CN108320654A - 水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置及运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，包括装置槽，所述装置槽内设有土质堤防，在装置槽的一侧安装有钢化玻璃，在钢化玻璃与土质堤防之间安装有止水，在装置槽另一侧安装有测压管、进水阀门、溢流孔和水位标尺，所述钢化玻璃上设有排水阀和集水槽，在土质堤防的顶部设有喷雨装置，在装置槽外设有图像成型实时跟踪装置，图像成型实时跟踪装置与计算机连接。本发明考虑了实际堤防工程中可能遭遇的各类水力环境，可模拟水位快涨与快降、持续高水位以及不同降雨模式和水流流速等情况，可观测和分析在上述情况下堤防渗流与稳定性状变化过程，可实现不同工况水力条件下堤身渗流与稳定性状观测与数据采集。

Description

水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置及运行方法

技术领域

本发明涉及水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置及运行方法，属于水利与水电工程安全领域。

背景技术

我国筑堤历史悠久，据统计，我国现有堤防累计达29.41万km，全国约有一半的人口、1/3的耕地和70％的财产在堤防的保护范围，但是受到人力、财力、技术等多方面限制，加之很多堤防运行年代久远、管理养护不当，我国的堤防工程存在着较为突出的工程隐患，堤防的安全与否直接关系保护区内的千百万人民生命财产安全和经济建设成果，因此，加强堤防工程的安全监测意义重大。

堤防工程是一项规模庞大，结构复杂、外部荷载多变的系统工程，其中，堤防渗流与稳定性状的时空演化和转异灾变成因复杂，影响因素众多，水位快速涨落、持续高水位、短时强降雨与持续降雨、水流切向冲刷等水力环境，对堤防渗流与稳定性状的演化具有重要的外部驱动作用，借助模型试验模拟其发生发展过程，是直观了解现象、认识内在本质的一种有效途径，但是当前的模型试验装置过于单一，不能有效地模拟复杂环境下的多种水力条件，阻碍了对真实现象的了解和掌握，增加了认识本质的难度；另一方面，当前的模型试验装置过于粗放、操作复杂，无法便捷、高效地满足实际监测需要。针对堤防渗流与稳定性状演化规律，国内外学者通过现场实测、土工试验、模型试验等积累了较为丰富的成果。但研究重点多集中于堤基的渗透破坏试验以及堤坝的溃决破坏试验，关于堤身在水力环境驱动下渗流与稳定性状演化及相互影响方面的试验研究则较少，多以现场工程观测为主，受自然条件、仪器设备等限制，往往难以对不同水力环境下堤防渗流与稳定性状演化过程和相应机制给予准确解析。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置及运行方法，可模拟水位快涨与快降、持续高水位以及不同降雨模式和水流流速等情况，可观测和分析在上述情况下堤防渗流与稳定性状变化过程，可实现不同工况水力条件下堤身渗流与稳定性状观测与数据采集。

技术方案：为实现上述目的，本发明的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，包括装置槽，所述装置槽内设有土质堤防，在装置槽的一侧安装有钢化玻璃，在钢化玻璃与土质堤防之间安装有止水，在装置槽另一侧安装有测压管、进水阀门、溢流孔和水位标尺，所述钢化玻璃上设有排水阀和集水槽，排水阀和集水槽分别位于土质堤防的两侧，在土质堤防的顶部设有喷雨装置，在装置槽外设有图像成型实时跟踪装置，图像成型实时跟踪装置与计算机连接。

作为优选，所述喷雨装置包含降雨喷管，所述降雨喷管通过支撑结构安装在装置槽上，在降雨喷管的进水管上设有开关、压力计和流量表，在降雨喷管上安装有若干个喷头。

作为优选，所述喷头上安装有模拟不同流量的降雨的小孔开关.。

作为优选，所述装置槽侧壁与底部涂刷一层粘土浆(按水土质量比1:3配制)，钢化玻璃内侧则涂抹一层3mm厚防水胶。

作为优选，计算每层填土所需土量，每层填土夯实后厚度不超过25cm。

作为优选，模型堤身填筑完毕后，作削坡压实处理，迎水面坡比为1:2.5，背水面坡比1:2，堤高1m，堤顶宽0.6m。

作为优选，堤防模型填筑完毕后静置7天，变形基本稳定后开始模型试验。

一种上述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置的运行方法，包括以下步骤：

第一步，干密度平均值与平均孔隙比测定：模型土体碾压填筑过程中，需保障压实度，将堤防每层夯实完毕后，用环刀取样进行压实质量检测，称量每层取样的湿土重量，再将试样放入烘箱烘烤，待测出烘干后的干土质量后，利用土力学公式求得含水率、湿密度、干密度，进而求得平均干密度、土粒比重、平均孔隙比；

第二步，平均渗透系数k测定：准确控制边界条件、保证数值模拟的精度，采用渗透仪用变水头试验方法测定土样的渗透系数k；从模型堤不同压实层取样，测定孔隙比e与渗透系数k的对应关系；根据平均孔隙比得到堤防的平均渗透系数；

第三步，平均给水度测定：为能表征水位的升降快慢，需给定给水度μ(给水度表示饱和土体在重力排水作用下可以给出的水体积与土体体积之比)，试验操作过程中其难以测定，故多采用近似公式计算求得；

第四步，

非饱和土强度参数测定：采用应力应变控制式非饱和土三轴仪进行土质堤防非饱和土强度参数的测定，具体子步骤如下：

(1)关闭三轴仪压力室的所有开关，将压力室内加满不含气体的水；

(2)开启三轴仪压力室下方陶瓷板的排水开关，利用荷重施加压力，直至陶瓷板饱和；

(3)打开冲水开关，让不含气体水冲洗陶瓷板底部的螺旋槽，保证陶瓷板下无气泡产生，关闭冲水开关；

(4)装入试件，开启计算机和排水开关，并施加围压，待试验变形及排水都保持稳定后，记录实验数据，以此作为变形排水的初始点；

(5)待试件固结后，开始剪切(需选用合适的剪切速度)。整个剪切过程中，保持隔段时间冲洗陶瓷板底部空气一次；

(6)待试件变形稳定后，再施加下一级荷载；

(7)测定试验堤防土体强度参数；

(8)绘制堤身填土的基质吸力和体积含水量对应的土水特征曲线，推导求出渗透系数与基质吸力的关系。

本发明考虑实际堤防工程中可能遭遇的各类水力环境，可模拟水位快涨与快降、持续高水位以及不同降雨模式和水流流速等情况，可观测和分析在上述情况下堤防渗流与稳定性状变化过程，可实现不同工况水力条件下堤身渗流与稳定性状观测与数据采集。

有益效果：本发明的一种水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置考虑了实际堤防工程中可能遭遇的各类水力环境，可模拟水位快涨与快降、持续高水位以及不同降雨模式和水流流速等情况，可观测和分析在上述情况下堤防渗流与稳定性状变化过程，可实现不同工况水力条件下堤身渗流与稳定性状观测与数据采集。借助此模型装置，可对堤防渗流与稳定性状的演化过程给予了较为深入的剖析，相比传统意义上的模型装置，其具有布设方便、操作简单、可模拟条件多等极为突出的优势。

附图说明

图1为本发明的堤防模型试验平台设计图；

图2为本发明的堤防模型试验平台俯视图；

图3为本发明的降雨喷管结构详图；

图4为孔隙比e与渗透系数k的关系曲线；

图5为非饱和土三轴试验压力室图；

图6为水土特征曲线图；

图7为渗透系数～基质吸力关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1至图7所示，本发明的一种水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置包括装置槽1，土质堤防2，装置槽1一侧安装钢化玻璃3，钢化玻璃3与土质堤防2之间设有止水17，另一侧安装测压管4；水槽左侧设有进水阀门5、排水阀6、溢流孔7、水位标尺13，进水阀5、排水阀6流量可调节，以便模拟水位8的不同上涨和下降速度；装置槽墙壁固定高度上开有溢流孔7，以便控制堤前的固定水深，水槽右侧堤脚设有集水槽9用以收集和计算堤防2的渗流量，装置槽1顶部安装降雨喷管10，用来模拟不同降雨强度，各种现象由图像成型实时跟踪装置11记录并录入计算机12分析，环刀用来取土测定堤防土体填筑后压实度，渗透仪用来测定堤防平均渗透系数k，应力应变控制式非饱和土三轴仪用来测定堤防土体非饱和土强度参数。

在本发明中，降雨喷管10设有一定的高度，降雨喷管10下方设有支撑结构18，降雨喷管的进水管道设有开关14、压力计15、流量表16，喷管上设有等间距的螺旋孔19，螺旋孔19中装有四个喷头20，每个喷头中设有非等直径的小孔21，喷头上装有控制非等直径小孔开关22，用来模拟不同流量的降雨。

为使土质堤防2与装置槽1各接触部位紧密连接，防止产生接触冲刷，堤防填筑过程中在水槽侧壁与底部涂刷一层粘土浆，玻璃板内侧则涂抹一层厚透明成膜防水胶，土质堤防2的填筑过程参考堤防工程施工规范(SL260-2014)要求以及实际情况，遵循以下原则与方法：填筑过程与实际工程施工类似，填筑方式为水平分层填筑；计算每层填土所需土量；筑过程中清除上堤土料中的大颗粒杂质；填土夯实采用人工重锤夯实法；逐层进行夯实质量检测；逐层碾压填筑直到设计高度；模型堤身填筑完毕后，作削坡压实处理；堤防模型填筑完毕后静置后，变形基本稳定后开始模型试验。

试验过程中为准确控制边界条件，保证数值模拟的精度，需测定土质堤防的综合土料参数，具体操作步骤如下：

首先，干密度平均值与平均孔隙比测定：

模型土体碾压填筑过程中，需保障压实度，堤防每层夯实完毕后，用环刀取样3～4个进行压实质量检测，干密度ρ_d参数统计结果见表1，堤身土体的干密度平均值均方差与变异系数均很小，满足了均质堤防的要求，由干密度的统计平均值求得模型堤的平均孔隙比

表1不同土层材料参数统计结果表

其次，平均渗透系数测定：

假定同一土料与渗透系数k主要由孔隙比e控制，采用渗透仪用变水头试验方法测定土样的渗透系数k，从模型堤不同压实层取样，测定孔隙比e与渗透系数k的对应关系，二者的对应关系曲线如图4所示，根据平均孔隙比得到堤防的平均渗透系数

第三，平均给水度测定：

试验过程中为表征水位的升降快慢，需拟定给水度μ(它表示饱和土体在重力排水作用下可以给出的水体积与土体体积之比)，试验操作过程中其难以测定，故多采用近似公式，如南京水利科学研究院通过大量试验资料提出的经验公式：

式中：n为土的孔隙率；k为土的渗透系数，cm/s；

将土性参数的平均值代入式(1)得到土质堤防的平均给水度

第四，非饱和土强度参数测定：

土质堤防非饱和土强度参数的测定采用应力应变控制式非饱和土三轴仪，非饱和土三轴压力室如图5所示，土质堤防属于典型的重塑土，为了使室内试验用的重塑土尽可能地接近于土质堤防原状土体，控制试件的干密度等于原状土体的干密度平均值，即：1.52g/cm³，并分别配制含水量为4％、8％、12％、16％和20％的试件，试件直径为6.18cm，高12.5cm。测定的试验堤防土体强度参数见表2；

表2试验堤防土体强度参数

堤身填土的基质吸力和体积含水量对应的土水特征曲线，如图6所示，参考Fredlund等提出的方法，由饱和渗透系数与水土特征曲线推导求出渗透系数与基质吸力的关系见图7；

考虑实际堤防工程中可能遭遇的各类水力环境，可模拟水位快涨与快降、持续高水位以及不同降雨模式和水流流速等情况，观测和分析在上述情况下堤防渗流与稳定性状变化过程，如可以观测和分析以下几种不同降雨模式和水流流速等情况：

(1)方案1—水位快速上涨

本方案模拟短期暴雨和洪水导致河水快速上涨，观测分析堤坡稳定情况及内部浸润峰的推移演化过程。

(2)方案2—稳定渗流+持续高水位

堤身浸润线、渗流量稳定后，使水位维持一定时间，观测分析堤防形成稳定渗流后背水面堤坡的出溢渗漏以及堤坡稳定情况。

(3)方案3—持续高水位+不同降雨模式

维持堤前高水位不变，以堤防饱和渗透系数为参考临界点，分别模拟降雨强度小于和大于渗透系数情况，观测分析其对堤防土体浸润饱和的影响规律以及对堤防稳定的影响。

(4)方案4—不同水位降速

根据水位降速判定公式，分别模拟两次速降和一次骤降水位，记录分析三种水位下降速度下迎水面堤坡孔隙水压力消散过程以及稳定状态。

(5)方案5—不同水流流速

该试验在方案4的基础上展开，在不同降速水位降后，采用排水管配合水泵制造不同流速条件下的近似切向水流，对比观察不同切向流速对堤防孔隙水压力消散以及稳定的影响。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，其特征在于：包括装置槽，所述装置槽内设有土质堤防，在装置槽的一侧安装有玻璃，在玻璃与土质堤防之间安装有止水，在装置槽另一侧安装有测压管、进水阀门、溢流孔和水位标尺，所述钢化玻璃上设有排水阀和集水槽，排水阀和集水槽分别位于土质堤防的两侧，在土质堤防的顶部设有喷雨装置，在装置槽外设有图像成型实时跟踪装置，图像成型实时跟踪装置与计算机连接。

2.根据权利要求1所述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，其特征在于：所述喷雨装置包含降雨喷管，所述降雨喷管通过支撑结构安装在装置槽上，在降雨喷管的进水管上设有开关、压力计和流量表，在降雨喷管上安装有若干个喷头。

3.根据权利要求2所述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，其特征在于：所述喷头上安装有模拟不同流量的降雨的小孔开关。

4.根据权利要求1所述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，其特征在于：所述装置槽侧壁与底部涂刷一层粘土浆，钢化玻璃内侧则涂抹一层防水胶。

5.根据权利要求1所述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置，其特征在于：所述填筑过程与实际工程施工类似，填筑方式为水平分层填筑；模型堤防进行分层铺土，所述模型堤防填筑过程中应清除上堤土料中不合格土；模型堤防填土夯实采用人工重锤夯实法；模型堤防填土应逐层进行夯实质量检测；模型堤防填土应逐层碾压填筑直到设计高度；模型堤身填筑完毕后，作削坡压实处理，迎水面、背水面坡比适中；所述堤防模型填筑完毕后静置一段时间，待变形基本稳定后开始模型试验。

6.一种如权利要求1至5任一项所述的水力驱动下堤防服役状况演化特征观测装置的运行方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，干密度平均值与平均孔隙比测定：模型土体碾压填筑过程中，需保障压实度，将堤防每层夯实完毕后，用环刀取样进行压实质量检测，称量每层取样的湿土重量，再将试样放入烘箱烘烤，待测出烘干后的干土质量后，利用土力学公式求得含水率、湿密度、干密度，进而求得平均干密度、土粒比重、平均孔隙比；

第二步，平均渗透系数测定：准确控制边界条件、保证数值模拟的精度，采用渗透仪用变水头试验方法测定土样的渗透系数k；从模型堤不同压实层取样，测定孔隙比e与渗透系数k的对应关系；根据平均孔隙比得到堤防的平均渗透系数；

第三步，平均给水度测定：为能表征水位的升降快慢，需给定给水度μ(给水度表示饱和土体在重力排水作用下可以给出的水体积与土体体积之比)，试验操作过程中其难以测定，故多采用近似公式计算求得；

第四步，非饱和土强度参数测定：采用应力应变控制式非饱和土三轴仪进行土质堤防非饱和土强度参数的测定，具体子步骤如下：

(1)关闭三轴仪压力室的所有开关，将压力室内加满不含气体的水；

(2)开启三轴仪压力室下方陶瓷板的排水开关，利用荷重施加压力，直至陶瓷板饱和；

(3)打开冲水开关，让不含气体水冲洗陶瓷板底部的螺旋槽，保证陶瓷板下无气泡产生，关闭冲水开关；

(4)装入试件，开启计算机和排水开关，并施加围压，待试验变形及排水都保持稳定后，记录实验数据，以此作为变形排水的初始点；

(5)待试件固结后，开始剪切，整个剪切过程中，保持隔段时间冲洗陶瓷板底部空气一次；

(6)待试件变形稳定后，再施加下一级荷载；

(7)测定试验堤防土体强度参数；

(8)绘制堤身填土的基质吸力和体积含水量对应的土水特征曲线，推导求出渗透系数与基质吸力的关系。