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】为了观察水在土中的渗透过程，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

边坡工程稳定等研究提供实验室数据和基础参数。

【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，城区内的建筑高度越来越大，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、坑外止水的措施，这样在

坑内外就形成了一个水头差，当水头差达到一定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]。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定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

定性、复杂性。本文提出的地下水渗流模型实验系统能对基坑土体在降水、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，计算压力水头，分析其

渗流场，评价其稳定性。为基坑工程降水及边坡工程的渗透稳定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L×B×H=2.6m×1.4m×1.2m，长边方向两端面布置直径２cm的小孔，作为渗流时补给

水源及排水用；隔板用来区分不同的功能区：槽首供水区，尺寸L×B×H=0.3m×1.4m×1.2m；

槽中渗流区，尺寸L×B×H=2.0m×1.4m×1.2m；槽尾排水区，尺寸L×B×H=0.3m×1.4m×1.2m。

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1。传力柱在实验后可以拆卸。传力柱外侧直径8cm，壁厚5mm，长29.9cm；侧壁开口宽度为1cm。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计其结构和安放位置，采用PVC管制成；内径2cm，外

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。

供水系统是补给土体进行渗透试验用水的设备，其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，用以调节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 主要渗流装置图

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置，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。

计算机监控系统是本实验装置的数据采集系统，其通过设置在不同位置处的传感器和百

分表，来测量土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土体表面的沉降。

角钢支座能防止因水土压力导致玻璃水槽发生变形，起固定的作用。从槽底部向上，分

别在高度为30cm、60cm、90cm处，加水平角钢围栏固定槽体周边四个侧壁。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土体沉降

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

拟工程场地土体由于回灌作用产生的变形回弹及土体应力的变化。并能进行水土压力的测量、地基土体沉降的量测。根据工程场地的勘察报告，在渗流区设置模拟实际情况的土层，通过

供水系统设置一定高度的地下水位，在渗流槽特定位置设置抽水井，用抽水泵进行抽水；在

土体表面放置百分表，百分表固定在渗流槽壁上，可以测量表面土体在施工降水作用下土体

表面的沉降。在土体内部埋设水压力和土压力传感器，用来测量土体在施工降水影响作用下

土压力及水压力的变化。通过架设喷淋器可以模拟基坑工程土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 计算土体的渗透系数

在渗流区设置模拟实际情况的土层，在土体两端设置稳定的供水和排水装置，利用传感

器测定不同位置的孔隙水压力，通过测量一定时间内土体中渗流出水量的多少，可计算土体

的渗透系数。

进行水平向的渗透演示实验时，在渗流区中放入土样，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土样的孔隙水压力。进行常水头实验，待渗流稳定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，由达西定律[6]：

式中：i为水力梯度，表示单位渗流长度上的水头损失；

A为土样的横截面积；

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土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。同时布置水、

土压力传感器，待装好土样后，可以利用供水系统在主要渗流装置一端提供稳定水头，观察

土中水的渗流情况，通过水压力传感器可记录不同位置处的孔隙水压力，进而可作出土中渗

流水的等势线，做出二维的渗流流网。

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，读取土体发生渗

透破坏时水、土压力传感器的数据，分析土体发生渗透破坏时土压力与孔隙水压力的变化情