CN114577440B - 堤基管涌生成、发展的物理模型以及监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种堤基管涌生成、发展的物理模型以及监测方法，本发明模型分为堤基管涌生成、发展部分和孔隙压力传感器设备监测部分。本发明可以获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间等数据；可调节水槽位置，制备和移除砂样时将水槽固定在垂直位置上，大大增加试验效率；孔隙压力传感器可以实时记录各个压力端口的孔隙压力，并通过隔离总线数据采集设备数据汇总，输出线连接计算机显示；下游恒水头槽的标尺输出线连接计算机并验证流量计读数。故可以两者互相验证可行性。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程的土体内部结构及挟沙水流动力物模试验领域，具体涉及堤基管涌生成、发展的物理模型以及相应的监测方法。
背景技术
堤基管涌指堤防在内外水头差作用下(特别是汛期)，在砂性透水层形成管状渗流通道的现象，其过程涵盖隆起、管涌、流土等多种渗透变形，其在堤防抢险场景中也称作泡泉、泉涌、翻砂鼓水等。
通常，管涌首先于下游渗流出口处出现砂沸、携砂出流现象，逐渐沿堤基砂层与堤身底部或堤基表土覆盖层等的接触面向上游回溯发展，逐渐形成管状渗流通道，并由通道向下游渗流出口处输砂。当达到一定水头时，管涌通道发展更加迅速最终与上游水体连通导致堤防溃决。
堤基管涌严重威胁堤防工程和堤防保护区内人民的生命财产安全。从工程角度来看，管涌给堤基的稳定性带来巨大风险，直接或间接地对附近或偏远水下基础设施造成冲击，是大坝和防洪堤溃坝前最常见的原因之一。
前人研究文献报道过许多发生在世界各地的堤基管涌事件。但由于堤基管涌通道在堤基内部，其发展趋势很难用肉眼观察，在汛期危急时刻很难快速判定其危害程度大小。总结来说，堤基管涌是极其复杂的破坏过程，深入了解其发生、发展和破坏的机理是使其能够被预测和管理的关键。
由于堤基管涌过程是具有隐蔽性、危害性、复杂性和难以预测性等特点，并且衍生过程可能会损坏测量仪器，因此很难对该物理现象进行现场观测。实验室研究显然是有效替代手段，可以更好了解堤基管涌的发展的物理机制。目前来看，即使在实验室模拟中，量化堤基管涌实际也极具挑战，主要有以下几个原因：
其一，管涌的发展是典型非均匀非定常现象，这意味着其内部水沙动力和密度分布是时空变化的。
其二，堤基管涌非常薄(几厘米)，需要高分辨率的测压装置实时监测。
其三，由于物理模型试验受尺寸效应、模拟方法、砂样性质等影响，因此很难获得一致的定量参数，比如临界水头值的确定。
其四，目前对管涌通道前端土体破坏模式以及管涌通道内水流输砂临界条件等认识不清，需要更准确地获取关键试验技术参数，综合多学科理论知识，准确认知管涌发展的内在机理。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了模拟堤基管涌生成、发展的物理模型以及相应的监测方法。
本发明的一方面提供了一种堤基管涌生成、发展的物理模型。
本发明模型分为堤基管涌生成、发展部分和孔隙压力传感器设备监测部分；
所述的堤基管涌生成、发展部分包括水槽、上游墙、下游墙、流量计、上游恒水头槽和下游恒水头槽；
所述水槽内装入透水砂样，水槽顶部的透明亚克力板覆盖在砂样上模拟堤身或堤基表层不透水层，模拟砂性堤基在水平渗透水力比降作用下发生的管涌现象。
所述的上游墙和下游墙将透水砂样固定在设定的位置。上游墙扩散入流并确保统一的上游边界条件。上游墙与进口墙之间被垂直板隔开。上游墙和下游墙上分布有诸多过水孔，允许水流通过。
所述下游墙安装若干个钢弹簧支撑在出口墙，下游墙的顶部边缘是一个V形缺口，而平边缘位于水槽的底部。
所述的流量计记录流量，安装在水槽的上游位置测入流量，流量计连接到隔离总线数据采集设备，以获得每秒时间间隔的流量数据。
所述的上游恒水头槽使用恒压罐保持恒定水头。恒压罐的高度可调节，软管不断地向这个上游恒水头槽供水，以保持水槽充满水。
所述的下游恒水头槽放置标尺，和隔离总线数据采集设备数据输出线连接到计算机。通过标尺获得每隔一段时间收集的水的重量，记录测量的持续时间，以估计流量，并将其与流量计读数进行比较验证结果。
所述的孔隙压力传感器设备监测部分包括孔隙压力传感器，用于实时收集孔隙压力，在水槽侧壁设有两排若干个螺纹端孔用于测量孔隙压力。孔隙压力传感器与螺纹端孔通过无线探头以自动记录压力，并手动测量上游端口和下游端口的压力。每个孔隙压力传感器都与直流电源连接，由连接到计算机的隔离总线数据采集设备差分通道读取输出电压，获取并记录孔隙压力传感器的电压。
本发明的另一方面提供了一种堤基管涌生成、发展的监测方法，具体是：
(a)试验开始前，将水槽旋转180度到垂直位置，此时进口墙在底部，出口墙在顶部，打开出水墙，水槽先部分进水，再灌沙，确保制备砂样能与亚克力水槽之间的整体接触；样品制备完成后，将水槽旋转至水平位置并锁定到位。
(b)开始试验，堤基管涌生成和发展。上游恒水头槽持续供水，水体通过透水砂样来到下游恒水头槽，并保持试验中整体循环的持续进行。孔隙压力传感器通过无线探头实时自动记录孔隙压力，并手动测量上游端口和下游端口的压力。
(c)试验结束后，将水槽旋转至垂直位置，此时出口墙在底部，进口墙在顶部，打开出口墙，砂样从水槽内排出。
开始数据处理工作，将每个位置的压力转换为水头，计算总水头差获取通过砂样的水平梯度并结合获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间。
本发明的有益效果：
1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
2、本发明可以获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间等数据。
3、可调节水槽位置，制备和移除砂样时将水槽固定在垂直位置上，大大增加试验效率。
4、孔隙压力传感器(PPTs)可以实时记录各个压力端口的孔隙压力，并通过隔离总线数据采集设备数据汇总(DAQ)，输出线连接计算机显示；下游恒水头槽的标尺输出线连接计算机并验证流量计读数。故可以两者互相验证可行性。
附图说明
图1是本发明的装置主视示意图。
图2是本发明的部分部件详图。
图中：1.下游溢流槽，2.下游恒水头槽，3.出口墙，4.放气阀，5.透水砂样，6.进口墙，7.阀门，8.流量计，9.上游恒水头槽，10.软管，11.上游溢流槽，12.标尺，13.快速释放插销，14.下游端口，15.下游墙，16.下游出口斜坡，17.螺纹端孔，18.孔隙压力传感器(PPTs)，19.无线探头，20.上游墙，21.亚克力水槽，22.垂直板，23.上游端口，24.矩形支撑铝框架，25带有滚珠轴承的钢杆支架，26.铝框架，27.升降台，28.计算机，29.隔离总线数据采集设备(DAQ)，30.直流电源，31.过水孔，32.钢弹簧。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明，本发明采用如下技术方案：
模拟堤基管涌生成、发展的物理模型分为堤基管涌生成、发展部分和孔隙压力传感器设备监测部分。
所述的堤基管涌生成、发展部分的亚克力水槽底部和侧壁连接到铝框架26上(见附图1)，同时亚克力水槽21直接连接到一个独立的矩形支撑铝框架24上(内含带有滚珠轴承的钢杆支架25)。进一步说，所述亚克力水槽内装入透水砂样5，亚克力水槽顶部的透明亚克力板覆盖在透水砂样上模拟堤身或堤基表层不透水层，模拟砂性堤基在水平渗透水力比降作用下发生的管涌现象。进一步说，所述水槽使用透明亚克力材料，可以从任何角度观察透水砂样。
所述的上游墙20和下游墙15将透水砂样固定在适当的位置。进一步说，上游墙扩散入流并确保统一的上游边界条件。进一步说，上游墙与进口墙6之间被两块较薄的垂直板22隔开。上游墙和下游墙上分布有诸多过水孔31(见附图2中a)，允许水流通过，并用滤布覆盖以防止透水砂样通过墙进而影响压力测量并干扰样品。为对透水砂样施加名义围压，下游墙安装若干个钢弹簧32支撑在出口墙3(见附图2中b)。下游墙的顶部边缘是一个小坡度的V形缺口，而平边缘位于亚克力水槽的底部。进一步说，亚克力水槽从垂直位置倾斜到水平位置时，在休止角处形成一个自然坡度。当透水砂样在其休止角达到平衡时，由于V型缺口，在斜坡顶部形成了一个圆弧。由于透水砂样端部呈弧形坡度，最短的渗流路径位于样品中心，管涌反侵被迫发生在样品中心。
所述的流量计8记录流量，每次试验根据预期流速选择流量计，并将其安装在亚克力水槽的上游位置测入流量。进一步说，流量计连接到隔离总线数据采集设备29(DAQ)，以获得每秒时间间隔的流量数据。
所述的上游恒水头槽9使用恒压罐或泵保持恒定水头。进一步说，恒压罐的高度可用升降台27来调节，即可改变水头大小，以满足不同试验需求。进一步说，一根软管10不断地向这个上游恒水头槽供水，以保持亚克力水槽充满水，多余的水超过了这个亚克力水槽通过软管排入上游溢流槽11。
所述的下游恒水头槽2放置标尺12，输出流量和隔离总线数据采集设备数据(DAQ)输出线连接到计算机28。进一步说，通过标尺获得每隔一段时间收集的水的重量，记录测量的持续时间，以估计流量，并将其与流量计读数进行比较验证结果。进一步说，下游恒水头槽2多余的水排入下游溢流槽1。进一步说，阀门7控制流量来保持恒定水头，进口处阀门控制入流量，出口处阀门控制出流量。
所述的孔隙压力传感器设备监测部分，孔隙压力传感器18(PPTs)固定在铝框架上。进一步说，孔隙压力传感器可以实时收集孔隙压力，在亚克力水槽侧壁设有两排若干个螺纹端孔17用于测量孔隙压力。孔隙压力传感器与螺纹端孔通过无线探头19以自动记录压力，并手动测量上游端口23和下游端口14的压力。进一步说，每个孔隙压力传感器都与直流电源30连接，由连接到计算机的隔离总线数据采集设备(DAQ)差分通道读取输出电压，利用LabVIEW图形用户界面获取并记录孔隙压力传感器的电压。所有孔隙压力传感器在试验前都要进行校准。以一秒为离散时间间隔的记录孔隙压力到文本文件中。
所述的阀门控制流量，阀门和水管尺寸根据试验可进行调整，以满足不同试验需求，例如试验用粗透水砂样本时需要增加流量。
所述的放气阀4设置在亚克力水槽顶部，允许亚克力水槽饱和时能将多余的空气排出。
利用上述模型进行监测的方法：
(a)试验开始前，矩形支撑铝框架上的钢杆将亚克力水槽旋转180度到垂直位置，此时进口墙在底部，出口墙在顶部，打开出水墙(快速释放插销13控制)，亚克力水槽先部分进水，再灌沙(在下游出口斜坡16位置处进入)，确保制备透水砂样能与亚克力水槽之间的整体接触；样品制备完成后，将亚克力水槽旋转至水平位置并锁定到位。
(b)开始试验，堤基管涌生成和发展。上游恒水头槽持续供水，水体通过透水砂样来到下游恒水头槽，并保持试验中整体循环的持续进行。孔隙压力传感器通过无线探头实时自动记录孔隙压力，并手动测量上游端口和下游端口的压力。
(c)试验结束后，将亚克力水槽旋转至垂直位置，此时出口墙在底部，进口墙在顶部，打开出口墙，透水砂样从亚克力水槽内排出。开始数据处理工作，将每个位置的压力转换为水头，计算总水头差获取通过透水砂样的水平梯度并结合获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间等数据。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.堤基管涌生成、发展的物理模型，其特征在于，分为堤基管涌生成、发展部分和孔隙压力传感器设备监测部分；
所述的堤基管涌生成、发展部分包括水槽、上游墙、下游墙、流量计、上游恒水头槽和下游恒水头槽；
所述水槽内装入透水砂样，水槽顶部的透明亚克力板覆盖在砂样上模拟堤身或堤基表层不透水层，模拟砂性堤基在水平渗透水力比降作用下发生的管涌现象；
所述的上游墙和下游墙将透水砂样固定在设定的位置；上游墙扩散入流并确保统一的上游边界条件；上游墙与进口墙之间被垂直板隔开；上游墙和下游墙上分布有诸多过水孔，允许水流通过；所述的过水孔用滤布覆盖；
所述下游墙安装若干个钢弹簧支撑在出口墙，下游墙的顶部边缘是一个V形缺口，而平边缘位于水槽的底部；
所述的流量计记录流量，安装在水槽的上游位置测入流量，流量计连接到隔离总线数据采集设备，以获得每秒时间间隔的流量数据；
所述的上游恒水头槽使用恒压罐保持恒定水头；恒压罐的高度可调节，软管不断地向这个上游恒水头槽供水，以保持水槽充满水；所述的恒压罐的高度可用升降台来调节，即可改变水头大小，以满足不同试验需求；
所述的下游恒水头槽放置标尺，和隔离总线数据采集设备数据输出线连接到计算机；通过标尺获得每隔一段时间收集的水的重量，记录测量的持续时间，以估计流量，并将其与流量计读数进行比较验证结果；
所述的孔隙压力传感器设备监测部分包括孔隙压力传感器，用于实时收集孔隙压力，在水槽侧壁设有两排若干个螺纹端孔用于测量孔隙压力；孔隙压力传感器与螺纹端孔通过无线探头以自动记录压力，并手动测量上游端口和下游端口的压力；每个孔隙压力传感器都与直流电源连接，由连接到计算机的隔离总线数据采集设备差分通道读取输出电压，获取并记录孔隙压力传感器的电压；
所述的水槽从垂直位置倾斜到水平位置时，在休止角处形成一个自然坡度；当砂样在休止角达到平衡时，由于V型缺口，在斜坡顶部形成了一个圆弧；由于砂样端部呈弧形坡度，最短的渗流路径位于样品中心，管涌反侵被迫发生在样品中心；
所有所述的孔隙压力传感器在试验前都要进行校准，以一秒为离散时间间隔的记录孔隙压力到文本文件中；
将每个位置的压力转换为水头，计算总水头差获取通过砂样的水平梯度并结合获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间。
2.根据权利要求1所述的堤基管涌生成、发展的物理模型，其特征在于，所述的水槽直接连接到一个独立的矩形支撑铝框架上，该矩形支撑铝框架内含带有滚珠轴承的钢杆支架。
3.根据权利要求1所述的堤基管涌生成、发展的物理模型，其特征在于，所述的下游恒水头槽多余的水排入下游溢流槽。
4.根据权利要求1所述的堤基管涌生成、发展的物理模型，其特征在于，利用LabVIEW图形用户界面获取并记录孔隙压力传感器的电压。
5.堤基管涌生成、发展的监测方法，采用权利要求1至4中任一项所述的模型，其特征在于该方法包括以下步骤：
（a）试验开始前，将水槽旋转180度到垂直位置，此时进口墙在底部，出口墙在顶部，打开出水墙，水槽先部分进水，再灌沙，确保制备砂样能与亚克力水槽之间的整体接触；样品制备完成后，将水槽旋转至水平位置并锁定到位；
（b）开始试验，堤基管涌生成和发展；上游恒水头槽持续供水，水体通过透水砂样来到下游恒水头槽，并保持试验中整体循环的持续进行；孔隙压力传感器通过无线探头实时自动记录孔隙压力，并手动测量上游端口和下游端口的压力；
（c）试验结束后，将水槽旋转至垂直位置，此时出口墙在底部，进口墙在顶部，打开出口墙，砂样从水槽内排出；
开始数据处理工作，将每个位置的压力转换为水头，计算总水头差获取通过砂样的水平梯度并结合获得管涌反侵速度、临界总水头、临界总水平平均水力比降、总水头和总渗流量过程曲线、管涌发生发展的时间。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：水墙的打开由快速释放插销控制。
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