一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置及试验方法，包括供水装置，供水装置通过供水管与透明的或半透明的模型箱的底部连接，在模型箱内部由上到下铺设试验试样和用于消除水流对试验试样的冲击作用的缓冲层，在试验试样中从上到下布设有多个渗压传感器和多个应变传感器，渗压传感器、应变传感器分别同渗压与应变控制箱连接，所述渗压与应变控制箱同计算机连接。本发明通过缓冲层的设置消除水流对试验试样的直接冲击，有效保证了试验试样的完整性，以及渗压传感器和应变传感器测量数据的准确性；通过不同水位控制阀的设置，调节供水装置中的水位高度，实现对供水水头大小的调整，进而实现不同供水水头大小下的数据测量。
【专利说明】
一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置及试验方法
技术领域
[0001]本发明涉及地下工程及水工结构，特别是一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置及试验方法。
【背景技术】
[0002]地下工程及水工结构长期处于水面以下时，承受地下水的渗流作用，经常发生渗透失稳破坏现象，且在某一特定区域内地下水位的变化很小，可以认为是定水头渗流作用。管涌是最常见的结构渗透失稳破坏现象，因其危害性极大一直是水力学研究的重点。但由于其复杂性和随机性，现场的试验几乎是不可能的，因此，多采用室内物理模型试验的研究方法来研究管涌现象。
[0003]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。目前，模拟管涌破坏过程的数值方法，通常无法考虑颗粒流失引起的土水相互作用，因此无法全面的解释管涌破坏的形成、发展过程；同时，现有管涌破坏模型试验，通常不能有效地消除重力对水流偏流的影响，且现有的试验方法，无法实现管涌破坏发生过程中土体变形的全过程实时观测，而只是简单地获取临界水力坡降参数，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，因此不能满足管涌破坏过程研究的需求。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种结构简单，能节约试验成本的符合地下水渗流情况的一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置及试验方法，研究管涌破坏的发生、发展全过程，为地下工程及水工结构的合理设计提供依据。
[0005]为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]—种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置，包括供水装置，供水装置通过供水管与透明的或半透明的模型箱的底部连接，这样方便观测模型箱内管涌发生过程，实现从试验开始到发生管涌发生的有效计时，记录这个时间有助于后续研究;在模型箱内部由上到下铺设试验试样和用于消除水流对试验试样的冲击作用的缓冲层，在试验试样中从上到下布设有多个渗压传感器和多个应变传感器，渗压传感器、应变传感器分别同渗压与应变控制箱连接，；整个结构水从模型箱的下部逐渐向上渗入，符合地下工程中地下水的渗流情况，试样中埋设的渗压传感器和应变传感器可以准确的测量试验过程中试验试样内部渗透压力和应变的变化，进而可以判断出管涌现象的发生与否，所述渗压与应变控制箱同计算机连接，通过计算机的显示屏可以实时将数据传送至计算机进行观测，进而实时显示试验试样内部不同位置的变形数据，观测试验试样发生的管涌破坏情况;此外，在试验过程中，可以根据试验要求，灵活布置渗压传感器和应变传感器。
[0007]进一步地，试验试样为地下工程用土样，试验试样在缓冲层的上部填充压制而成，试验过程中通过调整试验试样填筑的高度来改变渗径的长度，通过箱型试验装置侧壁设置的测压管可以读取试验试样不同高程处的水头值。
[0008]进一步地，在所述试验试样内设有多个用于测量渗透压力的测压管，多个测压管间隔设定距离设置;模型箱内等距布设的测压管可以测得试验试样中不同渗径长度处的水头，进而可以计算出试样不同位置的压力梯度。
[0009]进一步地，多个渗压传感器成一排竖直设置，多个应变传感器成另一排竖直设置。
[0010]进一步地，在管路上设有水压表和流量计，水压表和流量计分别与计算机连接，水压表和流量计可以分别读取水头压力和流量。
[0011]进一步地，所述供水装置的高度高于模型箱的高度，同时，缓冲层内填充的是砂石O
[0012]进一步地，在模型箱的顶部设置出水管。
[0013]进一步地，在供水装置的侧壁在不同高度处设有多个水位控制阀，通过打开不同高度水位控制阀，调节供水箱中的水位高度，实现调节供水水头的大小。
[0014]一种研究管涌破坏过程的物理模型试验方法，具体步骤如下:
[0015]I)在模型箱内填充缓冲层后填充试验试样；
[0016]2)在供水装置内打开某一水位控制阀，使得供水装置内水位保持设定的高度；
[0017]3)打开水阀，供水装置内水流进入模型箱，渗压与应变控制箱通过设于试验试样内的渗压传感器、应变传感器和测压管检测数据并传送至计算机；
[0018]4)试验完成后，泥水混合物由模型箱顶部的出水管排出。
[0019]进一步地，所述步骤I)中，试验试样通过填充至不同的高度来改变渗径的长度，便于水头梯度的计算。
[0020]本发明的有益效果是:
[0021]I)整个试验装置竖直设置，水流由下向上逐步渗流，消除了传统试验中重力对水流偏流的影响，符合实际地下水的渗流现象，可以实现管涌破坏过程的模拟，解决了地下工程及水工结构管涌破坏过程难以精确测量数据的问题，整个系统及试验方法更贴近实际应用，试验操作更加方便，能更好的指导实践。
[0022]2)通过缓冲层的设置消除水流对试验试样的直接冲击，有效保证了试验试样的完整性，以及渗压传感器和应变传感器测量数据的准确性。
[0023]3)通过不同水位控制阀的设置，调节供水装置中的水位高度，实现对供水水头大小的调整，进而实现不同供水水头大小下的数据测量。
【附图说明】
[0024]图1是本发明结构示意图；
[0025]其中1.变水头供水装置;2.模型箱;3.进水口；4.供水箱;5.水位调节阀；6.水阀；
7.供水管;8.水压表;9.流量计；10.缓冲层；11.试验试样；12.测压管；13.渗压传感器；14.应变传感器;15.渗压与应变控制箱;16.计算机;17.出水管。
【具体实施方式】
[0026]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0027]—种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置，包括供水装置(供水箱4)，供水箱4顶部设有进水口 3，供水箱4通过供水管7与透明的或半透明的模型箱2的底部连接，在模型箱2的顶部设置出水管17，这样方便观测模型箱2内管涌发生过程中渗透压力、应变以及水压力等变化情况;在模型箱2内部由上到下铺设试验试样和用于消除水流对试验试样的冲击作用的缓冲层10，在试验试样中从上到下布设有多个渗压传感器13和多个应变传感器14，多个渗压传感器13成一排等距竖直设置，多个应变传感器14成另一排等距竖直设置。渗压传感器13、应变传感器14分别同渗压与应变控制箱15连接;整个结构水从模型箱2的下部逐渐向上渗入，符合地下工程中地下水的渗流情况，试验试样中埋设的渗压传感器13和应变传感器14可以准确的测量试验过程中试验试样内部渗透压力和应变的变化，进而可以判断出管涌现象的发生与否;所述渗压与应变控制箱15同计算机16连接，通过计算机16的显示屏可以实时将数据传送至计算机16进行观测，进而实时显示试样内部不同位置的变形数据，观测试验试样发生的管涌破坏情况。
[0028]试验试样为地下工程用土样，试验试样在缓冲层10的上部填充压制而成，试验过程中通过调整试验试样填筑的高度来改变渗径的长度，通过箱型试验装置侧壁设置的测压管12可以读取试验试样不同高程处的水头值;所述供水箱4的高度高于模型箱2的高度，同时，缓冲层1内填充的是砂石。
[0029]在所述试验试样内设有多个用于测量渗透压力的测压管12，多个测压管12间隔设定距离设置;模型箱2内等距布设的测压管12可以测得试验试样中不同渗径长度处的水头，进而可以计算出试样不同位置的压力梯度。
[0030]在供水管7上设有水压表8和流量计7，同时，在供水管7上设置有水阀，水压表8和流量计7分别与计算机连接，水压表8和流量计7可以分别读取水头压力和流量。
[0031]在供水箱7的侧壁在不同高度处设有多个水位控制阀5，通过打开不同高度水位控制阀5，调节供水箱4中的水位高度，实现调节供水水头的大小。
[0032]一种研究管涌破坏过程的物理模型试验方法，具体步骤如下:
[0033]I)向模型箱2底部填充缓冲层10到指定的高度；
[0034]2)在缓冲层10上部指定高度开始填充试验试样至一定高度；
[0035]3)打开进水口，打开相应高度的水位控制阀5，使供水箱4内水位保持一定的高度；
[0036]4)打开水阀6，使水流入模型箱2中，经由缓冲层10的缓流作用消减其对试验试样的冲刷作用力，在试验试样中发生渗流作用，透过箱型试验装置可以观测试验试样的管涌破坏发生过程，试验试样中埋设的渗压传感器13与应变传感器14通过连接渗压与应变控制箱15，将数据传输至计算机16实时显示试验试样的变形发生情况，通过模型箱2侧壁设置的测压管12可以实时读取试验试样不同高程处的水头值；
[0037]5)试验试样在渗流作用下失稳破坏后，泥水混合物由出水管17排出，完成试验。
[0038]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种研究管涌破坏过程的物理模型试验装置，其特征在于，包括供水装置，供水装置通过供水管与透明的或半透明的模型箱的底部连接，在模型箱内部由上到下铺设试验试样和用于消除水流对试验试样的冲击作用的缓冲层，在试验试样中从上到下布设有多个渗压传感器和多个应变传感器，渗压传感器、应变传感器分别同渗压与应变控制箱连接，所述渗压与应变控制箱同计算机连接。2.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，所述试验试样为地下工程用土样。3.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，在所述试验试样内设有多个用于测量渗透压力的测压管，多个测压管间隔设定距离设置。4.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，多个渗压传感器成一排竖直设置，多个应变传感器成另一排竖直设置。5.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，在管路上设有水压表和流量计，水压表和流量计分别与计算机连接。6.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，所述供水装置的高度高于模型箱的高度。7.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，在模型箱的顶部设置出水管。8.如权利要求1所述的物理模型试验装置，其特征在于，在供水装置的侧壁在不同高度处设有多个水位控制阀。9.一种研究管涌破坏过程的物理模型试验方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)在模型箱内填充缓冲层后填充试验试样； 2)在供水装置内打开某一水位控制阀，使得供水装置内水位保持设定的高度； 3)打开水阀，供水装置内水流进入模型箱，渗压与应变控制箱通过设于试验试样内的渗压传感器、应变传感器和测压管检测数据并传送至计算机； 4)试验完成后，泥水混合物由模型箱顶部的出水管排出。10.如权利要求9所述的试验方法，其特征在于，所述步骤I)中，试验试样通过填充至不同的高度来改变渗径的长度，便于水头梯度的计算。
【文档编号】E02D33/00GK105862652SQ201610210085
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月6日
【发明人】许振浩, 刘聪, 孙超群, 高成路, 陈红宾, 林鹏, 黄鑫, 潘东东, 何树江
【申请人】山东大学