CN103424536A - 一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置及试验方法，涉及水利工程物理模型实验领域。本发明支架的上部水平布置悬臂，悬臂的一端连接出水槽，另一端连接进水槽；出水槽的下端软管连接悬移质集砂槽，进水槽的下端软管连接砂槽，悬移质集砂槽与砂槽之间连接水槽，靠近悬移质集砂槽一侧的水槽上连接推移质集砂槽，水槽的内壁上黏贴管袋织物，水槽内布置若干个水压力传感器，水压力传感器与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端连接计算机；砂槽内自靠近水槽的一侧向远离水槽的一侧依次布置装砂室、稳流室、进水室。本发明实现了装置简单、操作方便、加工成本低、经济适用，适用于小型物理模型试验简的目的。

Description

一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置及试验方法

 

技术领域

本发明涉及一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置及试验方法，该装置用以模拟潮汐水流以及波浪对管袋坝坝芯充填砂体通过袋间接缝管路发生渗透破坏的过程，属于水利工程物理模型实验领域。

 

背景技术

随着我国沿海地区经济的快速发展，管袋坝吹填砂土作为河口地区水库大坝和沿海港口围垦堤坝的工程应用越来越广范。充填管袋筑坝技术始于二十世纪五、六十年代，我国从香港国际机场、浦东国际机场、长江口航道整治至江苏、上海、浙江、福建等省市的沿海围垦造陆、河口蓄淡避咸水库、渤海湾的天津滨海新区开发、河北曹妃甸工业园区开发等大量河口海岸工程都采用了充填管袋技术。管袋充填堤坝一般先在水下充填两侧的大型土工管袋形成围堰，再往围堰中间充填砂土形成挡水堤坝，具有施工工艺简单快速、对软基的适应能力较好、施工基本不受潮位和降雨等影响、造价低等优点。

如图1所示，管袋坝一般是由多个充砂管袋层层叠加而成，管袋与管袋之间存在细长的接缝，在施工期未防护和施工完成防护不到位的情况下，由于管袋坝内外水位涨落引起的水压差及波浪形成的波动水流长期作用下，坝芯充填泥沙存在被水流渗透淘刷的风险，给坝体安全带来了隐患。目前关于在水流和波浪作用下管袋坝坝芯充填砂体通过袋间接缝管路发生渗透破坏的现象尚无研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种装置简单、操作方便、加工成本低、经济适用，适用于小型物理模型试验简的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置及试验方法。

一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，包括支架，支架的上部水平布置悬臂，悬臂的一端连接出水槽，另一端连接进水槽；出水槽的下端软管连接悬移质集砂槽，进水槽的下端软管连接砂槽，悬移质集砂槽与砂槽之间连接水槽，靠近悬移质集砂槽一侧的水槽上连接推移质集砂槽，水槽的内壁上黏贴管袋织物，水槽内布置若干个水压力传感器，水压力传感器与数据采集卡连接，数据采集卡的输出端连接计算机；砂槽内自靠近水槽的一侧向远离水槽的一侧依次布置装砂室、稳流室、进水室，装砂室的上端设置通过加载室法兰止水锚固连接的硅胶膜，加载室的上端设置气囊，气囊上连接空压机；进水槽通过两根软管分别与集水槽连接，其中一根软管上连接水泵，出水槽的下端通过软管与集水槽连接。

本发明悬臂的下端连接两个定滑轮，其中一个定滑轮的下端连接出水槽，另一个定滑轮的下端连接进水槽，出水槽的下端连接铁块，进水槽的下端连接第一曲柄的一端，第一曲柄的另一端连接第一调速电机。

本发明水槽上法兰连接软管的一端，软管的另一端连接调压槽，软管上设置水囊，水囊的两侧分别夹持底座、压板，压板与第二曲柄的一端连接，第二曲柄的另一端连接调第二速电机，位于水槽与调压槽之间的软管上设置第三流量控制阀。

基于本发明的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，首先通过空压机给气囊充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽和出水槽保持相同水位，浸泡装砂室内的砂体至饱和；调节悬臂水平角度，使进水槽和出水槽维持一定水头差，水流从进水室依次进入稳流室、装砂室、水槽、悬移质集砂槽、出水槽以及集水槽，整个装置通过水泵维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

基于本发明的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，首先通过空压机给气囊充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽和出水槽保持相同水位，浸泡装砂室内的砂体至饱和；调节悬臂水平角度，使进水槽和出水槽维持一定水头差，水流从进水室依次进入稳流室、装砂室、水槽、悬移质集砂槽、出水槽以及集水槽，整个装置通过水泵维持水循环；试验过程中通过第一调速电机带动第一曲柄旋转并带动进水槽和出水槽上下往复升降，形成往复水头差；并维持稳定达到30分钟后，通过更换第一曲柄尺寸调节往复水头差大小，进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

基于本发明的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，首先通过空压机给气囊充气，并通过调压阀调节压力；初始时将调压槽和出水槽保持相同水位，浸泡装砂室内的砂体至饱和；调节悬臂水平角度，使进水槽和出水槽维持一定水头差，水流从进水室依次进入稳流室、装砂室、水槽、悬移质集砂槽、出水槽以及集水槽，整个装置通过水泵维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止；

在此过程中，在调压槽内注水至设计高度后，通过第二调速电机带动第二曲柄旋转，第二曲柄带动压板往复挤压水囊产生波动水流；通过调节第三流量控制阀开口大小控制波动压力大小；通过第二调速电机调节波动周期；通过调节压板行程控制挤压水量；试验时在水槽端部率定波动水流能量，使其符合实际波动水流能量范围，当某一级波动水压力作用下各部位砂体维持稳定达到30分钟以上，调节波动压力和波动周期继续下一级试验，依此循环。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比具有如下优点：本发明提供了一种模拟管袋坝坝芯充填砂体通过袋间接缝管路发生渗透破坏现象的试验装置和试验方法。该装置可模拟坝芯充填砂体在单向水流、往复水流以及波动水流三种工况作用下通过袋间接缝管路产生的渗透掏刷作用。该装置水槽、砂槽均采用有机玻璃制成，砂槽内砂源采用标准彩砂分区域预埋，可直观的观察砂源砂粒的掏刷规律以及在水槽中细观运移过程；加载室与装砂室采用硅胶膜隔开，即起到止水作用又能将气压均匀的传递至砂体，常规机械加载则无法实现不均匀沉降下的均匀加载。往复水流模拟装置可通过自由调节提供多种周期和水压差的往复水流；波动水流模拟装置可模拟多种波动周期和波动幅度的水流条件，装置简单、操作方便、加工成本低，相对于几十万甚至几百万的造波机则非常经济适用，适用于小型物理模型试验。

 

附图说明

图1是管袋堤坝典型断面图

图2是本发明装置整体结构布置示意图

图3是往复水流简易发生装置示意图

图4是波动水流简易发生装置示意图

图中：1、砂槽，2 、空压机，3、水槽，4、支架，5、推移质集砂槽，6、数据采集卡，7、计算机，8、悬移质集砂槽，9、流量传感器，10、集水槽，11、水泵，12、出水槽，13-1、第一流量控制阀，13-2、第二流量控制阀，13-3、第三流量控制阀，14、悬臂，15、进水槽，16、高清摄像机，17-1、第一无纺布，17-2、第二无纺布，18、水压力传感器，19-1、第一排气阀，19-2、第二排气阀,20、硅胶膜，21、气囊，22、装砂室，23、稳流室，24、进水室，25、加载室，26、铁块，27-1、第一调速电机，27-2、第二调速电机，28、定滑轮，29-1、第一曲柄，29-2、第二曲柄，30、调压槽，31、水囊，32、底座，33、压板。

 

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

如图2所示，一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，包括支架4，支架4的上部水平布置悬臂14，悬臂14的一端连接出水槽12，另一端连接进水槽15；出水槽12的下端软管连接悬移质集砂槽8，进水槽15的下端软管连接砂槽1，悬移质集砂槽8与砂槽1之间连接水槽3，靠近悬移质集砂槽8一侧的水槽3上连接推移质集砂槽5，水槽3的内壁上黏贴管袋织物，水槽3内布置若干个水压力传感器18，水压力传感器18与数据采集卡6连接，数据采集卡6的输出端连接计算机7；砂槽1内自靠近水槽3的一侧向远离水槽3的一侧依次布置装砂室22、稳流室23、进水室24，装砂室22的上端设置通过加载室25法兰止水锚固连接的硅胶膜20，加载室25的上端设置气囊21，气囊21上连接空压机2；进水槽15通过两根软管分别与集水槽10连接，其中一根软管上布置水泵11，出水槽12的下端通过软管与集水槽10连接。

如图3所示，本发明悬臂14的下端连接两个定滑轮28，其中一个定滑轮的下端连接出水槽12，另一个定滑轮的下端连接进水槽15，出水槽12的下端连接铁块26，进水槽15的下端连接第一曲柄29-1的一端，第一曲柄29-1的另一端连接第一调速电机27-1。

如图4所示，本发明水槽3上法兰连接软管的一端，软管的另一端连接调压槽30，软管上设置水囊31，水囊31的两侧分别夹持底座32、压板33，压板33与第二曲柄29-2的一端连接，第二曲柄29-2的另一端连接调第二速电机27-2，位于水槽3与调压槽30之间的软管上设置第三流量控制阀13-3。

本发明的装砂室22内布置彩色砂体，水槽3的外周布置高清摄像机16。

本发明悬移质集砂槽8内水平布置用于对砂体颗粒进行反滤的第一无纺布17-1，上述装砂室22与稳流室23之间纵向布置用于对砂体颗粒进行反滤的第二无纺布17-2。

本发明位于出水槽12与悬移质集砂槽8之间的软管上分别设置第一流量控制阀13-1、流量传感器9，位于进水槽15与进水室24之间的软管上设置第二流量控制阀13-2；水槽3上设置第一排水阀19-1，进水室24上设置第二排水阀19-2。

基于图2所示的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，为单向水流作用下坝芯充填砂体渗透掏刷模型试验，首先通过空压机2给气囊21充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽15和出水槽12保持相同水位，浸泡装砂室22内的砂体至饱和；调节悬臂14水平角度，使进水槽15和出水槽12维持一定水头差，水流从进水室24依次进入稳流室23、装砂室22、水槽3、悬移质集砂槽8、出水槽12以及集水槽10，整个装置通过水泵11维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂14水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽5内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

基于图2和图3所示的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，为往复水流作用下坝芯充填砂体渗透掏刷模型试验，首先通过空压机2给气囊21充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽15和出水槽12保持相同水位，浸泡装砂室22内的砂体至饱和；调节悬臂14水平角度，使进水槽15和出水槽12维持一定水头差，水流从进水室24依次进入稳流室23、装砂室22、水槽3、悬移质集砂槽8、出水槽12以及集水槽10，整个装置通过水泵11维持水循环；试验过程中通过第一调速电机27-1带动第一曲柄29-1旋转并带动进水槽15和出水槽12上下往复升降，形成往复水头差；并维持稳定达到30分钟后，通过更换第一曲柄29-1尺寸调节往复水头差大小，进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽5内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

基于图2和图4所示的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，为波动水流作用下坝芯充填砂体渗透掏刷模型试验，首先通过空压机2给气囊21充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽15和出水槽12保持相同水位，浸泡装砂室22内的砂体至饱和；调节悬臂14水平角度，使进水槽15和出水槽12维持一定水头差，水流从进水室24依次进入稳流室23、装砂室22、水槽3、悬移质集砂槽8、出水槽12以及集水槽10，整个装置通过水泵11维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂14水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽5内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止；

在此过程中，在调压槽30内注水至设计高度后，通过第二调速电机27-2带动第二曲柄29-2旋转，第二曲柄29-2带动压板33往复挤压水囊31产生波动水流；通过调节第三流量控制阀13-3开口大小控制波动压力大小；通过第二调速电机27-2调节波动周期；通过调节压板33行程控制挤压水量；试验时在水槽端部率定波动水流能量，使其符合实际波动水流能量范围，当某一级波动水压力作用下各部位砂体维持稳定达到30分钟以上，调节波动压力和波动周期继续下一级试验，依此循环。

试验过程中通过压力传感器18监测各部位水压力变化；通过高清摄像机16记录颗粒和有色水流移动速度以及各颜色颗粒运动规律；通过推移质集砂槽5收集推移为主的粗颗粒流失量；通过悬移质集砂槽8收集以悬移为主的细颗粒流失量；通过流量传感器9监测流量；所述支架4支撑进水槽15和出水槽12；所述流量控制阀13调节试验中流量大小；所述无纺布起到对砂颗粒的反滤作用；所述排气阀起到试验进水时排气作用。

Claims (9)

1.一种管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于包括支架（4），支架（4）的上部水平布置悬臂（14），悬臂（14）的一端连接出水槽（12），另一端连接进水槽（15）；出水槽（12）的下端软管连接悬移质集砂槽（8），进水槽（15）的下端软管连接砂槽（1），悬移质集砂槽（8）与砂槽（1）之间连接水槽（3），靠近悬移质集砂槽（8）一侧的水槽（3）上连接推移质集砂槽（5），水槽（3）的内壁上黏贴管袋织物，水槽（3）内布置若干个水压力传感器（18），水压力传感器（18）与数据采集卡（6）连接，数据采集卡（6）的输出端连接计算机（7）；砂槽（1）内自靠近水槽（3）的一侧向远离水槽（3）的一侧依次布置装砂室（22）、稳流室（23）、进水室（24），装砂室（22）的上端设置通过加载室（25）法兰止水锚固连接的硅胶膜（20），加载室（25）的上端设置气囊（21），气囊（21）上连接空压机（2）；进水槽（15）通过两根软管分别与集水槽（10）连接，其中一根软管上布置水泵（11），出水槽（12）的下端通过软管与集水槽（10）连接。

2.根据权利要求1所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于上述悬臂（14）的下端连接两个定滑轮（28），其中一个定滑轮的下端连接出水槽（12），另一个定滑轮的下端连接进水槽（15），出水槽（12）的下端连接铁块（26），进水槽（15）的下端连接第一曲柄（29-1）的一端，第一曲柄（29-1）的另一端连接第一调速电机（27-1）。

3.根据权利要求2所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于上述水槽（3）上法兰连接软管的一端，软管的另一端连接调压槽（30），软管上设置水囊（31），水囊（31）的两侧分别夹持底座（32）、压板（33），压板（33）与第二曲柄（29-2）的一端连接，第二曲柄（29-2）的另一端连接调第二速电机（27-2），位于水槽（3）与调压槽（30）之间的软管上设置第三流量控制阀（13-3）。

4.根据权利要求1所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于上述装砂室（22）内布置彩色砂体，水槽（3）的外周布置高清摄像机（16）。

5.根据权利要求1所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于上述悬移质集砂槽（8）内水平布置用于对砂体颗粒进行反滤的第一无纺布（17-1），上述装砂室（22）与稳流室（23）之间纵向布置用于对砂体颗粒进行反滤的第二无纺布（17-2）。

6.根据权利要求1所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置，其特征在于上述位于出水槽（12）与悬移质集砂槽（8）之间的软管上分别设置第一流量控制阀（13-1）、流量传感器（9），位于进水槽（15）与进水室（24）之间的软管上设置第二流量控制阀（13-2）；水槽（3）上设置第一排水阀（19-1），进水室（24）上设置第二排水阀（19-2）。

7.基于权利要求1所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，其特征在于首先通过空压机（2）给气囊（21）充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽（15）和出水槽（12）保持相同水位，浸泡装砂室（22）内的砂体至饱和；调节悬臂（14）水平角度，使进水槽（15）和出水槽（12）维持一定水头差，水流从进水室（24）依次进入稳流室（23）、装砂室（22）、水槽(3)、悬移质集砂槽（8）、出水槽（12）以及集水槽（10），整个装置通过水泵（11）维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂（14）水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽（5）内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

8.基于权利要求1或2所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，其特征在于首先通过空压机（2）给气囊（21）充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽（15）和出水槽（12）保持相同水位，浸泡装砂室（22）内的砂体至饱和；调节悬臂（14）水平角度，使进水槽（15）和出水槽（12）维持一定水头差，水流从进水室（24）依次进入稳流室（23）、装砂室（22）、水槽(3)、悬移质集砂槽（8）、出水槽（12）以及集水槽（10），整个装置通过水泵（11）维持水循环；试验过程中通过第一调速电机（27-1）带动第一曲柄（29-1）旋转并带动进水槽（15）和出水槽（12）上下往复升降，形成往复水头差；并维持稳定达到30分钟后，通过更换第一曲柄（29-1）尺寸调节往复水头差大小，进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽（5）内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止。

9.基于权利要求1或2或3所述的管袋坝袋间接缝管路渗透破坏试验装置的试验方法，其特征在于首先通过空压机（2）给气囊（21）充气，并通过调压阀调节压力；初始时将进水槽（15）和出水槽（12）保持相同水位，浸泡装砂室（22）内的砂体至饱和；调节悬臂（14）水平角度，使进水槽（15）和出水槽（12）维持一定水头差，水流从进水室（24）依次进入稳流室（23）、装砂室（22）、水槽(3)、悬移质集砂槽（8）、出水槽（12）以及集水槽（10），整个装置通过水泵（11）维持水循环；试验过程中当某一级水头差下各部位砂体维持稳定达到30分钟后，再次调节悬臂（14）水平角度进入下一级水头差；依此循环，直至砂槽（5）内颗粒流失至水槽外或者水头差达到实际工程水位差上限为止；

在此过程中，在调压槽（30）内注水至设计高度后，通过第二调速电机（27-2）带动第二曲柄（29-2）旋转，第二曲柄（29-2）带动压板（33）往复挤压水囊（31）产生波动水流；通过调节第三流量控制阀（13-3）开口大小控制波动压力大小；通过第二调速电机（27-2）调节波动周期；通过调节压板（33）行程控制挤压水量；试验时在水槽端部率定波动水流能量，使其符合实际波动水流能量范围，当某一级波动水压力作用下各部位砂体维持稳定达到30分钟以上，调节波动压力和波动周期继续下一级试验，依此循环。

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