CN112709187A - 一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置及其试验方法，属于堤基渗流控制的领域，包括砂槽箱、上游水位控制系统以及监测试验过程的数据采集系统，砂槽箱内设置有将砂槽箱分隔为上游进水室和砂样装填室两部分的第一渗滤组件；砂槽箱的顶端利用可拆卸的盖板封闭，盖板上位于砂样装填室内的底面上开设有贯穿盖板的管涌孔，第一渗滤组件和管涌孔之间的位置设置有防渗短墙，防渗短墙设计有多种贯入度和位置；砂槽箱的侧板、盖板均为无色透明材质制成。本申请能够对堤基管涌形成和发展的过程进行直观地观察，并能够对不同贯入度和位置的防渗短墙情况下不同的控制管涌发展的过程进行直观观察，并和无防渗短墙情况下的管涌破坏情况进行对比。

Description

一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置及其试验方法

技术领域

本申请涉及堤基渗流控制的领域，尤其是涉及一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置及其试验方法。

背景技术

堤基管涌是指在堤防内外水头差作用下，堤基内部渗流将下游表土层顶穿，出现渗流出口即管涌口，口内砂沸，随着水头增加砂沸加剧且有一些砂颗粒随水流带出，在孔口形成砂环，在堤基内部沿堤基砂层与堤身底部或堤基表土覆盖层接触面形成渗流通道，随着水头增加，通道向上游回溯发展形成形似管状的渗流通道，并由通道向下游渗流出口处输砂。当达到一定水头时，管涌通道持续向上游发展，最终与上游连通，连通的通道在上下游水头水力冲刷作用下快速扩大，导致堤防溃决，抢险不及时将引起溃堤洪水。发生在堤基内的管涌对堤防的稳定性具有重要的影响。在九八洪水中，长江中下游堤防堤基管涌占较大险情总数的52.4%，居各种险情之首，其中湖南省安造垸、湖北省孟溪垸和簰洲湾、江西省九江市城防堤和江洲圩溃堤均是由管涌所致。堤防抢险和除险加固的实践表明,堤基管涌是堤防工程中普遍存在的易对堤防产生破坏的重要原因，如果不及时处理，会导致堤身失稳，酿成决堤灾害。一般情况下将管涌视为溃堤的一个前兆。

目前对于堤基管涌的检测方法有：瞬变电磁场法，通过对比堤防内部物理参数在汛期和枯水期的变化检测管涌；高密度电阻率法，通过定点重复观测研究不同水位下堤坝隐患电阻率图像的动态变化进行模拟实验；流场法，利用拉普拉斯方程下水流场与电流场的相似性，检测管涌入水口出的水流场实现管涌检测等。

上述方法只是通过间接检测的方式了解管涌的发展过程，无法直接观察到在上游水头发生变化的情况下堤基破坏的形成和发展，以及在堤基中存在防渗墙的情况下，防渗墙对控制管涌破坏的影响。

发明内容

为了对堤基管涌形成和发展的过程进行观察，了解防渗墙在控制管涌发展过程中的作用，为更好地了解管涌的发生机理和为建立管涌模型提供依据以及为控制管涌提供方案支持，本申请提供一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置及其试验方法。

一方面，本申请提供的一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置采用如下的技术方案：

一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，包括砂槽箱、上游水位控制系统以及监测试验过程的数据采集系统，所述砂槽箱内设置有将砂槽箱分隔为上游进水室和砂样装填室两部分的第一渗滤组件，所述砂槽箱位于上游进水室处的侧板上开设有第一进水口，所述第一进水口通过出水管与上游水位控制系统连接；所述砂槽箱的顶端利用可拆卸的盖板封闭，所述盖板上位于砂样装填室内的底面上开设有贯穿盖板的管涌孔，所述砂槽箱上设置有调节第一渗滤组件与管涌孔之间距离的推进机构；所述砂槽箱宽度方向相对的两侧板位于第一渗滤组件和管涌孔之间的位置设置有可拆卸的防渗短墙，所述防渗短墙设计有多种不同的贯入度；所述砂槽箱的侧板、盖板均为无色透明材质制成。

通过采用上述技术方案，利用第一渗滤组件将砂槽箱内部分隔成上游进水室和砂样装填室，将砂样装入砂样装填室用于模拟堤基，上游水位室与砂样装填室连通从而使得上游水流通过渗透作用进入砂样内；利用上游水位控制系统调整上游水头，从而使得上游进水室内的水压增加，砂样中的渗透压增加，从而在砂样内开始发育管涌并能够观察到管涌的发展过程；在砂槽箱内设置防渗短墙来模拟防渗墙存在的情况下堤基的管涌破坏过程；模拟装置使得管涌破坏的过程能够形象直观地展示出来，对比有防渗短墙和无防渗短墙时堤基管涌破坏的差异，从而有助于理解管涌破坏的机理以及防渗短墙增强堤基的抗管涌破坏能力。

优选的，所述推进机构包括穿过并转动连接于砂槽箱位于上游进水室处并与第一渗滤组件相对的侧板的转动杆，所述转动杆位于砂槽箱内的部分为螺纹段并穿过第一渗滤组件，所述第一渗滤组件位于上游进水室内的端面上固定有与转动杆的螺纹段螺纹连接的螺纹套筒。

通过采用上述技术方案，由于渗径的不同会造成管涌破坏的过程存在较大差异，因此在试验过程中，可通过转动杆驱动第一渗滤组件靠近或者远离管涌孔，从而实现调节第一渗滤组件和管涌孔之间的距离，即调整试验中模拟堤基的管涌渗径，砂样长度能够调整。

优选的，所述砂槽箱内位于第一渗滤组件背向上游进水室的一侧设置有与第一渗滤组件间隔的第二渗滤组件，所述管涌孔位于第一渗滤组件和第二渗滤组件之间；所述第二渗滤组件与砂槽箱的侧壁之间形成下游水室，所述下游水室连通有下游水位控制箱，所述下游水位控制箱的高度不低于砂槽箱的高度。

通过采用上述技术方案，第一渗滤组件和第二渗滤组件之间装填砂样，在上游进水室和下游水室都存在水位的情况下，模拟堤基土样上下游均存在水头差的情况下的管涌破坏过程。

优选的，所述砂槽箱宽度方向相对的两侧板位于管涌孔和第二渗滤组件之间的位置设置有可拆卸的隔板。

通过采用上述技术方案，将隔板安装到砂槽箱内后能够防止水流进入下游水室内，对土样只施加上游水头差的堤基管涌破坏情况进行模拟。

优选的，所述上游水位控制系统包括提升桶、支架以及安装在支架上并带动提升桶升降的提升机构。

通过采用上述技术方案，实现上游水头的提升，从而增加砂槽箱内的水压。

优选的，所述砂槽箱的底部设置有调平机构。

通过采用上述技术方案，能够调整砂槽箱的水平度，可以实现砂槽箱在水平和倾斜等多种状态下的管涌破坏模拟情形。

优选的，所述调平机构包括位于砂槽箱下方的平台板 以及固定在砂槽箱底板长度方向两侧并与平台板竖直相对的调平板，所述平台板的四角设置有向上伸出并穿过调平板的螺栓，所述螺栓位于调平板上方的部分螺纹连接有调平螺母，所述调平板与平台板之间设置有多个弹性件。

通过采用上述技术方案，在需要调节砂槽箱的水平度时，只需拧动其中的一个或多个调平螺栓即可实现，操作简单方便，弹性件能够起到一定的缓冲作用。

另一方面，本申请提供的一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法采用如下的技术方案：

一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件利用推进机构推移至设计位置，将防渗短墙按照设定的贯入度和位置固定在砂槽箱内，之后向砂样装填室内填充砂样；

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板固定在砂槽箱上；

S2、启动上游水位控制系统，逐级提升水头，当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室连通时，停止提升水头；

S3、利用推进机构调节第一渗滤组件的位置，重复步骤S1-S2，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟；

S4、根据数据采集系统获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

通过采用上述技术方案，在有防渗短墙的情况下，实现堤基土样只施加上游水头差的堤基管涌破坏情况的模拟，并通过调整第一渗滤组件和管涌孔之间的距离模拟不同渗径下管涌破坏的发育和发展过程。

本申请提供的一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法采用如下的技术方案：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件利用推进机构推移至设计位置，将防渗短墙按照设定的贯入度和位置固定在砂槽箱内，之后向砂样装填室内填充砂样；

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板固定在砂槽箱上；

S2、向下游水位控制箱注水并进入下游水室内，使水位达到设计高度，水位不低于砂样高度；

S3、启动上游水位控制系统，逐级提升水头，当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室连通时，停止提升水头；

S4、利用推进机构调节第一渗滤组件的位置，重复步骤S1-S3，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟；

S5、根据数据采集系统获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

通过采用上述技术方案，在防渗短墙存在的情况下，对土样上下游均存在水头差的情况下的管涌破坏进行模拟。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.通过设置砂槽箱和上游水位控制系统，并将砂槽箱的侧板和顶板设置成透明，在砂槽箱内设置可拆卸的防渗短墙，从而能够清楚地观察到管涌破坏过程中砂样的变形情况和管涌通道的发展情况，以及对有无防渗短墙的两种管涌破坏过程进行对比；

2.通过设置推进机构，能够调节第一渗滤板和管涌孔之间的距离，从而利用一个砂槽箱实现不同渗径下堤基管涌破坏模拟。

附图说明

图1是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的整体结构示意图。

图2是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的砂槽箱的外部结构示意图。

图3是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的砂槽箱的内部结构示意图。

图4是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的砂槽箱的剖面图。

图5是图4中A部分的局部放大示意图。

图6是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的上游水位控制机构的结构示意图。

图7是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的提升桶的剖面结构示意图。

图8是本申请的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的底箱内部的结构示意图。

附图标记说明：1、砂槽箱；11、上游进水室；111、第一进水口；12、砂样装填室；13、下游水室；131、第一排水管；14、盖板；141、管涌孔；142、对位槽；143、下企口；144、第一插槽；145、第二插槽；146、卡槽；15、密封条；16、加强板；17、梁板；171、上企口；2、上游水位控制系统；21、提升桶；211、外桶；212、内桶；213、吊耳；214、吊杆；215、进水管；216、第二排水管；217、出水管；22、支架；221、上板；222、下板；223、导向管；224、水位传感器；23、底箱；24、提升组件；241、线绳；242、第一滑轮；243、第二滑轮；25、收线轴；26、伺服电机；27、循环水箱；3、下游水位控制箱；31、第二进水口；4、第一渗滤组件；41、滤板；42、渗滤层；5、第二渗滤组件；6、隔板；7、防渗短墙；71、卡块；8、调平机构；81、平台板；82、调平板；83、螺栓；84、调平螺母；85、弹簧；9、测压管；10、卡扣组件；20、推进机构；201、转动杆；202、螺纹段；203、螺纹套筒；204、驱动手柄。

具体实施方式

以下结合附图1-8对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置。参照图1、图2，控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置包括砂槽箱1、上游水位控制系统2、下游水位控制箱3、砂槽箱1的调平机构8以及监测试验过程的数据采集系统。

砂槽箱1为长方体状。砂槽箱1为长方体状，砂槽箱1的尺寸为50×30×20cm。参照图3、图4，砂槽箱1内部沿长度方向间隔设置有相对的第一渗滤组件4和第二渗滤组件5。第一渗滤组件4和砂槽箱1的侧板之间形成上游进水室11，第二渗滤组件5和砂槽箱1的侧板之间形成下游水室13。第一渗滤组件4和第二渗滤组件5之间形成砂样装填室12。砂样装填室12的体积大于上游进水室11和下游水室13的体积。砂槽箱1与第一渗滤组件4相对的侧板开设有第一进水口111，砂槽箱1与第二渗滤组件5相对的侧板开设有出水口。出水口处设置有第一排水管131，第一排水管131上设置有控制阀且第一排水管131为软管。

第二渗滤组件5的顶面与砂槽箱1的侧板的顶面齐平。第二渗滤组件5的顶面水平设置有与第二渗滤组件5紧贴的梁板17。梁板17沿砂槽箱1的宽度方向设置且梁板17长度方向两端的底面与砂槽箱1的侧板的顶面固定连接。梁板17的宽度大于第二渗滤组件5的宽度。

砂槽箱1位于上游进水室11和砂样装填室12上方设置有可拆卸的盖板14。盖板14长度方向靠近下游水室13的一端的底面设置有下企口143，梁板17的顶面开设有上企口171，上企口171与盖板14的下企口143搭接配合。搭接后，盖板14的底面与梁板17的底面齐平。

砂槽箱1的侧板的顶面以及梁板17的上企口171位置固定有密封条15。密封条15为橡胶条。

下游水位控制箱3位于下游水室13上方并与下游水室13连通。下游水位控制箱3的底端开口。下游水位控制箱3的侧板的底面分别与砂槽箱1的侧板的顶面和梁板17的侧面抵接并利用玻璃胶粘结。下游水位控制箱3的上部开设有第二进水口31。下游水位控制箱3的侧壁上设置有竖向的刻度尺。

砂槽箱1的侧板、盖板14、梁板17和下游水位控制箱3均为无色透明材料制成。

参照图2、图3，盖板14的顶面边缘和砂槽箱1宽度方向的侧板外表面上部靠近盖板14的边缘均设置有利用螺钉固定的加强板16。加强板16为不锈钢板。

盖板14和砂槽箱1的侧板之间利用多个卡扣组件10连接。卡扣组件10包括固定在盖板14的加强板16上的扣件以及固定在砂槽箱1侧板的加强板16上的卡件。由于卡扣组件10为现有技术中常用的用于连接相邻两个部件之间的连接件，因此在本实施例中对卡扣组件10的具体结构不再赘述，本领域技术人员应该熟知。

将盖板14利用卡扣组件10固定在砂槽箱1上，密封条15起到防水效果，避免砂槽箱1内有水的情况下出现渗漏的情况。

参照图3、图4，砂槽箱1宽度方向相对的两侧板上靠近梁板17的位置开设有相对的第一插槽144。第一插槽144竖向设置且顶端贯穿砂槽箱1侧板的顶面，底端与砂槽箱1底板的顶面齐平。第一插槽144内设置有与第一插槽144匹配的隔板6。

盖板14的底面与隔板6相对的位置开设有与隔板6匹配的对位槽142，隔板6的顶端高出砂槽箱1的侧板的顶面并插入对位槽142内。当使用隔板6时，第一渗滤组件4与隔板6之间的位置用于装填砂样。

砂样装填室12内砂槽箱1宽度方向相对的两侧板上靠近第一插槽144的位置开设有第二插槽145，第二插槽145竖向设置且顶端贯穿砂槽箱1侧板的顶面，底端与砂槽箱1底板的顶面齐平。第二插槽145沿砂槽箱1的长度方向等距离间隔设置多个。

第二插槽145槽底的顶端开设有卡槽146。第二插槽145内插接有竖向的防渗短墙7。防渗短墙7长度方向的两端面的顶部固定有向外伸出并与卡槽146匹配的卡块71。将防渗短墙7插入第二插槽145后，卡块71位于卡槽146内，从而使得防渗短墙7悬挂在第二插槽145内，同时防渗短墙7的顶面与盖板14的底面抵接。试验时，可以选择不同高度的防渗短墙7，用于调节防渗短墙7的防渗效果。在本实施例中，防渗短墙7插入砂槽箱1内的长度称为贯入度，不同高度的防渗短墙7具有不同的贯入度。

盖板14位于相邻的第一插槽144和第二插槽145之间的位置开设有贯穿盖板14的管涌孔141。

数据采集系统包括水压检测模块和渗流量检测模块。盖板14和砂槽箱1宽度方向的两侧壁上均设置有多个与砂槽箱1内部连通的测压管9。测压管9沿砂槽箱1的长度方向等距离间隔设置。测压管9可设置多排。测压管9与水压检测模块连接，水压检测模块可以是水压力传感器、水压测试表或者是其他能够实时检测砂槽箱1内水体压力的仪器。

渗流量检测模块设置在盖板14的管涌孔141的位置，用于对由管涌孔141排出的涌水的渗流量进行检测。渗流量检测模块采用常规的水体流量检测仪器，如多普勒流量计。渗流量检测模块与计算机连接从而能够实时观测到渗流量的变化。

参照图4、图5，第一渗滤组件4和第二渗滤组件5均包括沿砂槽箱1长度方向相对的穿孔滤板41以及夹在滤板41之间的渗滤层42。渗滤层42为土工布或者无纺布。相对的滤板41之间利用螺栓连接从而将渗滤层42夹紧。

第一渗滤组件4利用设置在砂槽箱1上的推进机构20移动。推进机构20包括穿过砂槽箱1开设第一进水口111的侧板并与侧板转动连接的转动杆201。转动杆201与砂槽箱1的连接处做好防水处理。转动杆201位于砂槽箱1内的部分为螺纹段202，螺纹段202穿过第一渗滤组件4。第一渗滤组件4与砂槽箱1的侧板相对的滤板41上固定有与螺纹段202同轴且设置有内螺纹的螺纹套筒203。螺纹套筒203与螺纹段202螺纹连接。转动杆201位于砂槽箱1外部的一端固定有驱动手柄204。转动驱动手柄204，在转动杆201的带动下第一渗滤组件4能够远离或者靠近第一进水口111，从而能够调整第一渗滤组件4与管涌孔141之间的距离。

砂槽箱1的调平机构8包括位于砂槽箱1下方的平台板81。平台板81的水平截面的面积大于砂槽箱1的底板的水平截面的面积。砂槽箱1的底板长度方向的两端一体连接有向外伸出的调平板82。调平板82与平台板81竖直相对。平台板81的四角固定有向上伸出并穿过调平板82的螺栓83。螺栓83位于调平板82上方的一端螺纹连接有调平螺母84。调平螺母84为蝶形螺母。螺栓83位于调平板82和平台板81之间的部分套设有弹簧85。弹簧85轴向的两端分别与调平板82的底面和平台板81的顶面固定连接。通过旋动调平螺母84调整调平板82与平台板81之间的距离，从而实现对砂槽箱1的水平度的调整。

砂槽箱1外部还设置有用于观测管涌破坏过程的摄像模块，摄像模块采用CCD相机，摄像模块与计算机电连接从而能够将影像信息实时传输到计算机上。

参照图6、图7，上游水位控制系统2包括提升桶21、支架22、驱动提升桶21升降的提升组件24以及向提升桶21内供水的循环水箱27。提升桶21透明从而能够从外部观察到提升桶21内的水位。支架22上设置有竖向的刻度尺。

提升桶21包括同轴设置的外桶211和内桶212。内桶212的底端开口并固定在外桶211上。提升桶21与循环水箱27之间利用进水管215和第二排水管216连通，其中进水管215与提升桶21的连接处位于外桶211底板的中间位置，第二排水管216与提升桶21的连接处位于外桶211的底板与外桶211和内桶212之间的空隙相对的位置。 进水管215向内桶212内供水，当内桶212内的水满后溢出到内桶212和外桶211之间的空隙内并通过第二排水管216流回循环水箱27。进水管215与固定在循环水箱27内的水泵连接并利用水泵供水。通过内桶212和外桶211以及循环水箱27的配合，能够保证内桶212内的水始终处于满溢状态，使得提升桶21的水头得到控制。

提升桶21的外桶211底板上与内桶212相对的位置还连接有出水管217。出水管217的另一端连接在砂槽箱1的第一进水口111处，从能实现向砂槽箱1内供水。

支架22的底端固定连接有底箱23，支架22的顶部分别设置有向底箱23上方伸出的竖向间隔的上板221和下板222。提升桶21位于下板222和底箱23之间。提升桶21利用提升组件24升降。

下板222的底面上固定有竖直的导向管223。提升桶21的外桶211的顶端固定有沿径向相对的吊耳213，吊耳213之间设置有长度方向两端分别与吊耳213固定连接的吊杆214。提升组件24包括穿过下板222以及导向管223并与吊杆214连接的线绳241以及固定在上板221底面相配合的第一滑轮242和第二滑轮243。

导向管223的外壁上固定设置有与提升桶21的水面相对的水位传感器224。本实施例中的水位传感器224采用雷达水位传感器。水位传感器224与PLC控制模块和计算机电连接。水位传感器224用于记录提升桶21内水头的高度，进而通过换算得到水头的提升高度。

参照图7、图8，线绳241绕过第一滑轮242和第二滑轮243之后连接到位于底箱23内的收线轴25上。收线轴25通过固定在底箱23内的伺服电机26驱动。伺服电机26通过PLC控制模块启停。

本申请实施例公开一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法。

实施例一

控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法包括以下步骤：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件4利用推进机构20推移至设计位置，将防渗短墙7按照设定的贯入度和位置插入第二插槽145内，之后向第一渗滤组件4和第二渗滤组件5之间的砂样装填室12内填充砂样。

砂样可根据试验需要，装填单层砂样、双层砂样或者三层砂样从而模拟单层堤基、双层堤基或者三层堤基。

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，每层厚5cm，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板14利用卡扣组件10固定在砂槽箱1上。

S2、由下游水位控制箱3的第二进水口31向下游水位控制箱3内注水并进入下游水室13内，使水位稳定在设计高度，水位高于砂样的高度。

S3、启动上游水位控制系统2，利用伺服电机26带动提升桶21上升，逐级提升水头，水头按照1cm/5min的速度提升。

当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室11连通时，停止提升水头。

利用水压检测模块和渗流量检测模块进行水压和渗流量的检测，摄像模块记录管涌通道的发育和砂样的破坏过程。

S4、调整防渗短墙7插入第二插槽145的顺序或者调整防渗短墙7的高度，重复步骤S1-S3，从而对不同防渗强度下的管涌破坏情况进行模拟。

S5、调整利用推进机构20调节第一渗滤组件4的位置，重复步骤S4，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟。

S6、根据获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

由于防渗短墙7可拆卸，因此在试验的过程中可以将防渗短墙7拆下，从而模拟无防渗短墙7存在的情况下堤基管涌破坏过程，并与有防渗短墙7存在时的管涌破坏情况进行对比，了解防渗短墙7在控制堤基管涌发展中的作用。

本实施例中的试验方法用于模拟堤基土样上下游均存在水头差并且在管涌孔141的迎水面存在防渗短墙7的情况下堤基管涌破坏的过程。

实施例二

控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法包括以下步骤：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件4利用推进机构20推移至设计位置，在第一插槽144内插入隔板6，将防渗短墙7按照设定的贯入度和位置插入第二插槽145内，之后向第一渗滤组件4和隔板6之间填充砂样。

砂样可根据试验需要，装填单层砂样、双层砂样或者三层砂样从而模拟单层堤基、双层堤基或者三层堤基。

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，每层厚5cm，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板14利用卡扣组件10固定在砂槽箱1上。

S2、启动上游水位控制系统2，利用伺服电机26带动提升桶21上升，逐级提升水头，水头按照1cm/5min的速度提升。

当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室11连通时，停止提升水头。

利用水压检测模块和渗流量检测模块进行水压和渗流量的检测，摄像模块记录管涌通道的发育和砂样的破坏过程。

S3、调整防渗短墙7插入第二插槽145的顺序或者调整防渗短墙7的高度，重复步骤S1-S2，从而对不同防渗强度下的管涌破坏情况进行模拟。

S4、调整利用推进机构20调节第一渗滤组件4的位置，重复步骤S3，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟。

S5、根据获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

由于防渗短墙7可拆卸，因此在试验的过程中可以将防渗短墙7拆下，从而模拟无防渗短墙7存在的情况下堤基管涌破坏过程，并与有防渗短墙7存在时的管涌破坏情况进行对比，了解防渗短墙7在控制堤基管涌发展中的作用。

本实施例中的试验方法用于模拟堤基土样只施加上游水头差且在管涌孔141的迎水面存在防渗短墙7的情况下堤基管涌破坏的过程。

试验结果显示，发生管涌后，由于防渗短墙7截断了管涌在砂体顶面的水平向发展路径，防渗短墙7前后管涌的发展路径由水平向转为垂直向，从而改变了渗流方向，增加了渗径长度，因垂向管涌克服的是重力，水平向克服的是摩擦力，前者比后者约大70%，这是防渗短墙可以显著提高堤防临界（管涌溃堤）水头的本质。当防渗短墙7布置在靠近管涌孔141，即防渗短墙7位于砂体的背水侧时，管涌破坏区更小、防渗效果更好。

在防渗短墙7的设计中，采用以下公式确定防渗短墙7的深度：

其中，μ为安全系数，γ _w 为水的容重，γ'为砂层的浮容重，

为管涌通道内的水 位，h为防渗短墙7底部下游的水头，

为管涌通道的深度。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：包括砂槽箱（1）、上游水位控制系统（2）以及监测试验过程的数据采集系统，所述砂槽箱（1）内设置有将砂槽箱（1）分隔为上游进水室（11）和砂样装填室（12）两部分的第一渗滤组件（4），所述砂槽箱（1）位于上游进水室（11）处的侧板上开设有第一进水口（111），所述第一进水口（111）通过出水管（217）与上游水位控制系统（2）连接；所述砂槽箱（1）的顶端利用可拆卸的盖板（14）封闭，所述盖板（14）上位于砂样装填室（12）内的底面上开设有贯穿盖板（14）的管涌孔（141），所述砂槽箱（1）上设置有调节第一渗滤组件（4）与管涌孔（141）之间距离的推进机构（20）；所述砂槽箱（1）宽度方向相对的两侧板位于第一渗滤组件（4）和管涌孔（141）之间的位置设置有可拆卸的防渗短墙（7），所述防渗短墙（7）设计有多种不同的贯入度；所述砂槽箱（1）的侧板、盖板（14）均为无色透明材质制成。

2.根据权利要求1所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述推进机构（20）包括穿过并转动连接于砂槽箱（1）位于上游进水室（11）处并与第一渗滤组件（4）相对的侧板的转动杆（201），所述转动杆（201）位于砂槽箱（1）内的部分为螺纹段（202）并穿过第一渗滤组件（4），所述第一渗滤组件（4）位于上游进水室（11）内的端面上固定有与转动杆（201）的螺纹段（202）螺纹连接的螺纹套筒（203）。

3.根据权利要求1所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述砂槽箱（1）内位于第一渗滤组件（4）背向上游进水室（11）的一侧设置有与第一渗滤组件（4）间隔的第二渗滤组件（5），所述管涌孔（141）位于第一渗滤组件（4）和第二渗滤组件（5）之间；所述第二渗滤组件（5）与砂槽箱（1）的侧壁之间形成下游水室（13），所述下游水室（13）连通有下游水位控制箱（3），所述下游水位控制箱（3）的不低于砂槽箱（1）的高度。

4.根据权利要求3所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述砂槽箱（1）宽度方向相对的两侧板位于管涌孔（141）和第二渗滤组件（5）之间的位置设置有可拆卸的隔板（6）。

5.根据权利要求1所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述上游水位控制系统（2）包括提升桶（21）、支架（22）以及安装在支架（22）上并带动提升桶（21）升降的提升机构。

6.根据权利要求1所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述砂槽箱（1）的底部设置有调平机构（8）。

7.根据权利要求6所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置，其特征在于：所述调平机构（8）包括位于砂槽箱（1）下方的平台板（81）以及固定在砂槽箱（1）底板长度方向两侧并与平台板（81）竖直相对的调平板（82），所述平台板（81）的四角设置有向上伸出并穿过调平板（82）的螺栓（83），所述螺栓（83）位于调平板（82）上方的部分螺纹连接有调平螺母（84），所述调平板（82）与平台板（81）之间设置有多个弹性件。

8.一种如权利要求1-2、5-7任一项所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件（4）利用推进机构（20）推移至设计位置，将防渗短墙（7）按照设定的贯入度和位置固定在砂槽箱（1）内，之后向砂样装填室（12）内填充砂样；

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板（14）固定在砂槽箱（1）上；

S2、启动上游水位控制系统（2），逐级提升水头，当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室（11）连通时，停止提升水头；

S3、利用推进机构（20）调节第一渗滤组件（4）的位置，重复步骤S1-S2，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟；

S4、根据数据采集系统获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

9.一种如权利要求3所述的控制堤基管涌发展的防渗短墙模拟装置试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据确定的渗径长度，将第一渗滤组件（4）利用推进机构（20）推移至设计位置，将防渗短墙（7）按照设定的贯入度和位置固定在砂槽箱（1）内，之后向砂样装填室（12）内填充砂样；

砂样的填充采用分层水下抛填并刮平、压实的方式进行，最后一层压实完毕且砂样饱和后将盖板（14）固定在砂槽箱（1）上；

S2、向下游水位控制箱（3）注水并进入下游水室（13）内，使水位达到设计高度，水位不低于砂样高度；

S3、启动上游水位控制系统（2），逐级提升水头，当管涌通道形成后向上游发展到与上游进水室（11）连通时，停止提升水头；

S4、利用推进机构（20）调节第一渗滤组件（4）的位置，重复步骤S1-S3，从而对不同渗径的管涌破坏情形进行模拟；

S5、根据数据采集系统获得的数据和影像，对堤基管涌破坏的发展情况和形成机理进行分析。

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