1.一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于,包括:环形流道(1);
裂隙模拟单元(2),其设于环形流道(1)底部,所述裂隙模拟单元(2)自顶部至底部贯穿开设若干裂隙通道,通过裂隙通道将环形流道(1)内部与底部外界连通;
给水单元(3),其设于环形流道(1)旁侧,用于向环形流道(1)内注水;
涡轮机(4),其设于环形流道(1)内,用于控制环形流道(1)内水流速度;
监测计(5),其设于环形流道(1)内底部,用于监测环形流道(1)内底部流速变化;
水砂收集单元(6),其设于环形流道(1)下方,用于收集裂隙模拟单元(2)流出的水砂;
PIV探头(7),其设于裂隙模拟单元(2)前方,用于记录水砂在裂隙模拟单元(2)的速度;
终端(8),其与PIV探头(7)及监测计(5)信号连接,用于进行数据处理。
2.根据权利要求1所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于:所述环形流道(1)与裂隙模拟单元(2)均通过亚克力板制作而成。
3.根据权利要求2所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于:所述裂隙模拟单元(2)与环形流道(1)可拆卸连接;
所述裂隙模拟单元(2)有若干个,分别模拟开设不同的裂隙通道;
所述裂隙模拟单元(2)顶部滑动连接有挡板,用于封闭/打开裂隙通道。
4.根据权利要求3所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于:所述监测计(5)还用于监测环形流道(1)内底部的压力变化。
5.根据权利要求4所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于,所述水砂收集单元(6)还包括:
传动导轨(60),其设于环形流道(1)正下方,形状与环形流道(1)横截面形状相匹配;
驱动件(61),其驱动传动导轨(60)移动;
水砂收集箱(62),其置于传动导轨(60)上,收集裂隙模拟单元(2)流出的水砂;
无线传感器(63),其设于水砂收集箱(62)底部,用于监测水砂质量,所述无线传感器(63)与终端(8)信号连接。
6.根据权利要求5所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验装置,其特征在于,还包括分层单元(9),其包括:
隔板(90),其与环形流道(1)内部形状相匹配,所述隔板(90)可拆卸置于环形流道(1)内;
开孔(91),其有若干个,贯穿开设于隔板(90)上;
磁石浮力球(92),其数量与开孔(91)数量相匹配,配合置于各开孔(91)下方。
7.一种突水溃砂水砂运移模拟试验方法,其特征在于,基于权利要求1~6任一所述的突水溃砂水砂运移模拟试验装置,包括如下步骤:一、在环形流道(1)中仅设置水层,研究不同裂隙模拟单元(2)及不同流速下的突水效应;
二、在环形流道(1)中仅设置砂层,研究不同裂隙模拟单元(2)及不同粒径砂下的溃砂流速与最终形态;
三、在环形流道(1)中自下而上依次设置砂层和水层,关闭裂隙模拟单元(2)顶部挡板,将PIV探头(7)拍摄位置对准裂隙模拟单元(2)顶部上方,观察不同水流流速下悬移质砂在水中的启动现象,并利用格子Boltzmann方法与离散元耦合方法重现砂粒运移过程对比PIV探头(7)提取的砂粒速度进行模拟参数标定;
四、在环形流道(1)中自下而上依次设置砂层和水层,打开裂隙模拟单元(2)顶部挡板,通过PIV探头(7)拍摄突水溃砂情况,构建突水溃砂初始水砂混合流最大溃突量计算模型,并基于量纲分析方法构建水砂运移时的流量计算模型;
五、结合步骤三标定的参数及步骤四的模型可模拟出裂隙通道中的水砂流动过程,得出颗粒流动的最大速度与PIV探头(7)摄像结果对比进行修正,实现对实际工程问题的数值模拟计算。
8.根据权利要求7所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验方法,其特征在于,所述步骤四还包括:
在环形流道(1)中自下而上依次设置水层和砂层,水层与砂层之间设置分层单元(9),打开裂隙模拟单元(2)顶部挡板,通过PIV探头(7)拍摄突水溃砂情况,构建突水溃砂初始水砂混合流最大溃突量计算模型,并基于量纲分析方法构建水砂运移时的流量计算模型;
结合在环形流道(1)中自下而上依次设置砂层和水层的试验结果及在环形流道(1)中自下而上依次设置水层和砂层的试验结果,构建突水溃沙时水沙运移模型框架。
9.根据权利要求8所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验方法,其特征在于,还包括:六、结合实际工程模型进行多层铺设,完成工程实际预测并对已构建的突水溃沙时水沙运移模型框架进行补充。
10.根据权利要求9所述的一种突水溃砂水砂运移模拟试验方法,其特征在于:所述步骤四中,突水溃砂初始水砂混合流最大溃突量计算模型为,其中,W为最大溃突量,D0为孔口直径,dp为颗粒直径,ρB为颗粒堆积密度,W0为干砂在孔口的单位质量流量,C为与颗粒、裂隙通道摩擦性质相关的无因次量,ΔP为裂隙模拟单元(2)裂隙通道下方及上方压力差;
水砂运移时的流量计算模型为,
其中,Q为水砂运移时的流量,C*与C1均为常数,ΔP为水力压力差,ρw为流体密度。