一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法及装置

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1.本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法及装置。

背景技术：

2.渗透破坏作为世界上分布广、危害普遍的一种土壤破坏类型。在渗流动水压力作用下，由于不同的影响因素、地质条件或在相同地质条件下不同的工程性质，渗透破坏的形式一般有潜蚀、流砂和接触冲刷。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。
3.传统的渗流试验多为一维单相渗流实验，不能切实模拟土体内部变化三维渗流的机理，无法可视化土体内部变形的动态。目前，有研究结合粒子图像测速技术(piv)和透明土研究孔隙液体对土体渗透性的影响，观测到试样内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，且使用的是单速激光面光源，仅研究土体内部的某一平面的应变和位移场，未能实现真正的三维观测。所以需开发一种三维观测土体内部渗流的方法。

技术实现要素：

4.为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，能够三维观测土体内部渗流。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.本发明提供了一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，包括渗透装置、激光发射系统和图像处理系统；
7.所述渗透装置设有为透明模型箱(10)，所述透明模型箱(10)从上往下设置为渗流腔(11)和出水槽(12)两个部分，两个部分由水平放置的透水格栅(13)间隔；所述渗流腔(11)顶部与进水管(14)连接，且所述进水管(14)设有进水口；所述出水槽(12)底部与出水管(15)连接，且所述出水管(15)设有出水口；所述渗流腔(11)用于放置透明材质模型，所述进水管(14)和出水管(15)分别用于注水渗流和排水。
8.所述激光发射系统包括激光器(21)和转换器(22)，所述激光器(21)和所述转换器(22)设于所述渗透装置的侧面，所述激光器(21)和所述转换器(22)用于发射面状激光对所述渗流腔(11)内的透明土进行层切形成激光散斑。
9.所述图像处理系统包括高速相机(31)和图像分析器(32)，所述高速相机(31)正对于所述渗流腔(11)，所述高速相机(31)用于记录激光散斑。
10.优选地，所述渗流腔(11)设置有多个测压管。
11.更优选地，所述渗流腔(11)在上部和下部各设置测压管
12.优选地，所述进水管设有阀门。
13.优选地，所述出水槽的形状为锥形。锥形有利于固定透水格栅且方便出水。
14.优选地，所述渗流腔的四个内角为圆角。圆角有利于克服形状效应对渗流当中土颗粒运移的影响，
15.优选地，所述渗流腔由高透明度亚克力组成。
16.优选地，所述转换器为鲍威尔棱镜。
17.本发明还提供了一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，使用上述的观测渗透侵蚀实验装置，包括以下步骤：
18.s1、在渗流腔(11)分层填埋不同级配的透明砂土材料，加注与透明砂土材料折射率相同的孔隙油液，制备得到透明材质模型模拟天然岩土体；
19.s2、从进水口处注水，使渗流腔内发生渗流；
20.s3、打开激光器，发出的单束激光经转换器转换为面状光束，对透明土层切形成透明土散斑场，并将激光器和转换器沿着与发射激光垂直的方向移动以获得不同位置的透明土散斑场；
21.s4、使用高速相机持续记录透明土散斑场的变化，将透明土散斑场图像传输至图像分析器，分析得到透明模型箱内渗流场的三维矢量图。
22.优选地，步骤1中，所述透明砂土材料为熔融石英砂。
23.优选地，步骤1中，所述孔隙油液的制备方法为：将15#白油与正十二烷混合配置成与熔融石英砂折射率相同的孔隙油液。
24.优选地，在容器中不同的熔融石英层的高度相同。
25.优选地，步骤3中，激光器和转换器每次移动后停留时间为300s。
26.优选地，步骤4中，高速相机的工艺参数为：分辨率1024
×
1024，像素尺寸20μm，曝光时间5μs，拍摄速度500帧/秒，工作温度为0～45℃，工作湿度在85％以下。
27.优选地，步骤4中，图像分析器的分析方法为互相关方法。
28.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
29.本发明提供了一种基于透明土的观测渗透方法，结合激光发射系统与图像处理系统，在透明土内形成透明土散斑场并利用图像处理系统记录透明土散斑场的变化，处理分析图像形成模型整体三维变形场。本发明利用透明土试验技术研究渗流过程中土体内任一位置的变形图、位移场、速度场，真实地模拟渗流过程并精确监测渗流场变化，可应用于防治渗透侵蚀。
附图说明
30.图1为基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置的结构示意图；
31.图2为基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置的工作示意图；
32.图3为圆角的渗流腔的俯视图；
33.图4为透水栅格；
34.图5为转换器，其中(a)转换器实物图，(b)转换器工作示意图。
35.图1和图2中，10-透明模型箱，11-渗流腔，12-出水槽，13-透水格栅，14-进水管，15-出水管，21-激光器，22-转换器，31-高速相机，32-图像分析器。
具体实施方式
36.下面对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
37.下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为可通过常规的商业途径购买得到。
38.实施例1基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置
39.如图1和图2所示，基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置包括渗透装置、激光发射系统和图像处理系统。
40.所述渗透装置设有为透明模型箱10，所述透明模型箱10从上往下设置有渗流腔11和出水槽12两个部分，两个部分由水平放置的透水格栅13间隔；所述渗流腔11顶部与进水管14连接，且所述进水管14设有进水口；所述出水槽12为锥形结构，底部与出水管15连接，且所述出水管15设有出水口；所述渗流腔11用于放置透明土，所述进水管14和出水管15分别用于注水渗流和排水。
41.所述渗流腔11由高透明度亚克力板制成，透光率》92％；所述渗流腔11的上部和下部分别设置有测压管16，用于测量进/出口处的渗透压力；所述渗流腔11的四个内角为圆角(如图3所示)；所述透水格栅(13)上均匀设置有透水圆孔(如图4所示)。
42.所述激光发射系统包括激光器21和转换器22，所述激光器21和所述转换器22设于所述渗透装置的侧面，所述激光器21和所述转换器22用于发射面状激光对所述渗流腔11内的透明土进行层切形成激光散斑。
43.所述转换器22采用鲍威尔棱镜，型号ks-pb10a30-d6，鲍威尔棱镜是一种光学划线棱镜，它使激光束通过后可以优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好地一条直线。鲍威尔棱镜划线优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪边缘分布，入射直径5mm，扇角30
°
(如图5所示)；所述激光器21，型号mw-gl-532/1～500mw，为可发出绿光的固体激光器，波长532nm。
44.所述图像处理系统包括高速相机31和图像分析器32，所述高速相机31正对于所述渗流腔11，所述高速相机31用于记录激光散斑，所述图像分析器32用于分析激光散斑。
45.所述高速相机31型号为fastcamsa-z；所述图像分析器32为计算机dic算法程序。其程序具体为：将土体变形前后摄取的散斑(灰度)图像分割成许多网格,每一网格称之为interrogation块。将变形前任一interrogation块与变形后散斑图像进行全场匹配或相关计算，根据峰值相关系数确定该interrogation块在变形后的位置,由此可以得到该块的平均位移。对变形前所有interrogation块进行类似运算,就可以得到整个位移场。通常采用最小二次差分(minimumquadraticdif-ference,mqd)或互相关技术(crosscorrelation)来求解interrogation块的平均位移，其中互相关方法已成为最常用的一种算法。两帧图像之间的标准相关函数c，可由下式给出:
46.[0047][0048]
式(2)为式(1)的离散形式。
[0049]
式中:a是interrogation块；i0和i1分别是两帧图像的灰度集度；n是interrogation块窗口的像素尺寸；将第二帧图像中interrogation块沿图像坐标平移δx和δy，计算相应的相关系数，进而构成空间相关平面。若两帧图像之间有位移，那么就可以用相关面中相关系数的峰值坐标表示图像位移的方向和大小。计算每一个interrogation块的位移可构成整个图像的位移场。
[0050]
采用上述装置进行渗透侵蚀实验时，先在所述渗流腔11填筑透明土试样，经所述进水管14注水，使所述渗流腔11内的透明土发生渗流；然后打开所述激光器21，使其发出的单束激光经所述转换器22转换为面状光束，进而对透明土进行层切形成绿的透明土散斑场，并移动激光器21和转换器22以获得不同位置的透明土散斑场；最后使用高速相机31持续记录透明土散斑场的变化，并将透明土散斑场图像传输至图像分析器32，分析得到透明土内渗流场的三维矢量图。
[0051]
实施例2基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法
[0052]
如图1和图2所示，在实施例1的基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置的基础上，建立基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法。具体包括以下步骤：
[0053]
1、透明土的填充：将15#白油和正十二烷混合制成孔隙油液，关闭出水管15阀门开关，防止孔隙油液流出腔室。先将不同级配(0.1-0.2mm、0.2-0.5mm、0.5-1.0mm、1.0-2.0mm、2.0-3.0mm、3.0-5.0mm)的熔融石英砂缓依次分层填筑在渗流腔11中并使各层填砂高度一致，每填充一层就用泵将孔隙油液抽入渗流腔11中，所述孔隙油液与各级配熔融石英砂颗粒的折射率均为1.4585，填充过程中不断搅拌及时排出气泡，确保每层的颗粒级配比较均匀，后静置1小时制备得到透明土。
[0054]
2、透明土渗流：开启出水管15阀门开关，经进水管14向渗流腔11内注水，进行水力侵蚀模拟，期间利用测压管16测量试验过程中不同层位孔隙水压力分布及变化，以实时监测孔压—时间—渗流三者之间的联动关系。通过记录不同时刻上下孔压变化以及细颗粒流失情况，可得到发生渗流时的临界水力坡降，其渗流情况与后续所得到的速度矢量图和透明土内部变化进行匹配对比，直观了解渗流过程中的土体内部变化情况。
[0055]
3、开启激光器21，调节激光波长为532nm，功率为500mw，激光器21发出的单束激光经鲍威尔棱镜22转换为绿的面状光束，对透明土层切形成透明土散斑场；将激光器21和鲍威尔棱镜22沿着与发射激光垂直的方向移动，分3次移动，每次移动1cm，移动速度为0.25cm/s，即激光器距离最开始的距离为1cm、2cm、3cm，并在每次移动位置上停留300秒。
[0056]
4、使用高速相机31持续记录透明土散斑场的变化，高速相机31的工艺参数为：分辨率1024
×
1024，像素尺寸20μm，曝光时间5μs，拍摄速度500帧/秒，工作温度为0～45℃，工作湿度在85％以下。将每一帧的透明土散斑场图像传输至图像分析器32，通过对比不同帧的不同激光散斑图像得到图像差值，即为土体的渗透变形，最后使用图像分析器32对变形前所有interrogation块进行类似运算，利用互相关算法分析得到透明模型箱内渗流场的三维矢量图。
[0057]
以上对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：

1.一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，其特征在于，包括渗透装置、激光发射系统和图像处理系统；所述渗透装置设有为透明模型箱(10)，所述透明模型箱(10)从上往下设置为渗流腔(11)和出水槽(12)两个部分，两个部分由水平放置的透水格栅(13)间隔；所述渗流腔(11)顶部与进水管(14)连接，且所述进水管(14)设有进水口；所述出水槽(12)底部与出水管(15)连接，且所述出水管(15)设有出水口；所述渗流腔(11)用于放置透明材质模型，所述进水管(14)和出水管(15)分别用于注水渗流和排水。所述激光发射系统包括激光器(21)和转换器(22)，所述激光器(21)和所述转换器(22)设于所述渗透装置的侧面，所述激光器(21)和所述转换器(22)用于发射面状激光对所述渗流腔(11)内的透明土进行层切形成激光散斑。所述图像处理系统包括高速相机(31)和图像分析器(32)，所述高速相机(31)正对于所述渗流腔(11)，所述高速相机(31)用于记录激光散斑，所述图像分析器(32)用于分析激光散斑形成渗透三维变形场。2.根据权利要求1所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，其特征在于，所述渗流腔(11)设置有测压管。3.根据权利要求1所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，其特征在于，所述渗流腔(11)的四个内角为圆角。4.根据权利要求1所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，其特征在于，所述渗流腔(11)由高透明度亚克力板制成。5.根据权利要求1所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验装置，其特征在于，所述转换器(22)为鲍威尔棱镜。6.一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，使用权利要求1～5中任一所述的观测渗透侵蚀实验装置，包括以下步骤：s1、在渗流腔(11)分层填埋不同级配的透明砂土材料，加注与透明砂土材料折射率相同的孔隙油液，制备得到透明材质模型模拟天然岩土体；s2、从进水口处注水，使渗流腔(11)内发生渗流；s3、打开激光器(21)，发出的单束激光经转换器(22)转换为面状光束，对透明土层切形成透明土散斑场，并将激光器和转换器沿着与发射激光垂直的方向移动以获得不同位置的透明土散斑场；s4、使用高速相机(31)持续记录透明土散斑场的变化，将透明土散斑场图像传输至图像分析器(32)，分析得到透明模型箱(10)内渗流场的三维矢量图。7.根据权利要求6所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，步骤1中，所述透明砂土材料为熔融石英砂。8.根据权利要求7所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，所述孔隙油液的制备方法为：将15#白油与正十二烷混合配置成与熔融石英砂折射率相同的孔隙油液。9.根据权利要求6所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，步骤4中，高速相机(31)的工艺参数为：分辨率1024
×
1024，像素尺寸20μm，曝光时间5μs，拍摄速度500帧/秒，工作温度为0～45℃，工作湿度在85％以下。
10.根据权利要求6所述的基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法，其特征在于，步骤4中，图像分析器(32)的分析方法为互相关方法。

技术总结

本发明涉及岩土工程技术领域，具体涉及一种基于透明土的观测渗透侵蚀实验方法及装置。本发明提供了一种基于透明土的观测渗透装置，包括渗透装置、激光发射系统和图像处理系统；渗透侵蚀实验中，注水使渗透装置的透明箱内的透明土产生渗流，激光发射系统在透明土内形成透明土散斑场，利用图像处理系统记录透明土散斑场的变化并处理分析图像形成模型整体三维变形场。本发明利用透明土试验技术研究渗流过程中土体内任一位置的变形图、位移场、速度场，真实地模拟渗流过程并精确监测渗流场变化，可应用于防治渗透侵蚀。应用于防治渗透侵蚀。应用于防治渗透侵蚀。