专利名称：堤防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置的制作方法
技术领域：
本发明提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置，属于水利工程物理模型试验领域，涉及一种水工模型试验设备，尤其是一种提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置。
背景技术：
提坝下游地面被基底承压地下水渗流顶穿冒水涌砂的现象，称为管涌，出口涌砂后渗流向上游冲蚀发展沿提基逐渐形成集中渗流通道，当通道抵达上游时，还会在河水面发生漩涡，并将发生提身下沉或裂缝而溃提。大量洪灾资料表明，提基管涌在提防的破坏模式中发生率最高、危害性最大。因此，研究提防工程管涌的形成与发展过程，对预防管涌与提出相应抢险与治理措施具有重要意义。目前，关于提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。 但以往的提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，因此不能满足提防工程管涌破坏研究的需求。
发明内容
为了克服现有管涌破坏模型试验方法的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种更合理的提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验设备和试验方法。它能够模拟提防工程中提基渗流场的变化与提基土体的渗透变形，再现提防工程中提基管涌破坏的形成、发展过程。本发明采用的技术方案是模型试验装置包括箱形试验仪、变水头供水装置、数据采集装置。所述的箱形试验仪，其箱形槽上游左侧有进水管，经进水阀和塑料水管与变水头供水装置的铁筒出水管相连，下游左侧有出水管；右侧安装四个装砂孔，装砂孔用孔盖板密封，孔盖板用四个螺栓固定；箱形槽底板中部沿上游至下游开有多个测压孔，箱形槽上部用槽盖板密封，槽盖板与箱形槽之间用多个螺栓固定，槽盖板表面四围均有挡水矮墙，下游侧挡水矮墙中部开有溢流口，槽盖板表面中部沿上游至下游开有多个管涌孔且用玻璃塞封堵；四块U型钢和四个螺杆将箱形试验仪固定后置于木质支架上。所述的变水头供水装置由上部的玻璃筒和下部的铁筒相连且置于金属支架上，连接处用螺栓箍紧，玻璃筒正反面均刻有刻度，左侧顶部开有溢流管，右侧从上之下均布地开有水位微调孔同时用玻璃塞封堵；铁筒左侧有进水管，分别与进水阀和塑料水管相连，底部有出水管，经出水阀和塑料水管与箱形试验仪上游进水管相连。所述的数据采集装置由水压力传感器、电桥盒、电阻应变仪、数据采集分析仪、电脑依次相连。箱形试验仪内部砂土与边壁接触部分除上下游的多孔板外，均用橡皮泥做边壁处理，以防止边壁形成渗漏通道；装砂前箱形槽与槽盖板四周用螺栓固定，为防漏水接触面涂抹一层橡皮泥，槽盖板表面的管涌口用玻璃塞堵住；装砂时砂土从侧面的装砂孔进入，以方便排气和防止局部装填不实；为防止试验时箱形试验仪膨胀变形，用四个U型钢将其上下面夹紧固定；传感器连接至箱形试验仪底部时，为防止传感器头部进砂，在头部裹上一层 200目的纱布。具体而言，本发明的工作方式如下对箱形试验仪内部边壁进行处理；箱形槽与槽盖板四周用螺栓固定，接触面进行防漏水处理，槽盖板表面的管涌口用玻璃塞封堵；从侧面的装砂孔将试验砂土装入，砂分层装填，每层装填完毕即进行压实、排气和饱和处理；将传感器头部与箱形试验仪底部连接，同时将其尾部与电桥盒、动态电阻应变仪、 数据采集与处理分析仪、电脑依次连接，至此进入试验数据采集阶段；逐渐增加水头，当水头达到预期值时，保持水头一段时间，待下游出口渗流量稳定时，即可采取变化渗径的方式；从下游第一个管涌口开始，打开管涌出口的玻璃塞，随即观察管涌口的状态，如无管涌出现，封堵开口，随即打开上游方向相邻的一个管涌出口，观察试验现象，直到管涌口出现管涌；管涌出现后，记录试验现象、测量流量，直至管涌发展达到稳定状态，形成管涌通道，试验停止，测量出砂半径，同时计算相应的比降。本发明的有益效果1、提供了一种新的模拟管涌的装置和方法；2、通过调整填土的性质，可以模拟各类提基的管涌破坏现象，适用范围更广；3、通过逐渐增大水头、改变管涌口位置(渗径)的方式可以真实再现提防工程中提基管涌破坏的形成、发展过程。
图1为本发明结构原理应用示意图；图2为箱形试验仪正视示意图；图3为箱形试验仪俯视示意图；图4为变水头供水装置正视示意图；图5为变水头供水装置俯视示意图；图6为各阶段位置压力水头沿程分布曲线图；图7为局部通道形成后平面等势线分布图；图8为管涌通道最终形成后平面等势线分布。图中1螺杆，2U型钢，3螺栓，4箱形槽，5槽盖板，6玻璃塞，7管涌孔，8测压孔，9
4装砂孔，10孔盖板，11进水管，12出水管，13、观进水阀，14挡水矮墙，15溢流口，16砂样，17 上游多孔板，18下游多孔板，19木支架，20水压力传感器，21电桥盒，22电阻应变仪，23数据采集分析仪，24电脑，25溢流管，26铁筒进水管，27铁筒出水管，29出水阀，30玻璃筒，31 铁筒，32刻度，33水位微调孔，35塑料水管，34玻璃塞，36塑料水管，37金属支架。
具体实施例方式一种模拟提防工程发生管涌破坏发展过程的模型试验装置，包括箱形试验仪、变水头供水装置、数据采集装置，箱形槽4上游左侧有进水管11，经进水阀13和塑料水管36 与变水头供水装置的铁筒出水管(XT)相连，下游左侧有出水管12 ；右侧安装四个装砂孔9， 装砂孔9用孔盖板10密封，孔盖板10用四个螺栓3固定；箱形槽4底板中部沿上游至下游开有多个测压孔8，箱形槽4上部用槽盖板5密封，槽盖板5与箱形槽4之间用多个螺栓3 固定，槽盖板5表面四围均有挡水矮墙14，下游侧挡水矮墙14中部开有溢流口 15，槽盖板表面中部沿上游至下游开有多个管涌孔7且用玻璃塞6封堵；四块U型钢2和四个螺杆1 将箱形试验仪固定后置于支架19上。变水头供水装置由上部的玻璃筒30和下部的铁筒31相连且置于金属支架37上， 连接处用螺栓3箍紧，玻璃筒正反面均刻有刻度32，左侧顶部开有溢流管25，右侧从上至下均布地开有水位微调孔33同时用玻璃塞34封堵；铁筒左侧有进水管沈，分别与进水阀观和塑料水管35相连，底部有出水管27，经出水阀四和塑料水管36与箱形试验仪上游进水管11相连。数据采集装置由水压力传感器20、电桥盒21、电阻应变仪22、数据采集分析仪23、 电脑M依次相连。箱形试验仪内部砂土与边壁接触部分除上下游的多孔板外，均用橡皮泥做边壁处理，以防止边壁形成渗漏通道；装砂前箱形槽与槽盖板四周用螺栓固定，为防漏水接触面涂抹一层橡皮泥，槽盖板表面的管涌口用玻璃塞堵住；装砂时砂土从侧面的装砂孔进入，以方便排气和防止局部装填不实；为防止试验时箱形试验仪膨胀变形，用四个U型钢将其上下面夹紧固定；传感器连接至箱形试验仪底部时，为防止传感器头部进砂，在头部裹上一层 200目的纱布。具体而言，本发明的工作方式如下取长江滩天然黄砂，开展管涌破坏发展过程试验，黄砂基本参数见表1。从侧面的装砂孔9将试验砂土装入，砂分层装填，每层装填完毕即进行压实、排气和饱和处理；将水压力传感器20头部与箱形试验仪底部连接，同时将其尾部与电桥盒21、电阻应变仪22、数据采集分析仪23、电脑M依次连接，至此进入试验数据采集阶段；逐渐增加水头，当水头达到30cm，保持水头一段时间，待下游出口渗流量稳定时， 即可采取变化渗径的方式；从下游第一个管涌口 7开始，打开管涌口的玻璃塞6，随即观察管涌口 7的状态，如无管涌出现，封堵开口，随即打开上游方向相邻的一个管涌口 7，观察试验现象，直到管涌口 7出现管涌；管涌出现后，记录试验现象、测量流量值为2. 47cm7s，直至管涌发展达到稳定状态，形成管涌通道，试验停止，测量出砂半径为12cm，同时计算的临界坡降为0. 75，管涌口坡降为0. 99。表2列出了各级水头单层提基试验结果。在管涌发展各个阶段沿渗径长度方向各位置水头分布及变化情况见图6，局部通道形成后渗流场分布等值线图见图7，管涌通道最终形成后渗流场分布等值线图见图8。表1长江黄砂基本参数
权利要求
1.一种模拟提防工程管涌破坏发展过程的模型试验装置，包括箱形试验仪、变水头供水装置、数据采集装置，其特征在于箱形槽⑷上游左侧有进水管(11)，经进水阀(13)和塑料水管(36)与变水头供水装置的铁筒出水管(XT)相连，下游左侧有出水管(1 ；右侧安装四个装砂孔(9)，装砂孔(9)用孔盖板(10)密封，孔盖板(10)用四个螺栓(3)固定； 箱形槽(4)底板中部沿上游至下游开有多个测压孔(8)，箱形槽(4)上部用槽盖板(5)密封，槽盖板( 与箱形槽(4)之间用多个螺栓C3)固定，槽盖板( 表面四围均有挡水矮墙 (14)，下游侧挡水矮墙(14)中部开有溢流口(15)，槽盖板表面中部沿上游至下游开有多个管涌孔(7)且用玻璃塞(6)封堵；四块U型钢( 和四个螺杆(1)将箱形试验仪固定后置于支架(19)上。
2.根据权利要求1所述的提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置，其特征在于所述的变水头供水装置由上部的玻璃筒(30)和下部的铁筒(31)相连且置于金属支架(37)上，连接处用螺栓C3)箍紧，玻璃筒正反面均刻有刻度(32)，左侧顶部开有溢流管 (25)，右侧从上至下均布地开有水位微调孔(3 同时用玻璃塞(34)封堵；铁筒左侧有进水管(26)，分别与进水阀08)和塑料水管(3 相连，底部有出水管(27)，经出水阀09)和塑料水管(36)与箱形试验仪上游进水管(11)相连。
3.根据权利要求1所述的提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置，其特征在于所述的数据采集装置由水压力传感器(20)、电桥盒(21)、电阻应变仪(22)、数据采集分析仪03)、电脑04)依次相连。
4.根据权利要求1所述的提防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置，其特征在于，所述装置的试验方法为a.对箱形试验仪内部边壁进行处理，箱形槽与槽盖板四周用螺栓固定，接触面进行防漏水处理，槽盖板表面的管涌口用玻璃塞封堵；b.从侧面的装砂孔将试验砂土装入，砂分层装填，每层装填完毕即进行压实、排气和饱和处理；c.将传感器头部与箱形试验仪底部连接，同时将其尾部与电桥盒、动态电阻应变仪、数据采集与处理分析仪、电脑依次连接，至此进入试验数据采集阶段；d.逐渐增加水头，当水头达到预期值时，保持水头一段时间，待下游出口渗流量稳定时，即可采取变化渗径的方式；e.从下游第一个管涌口开始，打开管涌出口的玻璃塞，随即观察管涌口的状态，如无管涌出现，封堵开口，随即打开上游方向相邻的一个管涌出口，观察试验现象，直到管涌口出现管涌；f.管涌出现后，记录试验现象、测量流量，直至管涌发展达到稳定状态，形成管涌通道， 试验停止，测量出砂半径，同时计算相应的比降。
全文摘要
本发明堤防工程砂土管涌破坏发展过程模型试验装置，属于水利工程物理模型试验领域。装置由箱形试验仪、变水头供水装置、数据采集装置三个部分组成。它能够模拟堤防工程中堤基砂土发生渗透变形直至破坏的渗流场变化与砂土的流失变形，更为合理地再现堤防工程中堤基砂土管涌破坏的形成、发展过程。通过调整试验土样类型，可以模拟均匀堤基、双层堤基、多层堤基等堤防工程中各类堤基的管涌破坏现象；通过逐渐增大水头、改变管涌口位置(渗径长度)的方式，可以模拟江河堤防各种水力条件下的管涌破坏发展过程。它适用于有关堤防工程管涌破坏的科学研究，为实际堤防工程的设计提供指导，也可以作为水利工程与岩土工程学科的教学实验之用。
文档编号E02B1/02GK102277850SQ201110114559
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者宁博, 耿妍琼, 胡皓, 谈叶飞, 谢兴华 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院