CN103233441A - 一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型及试验方法。模型装置由基于单片机的智能水位调节系统、箱式试验仪、下游水位调节室、数据采集装置四部分组成。其通过上下游水位同调系统，对土样施加水头差，模拟堤基上、下游在洪水期间不同水头下的渗透作用。通过改变土样类型，可模拟均匀堤基、双层堤基、三层堤基等多元堤基的管道式管涌型渗透变形现象；通过改变箱式试验仪出逸孔位置的方式，可模拟堤基各种水力条件下的管涌等渗透变形过程。通过采用本发明提供的测量装置，按照本发明提供的试验方法，可以较准确地反映多元堤基管道式管涌型渗透变形的发生发展过程。

Description

一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型及试验方法

技术领域

    本发明涉及一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型及试验方法，属于水利工程物理模型试验领域。

背景技术

我国的堤防建设已有几千年的历史，目前在长江和黄河流域两岸的堤防，很多都是经历代修建而成，有着悠久的历史。正是由于现有堤防是历史上多次修建、破坏、再修复加固而逐渐形成的，因此堤防的质量存在着不少的隐患，一到汛期便险象环生。

统计资料表明，大多数堤基防渗能力差，堤基中薄弱环节的存在，就要求采取必要的防渗措施，然而现有的这方面措施很不完善，而且许多堤防未做基础处理，因此，流土、管涌等堤基的渗透破坏在堤防工程中非常普遍。故加强对堤基渗透变形乃至破坏的研究，关乎国民生计，意义重大。堤基的渗透变形问题已经受到了学术及工程界的普遍关注。

目前，关于堤基渗透变形的数值模拟多局限于有限元渗流模拟的范围，但其无法考虑颗粒流失引起的水土作用过程，故很难全面表征堤基渗透变形的发展过程。相比于有限元数值模拟，物理模型试验原理简单，现象较直观，针对性强。

以往的堤基渗透变形模型试验方法，一般只在土样上游施加水头差，与工程实际中堤基上下游同时承受不同水头的情况还有一定的差别，不能科学的表征堤基上、下游在洪水期间不同水头下的渗透作用。另外，以往的渗透变形研究试验仪器一般为窄槽，尺寸较小，一般人工观测数据，精度较低，无法监测渗透变形过程中渗流场的动态变化，不能获得渗流发展过程中瞬态的水力参数，难以较准确反映堤基非饱和非均匀渗流与渗透破坏现象，也不能满足堤基管涌等渗透变形研究的要求。

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多元堤基管道式管涌型渗透变形的发生发展过程的模型装置及试验方法。

为实现上述发明目的，本发明研究多元堤基管道式管涌型渗透变形的模拟试验装置采用如下技术方案：

一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验装置，包括箱式试验仪、基于单片机的智能水位调节系统、下游水位调节室及数据采集装置，其特征在于：箱式试验仪上游设有进水口，经进水塑料软管与基于单片机的智能水位调节系统相连，进水口右侧及下游安装透水板，箱式试验仪外侧面设有多个水压力传感器，下游设有水位调节室，最右侧侧壁底部开有排水孔，排水孔下部经出水塑料软管接有智能电子流量计；箱式试验仪上部加盖有机玻璃盖板，有机玻璃盖板与箱式试验仪之间用多个螺栓固定，有机玻璃盖板上开有多个出逸孔，出逸孔孔口用橡胶塞封堵；出逸孔周围三面设有挡水板，使带砂的水由另一面的水砂收集口排出。所述的下游水位调节室位于下游透水板右侧，水位调节室左侧顶部外侧经进水阀、联接软管与一智能电子流量计相连，智能电子流量计外侧经塑料软管与下游进水管连接；水位调节室右侧从上到下均匀开有水位调节孔，水位调节孔用橡胶塞封堵。

所述的基于单片机的智能水位调节系统包括供水装置、控制供水装置的可变频交流电机及控制电机的中央控制盒，所述供水装置通过进水塑料软管连接进水口。所述的水压力传感器共三排，呈梅花形布置于箱式试验仪的外侧面。

所述的数据采集装置由智能电子流量计、水压力传感器、数据采集及传输模块、数据终端组成。

具体而言，所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验方法，包括以下步骤：

a．向箱式试验仪内分层填筑土样，每层装填完毕则进行压实、饱和处理；b．将有机玻璃盖板与箱式试验仪周边用多个螺栓固定，接触面涂抹凡士林，有机玻璃盖板的出逸孔用橡胶塞封堵；c．逐渐增加水头差，当水头差达到设定值后，保持数小时，直到下游排水孔流量稳定，记录此时的流量数据；d．待下游排水孔流量稳定后，打开紧靠下游的出逸孔的橡胶塞，观察、记录出逸口的试验现象，并及时连续地量取出逸孔外水砂收集口的渗流量及出砂量，由智能电子流量计实时采集下游排水孔的流量，同时水压力传感器采集箱式试验仪内不同位置土样的各个时刻的水头数据，直至土样发生管道式管涌型渗透变形，试验停止；e．其他条件不变，不断改变出逸孔的位置，即依次打开有机玻璃盖板远离上游的各个出逸孔的橡胶塞，重复以上各步骤，完成出逸孔位置不同的多组模型试验；f．对测得水头、流量数据进行分析，分别作出土样出逸孔、下游排水孔渗流量—上下游水头差变化曲线、临界水力梯度-水平渗径长度变化曲线，以对多元堤基管道式管涌型渗透变形现象进行表征。

所述步骤c中，所述的增加水头差，是利用上下游水位同调系统实现的，所述的上下游水位同调系统是由上游基于单片机的智能水位调节系统及箱式试验仪下游方向的水位调节室组成的：以下游水位调节室将土样下游水位稳定在某一水位，上游利用基于单片机的智能水位调节系统逐渐增加水头。

本发明的有益效果：

1、提供了一种新的模拟多元堤基管道式管涌型渗透变形的装置和方法；

2、其通过上游基于单片机的智能水位调节系统及箱式试验仪下游方向的水位调节室组成的上下游水位同调系统，对土样施加随时间变化的水头差，可以较科学的模拟堤基上、下游在洪水期间不同水头下的渗透作用，准确再现堤基的渗透变形情况，针对性强；

3、通过设置水压力传感器、智能电子流量计等测量装置，可以获得渗流发展过程中瞬态的水力参数，全程监测渗透变形过程中渗流场的动态变化，得以较准确反映堤基非饱和非均匀渗流与渗透变形现象；

2、通过改变土样类型，可模拟均匀堤基、双层堤基、三层堤基等多元堤基的管道式管涌型渗透变形现象，适用范围较广；

3、通过改变箱式试验仪出逸孔位置的方式，可模拟多元堤基各种水力条件下的管道式管涌型渗透变形的发生发展过程。

附图说明

图1是本发明多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置的结构示意图。

图2是本发明多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验方法的流程图。

图3是本发明试验方法中得到的土样出逸孔、下游排水孔渗流量—上下游水头差变化曲线图。

图4是本发明试验方法中得到的土样临界水力梯度-水平渗径长度变化曲线图。

图中，1、有机玻璃盖板，2、透水板，3、下游透水板，4、出逸孔，5、挡水板，6、水砂收集口，7、水压力传感器，8、数据采集及传输模块，9、数据终端，10、联接软管，11、进水管，12、进水阀，13、水位调节孔，14、橡胶塞，15、智能电子流量计，16、塑料软管，17、出水塑料软管，18、智能电子流量计，19、进水口，20、进水塑料软管，21、箱式试验仪，22、水位调节室，23、排水孔，24、供水装置，25、可变频交流电机，26、中央控制盒，27、基于单片机的智能水位调节系统，28、下游进水管。

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多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验装置，包括箱式试验仪、基于单片机的智能水位调节系统、数据采集装置：箱式试验仪21上游设有进水口19，经进水塑料软管20与基于单片机的智能水位调节系统27相连，进水口19右侧安装透水板2，下游安装下游透水板3，箱式试验仪21外侧面设有多个水压力传感器，下游设有水位调节室22，最右侧侧壁底部开有排水孔23，排水孔23下部经出水塑料软管17接有智能电子流量计18；箱式试验仪上部加盖有机玻璃盖板1，有机玻璃盖板与箱式试验仪之间用多个螺栓固定，有机玻璃盖板上开有多个出逸孔4，出逸孔4孔口用橡胶塞封堵；出逸孔4周围三面设有挡水板5，使带砂的水由另一面的水砂收集口6排出。

所述基于单片机的智能水位调节系统27包括供水装置24、控制供水装置24的可变频交流电机25及控制电机25的中央控制盒26，所述供水装置24通过进水塑料软管20连接进水口19。该基于单片机的智能水位调节系统27，能够使施加于土样的上游水头自动地随时间发生规律性的变化，以模拟不同水头差工况下堤基的渗透变形情况；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。

所述的水压力传感器7共三排，呈梅花形布置于箱式试验仪21的外侧面；水压力传感器7通过数据采集及传输模块8连接于数据终端9，可实时（精度为秒）监测并自动、精准地记录土样不同位置的水头数据。

所述的数据采集装置由智能电子流量计15、智能电子流量计18、水压力传感器7、数据采集及传输模块8、数据终端9组成。

所述的出逸孔4与下游排水孔23均为箱式试验仪21的排水出口，其中，出逸孔4排水带砂，模拟堤基管道式管涌型渗透变形的渗流出口；下游排水孔23只排水、不排砂，模拟堤基正常的渗流出水。

所述的下游水位调节室22位于下游透水板3右侧，水位调节室22左侧顶部外侧经进水阀12、联接软管11与一智能电子流量计15相连，智能电子流量计15外侧经塑料软管16与下游进水管28相连；水位调节室22右侧从上到下均匀开有水位调节孔13，水位调节孔13用橡胶塞14封堵。

请参阅图2所示，所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验方法，包括如下步骤：

土样取长江、秦淮河交接处天然粉细砂，开展渗透变形的发生发展试验，粉细砂基本参数见表1。

（1）向箱式试验仪21中填筑土样，分层装填，每层装填完就进行压实、排气及饱和处理；

（2）将有机玻璃盖板1与箱式试验仪21周边用多个螺栓固定，接触面涂抹凡士林，有机玻璃盖板1上的出逸孔4用橡胶塞封堵；

（3）以下游水位调节室22将土样下游水位稳定在某一水位，上游利用基于单片机的智能水位调节系统27逐渐增加水头，当水头差达到设定值后，保持数小时，直到下游排水孔流量稳定，记录此时的流量数据；（4）待下游排水孔23流量稳定后，打开紧靠下游的出逸孔4的橡胶塞，观察、记录出逸口4的试验现象，并及时连续地量取出逸孔4外水砂收集口6的渗流量及出砂量，由智能电子流量计15、18实时采集下游排水孔的流量，同时水压力传感器7采集箱式试验仪21内不同位置土样的各个时刻的水头数据，直至土样发生管道式管涌型渗透变形，试验停止；

（5）其他条件不变，不断改变出逸孔4的位置，即依次打开有机玻璃盖板1远离上游的各个出逸孔4的橡胶塞，重复以上各步骤，完成出逸孔4位置不同的多组模型试验；

（6）对测得水头、流量数据进行分析，分别作出土样出逸孔4、下游排水孔23渗流量—上下游水头差变化曲线、临界水力梯度-水平渗径长度变化曲线，以对多元堤基管道式管涌型渗透变形现象进行表征。

所述下游排水孔流量为智能电子流量计18与智能电子流量计15测得的流量数据之差。

另外，下面对照图3、图4，说明应用本发明研究多元堤基管道式管涌型渗透变形的发生发展过程。

如图3所示，其为本发明模拟多元堤基管道式管涌型渗透变形发生发展过程的土样出逸孔、下游排水孔渗流量—上下游水头差变化曲线图，由图3可看出，在上游水位未达到破坏水头49 cm以前，出逸孔和下游排水孔口流量数值增长均匀，关系曲线均呈现近似直线形状。当渗透变形通道形成后，出逸孔处渗流量急剧增加，排水孔流量则有所下降。加每一级水头后，出水口流量稳定也是具有一定规律的。在增加上游水头之初，出逸孔流量增加很快且增加值较大，而排水孔口水流量增加很小。前者具有减小趋势，后者具有增加趋势。经过一段时间后，出逸孔流量逐渐减少至稳定数值，排水孔口流量也逐渐增大至稳定数值。如图4所示，其为本发明模拟多元堤基管道式管涌型渗透变形的发生发展过程的临界水力梯度-水平渗径长度曲线图，由图4可知，随着水平渗径长度的增加，土样临界水力梯度的变化呈递增趋势，但增幅却逐渐减小。

表1 长江、秦淮河交接处天然粉细砂基本参数

粒径/mm	干密度/(g/cm3)	比重Gs	渗透系数k20/(cm/s)
				0.06～1	1.5	2.65	1.22E-04

Claims (6)

1.一种多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置，包括箱式试验仪、基于单片机的智能水位调节系统、下游水位调节室、数据采集装置，其特征在于：箱式试验仪上游设有进水口，经进水塑料软管与基于单片机的智能水位调节系统相连，进水口右侧及下游安装透水板，箱式试验仪外侧面设有多个水压力传感器，下游设有水位调节室，最右侧侧壁底部开有排水孔，排水孔下部经出水塑料软管接有智能电子流量计；箱式试验仪上部加盖有机玻璃盖板，有机玻璃盖板与箱式试验仪之间用多个螺栓固定，有机玻璃盖板上开有多个出逸孔，出逸孔孔口用橡胶塞封堵；出逸孔周围三面设有挡水板，使带砂的水由另一面的水砂收集口排出；    所述的下游水位调节室位于下游透水板右侧，水位调节室左侧顶部外侧经进水阀、联接软管与一智能电子流量计相连，智能电子流量计外侧经塑料软管与下游进水管连接；水位调节室右侧从上到下均匀开有水位调节孔，水位调节孔用橡胶塞封堵。

2.根据权利要求1所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置，其特征在于：所述的基于单片机的智能水位调节系统包括供水装置、控制供水装置的可变频交流电机及控制电机的中央控制盒，所述供水装置通过进水塑料软管连接进水口。

3.根据权利要求1所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置，其特征在于：所述的水压力传感器共三排，呈梅花形布置于箱式试验仪的外侧面。

4.根据权利要求1所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置，其特征在于：所述的数据采集装置由智能电子流量计、水压力传感器、数据采集及传输模块、数据终端组成。

5.根据权利要求1所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型装置的试验方法，包括如下步骤：

a．向箱式试验仪内分层填筑土样，每层装填完毕则进行压实、饱和处理；

b．将有机玻璃盖板与箱式试验仪周边用多个螺栓固定，接触面涂抹凡士林，有机玻璃盖板上的出逸孔用橡胶塞封堵；

c．逐渐增加水头差，当水头差达到设定值后，保持数小时，直到下游排水孔流量稳定，记录此时的流量数据；

其特征在于，还包括以下步骤：

d．待下游排水孔流量稳定后，打开紧靠下游的出逸孔的橡胶塞，观察、记录出逸口的试验现象，并及时连续地量取出逸孔外水砂收集口的渗流量及出砂量，由智能电子流量计实时采集下游排水孔的流量，同时水压力传感器采集箱式试验仪内不同位置土样的各个时刻的水头数据，直至土样发生管道式管涌型渗透变形，试验停止；

e．其他条件不变，不断改变出逸孔的位置，即依次打开有机玻璃盖板远离上游的各个出逸孔的橡胶塞，重复以上各步骤，完成出逸孔位置不同的多组模型试验；

f．对测得水头、流量数据进行分析，分别作出土样出逸孔、下游排水孔渗流量—上下游水头差变化曲线、临界水力梯度-水平渗径长度变化曲线，以对多元堤基管道式管涌型渗透变形现象进行表征。

6.根据权利要求5所述的多元堤基管道式管涌型渗透变形的模型试验方法，其特征在于：所述步骤c中，所述的增加水头差，是利用上下游水位同调系统实现的，所述上下游水位同调系统是由上游基于单片机的智能水位调节系统及箱式试验仪下游方向的水位调节室组成的：以下游水位调节室将土样下游水位稳定在某一水位，上游利用基于单片机的智能水位调节系统逐渐增加水头。

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