本實(shí)用新型專利技術(shù)公開(kāi)了一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，包括水頭控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、試驗(yàn)單元系統(tǒng)，測(cè)量系統(tǒng)包括樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)、記錄儀、攝像機(jī)、溫濕計(jì)；試驗(yàn)單元系統(tǒng)主要包括圓筒和圓筒上蓋、圓筒下蓋、螺桿、上進(jìn)水管、下進(jìn)水管、上進(jìn)水管水閥、下進(jìn)水管水閥、排氣孔、圓環(huán)、水壓傳感器、引水鋼管等；水頭控制系統(tǒng)包括供水桶、水位控制箱和水泵。本試驗(yàn)系統(tǒng)可以對(duì)不同水頭下塌陷土層中的水力特性進(jìn)行多方位測(cè)定，模擬不同巖溶開(kāi)口條件下的塌陷過(guò)程，數(shù)碼攝像、水壓傳感器與溫濕計(jì)結(jié)合樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)可詳細(xì)記錄試驗(yàn)過(guò)程與試驗(yàn)數(shù)據(jù)，自動(dòng)化程度高、操作簡(jiǎn)便。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本技術(shù)涉及一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，即一種可以模擬不同巖溶開(kāi)口大小的巖溶塌陷過(guò)程，采集、記錄、保存土體中多方位的水力特性、試驗(yàn)圖像、環(huán)境溫度、濕度的試驗(yàn)系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
水力誘導(dǎo)作為誘發(fā)巖溶塌陷發(fā)生的最重要因素之一，是研究如何預(yù)防、處理巖溶塌陷發(fā)生的重要參數(shù)。由于室外巖溶塌陷的模擬往往由于經(jīng)費(fèi)和規(guī)模的限制不能進(jìn)行觀測(cè)試驗(yàn)，室內(nèi)模擬試驗(yàn)成為研究巖溶塌陷過(guò)程中水力特性的關(guān)鍵方法，因此需要不斷改進(jìn)和更新現(xiàn)有室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)量技術(shù)手段和觀測(cè)方法以提高水力特性測(cè)量的精確度。目前，巖溶塌陷特性試驗(yàn)主要是在室內(nèi)進(jìn)行，其實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)主要是監(jiān)測(cè)土體內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的變化，從而忽視掉了整體模型中水的重要作用，如很少對(duì)巖溶塌陷過(guò)程中的水力特性進(jìn)行研究，特別是抽水初期由于水位降低造成的局部水力坡降變大，以及土洞發(fā)展過(guò)程中邊界上剝落導(dǎo)致的水力變化，通過(guò)水壓的變化反映出土洞擴(kuò)展的過(guò)程等。為了研究水力誘導(dǎo)會(huì)對(duì)巖溶塌陷的發(fā)展、形成造成的影響，設(shè)計(jì)了這套巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，從而獲得如何通過(guò)改善水力條件從而預(yù)防巖溶塌陷的發(fā)生。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
技術(shù)目的：為更清楚的理解水力誘導(dǎo)巖溶塌陷過(guò)程中水力特性，本專利技術(shù)提供一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，能夠改變巖溶開(kāi)口的大小、巖溶水位大小，從水壓傳感器測(cè)量值反演出各個(gè)參數(shù)不同對(duì)巖溶塌陷的影響。技術(shù)方案：為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本技術(shù)提出一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，包括測(cè)量系統(tǒng)、水頭控制系統(tǒng)和試驗(yàn)單元系統(tǒng)，其中：所述試驗(yàn)單元系統(tǒng)包括圓筒和分別插設(shè)于所述圓筒側(cè)壁的若干組水壓檢測(cè)單元，所述圓筒上方和下方分別設(shè)置有圓筒上蓋和圓筒下蓋，在圓筒側(cè)壁壁上開(kāi)設(shè)有若干排測(cè)壓孔；每組水壓檢測(cè)單元包括依次連接的水壓傳感器、透明軟管和引水鋼管，每組水壓檢測(cè)單元通過(guò)引水鋼管的一端從測(cè)壓孔插入圓筒中；在圓筒上蓋開(kāi)有帶閥門(mén)的排氣孔，所述排氣孔的導(dǎo)管一端伸入模型筒內(nèi)部，另一端伸出蓋頂暴露于大氣中，以排除圓筒中的空氣；排氣孔旁開(kāi)有上進(jìn)水管，并在上進(jìn)水 管上設(shè)置上閥門(mén)；在圓筒下蓋開(kāi)有下進(jìn)水管，下進(jìn)水管上配置下閥門(mén)；圓筒下蓋設(shè)置有圓形凹槽，所述圓形凹槽內(nèi)可放置不同內(nèi)徑的圓環(huán)，用于模擬巖溶開(kāi)口大小，并配備了相應(yīng)直徑的出水口塞；所述測(cè)量系統(tǒng)包括記錄儀、樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)、攝像機(jī)和溫濕計(jì)，所述記錄儀一端與水壓傳感器相連，另一端連接樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所述攝像頭和溫濕計(jì)分別與所述樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)水壓、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、照片或視頻的同步記錄、傳輸、存儲(chǔ)到樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所水頭控制系統(tǒng)包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶內(nèi)設(shè)置有水泵，所述水泵通過(guò)水管連接水位控制箱供水；所述上進(jìn)水管和下進(jìn)水管分別與所述水位控制箱相通；所述水位控制箱內(nèi)設(shè)有溢流板，所述溢流板右側(cè)開(kāi)孔通過(guò)水管與供水桶相連通，使溢出的水流在重力作用下順著水管流入供水桶中，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用所述圓筒上蓋和圓筒下蓋分別設(shè)置有卡槽，所述圓筒上蓋和圓筒下蓋分別通過(guò)卡槽與圓筒相連，卡槽內(nèi)套一圈止水橡膠，達(dá)到防滲的目的。水位控制箱可同時(shí)從圓筒底部與頂部供水，并提供試驗(yàn)所需的不同水頭，簡(jiǎn)化了水位控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所述圓筒下蓋的四周均勻設(shè)置有四個(gè)下進(jìn)水管，水位控制箱中的水在水頭壓差作用下通過(guò)下進(jìn)水管均勻進(jìn)入圓筒，當(dāng)土體被完全浸潤(rùn)，關(guān)閉下進(jìn)水管水閥，打開(kāi)上進(jìn)水管水閥和排氣孔，水位控制箱內(nèi)水壓將水通過(guò)所述上進(jìn)水管注入圓筒內(nèi)，以提高上水效率，當(dāng)水充滿圓筒時(shí)，關(guān)閉排氣孔，從而使整個(gè)圓筒處于有壓狀態(tài)。所述水壓檢測(cè)單共計(jì)24個(gè)，分6層布置，最底層距下筒蓋3cm，層與層之間間隔設(shè)置為5cm，所述最底層的引水銅管按距離模型筒中心0cm、3cm、6cm、9cm依次布置，余下每層引水鋼管按照最底層布置順序依次順時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度進(jìn)行布置，從而可測(cè)量土體中各方位的水壓并減小引水鋼管對(duì)土體的擾動(dòng)作用。所述引水鋼管外徑為8mm，內(nèi)徑為6mm，用直徑為6mm的鐵芯塞實(shí)引水鋼管，所述引水鋼管通過(guò)測(cè)壓孔伸入圓筒內(nèi)部，當(dāng)土層壓實(shí)完成后，抽出鐵芯，待土體飽和后，再通過(guò)透明軟管將引水鋼管與水壓傳感器連接，可避免土顆粒將引水鋼管堵塞而影響水壓傳感器測(cè)量準(zhǔn)確度。所述的圓筒下蓋開(kāi)有1cm深，半徑為5cm的圓形凹槽，距圓形凹槽中心14.5cm處各開(kāi)半徑0.5cm、深度2cm的四個(gè)進(jìn)水口，呈對(duì)稱分布；所述圓形凹 槽可以嵌入不同口徑的圓環(huán)，所述圓環(huán)外半徑為5cm，內(nèi)半徑有0.5～2.0cm尺寸供選擇，以此來(lái)模擬不同的巖溶開(kāi)口。當(dāng)本技術(shù)用于定水頭有壓試驗(yàn)時(shí)，包括如下步驟：(1)將圓筒嵌入圓筒下蓋的卡槽，并在邊緣外部裹上止水橡皮以此止水。選定一定口徑的圓環(huán)嵌入圓筒底蓋中圓形凹槽，并用螺絲固定，出水口用相應(yīng)尺寸木塞堵實(shí)；(2)按一定級(jí)配選擇適合土樣，逐層加土壓實(shí)。當(dāng)土層厚度到達(dá)5cm且壓實(shí)完成后，從測(cè)壓孔伸入第一批引水鋼管到指定位置，再覆蓋土層壓實(shí)到第二層測(cè)壓孔位置，重復(fù)循環(huán)此操作，直到6層引水鋼管全部埋入土體。(3)完成整體模型筒土體裝填壓實(shí)。(4)將圓筒嵌入圓筒上蓋，并在邊緣外部裹上止水橡皮以此止水，依次插入筒身外部8個(gè)螺桿，并利用螺絲固定螺桿上下兩端，使模型成為一個(gè)整體。(5)上蓋和下蓋進(jìn)水口統(tǒng)一至水位控制箱溢流板左側(cè)，調(diào)整溢流板高度約為50cm來(lái)確定水頭高度打開(kāi)水泵將供水筒內(nèi)部水壓入水位控制箱中；打開(kāi)底部進(jìn)水口閥門(mén)，同時(shí)確保頂部排氣孔打開(kāi)。(6)待水流飽和土體后，關(guān)閉底部進(jìn)水口閥門(mén)，打開(kāi)上進(jìn)水口閥門(mén)，水位控制箱內(nèi)水位穩(wěn)定后測(cè)量水頭高度；模型筒形成循環(huán)有壓系統(tǒng)。(7)將24根銅管內(nèi)芯依次抽離，待水流出連接橡皮管，再轉(zhuǎn)接至水壓傳感器，數(shù)據(jù)通過(guò)水壓數(shù)據(jù)線傳輸至記錄儀。(8)關(guān)閉排氣孔閥門(mén)，拔出出水孔塞。打開(kāi)高清攝像機(jī)、溫濕計(jì)、樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)、記錄儀形成高自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)。(9)當(dāng)水壓傳感器測(cè)得數(shù)據(jù)不再發(fā)生變化，再次堵上底部出水口，關(guān)閉水泵停止往水位控制箱供水。有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：(1)通過(guò)圓筒模擬巖溶塌陷，利用圓筒的對(duì)稱性，使得所測(cè)得水壓數(shù)據(jù)更直觀更有對(duì)比性，克服以往長(zhǎng)方形模型數(shù)據(jù)誤差大，關(guān)聯(lián)程度小的情況；(2)利用圓筒、水位控制箱、供水桶形成有壓水循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)溢流板自動(dòng)保持恒定水頭，確保了水頭不變的條件，減少水位不穩(wěn)定對(duì)巖溶塌陷的影響；(3)通過(guò)在空心鋼管內(nèi)部塞入鋼芯，防止在鋼管布置后壓實(shí)過(guò)程中土顆粒進(jìn)入鋼管堵塞水體流動(dòng)空間，影響水壓力傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度；(4通過(guò)底蓋開(kāi)凹槽配以不同口徑圓環(huán)，來(lái)改變巖溶開(kāi)口大小，從而使控制條件更容易改變；(5)通過(guò)測(cè)壓管多層錯(cuò)位的布置，盡量減少由于測(cè)管布置引起的試驗(yàn)誤差，當(dāng)測(cè)壓鋼管的水頭值與巖溶開(kāi)口處的水頭相等時(shí)，判別土洞擴(kuò)展的位置，通過(guò)中心測(cè)管位置可以判別最終塌陷的厚度(6)通過(guò)樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)將圖像采集、溫濕計(jì)、記錄儀的數(shù)據(jù)自動(dòng)接收記錄，有著造價(jià)低，占地小、遠(yuǎn)程操控等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)電源只需5伏2安既可以運(yùn)行，對(duì)電源的要求大大降低，實(shí)驗(yàn)也變成一套自動(dòng)化程度高、能耗低、操作簡(jiǎn)便的試驗(yàn)系統(tǒng)；同時(shí)記錄儀能做到每秒記錄24個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，采集時(shí)間降低，克服了巡檢儀的缺點(diǎn)。附圖說(shuō)明圖1為本專利技術(shù)的巖溶塌陷試驗(yàn)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本專利技術(shù)的圓筒下蓋的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本專利技術(shù)的筒模型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本專利技術(shù)的每層引水鋼管布置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本專利技術(shù)的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括測(cè)量系統(tǒng)、水頭控制系統(tǒng)和試驗(yàn)單元系統(tǒng)，其中：所述試驗(yàn)單元系統(tǒng)包括圓筒和分別插設(shè)于所述圓筒側(cè)壁的若干組水壓檢測(cè)單元，所述圓筒上方和下方分別設(shè)置有圓筒上蓋和圓筒下蓋，在圓筒側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有若干排測(cè)壓孔；每組水壓檢測(cè)單元包括依次連接的水壓傳感器、透明軟管和引水鋼管，每組水壓檢測(cè)單元通過(guò)引水鋼管的一端從測(cè)壓孔插入圓筒中；引水鋼管有四種不同的長(zhǎng)度，從而保證水壓傳感器可測(cè)量同一土層橫截面中四個(gè)不同半徑處的水壓；在圓筒上蓋開(kāi)有帶閥門(mén)的排氣孔，所述排氣孔的導(dǎo)管一端伸入模型筒內(nèi)部，另一端伸出蓋頂暴露于大氣中，以排除圓筒中的空氣；排氣孔旁開(kāi)有上進(jìn)水管，并在上進(jìn)水管上設(shè)置上閥門(mén)；在圓筒下蓋開(kāi)有下進(jìn)水管，下進(jìn)水管上配置下閥門(mén)；圓筒下蓋設(shè)置有圓形凹槽，所述圓形凹槽內(nèi)可放置不同內(nèi)徑的圓環(huán)，用于模擬巖溶開(kāi)口大小，并配備了相應(yīng)直徑的出水口塞；通過(guò)螺桿將圓筒上蓋、圓筒、圓筒下蓋接連，并用螺絲固定螺桿上下兩端從而成為一個(gè)整體；所述測(cè)量系統(tǒng)包括記錄儀、樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)、攝像機(jī)和溫濕計(jì)，所述記錄儀一端與水壓傳感器相連，另一端連接樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所述攝像頭和溫濕計(jì)分別與所述樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)水壓、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、照片或視頻的同步記錄、傳輸、存儲(chǔ)到樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所述水頭控制系統(tǒng)包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶內(nèi)設(shè)置有水泵，所述水泵通過(guò)水管連接水位控制箱供水；所述上進(jìn)水管和下進(jìn)水管分別與所述水位控制箱相通；所述水位控制箱內(nèi)設(shè)有溢流板，所述溢流板右側(cè)開(kāi)孔通過(guò)水管與供水桶相連通，使溢出的水流在重力作用下順著水管流入供水桶中，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。...
【技術(shù)特征摘要】
1.一種巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括測(cè)量系統(tǒng)、水頭控制系統(tǒng)和試驗(yàn)單元系統(tǒng)，其中：所述試驗(yàn)單元系統(tǒng)包括圓筒和分別插設(shè)于所述圓筒側(cè)壁的若干組水壓檢測(cè)單元，所述圓筒上方和下方分別設(shè)置有圓筒上蓋和圓筒下蓋，在圓筒側(cè)壁上開(kāi)設(shè)有若干排測(cè)壓孔；每組水壓檢測(cè)單元包括依次連接的水壓傳感器、透明軟管和引水鋼管，每組水壓檢測(cè)單元通過(guò)引水鋼管的一端從測(cè)壓孔插入圓筒中；引水鋼管有四種不同的長(zhǎng)度，從而保證水壓傳感器可測(cè)量同一土層橫截面中四個(gè)不同半徑處的水壓；在圓筒上蓋開(kāi)有帶閥門(mén)的排氣孔，所述排氣孔的導(dǎo)管一端伸入模型筒內(nèi)部，另一端伸出蓋頂暴露于大氣中，以排除圓筒中的空氣；排氣孔旁開(kāi)有上進(jìn)水管，并在上進(jìn)水管上設(shè)置上閥門(mén)；在圓筒下蓋開(kāi)有下進(jìn)水管，下進(jìn)水管上配置下閥門(mén)；圓筒下蓋設(shè)置有圓形凹槽，所述圓形凹槽內(nèi)可放置不同內(nèi)徑的圓環(huán)，用于模擬巖溶開(kāi)口大小，并配備了相應(yīng)直徑的出水口塞；通過(guò)螺桿將圓筒上蓋、圓筒、圓筒下蓋接連，并用螺絲固定螺桿上下兩端從而成為一個(gè)整體；所述測(cè)量系統(tǒng)包括記錄儀、樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)、攝像機(jī)和溫濕計(jì)，所述記錄儀一端與水壓傳感器相連，另一端連接樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所述攝像頭和溫濕計(jì)分別與所述樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)相連，從而實(shí)現(xiàn)水壓、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、照片或視頻的同步記錄、傳輸、存儲(chǔ)到樹(shù)莓派監(jiān)控系統(tǒng)；所述水頭控制系統(tǒng)包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶內(nèi)設(shè)置有水泵，所述水泵通過(guò)水管連接水位控制箱供水；所述上進(jìn)水管和下進(jìn)水管分別與所述水位控制箱相通；所述水位控制箱內(nèi)設(shè)有溢流板，所述溢流板右側(cè)開(kāi)孔通過(guò)水管與供水桶相連通，使溢出的水流在重力作用下順著水管流入供水桶中，實(shí)現(xiàn)水的循環(huán)利用。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的巖溶塌陷過(guò)程中水力特性圓筒試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述圓筒上蓋和圓筒下蓋分別設(shè)置有卡槽，所述...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：聶思敏，陶小虎，王弘元，趙堅(jiān)，朱蓓，居艷陽(yáng)，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：河海大學(xué)，
類型：新型
國(guó)別省市：江蘇;32
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