CN104790338A - 一种接触冲刷水工模型 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水工模型，特别涉及一种模拟土石结合部接触冲刷规律的水工模型，其IPC国际专利分类号E02B 1/02，属于水利领域。本发明的水工模型，采用的接触冲刷试验仪，包括箱体、底座、上缘和顶盖，顶盖的中部设有可活动顶盖，箱体由横截面为矩形的透明有机玻璃方管制成，底座位于所述箱体内的部分设有矩形凹槽，所述凹槽的上部设有透水钢板。本发明的试验方法，可进行不同条件下的接触冲刷试验，操作方便且简单易行，工作效率显著提高，投资少，简单易行。箱体采用透明的有机玻璃，方便试验过程中各种现象的观测。
Description
技术领域：
本发明涉及一种水工模型，特别涉及一种模拟土石结合部接触冲刷规律的水工模型，其IPC国际专利分类号E02B 1/02，属于水利领域。
背景技术：
穿堤建筑物与堤防土石结合部是堤防的薄弱环节，素有“一涵闸一险工”之说，特别是由于回填土不密实、不均匀沉降、地基不良等原因常会引起土石结合部产生裂缝或其他缺陷而发生渗透破坏，较危险的渗透破坏类型是建筑物与土堤接触面上的接触冲刷破坏，例如沿基土或侧向、顶部填土与建筑物接触面，在高水位、长时间浸泡作用下，先是接触部位颗粒从渗流出口被带出，进而形成渗流通道，引起堤防溃决。因此，开展堤防涵闸土石结合部接触冲刷渗透破坏相关问题研究具有重要的现实意义和实际工程应用价值。
但目前常规的渗透试验仅可测定土的渗透系数，而对于接触冲刷这一渗透破坏类型的试验，目前没有相关的试验仪器，如采用常规的渗透装置，将会产生如下问题：
(1)如模拟水闸底板或侧墙等混凝土结构与土基的接触冲刷时，需制混凝土板，且水闸各构件多为长方体结构，但常规渗透仪器为圆形，模具制作较为不便且无法模拟工程实际；
(2)接触冲刷试验中，接触面的渗流特性除了与相互接触的两种介质的渗流特性有关外，还与其接触面的接触状态、外部的水力条件等有关。因此研究接触面渗流特性，主要解决接触面渗流介质与水力条件的模拟和接触面物理力学状态的模拟两个关键问题。而对于黄河堤防涵闸土石结合部之间接触冲刷现场试验实施较为困难，常规渗透仪器尺寸较小，尺寸效应较为明显，不能贴近模拟真实的受力状态；
(3)常规渗透仪器仅可进行渗透破坏试验，无法进行不同介质之间的接触冲刷试验。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有试验方法试验设备在进行弹性模量差别较大的两种介质特别是土体与刚性建筑物接触冲刷试验时存在的不足，提供一种原理简单、易于操作，能够真实反映土石结合部接触冲刷渗透破坏的试验方法和试验装置，为工程实际需求提供测试手段。本发明的技术方案：
一种土石结合部接触冲刷试验方法，包括以下步骤：
(一)设置试验设备：所述试验设备包括供水装置和接触冲刷试验仪，所述供水装置包括回转吊、电动葫芦和水箱，所述电动葫芦固定在所述回转吊上，所述水箱固定在所述电动葫芦的吊钩上；所述接触冲刷试验仪包括箱体、底座、上缘和顶盖，所述顶盖、上缘和底座 均为矩形钢板，所述顶盖的中部设有可活动顶盖，所述可活动顶盖四周设有多个螺栓，将可活动顶盖固定在所述顶盖上；所述上缘和底座的四周均设有压槽，所述压槽内设有厚12mm的硅胶密封条；所述箱体由横截面为矩形的透明有机玻璃方管制成，壁厚为8mm，所述箱体放置在所述上缘和底座的所述压槽内，在所述箱体的一个侧面设有出水口；所述顶盖覆盖在所述上缘上，二者之间设有密封圈；所述底座的底部设有进水口，所述水箱通过橡胶软管与所述进水口连通；所述底座位于所述箱体内的部分设有矩形凹槽，所述凹槽的上部设有透水钢板，所述透水钢板的透水孔径为所述透水钢板的上表面与所述底座的上表面在同一个平面上；水流通过所述进水口进入所述凹槽内，然后通过所述透水钢板上的透水孔的均匀过渡，进入箱体内；多个顶杆穿过所述顶盖、上缘和底座，利用紧固螺栓将所述顶盖、上缘、箱体和底座固定在一起；
(二)土样配制：将试验用土风干后，用木锤击碎，过筛备用，然后以最优含水率和最大干密度为控制指标，将土样平铺在托盘内，用喷雾器喷洒预计的加水量，分层拌和均匀后放置到密闭容器内润湿一夜，以使水分均匀分布在土料中；
(三)试样制备：
(1)正常接触试样制备：
将所述接触冲刷试验仪的可活动顶盖打开，将接触冲刷试验仪竖向放置进行装样；装样前，选择箱体的其中一个侧面作为观测面，在另外三个侧面的内壁均匀涂抹一层膨润土防止边壁集中渗漏；每个试样分四层装料，表面平整后振捣压实，每层都根据试样所需最大干密度击实到预定高度，每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀，且试样与箱体内壁接触的周边一定要击实；
(2)接触面存在缺陷时试样制备：
(a)接触面存在不密实区的试样制备：先根据密实区和不密实区的压实度分别计算出每层土的质量和夯实高度，通过控制每层的夯实高度的不同，制造出密实区和不密实区；每层都压实到所要求的高度以保证压实度；每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀，且试样与箱体内壁接触的周边一定要击实；
(b)接触面存在裂隙的试样制备：接触面裂隙宽度的设置通过具有一定厚度的薄板控制，制样前，按照试验需要，将一定厚度的薄板紧贴箱体的一个内壁放置，其余三面的内壁均匀涂抹一层膨润土护壁，然后再进行土样制备，制备过程同正常接触试样制备，土样制备好后拔出薄板即可进行试验；
(四)试验操作
(1)启动电动葫芦，根据实验模拟的水头，将水箱提升到相应的高度，对所述接触冲刷试验仪供水，检查所述接触冲刷试验仪的密封部位是否漏水；
(2)根据试验需要选取接触冲刷试验仪的放置方式：模拟涵闸底板与土基的接触冲刷时，将接触面横向放置；模拟侧墙与土体的接触冲刷时，将接触面竖向放置；
(3)根据试验需要设置可活动顶盖的状态：模拟下游有侧向限制的接触冲刷时，打开出水口，将可活动顶盖四周的螺栓拧紧，将可活动顶盖与所述顶盖紧密固定在一起；模拟下游无侧向限制的接触冲刷时，关闭出水口，将可活动顶盖拆除，或者将四周的螺栓拧松，使可活动顶盖与所述顶盖之间保持一定的距离；
(4)开始试验：根据试验要求，调节试验水头，然后打开各阀门开始试验；水头施加后，观察试样水头施加时间的变化现象，并记录试样从润湿、渗水、破坏、渗漏通道形成的过程及时间、试样冲刷破坏后每2分钟内的冲刷量，并对比每种试验条件下试验现象的变化；对初始试验溢出土体及冲刷土体进行取样烘干、称量、颗分，对比不同试验条件下、不同土体冲刷前后颗粒级配的变化。
本发明采用的试验设备，可进行不同条件下的接触冲刷试验，操作方便且简单易行，工作效率显著提高，投资少，简单易行。箱体采用透明的有机玻璃，方便试验过程中各种现象的观测。
附图说明：
图1、本发明的接触冲刷试验仪俯视图；
图2、本发明的接触冲刷试验仪纵剖视图。
图中，1为顶盖，2为可活动顶盖，3为密封圈，4为紧固螺栓，5为出水口，6为压槽，7为上缘，8为箱体，9为顶杆，10为底座，11为透水钢板，12为进水口。
具体实施方式：
下面结合图1-2，对本发明做详细说明。
本发明的一种土石结合部接触冲刷试验方法，包括以下步骤：
(一)设置试验设备：所述试验设备包括供水装置和接触冲刷试验仪，所述供水装置包括回转吊、电动葫芦和水箱，所述电动葫芦固定在所述回转吊上，所述水箱固定在所述电动葫芦的吊钩上；所述接触冲刷试验仪包括箱体8、底座10、上缘7和顶盖1，所述顶盖1、上缘7和底座10均为厚度200mm的矩形钢板，所述顶盖1的中部设有可活动顶盖2，所述可活动顶盖2由8mm厚的有机玻璃制成，通过设置在可活动顶盖2四周的多个螺栓固定在所述顶盖1上；所述上缘7和底座10的四周均设有压槽6，所述压槽6内设有厚12mm的硅胶密封 条。所述箱体8由横截面为矩形的透明有机玻璃方管制成，壁厚为8mm，所述箱体8放置在所述上缘7和底座10的所述压槽6内，在所述箱体8的一个侧面设有出水口5；所述顶盖1覆盖在所述上缘7上，二者之间设有密封圈3；所述底座10的底部设有进水口12，所述水箱通过橡胶软管与所述进水口12连通；所述底座10位于所述箱体8内的部分设有矩形凹槽，所述凹槽的上部设有透水钢板11，所述透水钢板11的透水孔径为所述透水钢板11的上表面与所述底座10的上表面在同一个平面上；水流通过所述进水口12进入所述凹槽内，然后通过所述透水钢板11上的透水孔的均匀过渡，进入箱体8内；多个顶杆9穿过所述顶盖1、上缘7和底座10，利用紧固螺栓4所述顶盖1、上缘7、箱体8和底座10固定在一起。
(二)土样配制：将试验用土风干后，用木锤击碎，过筛备用，然后以最优含水率和最大干密度为控制指标，将土样平铺在托盘内，用喷雾器喷洒预计的加水量，分层拌和均匀后放置到密闭容器内润湿一夜，以使水分均匀分布在土料中。
(三)试样制备：
(1)正常接触试样制备：
将所述接触冲刷试验仪的可活动顶盖2打开，将接触冲刷试验仪竖向放置进行装样；装样前，在箱体8观测面外的另外三面的内壁均匀涂抹一层膨润土防止边壁集中渗漏；每个试样分四层装料，表面平整后振捣压实，每层都根据试样所需最大干密度击实到预定高度，每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀直击到要求厚度，且试样与箱体8内壁接触的周边一定要击实。
(2)接触面存在缺陷时试样制备：
(a)接触面存在不密实区的试样制备：
接触面不密实区试样的制备通过密实区和不密实区(通过改变土样的压实度来控制)土样每层的预制高度来控制。土体试样模型制作前
先根据密实区和不密实区的压实度分别计算出每层土的质量和夯实高度，通过控制每层的夯实高度的不同，制造出密实区和不密实区；每层都压实到所要求的高度以保证压实度；每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀直击到要求厚度，且试样与箱体8内壁接触的周边一定要击实。
(b)接触面存在裂隙的试样制备：
接触面裂隙宽度的设置通过具有一定厚度的薄板控制，制样前，按照试验需要，将一定厚度的薄板紧贴箱体8的一个内壁放置，其余三面的内壁均匀涂抹一层膨润土护壁，然后再进行土样制备，制备过程同正常接触试样制备，土样制备好后拔出薄板即可进行试验。
(四)试验操作
(1)试验设备的调试：有机玻璃本身就是一刚性介质，可直接将其作为一刚性接触面，并通过改变其糙率模拟土体与不同糙率刚性建筑物之间的接触冲刷试验情况。可以根据与土体接触的刚性建筑物的种类，设置箱体8内壁的糙率。
启动电动葫芦，根据实验模拟的水头，将水箱提升到相应的高度，水箱底面的高度最大可以达到10m，相当于0.1MPa的水头压力，对所述接触冲刷试验仪供水，检查所述接触冲刷试验仪的密封部位是否漏水。
(2)根据试验需要选取接触冲刷试验仪的放置方式：模拟涵闸底板与土基的接触冲刷时，将接触面横向放置；模拟侧墙与土体的接触冲刷时，将接触面竖向放置；
(3)根据试验需要设置可活动顶盖2的状态：模拟下游有侧向限制的接触冲刷时，打开出水口5，将可活动顶盖2四周的螺栓拧紧，将可活动顶盖2与所述顶盖1紧密固定在一起；模拟下游无侧向限制的接触冲刷时，关闭出水口5，将可活动顶盖2拆除，或者将四周的螺栓拧松，使可活动顶盖2与所述顶盖1之间保持一定的距离；
(4)开始试验：根据试验要求，调节试验水头，然后打开各阀门开始试验；水头施加后，观察试样尤其是与箱体8内壁接触面不密实区试样随水头施加时间的变化现象，并记录试样由其是不密实区从润湿、渗水、破坏、渗漏通道形成的过程及时间、试样冲刷破坏后每2min内的冲刷量，并对比每种试验条件下试验现象的变化；对初始试验溢出土体及冲刷土体进行取样烘干、称量、颗分，对比不同试验条件下、不同土体冲刷前后颗粒级配的变化。
应用实例：
以下游无侧限、接触面存在不密实区的接触冲刷试验为例，具体控制指标为：不密实区压实度0.85、密实区压实度0.95、试验水头为0.7m、横向试验。具体试验情况如下：试样初始现象表现为从试样与仪器接触面的下部开始，先是接触面土样润湿、渗水(稳定阶段)，紧接着接触带土样松软、鼓胀，然后接触面底部小块土样脱落(破坏阶段)，继而内部土样在上游水头作用下出现连续性的流失，最后形成管涌通道(冲刷阶段)。
利用本发明的试验设备，打开出水口5，将可活动顶盖2四周的螺栓拧紧，将可活动顶盖2与所述顶盖1紧密固定在一起，可进行原状土或重塑土的渗透破坏试验，测量不同土体的渗透系数，或进行渗透破坏试验。其与接触冲刷试验的不同之处在于：样制备时，将仪器四周均匀涂抹一层膨润土防止边壁集中渗漏，具体制备同正常接触试样制备。
本发明的技术方案，可进行不同条件下的接触冲刷试验，也可以进行渗透破坏试验，测定土体的渗透系数。单个接触冲刷试验仪制作费用约2000元，加之可重复使用，降低了试验的成本。箱体8采用透明的有机玻璃，方便试验过程中各种现象的观测。
Claims (1)
1.一种接触冲刷水工模型，其特征在于，包括以下步骤：
(一)设置试验设备：所述试验设备包括供水装置和接触冲刷试验仪，所述供水装置包括回转吊、电动葫芦和水箱，所述电动葫芦固定在所述回转吊上，所述水箱固定在所述电动葫芦的吊钩上；所述接触冲刷试验仪包括箱体(8)、底座(10)、上缘(7)和顶盖(1)，所述顶盖(1)、上缘(7)和底座(10)均为矩形钢板，所述顶盖(1)的中部设有可活动顶盖(2)，所述可活动顶盖(2)四周设有多个螺栓，将可活动顶盖(2)固定在所述顶盖(1)上；所述上缘(7)和底座(10)的四周均设有压槽(6)，所述压槽(6)内设有厚12mm的硅胶密封条；所述箱体(8)由横截面为矩形的透明有机玻璃方管制成，壁厚为8mm，所述箱体(8)放置在所述上缘(7)和底座(10)的所述压槽(6)内，在所述箱体(8)的一个侧面设有出水口(5)；所述顶盖(1)覆盖在所述上缘(7)上，二者之间设有密封圈(3)；所述底座(10)的底部设有进水口(12)，所述水箱通过橡胶软管与所述进水口(12)连通；所述底座(10)位于所述箱体(8)内的部分设有矩形凹槽，所述凹槽的上部设有透水钢板(11)，所述透水钢板(11)的透水孔径为所述透水钢板(11)的上表面与所述底座(10)的上表面在同一个平面上；水流通过所述进水口(12)进入所述凹槽内，然后通过所述透水钢板(11)上的透水孔的均匀过渡，进入箱体(8)内；多个顶杆(9)穿过所述顶盖(1)、上缘(7)和底座(10)，利用紧固螺栓(4)将所述顶盖(1)、上缘(7)、箱体(8)和底座(10)底座(10)底座(10)底座(10)固定在一起；
(二)土样配制：将试验用土风干后，用木锤击碎，过筛备用，然后以最优含水率和最大干密度为控制指标，将土样平铺在托盘内，用喷雾器喷洒预计的加水量，分层拌和均匀后放置到密闭容器内润湿一夜，以使水分均匀分布在土料中；
(三)试样制备：
(1)正常接触试样制备：
将所述接触冲刷试验仪的可活动顶盖(2)打开，将接触冲刷试验仪竖向放置进行装样；装样前，选择箱体(8)的其中一个侧面作为观测面，在另外三个侧面的内壁均匀涂抹一层膨润土防止边壁集中渗漏；每个试样分四层装料，表面平整后振捣压实，每层都根据试样所需最大干密度击实到预定高度，每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀，且试样与箱体(8)内壁接触的周边一定要击实；
(2)接触面存在缺陷时试样制备：
(a)接触面存在不密实区的试样制备：先根据密实区和不密实区的压实度分别计算出每层土的质量和夯实高度，通过控制每层的夯实高度的不同，制造出密实区和不密实区；每层都压实到所要求的高度以保证压实度；每层填料时，使颗粒分布均匀且层与层之间要进行剖毛处理，剖毛深度为1～2cm；击实时，击锤要分布均匀，且试样与箱体(8)内壁接触的周边一定要击实；
(b)接触面存在裂隙的试样制备：接触面裂隙宽度的设置通过具有一定厚度的薄板控制，制样前，按照试验需要，将一定厚度的薄板紧贴箱体(8)的一个内壁放置，其余三面的内壁均匀涂抹一层膨润土护壁，然后再进行土样制备，制备过程同正常接触试样制备，土样制备好后拔出薄板即可进行试验；
(四)试验操作
(1)启动电动葫芦，根据实验模拟的水头，将水箱提升到相应的高度，对所述接触冲刷试验仪供水，检查所述接触冲刷试验仪的密封部位是否漏水；
(2)根据试验需要选取接触冲刷试验仪的放置方式：模拟涵闸底板与土基的接触冲刷时，将接触面横向放置；模拟侧墙与土体的接触冲刷时，将接触面竖向放置；
(3)根据试验需要设置可活动顶盖(2)的状态：模拟下游有侧向限制的接触冲刷时，打开出水口(5)，将可活动顶盖(2)四周的螺栓拧紧，将可活动顶盖(2)与所述顶盖(1)紧密固定在一起；模拟下游无侧向限制的接触冲刷时，关闭出水口(5)，将可活动顶盖(2)拆除，或者将四周的螺栓拧松，使可活动顶盖(2)与所述顶盖(1)之间保持一定的距离；
(4)开始试验：根据试验要求，调节试验水头，然后打开各阀门开始试验；水头施加后，观察试样随水头施加时间的变化现象，并记录试样从润湿、渗水、破坏、渗漏通道形成的过程及时间、试样冲刷破坏后每2分钟内的冲刷量，并对比每种试验条件下试验现象的变化；对初始试验溢出土体及冲刷土体进行取样烘干、称量、颗分，对比不同试验条件下、不同土体冲刷前后颗粒级配的变化。
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