CN103147420A - 一种研究海堤工程管涌现象的试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种研究海堤工程管涌现象的试验装置及其实验方法。其通过基于单片机的智能水头控制系统，对土样施加随时间呈正弦曲线变化的水头差，致使土样渗流发展乃至管涌等渗透破坏，另外在土样中设置水压力传感器、电子流量计等测量装置，即可获得相应的渗流场。通过改变土样类型，可模拟均匀堤基、双层堤基、堤身等海堤工程的管涌等渗透破坏现象；通过改变模型槽隔板位置的方式，可模拟海堤各种水力梯度下的管涌发生发展过程。按照本发明提供的试验方法，通过采用本发明提供的测量装置，可以较准确地反映海堤工程管涌的发生发展过程。

Description

一种研究海堤工程管涌现象的试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及一种研究海堤工程管涌现象的试验方法以及实施该海堤工程管涌现象研究方法的试验装置，属于水利工程渗透破坏试验方法及其实验仪器领域。
背景技术
管涌等渗透破坏在海堤工程中非常普遍。据统计，由渗透破坏造成的险情约占总险情的70%，除漫顶险情外，海堤溃口险情几乎全部是管涌等渗透破坏所致。故海堤工程的管涌等渗透破坏问题已经受到了学术及工程界的普遍关注。
此前，在研究海浪、潮汐、洪峰等对海堤的渗透作用时，多将海浪等的波动水位简化为稳定常水位。水位循环涨落时，海堤工程内部填筑材料的渗流是非稳定的，并且是饱和、非饱和状态相互转化的水-气二相流，而常水位下的海堤内部的渗流是稳定的；海堤堤身土体透水性小，而潮涨落和波浪冲击循环周期都很短，故堤体内已形成的初始渗流自由面变化很微，整个堤体内的渗流场较为复杂，与常水位下的差别很大。对于常水位下海堤的渗透破坏，前人已作了不少的的研究，而针对海浪、洪水、潮汐等水位循环涨落作用下的海堤管涌等破坏特性的室内试验研究却仍为当今学者研究的真空区。
另外，以往的管涌研究实验仪器一般为窄槽，尺寸较小，一般人工观测数据，精度较低，且多采用手动升降水头的方式，上游水头不能自动控制，难以较准确反映海堤工程非饱和非均匀渗流与渗透破坏现象，也不能满足海堤工程管涌等渗透破坏研究的要求。
故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种能够准确并全面表征模拟海堤的整个土体管涌的发生发展过程的海堤工程管涌现象的试验装置及试验方法。
为实现上述发明目的，本发明研究海堤工程管涌现象的试验装置可采用如下技术方案：
一种研究海堤工程管涌现象的试验装置，包括具有进水口的模型槽、连接进水口的基于单片机的智能水头控制系统、位于模型槽外侧面不同位置的若干水头测量装置、设置于模型槽内上游处的透水板、设置于模型槽内下游处的安装隔板、设置于安装隔板外侧的排水孔、排水孔下部接有电子流量计。
与现有技术相比，本发明研究海堤工程管涌现象的试验装置通过基于单片机的智能水头控制系统使施加于土样的水头差随时间呈正弦曲线变化，模拟海浪、潮汐等循环涨落水流对海堤工程的冲击作用，同时也克服了现有管涌试验模型装置误差大、尺寸效应明显及精度低等的缺陷。通过设置水压力传感器、电子流量计等测量装置分别测定、采集土样在水头循环涨落作用下的水头、流量等参数，然后将这些数据分析后获得土样同一水位流速-水头循环次数变化曲线、临界水力梯度-水头循环次数变化曲线等曲线图，进而全面表征模拟海堤的整个土体管涌的发生发展过程。
附图说明
图1是本发明研究海堤工程管涌现象的试验装置的结构示意图。
图2是本发明使用研究海堤工程管涌现象的试验装置的试验方法的流程图。
图3是本发明试验方法中得到的土样同一水位流速-水头循环次数变化曲线图。
图4是本发明试验方法中得到的土样临界水力梯度-水头循环次数变化曲线图。
图中，1、模型槽，2、透水板，3、隔板，4、排水孔，5、进水口，6、管道，7、基于单片机的智能水头控制系统，8、有机玻璃盖板，9、水头测量装置，10、数据采集及传输模块，11、电子流量计，12、计算机终端，13、电机，14、控制箱，15、水头升降装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
请参阅图1所示，本发明公开一种研究海堤工程管涌现象的试验装置，包括具有进水口5的模型槽1、连接进水口的基于单片机的智能水头控制系统7、位于模型槽1外侧面不同位置的若干水头测量装置9、设置于模型槽1内上游处的透水板2、设置于模型槽1内下游处的隔板3、设置于隔板3外侧的排水孔4、排水孔4下部接有电子流量计11。
所述基于单片机的智能水头控制系统7包括水头升降装置15、控制水头升降装置15的电机13及控制电机13的控制箱14，所述水头升降装置15通过管道6连接进水口5。该基于单片机的智能水头控制系统7，能够使施加于土样的上游水头自动地随时间呈正弦曲线形式规律性的变化，以模拟海浪、潮汐等水位循环涨落作用下海堤工程的管涌破坏情况；智能改变水头，自动化程度高，减少了人为操作带来的误差，精确度高。
所述水头测量装置9为水压力传感器，所述水压力传感器通过数据采集及传输模块10连接于计算机终端12。水压力传感器读数精度为mm，可以实时监测记录渗流过程中每一秒的模型槽1各处的水头高度。
所述电子流量计11直接连接于计算机终端12，能实时监测、连续记录模型试验各时刻的流量。
所述隔板3可在模型槽1中靠近透水板2或者远离透水板2移动，从而可以调整其在模型槽1内的位置以改变渗径长度，可模拟海堤各种水力梯度下的渗透破坏发展过程，再现各种水力梯度下的海堤工程管涌的发生发展情况。
请参阅图2所示，所述的研究海堤工程管涌现象的试验装置的试验方法包括如下步骤：
（1）、向模型槽中填筑土样，通过基于单片机的智能水头控制系统加水，使土样缓慢饱和直至完全排除土样中的空气；
（2）、由基于单片机的智能水头控制系统向模型槽内施加随时间呈规律性变化的水头差，模拟海堤工程所受海浪、潮汐等水位循环涨落的作用，在水头差的作用下，水流经过透水板，在模型槽土样内形成渗流场；
（3）、水头测量装置采集模型槽内不同位置土体的各个时刻的水头数据；
（4）、电子流量计实时监测并记录整个渗流发展过程中的流量，直至土样管涌等渗透破坏；
（5）、对测得水头、流量数据进行分析，分别作出土样同一水位流速-水头循环次数变化曲线、临界水力梯度-水头循环次数变化曲线等变化曲线图，以对管涌等渗透破坏现象进行表征。
所述步骤（2）中，通过基于单片机的智能水头控制系统，向土样施加随时间呈正弦曲线形式变化的循环涨落的水头差，以模拟海堤工程所受海浪、潮汐等循环涨落水流的冲击作用。
另外，下面对照图3、图4，说明应用本发明研究水头循环涨落作用下的管涌发生发展过程。
如图3所示，其为本发明模拟海堤管涌发生发展过程的土样同一水位流速-水头循环次数变化曲线图，由图3可看出，在每一次水头升降冲刷的作用下，土样的抗渗性明显降低，在每一次循环过程中，土样同水位下降段的渗透流速大于上升段的流速；随着水头循环次数的增加，土样同一水位的流速趋于逐渐增大。
如图4所示，其为本发明模拟海堤管涌发生发展过程的临界水力梯度-水头循环次数变化曲线图，由图4可知，随着水头循环次数的增加，土样临界水力梯度的变化呈线性递减，但整体变化幅度不大。
综上所述，本发明具有以下的有益效果：
（1）能够模拟和研究海浪、潮汐等水位循环涨落作用下的海堤工程的渗流场，准确再现海堤工程的管涌破坏情况，克服了现有管涌试验模型装置误差大、尺寸效应明显及精度低等的缺陷。
（2）通过改变土样类型，可模拟均匀堤基、双层堤基、堤身等海堤工程的管涌等渗透破坏现象。
（3）通过改变模型槽隔板位置（渗径长度）的方式，可模拟海堤各种水力梯度下的管涌的发生发展过程。

Claims (6)

1.一种研究海堤工程管涌现象的试验装置，其特征在于：包括具有进水口的模型槽、连接进水口的基于单片机的智能水头控制系统、位于模型槽外侧面不同位置的若干水头测量装置、设置于模型槽内上游处的透水板、设置于模型槽内下游处的安装隔板、设置于安装隔板外侧的排水孔、排水孔下部接有电子流量计。
2.根据权利要求1所述的研究海堤工程管涌现象的试验装置，其特征在于：所述基于单片机的智能水头控制系统包括水头升降装置、控制水头升降装置的电机及控制电机的控制箱，所述水头升降装置通过管道连接进水口。
3.根据权利要求1所述的研究海堤工程管涌现象的试验装置，其特征在于：所述水头测量装置为水压力传感器，所述水压力传感器通过数据采集及传输模块连接于计算机终端。
4.根据权利要求1所述的研究海堤工程管涌现象的试验装置，其特征在于：所述隔板可在模型槽中靠近透水板或者远离透水板移动。
5.根据权利要求1所述的研究海堤工程管涌现象的试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）、向模型槽中填筑土样，通过基于单片机的智能水头控制系统加水，使土样缓慢饱和直至完全排除土样中的空气；
（2）、由基于单片机的智能水头控制系统向模型槽内施加随时间呈规律性变化的水头差，模拟海堤工程所受海浪、潮汐等水位循环涨落的作用，在水头差的作用下，水流经过透水板，在模型槽土样内形成渗流场；
（3）、水头测量装置采集模型槽内不同位置土体的各个时刻的水头数据；
（4）、电子流量计实时监测并记录整个渗流发展过程中的流量，直至土样管涌等渗透破坏；
（5）、对测得水头、流量数据进行分析，分别作出土样同一水位流速-水头循环次数变化曲线、临界水力梯度-水头循环次数变化曲线等变化曲线图，以对管涌等渗透破坏现象进行表征。
6.根据权利要求5所述研究海堤工程管涌现象的试验装置的试验方法，其特征在于，所述步骤（2）中，通过基于单片机的智能水头控制系统，向土样施加随时间呈正弦曲线形式变化的循环涨落的水头差，以模拟海堤工程所受海浪、潮汐等循环涨落水流的作用。
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