本实用新型专利技术公开了一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，包括水头控制系统、测量系统、试验单元系统，测量系统包括树莓派监控系统、记录仪、摄像机、温湿计；试验单元系统主要包括圆筒和圆筒上盖、圆筒下盖、螺杆、上进水管、下进水管、上进水管水阀、下进水管水阀、排气孔、圆环、水压传感器、引水钢管等；水头控制系统包括供水桶、水位控制箱和水泵。本试验系统可以对不同水头下塌陷土层中的水力特性进行多方位测定，模拟不同岩溶开口条件下的塌陷过程，数码摄像、水压传感器与温湿计结合树莓派监控系统可详细记录试验过程与试验数据，自动化程度高、操作简便。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，即一种可以模拟不同岩溶开口大小的岩溶塌陷过程，采集、记录、保存土体中多方位的水力特性、试验图像、环境温度、湿度的试验系统。
技术介绍
水力诱导作为诱发岩溶塌陷发生的最重要因素之一，是研究如何预防、处理岩溶塌陷发生的重要参数。由于室外岩溶塌陷的模拟往往由于经费和规模的限制不能进行观测试验，室内模拟试验成为研究岩溶塌陷过程中水力特性的关键方法，因此需要不断改进和更新现有室内试验测量技术手段和观测方法以提高水力特性测量的精确度。目前，岩溶塌陷特性试验主要是在室内进行，其实验重点主要是监测土体内部应力应变的变化，从而忽视掉了整体模型中水的重要作用，如很少对岩溶塌陷过程中的水力特性进行研究，特别是抽水初期由于水位降低造成的局部水力坡降变大，以及土洞发展过程中边界上剥落导致的水力变化，通过水压的变化反映出土洞扩展的过程等。为了研究水力诱导会对岩溶塌陷的发展、形成造成的影响，设计了这套岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，从而获得如何通过改善水力条件从而预防岩溶塌陷的发生。
技术实现思路
技术目的：为更清楚的理解水力诱导岩溶塌陷过程中水力特性，本专利技术提供一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，能够改变岩溶开口的大小、岩溶水位大小，从水压传感器测量值反演出各个参数不同对岩溶塌陷的影响。技术方案：为实现上述技术目的，本技术提出一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，包括测量系统、水头控制系统和试验单元系统，其中：所述试验单元系统包括圆筒和分别插设于所述圆筒侧壁的若干组水压检测单元，所述圆筒上方和下方分别设置有圆筒上盖和圆筒下盖，在圆筒侧壁壁上开设有若干排测压孔；每组水压检测单元包括依次连接的水压传感器、透明软管和引水钢管，每组水压检测单元通过引水钢管的一端从测压孔插入圆筒中；在圆筒上盖开有带阀门的排气孔，所述排气孔的导管一端伸入模型筒内部，另一端伸出盖顶暴露于大气中，以排除圆筒中的空气；排气孔旁开有上进水管，并在上进水 管上设置上阀门；在圆筒下盖开有下进水管，下进水管上配置下阀门；圆筒下盖设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽内可放置不同内径的圆环，用于模拟岩溶开口大小，并配备了相应直径的出水口塞；所述测量系统包括记录仪、树莓派监控系统、摄像机和温湿计，所述记录仪一端与水压传感器相连，另一端连接树莓派监控系统；所述摄像头和温湿计分别与所述树莓派监控系统相连，从而实现水压、环境温度、环境湿度、照片或视频的同步记录、传输、存储到树莓派监控系统；所水头控制系统包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶内设置有水泵，所述水泵通过水管连接水位控制箱供水；所述上进水管和下进水管分别与所述水位控制箱相通；所述水位控制箱内设有溢流板，所述溢流板右侧开孔通过水管与供水桶相连通，使溢出的水流在重力作用下顺着水管流入供水桶中，实现水的循环利用所述圆筒上盖和圆筒下盖分别设置有卡槽，所述圆筒上盖和圆筒下盖分别通过卡槽与圆筒相连，卡槽内套一圈止水橡胶，达到防渗的目的。水位控制箱可同时从圆筒底部与顶部供水，并提供试验所需的不同水头，简化了水位控制系统结构。所述圆筒下盖的四周均匀设置有四个下进水管，水位控制箱中的水在水头压差作用下通过下进水管均匀进入圆筒，当土体被完全浸润，关闭下进水管水阀，打开上进水管水阀和排气孔，水位控制箱内水压将水通过所述上进水管注入圆筒内，以提高上水效率，当水充满圆筒时，关闭排气孔，从而使整个圆筒处于有压状态。所述水压检测单共计24个，分6层布置，最底层距下筒盖3cm，层与层之间间隔设置为5cm，所述最底层的引水铜管按距离模型筒中心0cm、3cm、6cm、9cm依次布置，余下每层引水钢管按照最底层布置顺序依次顺时针旋转45度进行布置，从而可测量土体中各方位的水压并减小引水钢管对土体的扰动作用。所述引水钢管外径为8mm，内径为6mm，用直径为6mm的铁芯塞实引水钢管，所述引水钢管通过测压孔伸入圆筒内部，当土层压实完成后，抽出铁芯，待土体饱和后，再通过透明软管将引水钢管与水压传感器连接，可避免土颗粒将引水钢管堵塞而影响水压传感器测量准确度。所述的圆筒下盖开有1cm深，半径为5cm的圆形凹槽，距圆形凹槽中心14.5cm处各开半径0.5cm、深度2cm的四个进水口，呈对称分布；所述圆形凹 槽可以嵌入不同口径的圆环，所述圆环外半径为5cm，内半径有0.5～2.0cm尺寸供选择，以此来模拟不同的岩溶开口。当本技术用于定水头有压试验时，包括如下步骤：(1)将圆筒嵌入圆筒下盖的卡槽，并在边缘外部裹上止水橡皮以此止水。选定一定口径的圆环嵌入圆筒底盖中圆形凹槽，并用螺丝固定，出水口用相应尺寸木塞堵实；(2)按一定级配选择适合土样，逐层加土压实。当土层厚度到达5cm且压实完成后，从测压孔伸入第一批引水钢管到指定位置，再覆盖土层压实到第二层测压孔位置，重复循环此操作，直到6层引水钢管全部埋入土体。(3)完成整体模型筒土体装填压实。(4)将圆筒嵌入圆筒上盖，并在边缘外部裹上止水橡皮以此止水，依次插入筒身外部8个螺杆，并利用螺丝固定螺杆上下两端，使模型成为一个整体。(5)上盖和下盖进水口统一至水位控制箱溢流板左侧，调整溢流板高度约为50cm来确定水头高度打开水泵将供水筒内部水压入水位控制箱中；打开底部进水口阀门，同时确保顶部排气孔打开。(6)待水流饱和土体后，关闭底部进水口阀门，打开上进水口阀门，水位控制箱内水位稳定后测量水头高度；模型筒形成循环有压系统。(7)将24根铜管内芯依次抽离，待水流出连接橡皮管，再转接至水压传感器，数据通过水压数据线传输至记录仪。(8)关闭排气孔阀门，拔出出水孔塞。打开高清摄像机、温湿计、树莓派监控系统、记录仪形成高自动化数据采集记录系统。(9)当水压传感器测得数据不再发生变化，再次堵上底部出水口，关闭水泵停止往水位控制箱供水。有益效果：与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：(1)通过圆筒模拟岩溶塌陷，利用圆筒的对称性，使得所测得水压数据更直观更有对比性，克服以往长方形模型数据误差大，关联程度小的情况；(2)利用圆筒、水位控制箱、供水桶形成有压水循环系统，通过溢流板自动保持恒定水头，确保了水头不变的条件，减少水位不稳定对岩溶塌陷的影响；(3)通过在空心钢管内部塞入钢芯，防止在钢管布置后压实过程中土颗粒进入钢管堵塞水体流动空间，影响水压力传感器测量数据的准确度；(4通过底盖开凹槽配以不同口径圆环，来改变岩溶开口大小，从而使控制条件更容易改变；(5)通过测压管多层错位的布置，尽量减少由于测管布置引起的试验误差，当测压钢管的水头值与岩溶开口处的水头相等时，判别土洞扩展的位置，通过中心测管位置可以判别最终塌陷的厚度(6)通过树莓派监控系统将图像采集、温湿计、记录仪的数据自动接收记录，有着造价低，占地小、远程操控等优势，同时电源只需5伏2安既可以运行，对电源的要求大大降低，实验也变成一套自动化程度高、能耗低、操作简便的试验系统；同时记录仪能做到每秒记录24个传感器的数据，采集时间降低，克服了巡检仪的缺点。附图说明图1为本专利技术的岩溶塌陷试验的结构示意图；图2为本专利技术的圆筒下盖的结构示意图；图3为本专利技术的筒模型的结构示意图；图4为本专利技术的每层引水钢管布置的结构示意图；图5为本专利技术的本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，其特征在于，包括测量系统、水头控制系统和试验单元系统，其中：所述试验单元系统包括圆筒和分别插设于所述圆筒侧壁的若干组水压检测单元，所述圆筒上方和下方分别设置有圆筒上盖和圆筒下盖，在圆筒侧壁上开设有若干排测压孔；每组水压检测单元包括依次连接的水压传感器、透明软管和引水钢管，每组水压检测单元通过引水钢管的一端从测压孔插入圆筒中；引水钢管有四种不同的长度，从而保证水压传感器可测量同一土层横截面中四个不同半径处的水压；在圆筒上盖开有带阀门的排气孔，所述排气孔的导管一端伸入模型筒内部，另一端伸出盖顶暴露于大气中，以排除圆筒中的空气；排气孔旁开有上进水管，并在上进水管上设置上阀门；在圆筒下盖开有下进水管，下进水管上配置下阀门；圆筒下盖设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽内可放置不同内径的圆环，用于模拟岩溶开口大小，并配备了相应直径的出水口塞；通过螺杆将圆筒上盖、圆筒、圆筒下盖接连，并用螺丝固定螺杆上下两端从而成为一个整体；所述测量系统包括记录仪、树莓派监控系统、摄像机和温湿计，所述记录仪一端与水压传感器相连，另一端连接树莓派监控系统；所述摄像头和温湿计分别与所述树莓派监控系统相连，从而实现水压、环境温度、环境湿度、照片或视频的同步记录、传输、存储到树莓派监控系统；所述水头控制系统包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶内设置有水泵，所述水泵通过水管连接水位控制箱供水；所述上进水管和下进水管分别与所述水位控制箱相通；所述水位控制箱内设有溢流板，所述溢流板右侧开孔通过水管与供水桶相连通，使溢出的水流在重力作用下顺着水管流入供水桶中，实现水的循环利用。...
【技术特征摘要】
1.一种岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，其特征在于，包括测量系统、水头控制系统和试验单元系统，其中：所述试验单元系统包括圆筒和分别插设于所述圆筒侧壁的若干组水压检测单元，所述圆筒上方和下方分别设置有圆筒上盖和圆筒下盖，在圆筒侧壁上开设有若干排测压孔；每组水压检测单元包括依次连接的水压传感器、透明软管和引水钢管，每组水压检测单元通过引水钢管的一端从测压孔插入圆筒中；引水钢管有四种不同的长度，从而保证水压传感器可测量同一土层横截面中四个不同半径处的水压；在圆筒上盖开有带阀门的排气孔，所述排气孔的导管一端伸入模型筒内部，另一端伸出盖顶暴露于大气中，以排除圆筒中的空气；排气孔旁开有上进水管，并在上进水管上设置上阀门；在圆筒下盖开有下进水管，下进水管上配置下阀门；圆筒下盖设置有圆形凹槽，所述圆形凹槽内可放置不同内径的圆环，用于模拟岩溶开口大小，并配备了相应直径的出水口塞；通过螺杆将圆筒上盖、圆筒、圆筒下盖接连，并用螺丝固定螺杆上下两端从而成为一个整体；所述测量系统包括记录仪、树莓派监控系统、摄像机和温湿计，所述记录仪一端与水压传感器相连，另一端连接树莓派监控系统；所述摄像头和温湿计分别与所述树莓派监控系统相连，从而实现水压、环境温度、环境湿度、照片或视频的同步记录、传输、存储到树莓派监控系统；所述水头控制系统包括供水桶和水位控制箱，所述供水桶内设置有水泵，所述水泵通过水管连接水位控制箱供水；所述上进水管和下进水管分别与所述水位控制箱相通；所述水位控制箱内设有溢流板，所述溢流板右侧开孔通过水管与供水桶相连通，使溢出的水流在重力作用下顺着水管流入供水桶中，实现水的循环利用。2.根据权利要求1所述的岩溶塌陷过程中水力特性圆筒试验装置，其特征在于，所述圆筒上盖和圆筒下盖分别设置有卡槽，所述...
【专利技术属性】
技术研发人员：聂思敏，陶小虎，王弘元，赵坚，朱蓓，居艳阳，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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