一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法与流程

本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法。

背景技术：

为了调控自然界的水流，从古至今人类修建了大量的水利水电工程，在这些水利工程中均质土坝因具有造价低廉、施工方便、对自然环境适应性强、结构形式简单等优点而被广泛采用。由于调控蓄水的作用，在均质土坝中修建有大量的穿坝涵管，贯通整个均质土坝的穿坝涵管与坝体的接触问题一直本人为是渗流破坏的薄弱环节，在接触面渗透压力达到一定水平，坝体与穿坝建筑之间就会发生接触冲刷破坏。

由于坝体与穿坝建筑之间的接触冲刷破坏机理与土层之间的接触冲刷破坏相差较大，相比于土层之间接触冲刷破坏所需的水力条件和几何条件，坝体与穿坝涵管之间的接触冲刷破坏不仅需要水力条件和几何条件同时也与接触处土体的力学状态密切相关。由于均质土坝与穿坝涵管的接触冲刷破坏涉及到渗流力学、接触力学和弹塑性力学等多门学科，研究较为复杂，研究也较少。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，提出了一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法，本发明能够模拟由于不同原因导致的均质土坝与穿坝涵管接 触冲刷破坏。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置，包括模型槽、接触冲刷模拟装置、竖向加载装置和监测装置，其中，所述模型槽内承载模拟坝体，且模型槽设置有供水通道以提供冲刷的液体，所述接触冲刷模拟装置设置于模型槽底端，包括若干节连接的单节穿坝涵管模型构成的穿坝涵管模型，以模拟穿坝涵管与坝体的接触冲刷破坏，所述竖向加载装置，向模型槽内填筑模拟坝体，改变坝体的高度，在模拟坝体的设定位置与穿坝涵管模型内设置监测装置，以检测穿坝涵管模型和模拟坝体的压力，模拟坝体内的流速及变形量。

所述模型槽包括基座、侧壁和底板，所述侧壁和底板构成具有一开口的容纳空间，所述基座承载上述容纳空间，且侧壁上设置有溢流孔，在所述底板上开设进水口和出水口，所述模型槽成为模型试验中的供水设备。

所述底板中间设置有一条状槽，所述条状槽侧壁上安装有横向滑动导轨，以辅助接触冲刷模拟装置的横向移动。

所述接触冲刷模拟装置，包括穿坝涵管模型、横向移动部件、竖向移动部件和漏水装置，所述穿坝涵管模型有多节单节穿坝涵管模型组成，所述横向移动部件与穿坝涵管模型前端连接，所述竖向移动部件与某个单节穿坝涵管模型相连，所述漏水装置安装在两节单节穿坝涵管模型之间，所述穿坝涵管模型卡合在模型槽底部。

优选的，所述横向移动部件包括横向反力桩、横向移动千斤顶和横向移动板，横向移动板和位于最前端的单节穿坝涵管模型刚性连接，横向移动千斤顶分别与横向移动板和横向反力桩刚性连接。

优选的，所述单节穿坝涵管模型包括盒体和设置于盒体的连接扣，所述连接扣与竖向移动部件的连接端相适配。

优选的，所述竖向移动部件包括第二横向滑动导轨与竖向移动千斤顶，所述竖向移动千斤顶一端与单节穿坝涵管模型中的连接扣连接，另一端与第二横向滑动导轨刚性连接，所述第二横向滑动导轨活动连接在底板条状槽内的横向滑动导轨中。

优选的，所述漏水装置包括进水管道和喷头，所述喷头设置于两节相邻的单节穿坝涵管模型之间，所述进水管道连接喷头，并延展至单节穿坝涵管模型外侧。

优选的，所述竖向加载装置包括反力架、移动导轨、竖向加载千斤顶和竖向加载板，所述反力架设置于模型槽上端，所述移动导轨设置于反力架上，所述移动导轨上设置竖向加载千斤顶，通过竖向加载板向模型槽方向施加压力。

所述模拟坝体，由坝体填料堆积而成。

所述监测装置包括安装在穿坝涵管和坝体内的土压力盒和渗压计、坝体内的光栅流速测速仪以及监测坝体变形的激光测距仪。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)搭建接触冲刷试验装置；

(2)从下往上分多层填筑坝体，根据干密度计算每层所需土量；

(3)在坝体填筑过程中，随填筑高度的提高，根据检测装置布置图将渗压计、土压力盒、激光测距仪埋设在坝体相应的位置；

(4)坝体填筑后从进水口蓄水，慢慢蓄水至试验高度，并监测坝体的浸润线变化，直至坝体浸润线稳定；

(5)根据工况需要移动涵管或提升蓄水位，并监测坝体的土压力、孔隙水压力坝体位移的变化，并采用摄像机监测接触面土体变化。

所述步骤(1)中，根据现场实体和室内模型的大小以及受力情况对比，确定出相似比，并根据相似比确定出模型的各部件的尺寸。

进一步的，坝体渗流的相似性计算为根据原体与模型的长度、宽度、高度、渗流流速、水头和渗透系数，根据达西定律，计算得到渗透流速的相似比尺条件，结合渗流的连续性条件，计算时间比尺与渗流量的比尺；

均质土坝与穿坝涵管接触的相似性计算过程为在坝体渗流相似的基础上，采用π定理研究接触面力学特征的相似性。

本发明的有益效果为：

本发明结构简单，可模拟由于不同原因导致的均质土坝与穿坝涵管接触冲刷破坏，且模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置组装图；

图2为模型槽示意图；

图3为竖向加载装置示意图；

图4为接触冲刷模拟装置示意图；

图5为横向移动装置示意图；

图6为竖向移动装置示意图；

图7为漏水装置示意图；

图8为单节穿坝涵管模型示意图；

图9为监测系统布置图；

其中：1、模型槽，2、接触冲刷模拟装置，3、竖向加载装置，4、坝体，5、挡土侧壁挡，6、水侧壁，7、底板，8、基座，9、溢流口，10、进水口，11、出水口，12、方口，13、横向滑动导轨I，14、横向滑动导轨II，15、反力架，16、竖向加载千斤顶，17、竖向加载板，18、单节穿坝涵管模型，19、漏水装置，20、横向移动装置，21、竖向移动装置，22、方盒，23、连接扣，24、进水管道，25、喷头，26、横向反力桩，27、横向移动千斤顶，28、横向移动板，29、横向滑动导轨III，30、竖向移动千斤顶。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置，试验装置主要包括模型槽1、接触冲刷模拟装置2、竖向加载装置3、坝体4和监测系统。监测系统主要有土压力盒、渗压计、激光测距仪等组成

模型槽由挡土侧壁5、挡水侧壁6、底板7和基座8组成，在挡水侧壁5上设有溢流口9，在靠近挡水侧壁6一侧的底板7上设有进水口10，在底板另一侧设有出水口11，并在底板7上留有安装接触冲刷模拟装置2的方口12，在方口12侧壁上安装有横向滑动导轨I 13用以辅助接触冲刷模拟装置2的横向移动。

竖向加载装置3包括横向滑动导轨II 14、反力架15、竖向加载千斤顶16和竖向加载板17。

其中反力架通过螺栓与模型槽1的挡土侧壁5刚性连接，竖向加载千斤顶16两端分别与竖向加载板17和横向滑动导轨II 14刚性连接，同时横向滑动导轨II 14与反力架15刚性连接。

接触冲刷模拟装置2由单节穿坝涵管模型18、漏水装置19、横向移动装置20和竖向移动装置21组成。其中单节穿坝涵管模型18分为方盒22和连接扣23组成，连接扣23用于与竖向移动装置21中的千斤顶连接。漏水装置19主要包括进水管道24和喷头25组成，用于模拟穿坝涵管漏水时，有进水管道24进水喷头25喷水。单节穿坝涵管模型之间、喷头与单节穿坝涵管模型之间采用橡胶垫止水，共同构成穿坝涵管模型。接触冲刷模拟装置2通过竖向移动装置模拟穿坝涵管的不均匀沉降，通过横向移动装置模拟穿坝涵管的侧向位移。

横向移动装置包括横向反力桩26、横向移动千斤顶27、横向移动板28组成。其中横向移动板28和单节穿坝涵管模型18刚性连接，横向移动千斤顶27分别与横向移动板28和横向反力桩26刚性连接。

竖向移动装置包括横向滑动导轨III 29、竖向移动千斤顶30组成。其中竖向移动千斤顶30一端与单节穿坝涵管模型18中的连接扣23连接另一端与横向滑动导轨III 29刚性连接。

所述坝体填料基于模型试验尺寸和渗透系数相似比，选择适用于模型试验的填料。

所述监测装置主要包括安装在穿坝涵管和坝体内的土压力盒和渗压计、坝体内的光栅流速测速仪以及监测坝体变形的激光测距仪。

本发明的试验装置的制作步骤：

步骤1：根据现场实体和室内模型的大小以及受力情况对比，确定出一个合适的相似比，

并根据相似比确定出室内模型的各部件的尺寸。

步骤2：组装模型槽，并安装竖向加载装置

步骤3：组装接触冲刷冲刷模拟装置，并将接触冲刷模拟装置安装在模型槽上。

步骤4：模型槽内填入土料并在填料过程中安装相应的监测装置

步骤1中相似关系的确定方法如下：

均质土坝与穿坝涵管接触冲刷过程中涉及到坝体的渗流过程和坝体与穿坝涵管的接触破坏过程，因此基于这两个物理过程进行分别分析，并基于相似准则进行模型的相似比设计。

1、坝体渗流的相似性

原体与模型的长度比尺为L_r

原体与模型的宽度比尺为X_r

原体与模型的高度比尺为Z_r

原体与模型的渗流流速比尺为v_r

原体与模型的水头比尺为h_r

原体与模型的渗透系数比尺为k_r

根据达西定律可得渗透流速的相似比尺条件为

在正态模型中(即Z_r＝X_r＝L_r＝h_r)时，则上式变为

v_ir＝k_ir

由渗流的连续性条件可得

由于断面流速v与孔隙平均流速v′之间存在，可得时间比尺t_r为

因此，渗流量的比尺为

2、均质土坝与穿坝涵管接触的相似性

为保证均质土坝与穿坝涵管接触面力学特征的相似性，在坝体渗流相似的基础上，采用π定理研究接触面力学特征的相似性。利用量纲分析法推导模型相似比。根据影响接触面力学性质的因素可知影响接触面力学状态的主要物理量有土体含水率、土体干重度、接触面的绝对糙率、接触面的剪应力、接触面的法向应力。

均质土坝与穿坝涵管接触破坏过程中涉及的基本量纲有长度[L]、时间[T]和 质量[M]，物理量以及量纲汇总如下表所示

表1均质土坝与穿坝涵管物理量

根据π定理，选取接触面粘聚力、接触面绝对糙率为基本变量，即x₁＝l，x₂＝r，他们满足量纲分析对基本物理量的要求。接触冲刷过程中接触面的物理量总数n＝6，π数目为6，令x₃＝ω，x₄＝Δ，x₅＝τ，x₆＝σ_n即可得到6个无量纲π数，由此可以得到4个相似准侧及相似指标，如下所示：

(1)土体含水率π₃＝ω，相似指标为C_ω＝1

(2)接触面绝对糙率相似指标为

(3)接触面剪应力相似指标为

(4)接触面法向应力相似指标为

由以上可以看出，接触冲刷过程中接触面的力学特性涉及到多个变量之间的相似指标存在一定的关系，如果能够确定尺寸比尺、土体渗透系数比尺、土体干重度比尺，则其他的相似系数可通过相似指标相应的确定。考虑到试验操 作的难易程度和试验时间，坝体填料土体干重度为1，尺寸比尺为50，渗透系数比尺为500。

根据尺寸比尺和渗透系数比尺可得其他物理量的相似比尺为：

试验方法：

(1)按照设计制作接触冲刷试验装置

(2)为保证坝体的均匀性，从下往上分5层填筑，根据干密度计算每层所需土量。

(3)在坝体填筑过程中，随填筑高度的提高，根据检测装置布置图将渗压计、土压力盒、激光测距仪等装置埋设在坝体相应的位置。

(4)坝体填筑后从进水口蓄水，慢慢蓄水至试验高度，并监测坝体的浸润线变化，直至坝体浸润线稳定。

(5)根据工况需要移动涵管或提升蓄水位，并监测坝体的土压力、孔隙水压力坝体位移等变化，并采用高倍摄像机监测接触面土体变化。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明 保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。