CN203821296U

CN203821296U - 一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置

Info

Publication number: CN203821296U
Application number: CN201420147285.7U
Authority: CN
Inventors: 孙杰; 周晓智; 袁磊; 葛路; 凌炜
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2014-09-10
Anticipated expiration: 2024-03-28

Abstract

本实用新型公开了一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，包括自动升降水头装置、带有槽底进水口的试验槽装置和数据收集装置。通过在方形槽底层的1/5分划线下面装入红色细颗粒，可透过槽壁的刻度在试验过程中观察细颗粒运动速度与运动方向，在发生管涌破坏后也可分层取样扫描并运用MATLAB、ALIKE软件对比分析。通过将方形试验槽四等分，同步施加相同的水头差，可以得出土体颗粒的相对密实度与管涌发生破坏时的临界水力梯度、破坏发展现象快慢的关系。该试验装置适用于坝体工程渗流与渗透破坏的研究，为实际坝体工程等施工、设计等提供指导，也可以作为岩土工程及水利工程学科的教学与科研实验之用。

Description

一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及水利工程物理模型试验领域，具体地说是一种研究管涌破坏发展过程的模型试验装置。

背景技术

管涌是渗透破坏的主要形式，在土体中，细小颗粒在水流的带动下流出土体的现象称为管涌。大量的洪灾资料表明，堤基与堤身的渗流对河道堤坝的破坏危害最大，其发生数量多、分布范围广，且易发生重大溃堤险情。因此，对于堤坝的渗流破坏问题绝对不可掉以轻心，研究水库土坝渗流破坏的形成与发展过程，对预防渗流破坏与提出相应的防治措施具有重要意义。只有在汛期到来之前将可能发生管涌的堤坝调查清楚并进行适当加固处理才是上策。利用本实用新型装置对管涌渗透变形的机理进行分析，找出防治措施，在汛期到来之前查清隐患，做到未雨绸缪，确保堤防安全。

目前，关于堤基管涌破坏的数值模拟大多局限于有限元渗流模拟的范围，因其无法考虑颗粒流失引起的土水相互作用过程，故无法全面解释管涌的形成、发展过程。物理模型试验，原理相对简单，现象直观，得出的结论具有科学意义，因此是一种有效的研究手段。但以往的堤基管涌破坏模型试验方法，不能模拟管涌发展过程，或无法测试管涌过程中渗流场的动态变化，而只能获得临界坡降参数，无法详细描述管涌破坏的发展进程。难以再现管涌破坏形成、发展的真实过程，因此不能满足堤防工程管涌破坏研究的需求。

实用新型内容

为了克服现有问题，本实用新型的管涌破坏发展试验模型装置可采用如下方案：

一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，包括自动升降水头装置、试验槽装置和数据收集装置，其中，自动升降水头装置通过橡胶管与试验槽装置相连，试验槽装置通过数据线和数据收集装置连接，其特征在于，所述自动升降水头装置包括：由木架、竖板、底板构成的安装架，由滑轮、缆绳构成的机械传动装置，移动式水箱，自动控制装置，其中，两块竖板垂直设置于底板与木架之间；滑轮固定安装于木架上；自动控制装置安装于底板上；底板通过缆绳悬挂于滑轮之间；缆绳一端与底板连接，一端跨过滑轮与自动控制装置连接；移动式水箱固定安装于底板上。

本实用新型所述移动式水箱左侧有进水口和进水口阀门，上部有溢水口，底部有出水口。

本实用新型所述的试验槽装置包括带标尺的方形有机玻璃试验槽、设置于方形有机玻璃试验槽上端的汇水槽和设置于方形有机玻璃试验槽下端的带缺口的底板，其中，汇水槽带有出水口；试验槽装置槽底开设进水口。

本实用新型所述方形有机玻璃试验槽内放置圆柱形有机玻璃分隔槽，依次设置于分隔槽下端的阻水底板和阻水橡皮圈。

本实用新型所述数据收集装置包括量测系统以及与之连接的计算机终端，所述量测系统包括沿试验槽管内部由上至下均匀布置的水压力传感器，与水压力传感器相连的数据节点和计算机终端，位于汇水槽出水口处的电子流量计。

本实用新型所述方形有机玻璃试验槽管壁上设置红色细颗粒分划线。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1.通过电控自动水头升降系统使上下游水头差的变化模拟提防工程受周期性洪峰下管涌破坏发展过程。

2.与现有的实验装置相比，能够对底层细颗粒的上涌路径、破坏后最终形态进行比较精确的定量分析。

3.能够实时对比分析不同相对密实度的土体发生管涌破坏的整个过程。

附图说明

图1是本实用新型研究水库土坝渗流破坏发展过程模型试验装置的结构示意图。

图2是有机玻璃分隔槽示意图。

图中，1、长木架，2、滑轮系统，3、溢水口，4、移动式水箱，5、出水口，6、底板，7、进水口，8、进水口阀门，9、缆绳，10、自动控制装置，11、进水橡胶软管，12、槽底进水口，13、计算机终端，14、隔板，15、圆柱形有机玻璃试验槽，16、刻度线，17、水头传感器，18、带缺口的底板，19、电子流量计，20、槽顶出水口，21、汇水槽，22、数据节点，23、红色细颗粒分划线，24、圆柱形有机玻璃分隔槽，25、阻水底板，26、阻水橡皮圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本实用新型公开一种研究无粘性土管涌破坏发展过程的试验装置，包括自动升降水头装置、带有槽底进水口12的试验槽装置和数据收集装置。

本实用新型所述自动升降水头装置包括由木架1、竖板24、底板25构成的安装架，由滑轮2、缆绳9构成的机械传动装置，移动式水箱4，自动控制装置10，其中，两块竖板24垂直设置于底板25与木架1之间；滑轮2固定安装于木架1上；自动控制装置10安装于底板25上；底板6通过缆绳9悬挂于滑轮2之间；缆绳9一端与底板6连接，一端跨过滑轮2与自动控制装置10连接；移动式水箱4固定安装于底板6上。

优选地，本实用新型所述机械传动装置由悬挂于自动升降水头装置上端的木架1上的一对滑轮2、跨过滑轮2的缆绳9构成。

如图1所示，本实用新型所述的试验槽装置包括带标尺的方形有机玻璃试验槽15、设置于方形有机玻璃试验槽15上端的汇水槽21和设置于方形有机玻璃试验槽15下端的带缺口的底板18，其中，汇水槽21带有出水口20。

如图2所示，本实用新型所述有机玻璃隔槽15包括：圆柱形有机玻璃分隔槽24、阻水底板25、阻水橡皮圈26。

本实用新型中自动升降水头装置通过出水口5经橡胶管11与试验槽装置槽底进水口12相连，与试验槽装置连通。

如图1所示，本实用新型所述数据收集装置包括量测系统以及与之连接的计算机终端13，所述量测系统包括沿试验槽15管内部由上至下均匀布置的水压力传感器17，与水压力传感器17相连的数据节点22和计算机终端13，位于汇水槽出水口20处的电子流量计19。

由于方形槽的的尺寸效应比较显著，故本套装置的实验槽体积较大，方形槽尺寸达800mm×800mm；当用隔板将其四个分槽时，则采用圆柱形槽来减少边界效应。其次，由于目前实验通常采用同种颜色的沙子，很难观察细颗粒的运动路径，发生管涌破坏之后也很难根据最终状态分析细颗粒的运动路径、长度，本套装置则比较成熟的运用彩沙来解决这些问题。

如图3，为本实用新型模型试验装置的工作原理示意图，结合图1与图2给出如下优选实施例：

作为本实用新型的一个优选实施例，在模型无粘性土管涌破坏发展过程的试验中，定量描述底层细颗粒上涌的路径、速度是通过以下技术方案来实现：

（1）首先在方形槽底面根据不同土的性质填筑一定的厚度的土样至红色细颗粒分划线23，其中的细颗粒为红色，接着填筑一般颜色土样至槽满，通过自动控制水头装置向模型槽内注入清水，使土样充分浸水饱和。

（2）进一步，再由自动升降水头系统按照预先设定升降时间间隔模拟一种类似洪峰的规律性变化的水头差，水透过透水板，在土样中形成渗流场，接着在汇水槽21中汇聚并排出。

（3）透过有机玻璃15观察槽内底部红色细颗粒上涌的路径，根据槽壁刻度16求得其速度、路径长度等相关参数。

（4）期间可根据需要，隔一段时间收集回水槽中的细颗粒，定期记录电子流量计19的读数可得到整个管涌发展过程中的流量变化情况；计算机终端13给出管槽内各点水头高度随时间的变化情况。

（5）发生管涌破坏后，可先将管涌槽至于零下温度环境中变为固体，可等距横向切片扫描，并用MATLAB、ALIKE等软件分析每个截面红色细砂所占的百分率；亦可过方形槽轴线竖向切片观察红色细砂上涌的路径。

作为本实用新型的另一个优选实施例，在模型无粘性土管涌破坏发展过程的试验中，研究不同土体的相对密实度与管涌发生的临界水力梯度、破坏发展现象快慢的关系，通过以下技术方案来实现：

（1）将圆柱形隔槽24装入方形槽15内，以孔隙率为土体密实度的控制参数，通过改变该控制参数可以得到不同的土样，选取需要进行对比分析的土样放入槽中，通过自动控制水头装置向模型槽内注入清水，使土样充分浸水饱和。

（2）进一步，再由自动升降水头系统逐渐分级升高水头，水透过透水板，在土样中形成渗流场，接着在汇水槽21中汇聚并排出。

（3）实时对比观察四个试样槽内土体试样的运动情况，亦可在四个角度设置图像采集装置，时刻拍摄颗粒的分布情况，连续记录管涌过程中颗粒的分布情况以及细砂的流失过程、运动轨迹。

（5）通过水头差与渗径的关系确定不同相对密实度的土体管涌临界水力梯度。

与现有的技术相比，本实用新型管涌渗透发展过程的模型试验装置通过自动升降水头系统对无粘性土施加类似于洪峰作用的规律性变化水头差，克服了现有模型装置精度低的缺陷。通过在试样底部加入红色细砂，不仅能在试验过程中清楚观察细颗粒向上运动路径，也可在发生管涌破坏后切块扫描，用MATLAB、ALIKE等图形对比软件分析；通过横向切片扫描得出红色细砂在每一层中所占比例，通过对竖向切片扫描可分析红色细砂的流动路径。

同时，通过在本实验装置的方形机玻璃槽中加入隔板，可将试验槽分为体积相同，形状相同的四个圆柱槽，可以同时观察不同孔隙率（相对密实度）管涌破坏的发展过程。大大缩短了实验时间，可以实时对比不同土体管涌破坏发展过程，提高实验效率。

最后，电子流量计、水头测量装置实时测定下游水头、流量等参数，所以该套装置可以全面表征模拟堤防等工程管涌破坏发展。

Claims

1.一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，包括自动升降水头装置、试验槽装置和数据收集装置，其中，自动升降水头装置通过橡胶管（11）与试验槽装置相连，试验槽装置通过数据线和数据收集装置连接，其特征在于，所述自动升降水头装置包括：由木架（1）、竖板（24）、底板（25）构成的安装架，由滑轮（2）、缆绳（9）构成的机械传动装置，移动式水箱（4），自动控制装置（10），其中，两块竖板（24）垂直设置于底板（25）与木架（1）之间；滑轮（2）固定安装于木架（1）上；自动控制装置（10）安装于底板（25）上；底板（6）通过缆绳（9）悬挂于滑轮（2）之间；缆绳（9）一端与底板（6）连接，一端跨过滑轮（2）与自动控制装置（10）连接；移动式水箱（4）固定安装于底板（6）上。

2.根据权利要求1所述的一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，其特征在于，所述移动式水箱（4）左侧有进水口（7）和进水口阀门（8），上部有溢水口（3），底部有出水口（5）。

3.根据权利要求1所述的一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，其特征在于，所述的试验槽装置包括带标尺的方形有机玻璃试验槽（15）、设置于方形有机玻璃试验槽（15）上端的汇水槽（21）和设置于方形有机玻璃试验槽（15）下端的带缺口的底板（18），其中，汇水槽（21）带有出水口（20）；试验槽装置槽底开设进水口（12）。

4.根据权利要求3所述的一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，其特征在于，所述方形有机玻璃试验槽（15）内放置圆柱形有机玻璃分隔槽（24），依次设置于分隔槽（24）下端的阻水底板（25）和阻水橡皮圈（26）。

5.根据权利要求1所述的一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，其特征在于，所述数据收集装置包括量测系统以及与之连接的计算机终端（13），所述量测系统包括沿试验槽（15）管内部由上至下均匀布置的水压力传感器（17），与水压力传感器（17）相连的数据节点（22）和计算机终端（13），位于汇水槽出水口（20）处的电子流量计（19）。

6.根据权利要求4所述的一种无粘性土管涌破坏发展过程的模型试验装置，其特征在于，在所述方形有机玻璃试验槽（15）管壁上设置红色细颗粒分划线（23）。