專利名稱：一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)方法以及實(shí)施該海堤工程管涌現(xiàn)象研究方法的試驗(yàn)裝置，屬于水利工程滲透破壞試驗(yàn)方法及其實(shí)驗(yàn)儀器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
管涌等滲透破壞在海堤工程中非常普遍。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由滲透破壞造成的險(xiǎn)情約占總險(xiǎn)情的70%，除漫頂險(xiǎn)情外，海堤潰口險(xiǎn)情幾乎全部是管涌等滲透破壞所致。故海堤工程的管涌等滲透破壞問題已經(jīng)受到了學(xué)術(shù)及工程界的普遍關(guān)注。此前，在研究海浪、潮汐、洪峰等對海堤的滲透作用時(shí)，多將海浪等的波動水位簡化為穩(wěn)定常水位。水位循環(huán)漲落時(shí)，海堤工程內(nèi)部填筑材料的滲流是非穩(wěn)定的，并且是飽和、非飽和狀態(tài)相互轉(zhuǎn)化的水-氣二相流，而常水位下的海堤內(nèi)部的滲流是穩(wěn)定的；海堤堤身土體透水性小，而潮漲落和波浪沖擊循環(huán)周期都很短，故堤體內(nèi)已形成的初始滲流自由面變化很微，整個(gè)堤體內(nèi)的滲流場較為復(fù)雜，與常水位下的差別很大。對于常水位下海堤的滲透破壞，前人已作了不少的的研究，而針對海浪、洪水、潮汐等水位循環(huán)漲落作用下的海堤管涌等破壞特性的室內(nèi)試驗(yàn)研究卻仍為當(dāng)今學(xué)者研究的真空區(qū)。另外，以往的管涌研究實(shí)驗(yàn)儀器一般為窄槽，尺寸較小，一般人工觀測數(shù)據(jù)，精度較低，且多采用手動升降水頭的方式，上游水頭不能自動控制，難以較準(zhǔn)確反映海堤工程非飽和非均勻滲流與滲透破壞現(xiàn)象，也不能滿足海堤工程管涌等滲透破壞研究的要求。故，需要一種新的技術(shù)方案以解決上述問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種能夠準(zhǔn)確并全面表征模擬海堤的整個(gè)土體管涌的發(fā)生發(fā)展過程的海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置可采用如下技術(shù)方案:一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，包括具有進(jìn)水口的模型槽、連接進(jìn)水口的基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)、位于模型槽外側(cè)面不同位置的若干水頭測量裝置、設(shè)置于模型槽內(nèi)上游處的透水板、設(shè)置于模型槽內(nèi)下游處的安裝隔板、設(shè)置于安裝隔板外側(cè)的排水孔、排水孔下部接有電子流量計(jì)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)使施加于土樣的水頭差隨時(shí)間呈正弦曲線變化，模擬海浪、潮汐等循環(huán)漲落水流對海堤工程的沖擊作用，同時(shí)也克服了現(xiàn)有管涌試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置誤差大、尺寸效應(yīng)明顯及精度低等的缺陷。通過設(shè)置水壓力傳感器、電子流量計(jì)等測量裝置分別測定、采集土樣在水頭循環(huán)漲落作用下的水頭、流量等參數(shù)，然后將這些數(shù)據(jù)分析后獲得土樣同一水位流速-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線、臨界水力梯度-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線等曲線圖，進(jìn)而全面表征模擬海堤的整個(gè)土體管涌的發(fā)生發(fā)展過程。


圖1是本發(fā)明研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明使用研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法的流程圖。圖3是本發(fā)明試驗(yàn)方法中得到的土樣同一水位流速-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線圖。圖4是本發(fā)明試驗(yàn)方法中得到的土樣臨界水力梯度-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線圖。圖中，1、模型槽，2、透水板，3、隔板，4、排水孔，5、進(jìn)水口，6、管道，7、基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)，8、有機(jī)玻璃蓋板，9、水頭測量裝置，10、數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊，11、電子流量計(jì)，12、計(jì)算機(jī)終端，13、電機(jī)，14、控制箱，15、水頭升降裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。請參閱圖1所示，本發(fā)明公開一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，包括具有進(jìn)水口 5的模型槽1、連接進(jìn)水口的基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)7、位于模型槽I外側(cè)面不同位置的若干水頭測量裝置9、設(shè)置于模型槽I內(nèi)上游處的透水板2、設(shè)置于模型槽I內(nèi)下游處的隔板3、設(shè)置于隔板3外側(cè)的排水孔4、排水孔4下部接有電子流量計(jì)11。所述基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)7包括水頭升降裝置15、控制水頭升降裝置15的電機(jī)13及控制電機(jī)13的控制箱14，所述水頭升降裝置15通過管道6連接進(jìn)水口 5。該基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)7，能夠使施加于土樣的上游水頭自動地隨時(shí)間呈正弦曲線形式規(guī)律性的變化，以模擬海浪、潮汐等水位循環(huán)漲落作用下海堤工程的管涌破壞情況；智能改變水頭，自動化程度高，減少了人為操作帶來的誤差，精確度高。所述水頭測量裝置9為水壓力傳感器，所述水壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊10連接于計(jì)算機(jī)終端12。水壓力傳感器讀數(shù)精度為_，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測記錄滲流過程中每一秒的模型槽I各處的水頭高度。所述電子流量計(jì)11直接連接于計(jì)算機(jī)終端12,能實(shí)時(shí)監(jiān)測、連續(xù)記錄模型試驗(yàn)各時(shí)刻的流量。所述隔板3可在模型槽I中靠近透水板2或者遠(yuǎn)離透水板2移動，從而可以調(diào)整其在模型槽I內(nèi)的位置以改變滲徑長度，可模擬海堤各種水力梯度下的滲透破壞發(fā)展過程，再現(xiàn)各種水力梯度下的海堤工程管涌的發(fā)生發(fā)展情況。請參閱圖2所示，所述的研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法包括如下步驟:( I )、向模型槽中填筑土樣，通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)加水，使土樣緩慢飽和直至完全排除土樣中的空氣；(2)、由基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)向模型槽內(nèi)施加隨時(shí)間呈規(guī)律性變化的水頭差，模擬海堤工程所受海浪、潮汐等水位循環(huán)漲落的作用，在水頭差的作用下，水流經(jīng)過透水板，在模型槽土樣內(nèi)形成滲流場；(3)、水頭測量裝置采集模型槽內(nèi)不同位置土體的各個(gè)時(shí)刻的水頭數(shù)據(jù)；
(4)、電子流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄整個(gè)滲流發(fā)展過程中的流量，直至土樣管涌等滲透破壞；(5)、對測得水頭、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別作出土樣同一水位流速-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線、臨界水力梯度-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線等變化曲線圖，以對管涌等滲透破壞現(xiàn)象進(jìn)行表征。所述步驟(2)中，通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)，向土樣施加隨時(shí)間呈正弦曲線形式變化的循環(huán)漲落的水頭差，以模擬海堤工程所受海浪、潮汐等循環(huán)漲落水流的沖擊作用。另外，下面對照圖3、圖4，說明應(yīng)用本發(fā)明研究水頭循環(huán)漲落作用下的管涌發(fā)生發(fā)展過程。如圖3所示，其為本發(fā)明模擬海堤管涌發(fā)生發(fā)展過程的土樣同一水位流速-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線圖，由圖3可看出，在每一次水頭升降沖刷的作用下，土樣的抗?jié)B性明顯降低，在每一次循環(huán)過程中，土樣同水位下降段的滲透流速大于上升段的流速；隨著水頭循環(huán)次數(shù)的增加，土樣同一水位的流速趨于逐漸增大。如圖4所示，其為本發(fā)明模擬海堤管涌發(fā)生發(fā)展過程的臨界水力梯度-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線圖，由圖4可知，隨著水頭循環(huán)次數(shù)的增加，土樣臨界水力梯度的變化呈線性遞減，但整體變化幅度不大。綜上所述，本發(fā)明具有以下的有益效果:(I)能夠模擬和研究海浪、潮汐等水位循環(huán)漲落作用下的海堤工程的滲流場，準(zhǔn)確再現(xiàn)海堤工程的管涌破壞情況，克服了現(xiàn)有管涌試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置誤差大、尺寸效應(yīng)明顯及精度低等的缺陷。(2)通過改變土樣類型，可模擬均勻堤基、雙層堤基、堤身等海堤工程的管涌等滲透破壞現(xiàn)象。(3)通過改變模型槽隔板位置(滲徑長度)的方式，可模擬海堤各種水力梯度下的管涌的發(fā)生發(fā)展過程。
權(quán)利要求
1.一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，其特征在于:包括具有進(jìn)水口的模型槽、連接進(jìn)水口的基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)、位于模型槽外側(cè)面不同位置的若干水頭測量裝置、設(shè)置于模型槽內(nèi)上游處的透水板、設(shè)置于模型槽內(nèi)下游處的安裝隔板、設(shè)置于安裝隔板外側(cè)的排水孔、排水孔下部接有電子流量計(jì)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)包括水頭升降裝置、控制水頭升降裝置的電機(jī)及控制電機(jī)的控制箱，所述水頭升降裝置通過管道連接進(jìn)水口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述水頭測量裝置為水壓力傳感器，所述水壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊連接于計(jì)算機(jī)終端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置，其特征在于:所述隔板可在模型槽中靠近透水板或者遠(yuǎn)離透水板移動。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于，包括如下步驟: (I )、向模型槽中填筑土樣，通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)加水，使土樣緩慢飽和直至完全排除土樣中的空氣； (2)、由基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)向模型槽內(nèi)施加隨時(shí)間呈規(guī)律性變化的水頭差，模擬海堤工程所受海浪、潮汐等水位循環(huán)漲落的作用，在水頭差的作用下，水流經(jīng)過透水板，在模型槽土樣內(nèi)形成滲流場； (3 )、水頭測量裝置采集模型槽內(nèi)不同位置土體的各個(gè)時(shí)刻的水頭數(shù)據(jù)； (4)、電子流量計(jì)實(shí)時(shí)監(jiān)測并記錄整個(gè)滲流發(fā)展過程中的流量，直至土樣管涌等滲透破壞； (5)、對測得水頭、流量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別作出土樣同一水位流速-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線、臨界水力梯度-水頭循環(huán)次數(shù)變化曲線等變化曲線圖，以對管涌等滲透破壞現(xiàn)象進(jìn)行表征。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，其特征在于，所述步驟(2)中，通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)，向土樣施加隨時(shí)間呈正弦曲線形式變化的循環(huán)漲落的水頭差，以模擬海堤工程所受海浪、潮汐等循環(huán)漲落水流的作用。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種研究海堤工程管涌現(xiàn)象的試驗(yàn)裝置及其實(shí)驗(yàn)方法。其通過基于單片機(jī)的智能水頭控制系統(tǒng)，對土樣施加隨時(shí)間呈正弦曲線變化的水頭差，致使土樣滲流發(fā)展乃至管涌等滲透破壞，另外在土樣中設(shè)置水壓力傳感器、電子流量計(jì)等測量裝置，即可獲得相應(yīng)的滲流場。通過改變土樣類型，可模擬均勻堤基、雙層堤基、堤身等海堤工程的管涌等滲透破壞現(xiàn)象；通過改變模型槽隔板位置的方式，可模擬海堤各種水力梯度下的管涌發(fā)生發(fā)展過程。按照本發(fā)明提供的試驗(yàn)方法，通過采用本發(fā)明提供的測量裝置，可以較準(zhǔn)確地反映海堤工程管涌的發(fā)生發(fā)展過程。
文檔編號E02B1/02GK103147420SQ20131005280
公開日2013年6月12日 申請日期2013年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月18日
發(fā)明者趙敬川, 陳亮, 趙小龍, 詹瀘成, 黃德文, 高為壯 申請人:河海大學(xué)