其輪廓線繪制于有機玻璃模型箱前側(cè)外壁，至此，模型箱A隔間的 二維流網(wǎng)的等勢線全部繪出，共(n-l)/2條；
[0058] 第8.3步：繪制一條等勢線分別與隔板前壁下邊緣和模型箱前壁底邊垂直，加上 8.1步繪制B隔間的(n-l)/2條等勢線和8.2步繪制4隔間的(11-1)/2條等勢線，至此，二維流 網(wǎng)的n條等勢線全部繪出；
[0059] 第九步:等勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的平滑曲線，一條平滑曲 線即為二維流網(wǎng)的一條流線，運樣就繪制多條流線，相鄰流線應(yīng)間隔均勻，此外，透明隔板 插入±體部分、模型箱側(cè)壁與±體接觸部分邊及模型箱底邊均為流線，將上述流線也標記 于模型箱前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢；
[0060] 第十步：改變模型箱B隔間模型箱排水口位置，重復(fù)上述第五-九步驟可繪制不同 總水頭差條件下的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。
[0061] 利用本發(fā)明本裝置除具有繪制二維流網(wǎng)功能外，還可向?qū)W生演示流砂演變發(fā)展過 程，同時計算發(fā)生流砂時±體臨界水力梯度，使學(xué)生形象的理解和掌握流砂實質(zhì)。試驗方案 如下：
[0062] 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管W及水累，并檢查水頭量測 管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0063 ]第二步:打開微型水累，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為1 OOmm時，關(guān)閉水 累，檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性，此時關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口 W及A隔間 的兩只水頭量測管閥口；
[0064] 第=步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累始終向 模型箱內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂±高度為200mm時，停止 向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累，此后將砂±表面撫平；
[0065] 第四步：將透明隔板插入砂±表面W下100mm，此時，模型箱A、B隔間底部是連通 的；
[0066] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排 水口是打開的，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間的其余兩個排水口閥口均關(guān)閉；
[0067] 第六步:打開水累，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確?？偹^差的恒定， 當模型箱A、B隔間所有打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0068] 第屯步:將隔板緩慢上提，同時觀察隔板周圍部砂±變化，當隔板底部砂±顆粒開 始向A隔間翻涌時，此時流砂現(xiàn)象發(fā)生，停止上提隔板，記錄此時隔板插入砂±深度，從而可
W計算±體臨界水力梯度，臨界水力梯度可由下式計算 式中：
[0069] 1。,砂±臨界水力梯度；
[0070] A h為隔板兩偵敗±總水頭差，即A、B隔間水面高度差；
[0071] 1為隔板插入砂±深度；
[0072] t為隔板厚度。
[0073] 此外，利用本發(fā)明本裝置還可進行砂±及粗顆粒±的滲透系數(shù)測量試驗，試驗步 驟如下：
[0074] 第一步:將隔板插至模型箱底部密封卡槽中，此時A、B隔間完全隔離，同時關(guān)閉模 型箱A隔間S個排水口 W及A隔間的兩只水頭量測管閥口；
[0075] 第二步：打開微型水累，向模型箱A隔間內(nèi)注水，當模型箱A隔間內(nèi)水位高度為 IOOmm時，關(guān)閉水累，檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性；
[0076] 第=步:檢查無誤后，向模型箱A隔間內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累 始終向模型箱內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱A隔間內(nèi)砂±高度為 200mm時，停止向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累；
[0077] 第四步:打開模型箱A隔間上部排水口，保持中間排水口、下部排水口 W及A隔間的 兩只水頭量測管閥口繼續(xù)關(guān)閉；
[0078] 第五步:打開水累，向模型箱A隔間內(nèi)注水，要求注水速度恒定，確保A隔間上部排 水口有水均勻流出；
[0079] 第六步:打開模型箱A隔間的兩只水頭量測管閥口 W及底部排水口閥口，此時有水 從下部排水口均勻流出并收集流出的水，記錄相對應(yīng)時間，同時模型箱A隔間的兩只水頭量 測管內(nèi)水位產(chǎn)生高度差，待水頭量測管內(nèi)水位穩(wěn)定后，記錄兩只水頭量測管水位高度差，即 為砂±中總水頭損失；
[0080] 第屯步：測量收集到的模型箱A隔間下部排水口在相對應(yīng)時間內(nèi)排出的水量，至 此，±體滲透系數(shù)可由下式進行計算：
[0081]
[0082] 巧中：k刃做±滲透系數(shù)；
[0083] Q為量杯收集總排水量；
[0084] 1為2只水頭量測管之間豎向距離；
[0085] A為模型箱底板面積的0.5倍；
[0086] T為收集排水量所用時間。
[0087] 本發(fā)明的優(yōu)點是：
[008引1)采用簡便直觀的方法繪制砂±中二維滲流流網(wǎng)，使抽象的二維流網(wǎng)概念變得通 俗易懂，掲示±體中滲流理論的實質(zhì)W及展現(xiàn)±體中滲流場的分布形式。
[0089] 2)通過試驗方法展示流砂現(xiàn)象的形成過程，直觀掲示臨界水力梯度概念。同時，也 形象的展現(xiàn)了板粧在巖±工程及其他巖±工程實踐中所起的重要作用。
[0090] 3)通過改變不同總水頭差進行多次繪制流網(wǎng)試驗，掲示引起±體滲流的實質(zhì)一± 體中產(chǎn)生總水頭差。
[0091] 4)本發(fā)明能將復(fù)雜的工程問題，變成直觀的模型操作試驗，本試驗裝置制作簡便， 成本低廉，操作方便、利于觀察。此裝置利于實驗室推廣應(yīng)用，同時能滿足不同場合的教學(xué) 使用，產(chǎn)生較好的教學(xué)效果和經(jīng)濟效益。
[0092] 本發(fā)明應(yīng)用范圍為與人們生活息息相關(guān)的±木建筑領(lǐng)域，對本領(lǐng)域?qū)W習(xí)的高校學(xué) 生、科研工作者及技術(shù)人員而言，此裝置可作為一種直觀分析滲流問題及觀察滲流引起的 工程現(xiàn)象的工具。此外，通過對試驗現(xiàn)象及試驗結(jié)果的分析，可W將本裝置的用途加 W拓 展，從而更加全面的展現(xiàn)±體滲流理論，使抽象理論變得直觀。此裝置所具有突出特點和顯 著進步為上木教學(xué)試驗提供了一種全新的模型試驗設(shè)備，具備專利法第22條第3款規(guī)定的 創(chuàng)造性。
【附圖說明】
[0093] 圖1是本發(fā)明試驗裝置實施例的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中W隔板左側(cè)為B隔間、右側(cè)為A隔 間為例。
[0094] 圖2是圖I中可移動水頭量測管的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0095] 圖中：1-隔板，2-注水累，3-B隔間排水口，4-可移動水頭量測管，5-模型箱，6-砂 ±，7-透水板，8-密封卡槽，9-A隔間水頭量測管，IO-A隔間上部排水口，11-A隔間中部排水 口，12-A隔間下部排水口，13-等勢線，14-流線，15-透水口，16-濾網(wǎng)，17-浮標。
【具體實施方式】
[0096] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。
[0097] 如圖1-2所示，本發(fā)明的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置包括一個有 機玻璃模型箱5和可移動的注水累2,在模型箱5底部布置有3cm厚的透水板7,模型箱5中填 充有高度為200-250mm的飽和砂±6;飽和砂±6中屯、豎立有一塊高于模型箱5頂部的有機玻 璃隔板1用于模擬板粧，隔板1將模型箱5完全隔離為左右兩個相等的隔間，其中左隔間稱為 B隔間，右隔間稱為A隔間，在模型箱5右側(cè)壁的最底部、中部和上部分別設(shè)有=個排水口，分 別稱為A隔間下部排水口 12、A隔間中部排水口 11、A隔間上部排水口 10，在模型箱5右側(cè)壁上 還從外部插入有兩只帶閥口的水頭量測管9;在模型箱5左側(cè)壁上部設(shè)有豎向排列的=個B 隔間排水口 3，從圖1中可W看出:S個B隔間排水口 3高度高于A隔間中部排水口 11。
[0098] 本發(fā)明另外還包括四只可移動水頭量測管4,結(jié)構(gòu)見圖2,從圖2看出，可移動水頭 量測管4底部成錐形，在可移動水頭量測管4底部設(shè)有若干透水孔15,在內(nèi)部布置有一層濾 網(wǎng)16和浮標。
[0099] 上述隔板1插入模型箱將其完全隔離為左右兩個相等的隔間采取的結(jié)構(gòu)是:在模 型箱5前后側(cè)壁內(nèi)側(cè)中間位置沿高度方向、W及在模型箱5底板上中部位置沿寬度方向分別 設(shè)有密封卡槽8,密封卡槽8內(nèi)側(cè)設(shè)置0型密封圈，隔板1豎向插入密封卡槽可在密封卡槽內(nèi) 自由上下滑動，當隔板插入底板密封卡槽后，隔板A、B隔間完全隔離。
[0100] 實施例中各部件尺寸：
[0101 ]模型箱長度400-500mm，寬度 250-300mm，高度 350-400mm。
[0102] 隔板高度高于模型箱高100mm。
[0103] 本發(fā)明利用上述試驗裝置進行平面流網(wǎng)繪制試驗的方法有兩個。
[0104] 方案一；
[0105] 第一步:首先組裝試驗裝置，并檢查水頭量測管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0106] 第二步:關(guān)閉A隔間上部排水口 10及下部排水口 12W及A隔間水頭量測管9閥口，并 打開水累2，向模型箱5內(nèi)注水，當模型箱5內(nèi)水位高度為IOOmm時，關(guān)閉水累2，檢查模型箱5 底部及側(cè)壁的密水性；
[0107] 第=步:檢查無誤后，向模型箱5內(nèi)緩慢均勻播撒砂±6,播撒砂±過程中水累2始 終向模型箱5內(nèi)注水，W確保模型箱5內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱5內(nèi)砂±高度為200mm 時，停止向模型箱5內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累2，此后將砂±表面撫平；
[010引第四步:將透明隔板1插入飽和的砂±6表面W下IOOmm，此時，A、B隔間的透明隔板 IW下部分是連通的；
[0109] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性分別開啟模型箱B隔間的一個排水口 3W及A隔間中 部排水口 11，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間其余的兩個排水口3閥口均關(guān)閉；
[0110] 第六步:打開水累2，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定， 當模型箱A、B隔間的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0111] 第屯步:繪制二維流網(wǎng)等勢線，繪制時選擇模型箱5底面作為基準面；
[0112] 第7.1步:首先繪制模型箱B隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線，具體方法如下：
[0113] 第7.1.1步:將四只可移動水頭量測管4沿模型箱5前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于B隔 間，相鄰量測管均勻間隔；
[0114] 第7.1.2步:首先將第一只可移動水頭量測管4刺入B隔間的砂ilOOmm，待水頭量 測管內(nèi)浮標穩(wěn)定后，將此時浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離作為所繪等勢線的總水頭 高度，然后分別調(diào)整B隔間其余=只可移動水頭量測管4的刺入砂±深度，使得其余=只可 移動水頭量測管4的總水頭高度與第一只可移動水頭量測管的總水頭高度相同，記錄此時 水頭量測管入±深度，并將四只可移動水頭量測管4端點位置對應(yīng)標記于模型箱5前側(cè)外 壁，上述四個標記點即為總水頭相等的點，即位于滲流場流網(wǎng)中同一條等勢線上；
[0115] 第7.1.3步：用平滑曲線將模型箱5前側(cè)外壁所標記的所有總水頭相等點連接，該 平滑曲線即為一條等勢線的一部分，由于隔板1外邊緣及模型箱5底邊均為二維流網(wǎng)流線， 故等勢線應(yīng)與隔板1外邊緣及模型箱5底邊正交，將上述所繪平滑曲線兩端延長，使其分別 與隔板左側(cè)面及模型箱底面垂直相交，從而繪制出一條完整的等勢線；
[0116] 第7.1.4步:采用上述方法，通過改變所有可移動水頭量測管4刺入砂±的深度，另 外繪制3-4條等勢線，此外，B隔間砂±表面也為一條等勢線，將砂±表面輪廓線均標記于模 型箱前側(cè)外壁；
[0117] 至此，B隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[011引第7.涉:繪制模型箱A勵U的砂±二維流網(wǎng)等勢線；
[0119] 首先將四只可移動水頭量測管4沿模型箱5前壁內(nèi)側(cè)均勻間隔一字排開放置于A隔 間，然后按照第7.1.2-7.1.4步驟操作即可；
[0120] 至此，A隔間的砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[0121 ]第7.3步:在模型箱前壁沿著隔板前壁底邊向下繪制一條與模型箱底邊正交的豎 直線；
[0122] 至此，模型箱內(nèi)砂±二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢；
[0123] 第八步：當A、B隔間砂±二維流網(wǎng)勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的 平滑曲線，一條平滑曲線即為二維流網(wǎng)的一條流線，運樣就繪制多條流線。此外，隔板1插入 ±體部分、模型箱5側(cè)壁與±體接觸部分邊及模型箱5底邊均為流線，將上述流線也標記于 模型箱5前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢；
[0124] 第九步:改變B隔間排水口 3位置，重復(fù)上述第5-8步驟可繪制不同總水頭差條件下 的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。
[0125] 方案仁）
[0126] 第一步:首先組裝試驗裝置，并檢查水頭量測管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0127] 第二步:關(guān)閉A隔間上部排水口 10及下部排水口 12W及A隔間水頭量測管9閥口，并 打開水累2，向模型箱5內(nèi)注水，當模型箱5內(nèi)水位高度為IOOmm時，關(guān)閉水累2，檢查模型箱5 底部及側(cè)壁的密水性；
[0128] 第=步:檢查無誤后，向模型箱5內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累2始終 向模型箱5內(nèi)注水，W確保模型箱5內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱5內(nèi)砂±高度為200mm時， 停止向模型箱5內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累2，此后將砂±表面撫平；
[0129 ] 第四步:將透明隔板1插入飽和砂±6表面W下1 OOmm，此時，A、B隔間的透明隔板1 W下部分是連通的；
[0130] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性分別開啟模型箱B隔間的一個排水口 3W及A隔間中 部排水口 11，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間其余的兩個排水口3閥口均關(guān)閉；
[0131] 第六步:打開水累2,向模型箱B隔間內(nèi)注水。調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定， 當模型箱A、B隔間打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0132] 第屯步:計算有機玻璃隔板1兩側(cè)總水頭差，根據(jù)總水頭差的大小確定等勢線的條 數(shù)n，其中等勢線條數(shù)n為奇數(shù)，本實施例中n = 9，；并將總水頭差8等分，從而相鄰等勢線間 的總水頭差值為板粧兩側(cè)總水頭差的1/8。
[0133] 第八步:繪制二維流網(wǎng)等勢線
[0134] 第8.1步:繪制模型箱B隔間的砂±二維流網(wǎng)四條等勢線，具體方法如下：
[0135] 第8.1.1步:在B隔間二維滲流場中，測量隔板1兩側(cè)自由水面高度差，即板粧兩側(cè) 總水頭差，將四只可移動水頭量測管4放置于B隔間，可移動水頭量測管4沿模型箱5前側(cè)壁 內(nèi)側(cè)一字排開，四只可移動水頭量測管4均勻間隔;將最外側(cè)(也就是第一只）水頭量測管底 端接觸B隔間砂±表面，記錄此時第一只可移動水頭量測管4浮標頂面與模型箱底面之間的 垂直高度，然后將第一只可移動水頭量測管4刺入砂±，管里浮標開始下降，待浮標下降幅 度達到隔板兩側(cè)總水頭差高度的1/8倍時，固定第一只可移動水頭量測管4位置保持不變；
[0136] 第8.1.2步:分別將其余=只可移動水頭量測管4刺入砂±，當測管里浮標頂面與 模型箱底面之間垂直距離與第一只可移動水頭量測管4浮標頂面與模型箱5底面之間垂直 距離相同時，將其固定，同時記錄測管刺入砂±深度，并將所有可移動水頭量測管的尖端入 ±深度分別標記于模型箱前壁；
[0137] 第8.1.3步：用平滑曲線將模型箱5前側(cè)外壁所確定的所有總水頭高度相等點連 接，并將所繪平滑曲線兩端延長，使其分別與隔板前壁邊界及模型箱前壁底面邊界垂直相 交，，從而繪制出一條完整的等勢線；
[013引第8.1.4步:重復(fù)步驟8.1.1-8.1.3步驟，依次繪制出可移動水頭量測管4內(nèi)浮標下 降幅度達到隔板兩側(cè)總水頭差2/8及3/8倍時所對應(yīng)的共兩條等勢線。此外，B隔間砂±表面 為一條等勢線，將其輪廓線繪制于有機玻璃模型箱5前側(cè)外壁，加上第8.1.3步所繪制的一 條等勢線，至此，模型箱B隔間的二維流網(wǎng)的等勢線全部繪出，共四條；
[0139] 第8.2步:繪制模型箱A隔間的砂±二維流網(wǎng)四條等勢線；
[0140] 將所有可移動水頭量測管4插入A隔間，按照第8.1.1-8.1.4步驟操作，依次繪制出 模型箱A隔間砂±中水頭量測管內(nèi)浮標下降幅度達到板粧兩側(cè)總水頭差5/8、6/8和7/8倍時 所對應(yīng)的共=條等勢線。此外，模型箱A隔間砂±表面為一條等勢線，將其輪廓線繪制于模 型箱5前側(cè)外壁，至此，模型箱A隔間的二維流網(wǎng)的等勢線全部繪出，共四條；
[0141 ]第8.3步：繪制一條等勢線分別與板粧前壁下邊緣和模型箱前壁底邊垂直，加上 8.1步繪制B隔間的四條等勢線和8.2步繪制A隔間的四條等勢線，至此，二維流網(wǎng)的九條等 勢線全部繪出；
[0142]第九步:等勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的平滑曲線，一條平滑曲 線即為二維流網(wǎng)的一條流線，運樣就繪制多條流線，相鄰流線應(yīng)間隔均勻。此外，透明隔板1 插入±體部分、模型箱5側(cè)壁與±體接觸部分邊及模型箱5底邊均為流線，將上述流線也標 記于模型箱5前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢；
[0143] 第十步：改變模型箱B隔間模型箱排水口位置，重復(fù)上述第五-九步驟可繪制不同 總水頭差條件下的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。
[0144] 利用本發(fā)明本裝置除具有繪制二維流網(wǎng)功能外，還可向?qū)W生演示流砂現(xiàn)象演變發(fā) 展過程，同時計算發(fā)生流砂時±體臨界水力梯度，使學(xué)生形象的理解和掌握流砂現(xiàn)象實質(zhì)。 試驗方案如下：
[0145] 第一步:首先組裝試驗裝置，并檢查水頭量測管內(nèi)部浮標及濾網(wǎng)是否完好；
[0146] 第二步:打開微型水累2,向模型箱5內(nèi)注水，當模型箱5內(nèi)水位高度為IOOmm時，關(guān) 閉水累2,檢查模型箱5底部及側(cè)壁的密水性，此時關(guān)閉A隔間上部排水口 10及下部排水口 12 W及A隔間的兩只水頭量測管9閥口；
[0147] 第=步:檢查無誤后，向模型箱5內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累始終 向模型箱內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±6處于飽和狀態(tài)，當模型箱5內(nèi)砂±高度為200mm時， 停止向模型箱5內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累2，此后將砂±6表面撫平；
[014引第四步:將隔板1插入飽和砂±6表面W下100mm，此時，模型箱A、B隔間底部是連通 的；
[0149] 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性分別開啟模型箱B隔間的一個排水口 W及A隔間中部 排水口 11，W產(chǎn)生總水頭差;同時，將其余排水口閥口均關(guān)閉；
[0150] 第六步:打開水累2，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定， 當模型箱A、B隔間的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定；
[0151] 第屯步:將隔板1緩慢上提，同時觀察隔板1周圍部砂±變化，當隔板1底部砂±顆 粒開始向A隔間翻涌時，此時流砂現(xiàn)象發(fā)生，停止上提隔板1，記錄此時隔板插入砂±深度， 從而可W計算±體臨界水力梯度。臨界水力梯度可由下式計算
，式中：
[0152] 1。,砂±臨界水力梯度；
[0153] Ah為隔板兩側(cè)砂±總水頭差，即A、B隔間水面高度差；
[0154] 1為隔板插入砂±深度；
[0155] t為隔板厚度。
[0156] 此外，利用本發(fā)明本裝置還可進行砂±及粗顆?！赖臐B透系數(shù)測量試驗，試驗步 驟如下：
[0157] 第一步:將隔板1插至模型箱5底部密封卡槽8中，此時A、B隔間完全隔離，同時關(guān)閉 模型箱A隔間上部、中部及下部排水口 10、11、12W及A隔間兩只水頭量測管9閥口；
[0158] 第二步：打開微型水累2,向模型箱A隔間內(nèi)注水，當模型箱A隔間內(nèi)水位高度為 IOOmm時，關(guān)閉水累，檢查模型箱5底部及側(cè)壁的密水性；
[0159] 第=步:檢查無誤后，向模型箱A隔間內(nèi)緩慢均勻播撒砂±，播撒砂±過程中水累2 始終向模型箱A隔間內(nèi)注水，W確保模型箱內(nèi)砂±處于飽和狀態(tài)，當模型箱A隔間內(nèi)砂±高 度為200mm時，停止向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水累2;
[0160] 第四步:打開模型箱A隔間上部排水口 10,保持中間排水口 11W及下部排水口 12W 及A隔間兩只水頭量測管9閥口關(guān)閉；
[0161] 第五步:打開水累2,繼續(xù)向模型箱A隔間內(nèi)注水，要求注水速度恒定，確保A隔間上 部排水口 10有水均勻流出；
[0162] 第六步:打開模型箱A隔間兩只水頭兩側(cè)管9閥口 W及底部排水口 12閥口，此時有 水從底部排水口 12均勻流出并收集流出的水，記錄相對應(yīng)時間，同時模型箱A隔間的兩只水 頭量測管9內(nèi)水位產(chǎn)生高度差，待水頭量測管9內(nèi)水位穩(wěn)定后，記錄兩只水頭量測管9水位高 度差，即為砂±中總水頭損失；
[0163] 第屯步：測量收集到的模型箱A隔間下部排水口在相對應(yīng)時間內(nèi)排出的水量，至 此，±體滲透系數(shù)可由下式進行計算：
[0164]
[0165] 式中：k為砂±滲透系數(shù)；
[0166] Q為量杯收集總排水量；
[0167] 1為2只水頭量測管之間豎向距離；
[016引 A為模型箱底板面積的0.5倍；
[0169] T為收集排水量所用時間。
【主權(quán)項】
1. 一種平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，它包括一個透明模 型箱和一臺注水栗，模型箱中填充有飽和砂土，填充高度為200-250mm;模型箱砂土中心豎 立有一塊高于模型箱頂部的透明隔板用于模擬板粧，透明隔板將模型箱分隔為左右兩個相 等的隔間，其中一個隔間稱為A隔間，另一個稱為B隔間，要求透明隔板一方面能與模型箱前 后壁和底部緊密接觸，從而保證當隔板插入模型箱底板時將A、B隔間完全隔離，另一方面又 能沿著模型箱前后壁上下抽動;在A隔間的模型箱側(cè)壁的最底部、中部和上部分別設(shè)有三個 排水口，在A隔間的側(cè)壁上還從外部插入有兩只用于測量砂土滲透系數(shù)的帶閥門的透明水 頭量測管;在B隔間的模型箱側(cè)壁上部設(shè)有豎向排列的三個排水口，三個排水口高度必須高 于A隔間中部的排水口；另外還包括多只可移動的透明水頭量測管，用于測量測砂土中不同 點的總水頭高度，多只水頭量測管內(nèi)部設(shè)置有浮標。2. 如權(quán)利要求1所述的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，所述 透明模型箱、透明隔板以及透明水頭量測管選用有機玻璃材料。3. 如權(quán)利要求1所述的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，所述 的透明模型箱長度為400_500mm，寬度為250-300mm，高度為350-400mm;所述的砂土粒徑為 0.1~0.25mm;所述透明隔板高度高于模型箱高100mm。4. 如權(quán)利要求1所述的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，所述 透明隔板與模型箱前后壁和底部緊密接觸結(jié)構(gòu)是：在模型箱前后側(cè)壁中間位置沿高度方 向、以及在模型箱底板上中部位置沿寬度方向分別設(shè)有密封卡槽，密封卡槽內(nèi)側(cè)設(shè)置有〇型 密封圈。5. 如權(quán)利要求1所述的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，在模 型箱底部布置有厚度為3cm的透水版。6. 如權(quán)利要求1所述的平面流網(wǎng)繪制及滲流原理演示教學(xué)試驗裝置，其特征在于，所述 的水頭量測管底部設(shè)有若干透水孔;在水頭量測管底部布置一層濾網(wǎng)。7. -種利用權(quán)利要求1-6任一所述的試驗裝置進行平面流網(wǎng)繪制試驗的方法，其特征 在于， 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管以及水栗，并檢查水頭量測管內(nèi) 部浮標及濾網(wǎng)是否完好； 第二步：關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口以及A隔間的兩只水頭量測管閥門，并打 開微型水栗，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為100mm時，關(guān)閉水栗，檢查模型箱底部 及側(cè)壁的密水性； 第三步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂土，播撒砂土過程中水栗始終向模型 箱內(nèi)注水，以確保模型箱內(nèi)砂土處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂土高度為200mm時，停止向模 型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水栗，此后將砂土表面撫平； 第四步:將透明隔板插入砂土表面以下100mm，此時，模型箱A、B隔間透明隔板以下部分 是連通的； 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排水口 是打開的，以產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間其余兩個排水口閥門均關(guān)閉； 第六步:打開水栗，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確保總水頭差的恒定，當模 型箱A、B隔間打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定； 第七步:繪制二維流網(wǎng)等勢線，繪制時選擇模型箱底面作為基準面，水頭量測管內(nèi)浮標 頂面至模型箱底面垂直距離作為測點總水頭高度； 第7.1步:首先繪制模型箱B隔間的砂土二維流網(wǎng)等勢線，具體方法如下： 第7.1.1步:將多只可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于B隔間，相 鄰量測管均勾間隔； 第7.1.2步:首先將第一只可移動水頭量測管刺入B隔間的砂土 100mm，待第一只可移動 水頭量測管內(nèi)浮標穩(wěn)定后，將此時浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離作為所繪等勢線的 總水頭高度，然后分別調(diào)整B隔間其余所有可移動水頭量測管的刺入砂土深度，使得其余所 有可移動水頭量測管的浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離與第一只可移動水頭量測管 浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離相同，記錄此時所有可移動水頭量測管入土深度，并 將所有可移動水頭量測管端點位置對應(yīng)標記于模型箱前側(cè)外壁，上述所有標記點即為總水 頭相等的點，即位于滲流場流網(wǎng)中同一條等勢線上； 第7.1.3步：用平滑曲線將模型箱前側(cè)外壁所標記的所有總水頭相等點連接，該平滑曲 線即為一條等勢線的一部分，由于隔板外邊緣及模型箱底邊均為二維流網(wǎng)流線，故等勢線 應(yīng)與板粧外邊緣及模型箱底邊正交，將上述所繪平滑曲線兩端延長，使其分別與隔板左側(cè) 面及模型箱底面垂直相交，從而繪制出一條完整的等勢線； 第7.1.4步:采用上述方法，通過改變所有可移動水頭量測管刺入砂土的深度，另外繪 制3-4條等勢線，此外，B隔間砂土表面也為一條等勢線，將砂土表面輪廓線均標記于模型箱 前側(cè)外壁； 至此，B隔間的砂土二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢； 第7.2步:繪制模型箱A隔間的砂土二維流網(wǎng)等勢線； 首先將多只可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于A隔間，相鄰量測 管均勻間隔;然后按照第7.1.2-7.1.4步驟操作即可； 至此，A隔間的砂土二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢； 第7.3步:在模型箱前側(cè)外壁繪制一條同時與隔板前壁底邊及模型箱底邊正交的豎直 線，該條直線也是一條等勢線； 至此，模型箱內(nèi)砂土二維流網(wǎng)等勢線繪制完畢； 第八步：當A、B隔間砂土二維流網(wǎng)勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的平滑 曲線，一條平滑曲線即為二維流網(wǎng)的一條流線，這樣就繪制多條流線，此外，透明隔板插入 土體部分、模型箱側(cè)壁與土體接觸部分邊及模型箱底邊均為流線，將上述流線也標記于模 型箱前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢； 第九步：改變模型箱B隔間模型箱排水口位置，重復(fù)上述第5-8步驟可繪制不同總水頭 差條件下的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。8.-種利用權(quán)利要求1-6任一所述的試驗裝置進行平面流網(wǎng)繪制試驗的方法，其特征 在于， 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管以及水栗，并檢查水頭量測管內(nèi) 部浮標及濾網(wǎng)是否完好； 第二步：關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口以及A隔間側(cè)壁從外部插入的兩只水頭量 測管閥門，并打開微型水栗，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為100mm時，關(guān)閉水栗， 檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性； 第三步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂土，播撒砂土過程中水栗始終向模型 箱內(nèi)注水，以確保模型箱內(nèi)砂土處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂土高度為200mm時，停止向模 型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水栗，此后將砂土表面撫平； 第四步:將透明隔板插入砂土表面以下100mm，此時，模型箱A、B隔間在透明隔板以下部 分是連通的； 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排水口 是打開的，以產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間的其余兩個排水口均關(guān)閉； 第六步:打開水栗，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確?？偹^差的恒定，當模 型箱A、B隔間打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定； 第七步:計算隔板兩側(cè)總水頭差，根據(jù)總水頭差的大小確定等勢線的條數(shù)n，其中等勢 線條數(shù)η為奇數(shù);并將總水頭差(n-1)等分，從而相鄰等勢線間的總水頭差值為隔板兩側(cè)總 水頭差的l/(n-l); 第八步:繪制二維流網(wǎng)等勢線 第8.1步:繪制模型箱B隔間的砂土二維流網(wǎng)(n-1 )/2條等勢線，具體方法如下： 第8.1.1步:在B隔間二維滲流場中，測量隔板兩側(cè)自由水面高度差，即板粧兩側(cè)總水頭 差，將所有可移動水頭量測管沿模型箱前側(cè)壁內(nèi)側(cè)一字排開放置于B隔間，所有可移動水頭 量測管均勻間隔；將第一只可移動水頭量測管底端接觸B隔間砂土表面，記錄此時第一只可 移動水頭量測管浮標頂面與模型箱底面之間的垂直高度，然后將第一只可移動水頭量測管 刺入砂土，此時管內(nèi)浮標開始下降，待浮標下降幅度達到隔板兩側(cè)總水頭差高度的l/(n-l) 倍時，固定第一只可移動水頭量測管位置保持不變； 第8.1.2步:分別將其余所有可移動水頭量測管刺入B隔間砂土，當管內(nèi)浮標頂面與模 型箱底面之間垂直距離與第一只可移動水頭量測管浮標頂面與模型箱底面之間垂直距離 相同時，將其固定，同時記錄所有可移動水頭量測管刺入砂土深度，并將所有水可移動頭量 測管的尖端入土深度分別標記于模型箱前壁； 第8.1.3步：用平滑曲線將模型箱前側(cè)外壁所確定的所有總水頭高度相等點連接，并將 所繪平滑曲線兩端延長，使其分別與隔板前壁邊界及模型箱前壁底面邊界垂直相交，從而 繪制出一條完整的等勢線； 第8.1.4步:重復(fù)步驟8.1.1-8.1.3步驟，依次繪制出可移動水頭量測管內(nèi)浮標下降幅 度達到板粧兩側(cè)總水頭差2/(n-l)、3/(n-l)至(n-3)/2(n-l)倍時所對應(yīng)的共(n-5)/2條等 勢線，此外，B隔間砂土表面為一條等勢線，將其輪廓線繪制于有機玻璃模型箱前側(cè)外壁，加 上第8.1.3步所繪制的一條等勢線，至此，模型箱B隔間的二維流網(wǎng)的等勢線全部繪出，共 (n_l)/2 條； 第8.2步:繪制模型箱A隔間的砂土二維流網(wǎng)(n-1 )/2等勢線； 將所有可移動水頭量測管插入A隔間，按照第8.1.1-8.1.4步驟操作，依次繪制出模型 箱A隔間砂土中可移動水頭量測管內(nèi)浮標下降幅度達到板粧兩側(cè)總水頭差(n+l)/2(n-l)、 (n+3)/2(n-l)至(n-2)/(n-l)倍時所對應(yīng)的共(n-3)/2條等勢線;此外，模型箱A隔間砂土表 面為一條等勢線，將其輪廓線繪制于有機玻璃模型箱前側(cè)外壁，至此，模型箱A隔間的二維 流網(wǎng)的等勢線全部繪出，共(n-l)/2條； 第8.3步：繪制一條等勢線分別與隔板前壁下邊緣和模型箱前壁底邊垂直，加上8.1步 繪制B隔間的(n-l)/2條等勢線和8.2步繪制4隔間的(11-1)/2條等勢線，至此，二維流網(wǎng)的11 條等勢線全部繪出； 第九步:等勢線繪制完畢后，繪制多條與各條等勢線正交的平滑曲線，一條平滑曲線即 為二維流網(wǎng)的一條流線，這樣就繪制多條流線，相鄰流線應(yīng)間隔均勻，此外，透明隔板插入 土體部分、模型箱側(cè)壁與土體接觸部分邊及模型箱底邊均為流線，將上述流線也標記于模 型箱前側(cè)外壁，至此，一個完整的二維滲流流網(wǎng)繪制完畢； 第十步：改變模型箱B隔間模型箱排水口位置，重復(fù)上述第五-九步驟可繪制不同總水 頭差條件下的二維滲流流網(wǎng)，從而對比不同總水頭差下滲流流網(wǎng)的異同。9. 一種利用權(quán)利要求1-6任一所述的試驗裝置進行流砂試驗的方法，其特征在于， 第一步:首先備齊透明模型箱、透明隔板、水頭量測管以及水栗，并檢查水頭量測管內(nèi) 部浮標及濾網(wǎng)是否完好； 第二步:打開微型水栗，向模型箱內(nèi)注水，當模型箱內(nèi)水位高度為100mm時，關(guān)閉水栗， 檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性，此時關(guān)閉模型箱A隔間上部及下部排水口以及A隔間的兩 只水頭量測管閥門； 第三步:檢查無誤后，向模型箱內(nèi)緩慢均勻播撒砂土，播撒砂土過程中水栗始終向模型 箱內(nèi)注水，以確保模型箱內(nèi)砂土處于飽和狀態(tài)，當模型箱內(nèi)砂土高度為200mm時，停止向模 型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水栗，此后將砂土表面撫平； 第四步:將透明隔板插入砂土表面以下100mm，此時，模型箱A、B隔間底部是連通的； 第五步:根據(jù)試驗要求選擇性開啟模型箱B隔間的一個排水口，此時A隔間中部排水口 是打開的，以產(chǎn)生總水頭差;同時，將B隔間的其余兩個排水口閥門均關(guān)閉； 第六步:打開水栗，向模型箱B隔間內(nèi)注水，調(diào)整注水速度，確?？偹^差的恒定，當模 型箱A、B隔間所有打開的排水口均有水均勻流出時，保持此時注水速度恒定； 第七步:將隔板緩慢上提，同時觀察隔板周圍部砂土變化，當隔板底部砂土顆粒開始向 A隔間翻涌時，此時流砂現(xiàn)象發(fā)生，停止上提隔板，記錄此時隔板插入砂土深度，從而可以計 算土體臨界水力梯度，臨界水力梯度可由下式計算：式中： icr砂土臨界水力梯度； A h為隔板兩側(cè)砂土總水頭差，即A、B隔間水面高度差； 1為隔板插入砂土深度； t為隔板厚度。10. -種利用權(quán)利要求1-6任一所述的試驗裝置進行滲透系數(shù)測量試驗的方法，其特征 在于， 第一步:將隔板插至模型箱底部密封卡槽中，此時A、B隔間完全隔離，同時關(guān)閉模型箱A 隔間三個排水口以及A隔間的兩只水頭量測管閥門； 第二步:打開微型水栗，向模型箱A隔間內(nèi)注水，當模型箱A隔間內(nèi)水位高度為100mm時， 關(guān)閉水栗，檢查模型箱底部及側(cè)壁的密水性； 第三步:檢查無誤后，向模型箱A隔間內(nèi)緩慢均勻播撒砂土，播撒砂土過程中水栗始終 向模型箱內(nèi)注水，以確保模型箱內(nèi)砂土處于飽和狀態(tài)，當模型箱A隔間內(nèi)砂土高度為200mm 時，停止向模型箱內(nèi)撒砂，同時關(guān)閉水栗； 第四步:打開模型箱A隔間上部排水口，保持中間排水口、下部排水口以及A隔間的兩只 水頭量測管閥門繼續(xù)關(guān)閉； 第五步:打開水栗，向模型箱A隔間內(nèi)注水，要求注水速度恒定，確保A隔間上部排水口 有水均勻流出； 第六步:打開模型箱A隔間的兩只水頭量測管閥門以及底部排水口閥門，此時有水從下 部排水口均勻流出并收集流出的水，記錄相對應(yīng)時間，同時模型箱A隔間的兩只水頭量測管 內(nèi)水位產(chǎn)生高度差，待水頭量測管內(nèi)水位穩(wěn)定后，記錄兩只水頭量測管水位高度差，即為砂 土中總水頭損失； 第七步：測量收集到的模型箱A隔間下部排水口在相對應(yīng)時間內(nèi)排出的水量，至此，土 體滲透系數(shù)由下式進行計算：式中:k為砂土滲透系數(shù)； Q為量杯收集總排水量； 1為2只水頭量測管之間豎向距離； A為模型箱底板面積的0.5倍； T為收集排水量所用時間。
【文檔編號】G09B25/02GK105957441SQ201610562485
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年7月15日
【發(fā)明人】張雨坤, 李大勇, 陳福全
【申請人】山東科技大學(xué)