地下水渗流模型实验系统设计

地下水渗流模型实验系统设计【摘要】为了观察水在上中的渗透过程，模拟工程降水、边坡工程施工过程中出现的地下水渗透破坏，设计了一套能进行多种渗透情况的演示和模拟实验地下水渗流模型实验系统。介绍了地下水渗流模型实验系统的组成结构，以及它所能进行的模型试验。可为工程降水及边坡工程稳泄等研究提供实验室数拯和基础参数.【关键词】渗透：模型试验：传感器1前言目前.随着城市建设进程的加快，城区内的建筑髙度越来越大，基坑也越来越深，在开挖较深、地表有沉降有严格要求的基坑时，通常会采取坑内降水.坑外I匕水的措施，这样在坑内外就形成了一个水头差，当水头差达到一泄程度且止水结构失效时，就会发生土体的渗透破坏。造成基坑失稳、堤坝塌方等工程事故[1-5]c不仅影响施工进度，更有甚者会造成人员伤亡。如何评价基坑及边坡发生渗透破坏的稳左性问题成为重要的课题。在基坑工程中，由于常采用帷幕来降低发生渗透破坏的可能性，井点降水过程中坑底水位不断下降，以及水源补给条件的多样性，都会造成基坑工程中渗流场的分布有很大的不确左性、复杂性。本文提出的地下水渗流模型实验系统能对基坑上体任降水、回灌，以及不同工况下的边坡工程进行渗流模拟，通过压力传感器测得孔隙水压力，il•算压力水头，分析其渗流场，评价其稳泄性。为基坑工程降水及边坡工程的渗透稳立等研究提供实验室数据和基础参数。2地下水渗流模型实验系统组成整个设备由主要渗流装置、供水系统、排水系统、降雨模拟系统、计算机监控系统共五大系统及角钢支座组成。主要渗流装置是完成各种模型试验的主要设备，由有机玻璃水槽做成，厚1.5cm,玻璃水槽尺寸为LxBxH=2.6mxl.4mxl.2m,长边方向两端而布置直径2cm的小孔，作为渗流时补给水源及排水用：隔板用来区分不冋的功能区：槽首供水区，尺寸LxBxH=0.3mxl.4mxl.2m：槽中渗流区，尺寸LxBxH=2.0mxl.4mxl.2m:槽尾排水区，尺寸LxBxH=0.3mxl.4mxl.2mo供水区与渗流区之间，以及渗流区与排水区之间加透水活动传力柱顶托，以防装样后渗流区两端变形：传力柱布局及结构见图lo传力柱在实验后可以拆卸Q传力柱外侧直径8cm,壁厚5mm,长29.9cm：侧壁开口宽度为lcrm材质为有机玻璃。监测井包括抽水井和回灌井，监测井可以根据实验目的自由设汁其结构和安放位置，采用PVC管制成：内径2cm,夕卜径2.5cm,管壁厚2.5mm,井长度120cm,网眼密度:3眼/cm2＞网眼直径：3mm,在使用时需用纱网将监测井包裹防止砂粒进入监测井，以防止发生堵塞。供水系统是补给上体进行渗透试验用水的设备，英通过可以调节高度的支架及设置在储水箱的排水孔来保证进行渗透试验所需的水源。供水箱可在带螺纹的升降杆作用下上下移动,用以调右渗流槽内的压力水头，供水箱下方有与渗流槽相连的软管，中间用阀门控制供水量大小。图2主要渗流装巻图排水系统是各•种地下水相关试验过程中进行排水的装置，包括排水管，阀门等。降雨模拟系统是用来模拟工程场地受降水影响时的淋雨装宜，由喷淋器、供水管路、供水泵组成•淋喷器用硬塑料管做成，均布着直径为3mm的小孔，通过供水泵和阀门来调节降水量的大小。讣算机监控系统是本实验装宜的数据采集系统，其通过设置在不同位宜处的传感器和百分表.来测量上体在渗流作用下的侧向压应力的变化、孔隙水压力的变化以及丄体表而的沉降。角钢支座能防止因水上压力导致玻璃水槽发生变形，起固左的作用。从槽底部向上，分别在髙度为30cm、60cm、90cm处，加水平角钢围栏固左槽体周边四个侧壁。槽体底部的托底角钢从渗流区一端开始布设，相邻两个角钢横梁相距40cm。角钢厚度为5mm,宽度5cm。角钢强度须要能够承载槽中的荷载，确保渗流装置不发生明显变形而影响实验精度。3渗流模型实验系统功能设计本地下水渗流模型实验系统可通过不同设计完成如下实验功能：3.1模拟降水及回灌引起的丄体沉降本渗流模型实验系统能够模拟工程场地受施工降水及自然降水影响地基土体的沉降，模拟工程场地上体由于回灌作用产生的变形回弹及上体应力的变化。并能进行水上压力的测量、地基上体沉降的量测。根据工程场地的勘察报告，在渗流区设置模拟实际情况的上层，通过供水系统设置一立髙度的地下水位，在渗流槽特左位置设宜抽水井，用抽水泵进行抽水：在丄体表而放置百分表，百分表固左在渗流槽壁上，可以测量表而上体在施工降水作用下丄体表而的沉降。在土体内部埋设水压力和上压力传感器，用来测虽:土体在施工降水影响作用下上压力及水压力的变化。通过架设喷淋器可以模拟基坑工程丄体受自然降水的影响，观测地表沉降及水.土压力的变化情况。3.2计算丄体的渗透系数在渗流区设苣模拟实际情况的上层，在上体两端设置稳泄的供水和排水装垃，利用传感器测左不同位置的孔隙水压力，通过测量一泄时间内上体中渗流出水量的多少，可计算丄体的渗透系数。进行水平向的渗透演示实验时，在渗流区中放入丄样，然后通过侧壁上的孔向主要渗流区中注水，可以观察渗透的全过程。通过水压力传感器可读出不同位置的丄样的孔隙水压力。进行常水头实验，待渗流稳泄后保持供水支架上水筒的水位保持不变。通过计算单位时间内排水区水的渗透量可得出土的渗透系数。对于常水头实验，由达西肚律［6］：式中：i为水力梯度，表示单位渗流长度上的水头损失；A为上样的横截而积：Q为水在时间t内的渗透量；3.3流网绘制及边坡渗透失稳模型实验本实验系统能够模拟降雨入渗过程中丄质边坡失稳情况及水、土压力的变化情况。根据实际工程中边坡倾角，通过控制边坡隔板的角度，设置不同坡角的边坡模型。同时布垃水、丄压力传感器.待装好上样后，可以利用供水系统在主要渗流装置一端提供稳左水头，观察丄中水的渗流情况，通过水压力传感器可记录不同位置处的孔隙水压力，进而可作出丄中渗流水的等势线，做岀二维的渗流流网。在供水系统一端逐渐增大水头，可观察边坡土体发生渗透破坏的情况，读取丄体发生渗透破坏时水.上压力传感器的数据，分析上体发生渗透破坏时上压力与孔隙水压力的变化情况。通过设宜不同坡角的边坡模型，做岀不同边坡模型发生渗透破坏时的倾角与压力水头大小的关系，可为实际工程提供实验室数据。4结论此地下水模型实验系统的研制，主要用于模型试验。通过对实际工程项目的地基上体进行模型试验，模拟其受施工降水、自然降水、回灌等作用下上体的变形和应力变化情况，模拟工程边坡模型受地下水渗透力作用下失稳过程中水、上压力的变化。可为实际工程的施工提供实验室数据，为施工方案的优化调整提供室内模型数据支持。可进行上体渗透破坏的演示实验，为上体渗透破坏提供更直观的设备，并能计算土体的渗透系数。参考文献：许年金，糜崇蓉.上海某研究所高层建筑基坑边坡事故分析[C].第二届全国岩丄工程实录交流会•岩土工程实录集•北京：中国工程勘察协会，1990陈希哲.地基事故与预防-国内处建筑工程实例[M].北京：淸华大学出版社，1994刘广胜.渗流对深基坑工程影响的研究[博七学位论文D].南京：河海