CN111877251A - 一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型，其中模型试验方法包括下列步骤，制作管涌模拟通道；制作堤坝模型，将所述管涌模拟通道埋设于堤坝模型内，且在堤坝模型内沿管涌模拟通道竖向投影线并列布置一组测压管；控制堤坝模型蓄水水位，逐步减少管涌模拟通道内腔的含土量，同步获取所述一组测压管的水位结果，分析管涌通道所在堤坝横断面的浸润线变化；实现可控条件下堤坝管涌通道发展和管涌演化状态离散化的近似模拟，为定量研究堤坝管涌的演化特征提供试验途径，可用于堤坝管涌动态发展过程中的渗流场规律、状态识别技术等方面的研究。

Description

一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型

技术领域

本发明涉及一种堤坝的物理模型试验技术领域，具体涉及一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型。

背景技术

堤坝的管涌破坏发生数量广、危害大，长期受到学界和工程界的广泛关注。有关统计表明，均质土坝中由管涌问题导致的坝体破坏占所有坝体类型侵蚀破坏的比例高达36％，因此，探索堤坝管涌的发生机理、发展演化规律以及相关检测监测技术成为一个重要的研究课题。在研究过程中，模型试验作为重要的技术手段，为揭示堤坝管涌现象的发生机理、宏观反映管涌演化过程提供了直观的科学依据，并形成了较多研究成果。

事实上，堤坝管涌的发展过程具有强烈的快速性，现有试验研究主要通过概化的模型槽或简易装置聚焦于管涌的发生、发展机理，但无法实现可控条件下对于堤坝管涌通道不断发展以及演化状态离散化的近似模拟，无论是仅从水力条件或力学条件，还是基于水力条件和力学条件统一考虑的堤坝管涌定量演化特征均未见相关报道，由此限制了通过堤坝的检测、监测快速反演堤坝安全状态、管涌发生发展状态等识别技术的研发，并进一步影响工程实践中堤坝的长期稳定性评价体系和预警体系的构建。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是克服现有技术中的缺陷，提供一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型，能够为研究堤坝管涌动态演化的相关科学问题和探测监测技术提供试验基础和新的模拟途径。

本发明的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，包括下列步骤：

步骤一：制作管涌模拟通道；

步骤二：制作堤坝模型，将步骤一中的所述管涌模拟通道埋设于堤坝模型内，且在堤坝模型内沿管涌模拟通道竖向投影线并列布置一组测压管；测压管的原理为连通器原理，属于现有技术，在此不再赘述。

步骤三：控制堤坝模型蓄水水位，逐步减少管涌模拟通道内腔的含土量，同步获取步骤二所述一组测压管的水位结果，分析管涌通道所在堤坝横断面的浸润线变化。

进一步，所述管涌模拟通道包括螺旋裹丝透水管和多个沿螺旋裹丝透水管长度方向依次适形填充于螺旋裹丝透水管内腔的土工布圆柱袋，所述土工布圆柱袋内填满土密封后形成直径为d的圆柱体，相邻土工布圆柱袋之间通过长度为l的细软线连接；在步骤三中，通过细软线逐一取出土工布圆柱袋进而实现逐步减少管涌模拟通道内腔的含土量。

进一步，每个土工布圆柱袋长度相等且土工布圆柱袋长度介于3d与4d之间。

进一步，所述土工布圆柱袋内填土的压实度与堤坝模型的压实度相等，且所述堤坝模型采用分层压实的方法修筑，每层虚铺高度30cm，通过手扶式打夯机将土料压实，控制土层压实度与拟定压实度基本一致。

进一步，在步骤二中，当堤坝模型在填筑至含管涌模拟通道的土层高度时，根据管涌模拟通道相对于堤坝模型的空间位置，先人工挖制U型槽，将管涌模拟通道埋入槽内，后回填土料压实，未埋入土层的部分管涌模拟通道采用简易装置悬空固定，后续进行每层土体填筑时，重复该过程，直至完成整个坝体的制作。

进一步，在步骤一中，对待填入土工布圆柱袋的土料进行室内击实试验，获得该土料的最大干密度，根据土料最大干密度、土工布圆柱袋体积和拟定的坝体压实度计算填满土工布圆柱袋所需土料质量，将相应土料填入各开口圆柱袋中并击实，确保各土工布圆柱袋内填土的压实度相等。

本发明还公开了一种适用上述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法的模型，包括堤坝模型和内设于堤坝模型内的未发生管涌的管涌模拟通道，所述管涌模拟通道包括螺旋裹丝透水管和多个沿螺旋裹丝透水管长度方向依次适形填充于螺旋裹丝透水管内腔的土工布圆柱袋，所以土工布圆柱袋内填满土密封后形成直径为d的圆柱体，相邻土工布圆柱袋之间通过长度为l的细软线连接。

进一步，所述螺旋裹丝透水管外壁包裹有不锈钢丝方孔筛网。

进一步，每个土工布圆柱袋长度相等且土工布圆柱袋长度介于3d与4d之间。

进一步，所述土工布圆柱袋内填土的压实度与堤坝模型的压实度相等。

本发明的有益效果是：本发明公开的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法及其模型，实施流程简单，可操作性强，管涌通道的实时发展长度可根据试验目的自由确定，实现可控条件下堤坝管涌通道发展和管涌演化状态离散化的近似模拟，为定量研究堤坝管涌的演化特征提供试验途径，可用于堤坝管涌动态发展过程中的渗流场规律、状态识别技术等方面的研究。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为含管涌模拟通道的堤坝模型横断面示意图；

图2为管涌模拟通道纵断面示意图。

附图中：坝体1，管涌模拟通道2，细软线(牵引线)3，边墙4，排水孔5，坝前蓄水6，出水装置7，测压管8，不锈钢丝方孔筛网9，螺旋裹丝透水管10，筑坝土料11，土工布袋12。

具体实施方式

如图所示，本实施例中的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，包括如下步骤：根据拟定堤坝管涌通道的基本尺寸和坝体压实度，1)制作管涌模拟通道2；2)制作堤坝模型；3)模拟管涌通道的发展。

根据研究对象和试验目的，拟定缩小比例尺后管涌通道的基本尺寸，具体包括：管涌通道的长度L、横截面直径d以及相对于堤坝的空间位置关系；拟定坝体模型填筑土体的压实度。

步骤1)具体包括：

1.采用土工布缝制截面直径为d的开口圆柱袋，圆柱袋的具体数量根据管涌通道的长度进行确定，确保每个圆柱袋的长度相等，且介于3d与4d之间；

2.依据相关试验规程对待填筑土料进行室内击实试验，获得该土料的最大干密度，根据土料最大干密度、土工布圆柱袋体积和拟定的坝体压实度计算填满土工布圆柱袋12所需土料质量，将相应土料11填入各开口圆柱袋中并击实，确保各土工布圆柱袋内填土的压实度相等；

3.取直径为d的圆形土工布将各土工布圆柱袋的开口缝合，各土工布圆柱袋之间采用高强度细软线连接3，细软线的长度为L；

4.将各个填满土的土工布圆柱袋依次装入内径为d、长度为L的螺旋裹丝透水管，在螺旋裹丝透水管10外壁包裹一圈大孔径的不锈钢丝方孔筛网9，形成管涌模拟直通道，对该通道进行人工弯曲处理，曲率半径结合研究内容进行确定。

步骤2)具体包括：

1.根据拟定的管涌通道的空间位置关系，沿管涌通道在模型槽底表面的投影线上布置一排测压管8，用于反映管涌通道所在堤坝横断面的浸润线；

2.采用分层压实的方法修筑堤坝，每层虚铺高度30cm，通过手扶式打夯机将土料压实，控制土层压实度与拟定压实度基本一致；

3.当填筑至含管涌通道的土层高度时，根据通道相对于堤坝的空间位置关系，先人工挖制U型槽，将管涌模拟通道埋入槽内，后回填土料压实，未埋入土层的部分模拟通道采用简易装置悬空固定，后续进行每层土体填筑时，重复该过程，直至完成整个坝体的制作。制作完成的模拟堤坝包括坝体和围绕于坝体的边墙，所述坝体1与前边墙之间形成前蓄水池并蓄水6，该前蓄水池还设置有出水装置且该出水装置7用于控制前蓄水池的水位，后边墙4底部设置有排水孔5。

步骤3)具体包括：

1.在下游坡面一侧的土工布圆柱袋设置一牵引线留置于坡面；

2.打开坝前的出水装置，蓄水至预定水位，读取测压管数据，待其不再变化时，通过坡面预留的牵引线拉出管涌模拟通道内的第一个土工布圆柱袋，剪断拉出土工布圆柱袋尾端的连接线，并将此连接线作为下一个预拉出土工布圆柱袋的牵引线留置于坡面；

3.控制出水装置，保持预定水位，读取测压管数据，待其不再变化时，通过上一次预留的牵引线拉出下一个土工布圆柱袋，后续工作重复该过程，直至拉出管涌模拟通道内的最后一个土工布圆柱袋，以此实现对于管涌通道发展的模拟。

本发明还公开了一种模拟堤坝管涌通道发展的模型，包括堤坝模型和内设于堤坝模型内的未发生管涌的管涌模拟通道，所述管涌模拟通道包括螺旋裹丝透水管和多个沿螺旋裹丝透水管长度方向依次适形填充于螺旋裹丝透水管内腔的土工布圆柱袋，所以土工布圆柱袋内填满土密封后形成直径为d的圆柱体，相邻土工布圆柱袋之间通过长度为l的细软线连接；所述螺旋裹丝透水管外壁包裹有不锈钢丝方孔筛网；每个土工布圆柱袋长度相等且土工布圆柱袋长度介于3d与4d之间；所述土工布圆柱袋内填土的压实度与堤坝模型的压实度相等。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：包括下列步骤：

步骤一：制作管涌模拟通道；

步骤二：制作堤坝模型，将步骤一中的所述管涌模拟通道埋设于堤坝模型内，且在堤坝模型内沿管涌模拟通道竖向投影线并列布置一组测压管；

步骤三：控制堤坝模型蓄水水位，逐步减少管涌模拟通道内腔的含土量，同步获取步骤二所述一组测压管的水位结果，分析管涌模拟通道所在堤坝横断面的浸润线变化。

2.根据权利要求1所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：所述管涌模拟通道包括螺旋裹丝透水管和多个沿螺旋裹丝透水管长度方向依次适形填充于螺旋裹丝透水管内腔的土工布圆柱袋，所以土工布圆柱袋内填满土密封后形成直径为d的圆柱体，相邻土工布圆柱袋之间通过长度为l的细软线连接；在步骤三中，通过细软线逐一取出土工布圆柱袋进而实现逐步减少管涌模拟通道内腔的含土量。

3.根据权利要求2所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：每个土工布圆柱袋长度相等且土工布圆柱袋长度介于3d与4d之间。

4.根据权利要求2所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：所述土工布圆柱袋内填土的压实度与堤坝模型的压实度相等，且所述堤坝模型采用分层压实的方法修筑，每层虚铺高度30cm，通过手扶式打夯机将土料压实，控制土层压实度与拟定压实度基本一致。

5.根据权利要求1所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：在步骤二中，当堤坝模型在填筑至含管涌模拟通道的土层高度时，根据管涌模拟通道相对于堤坝模型的空间位置，先人工挖制U型槽，将管涌模拟通道埋入槽内，后回填土料压实，未埋入土层的部分管涌模拟通道采用简易装置悬空固定，后续进行每层土体填筑时，重复该过程，直至完成整个坝体的制作。

6.根据权利要求2所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法，其特征在于：在步骤一中，对待填入土工布圆柱袋的土料进行室内击实试验，获得该土料的最大干密度，根据土料最大干密度、土工布圆柱袋体积和拟定的坝体压实度计算填满土工布圆柱袋所需土料质量，将相应土料填入各开口圆柱袋中并击实，确保各土工布圆柱袋内填土的压实度相等。

7.一种适用于权利要求1-6任一权利要求所述的一种模拟堤坝管涌通道发展的模型试验方法的模型，其特征在于：包括堤坝模型和内设于堤坝模型内的未发生管涌的管涌模拟通道，所述管涌模拟通道包括螺旋裹丝透水管和多个沿螺旋裹丝透水管长度方向依次适形填充于螺旋裹丝透水管内腔的土工布圆柱袋，所以土工布圆柱袋内填满土密封后形成直径为d的圆柱体，相邻土工布圆柱袋之间通过长度为l的细软线连接。

8.根据权利要求7所述的一种模型，其特征在于：所述螺旋裹丝透水管外壁包裹有不锈钢丝方孔筛网。

9.根据权利要求7所述的一种模型，其特征在于：每个土工布圆柱袋长度相等且土工布圆柱袋长度介于3d与4d之间。

10.根据权利要求8所述的一种模型，其特征在于：所述土工布圆柱袋内填土的压实度与堤坝模型的压实度相等。

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