一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)升降水頭裝置、帶有槽底進(jìn)水口的試驗(yàn)槽裝置和數(shù)據(jù)收集裝置。通過(guò)在方形槽底層的1/5分劃線下面裝入紅色細(xì)顆粒，可透過(guò)槽壁的刻度在試驗(yàn)過(guò)程中觀察細(xì)顆粒運(yùn)動(dòng)速度與運(yùn)動(dòng)方向，在發(fā)生管涌破壞后也可分層取樣掃描并運(yùn)用MATLAB、ALIKE軟件對(duì)比分析。通過(guò)將方形試驗(yàn)槽四等分，同步施加相同的水頭差，可以得出土體顆粒的相對(duì)密實(shí)度與管涌發(fā)生破壞時(shí)的臨界水力梯度、破壞發(fā)展現(xiàn)象快慢的關(guān)系。該試驗(yàn)裝置適用于壩體工程滲流與滲透破壞的研究，為實(shí)際壩體工程等施工、設(shè)計(jì)等提供指導(dǎo)，也可以作為巖土工程及水利工程學(xué)科的教學(xué)與科研實(shí)驗(yàn)之用。
【專利說(shuō)明】一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及水利工程物理模型試驗(yàn)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種研究管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]管涌是滲透破壞的主要形式，在土體中，細(xì)小顆粒在水流的帶動(dòng)下流出土體的現(xiàn)象稱為管涌。大量的洪災(zāi)資料表明，堤基與堤身的滲流對(duì)河道堤壩的破壞危害最大，其發(fā)生數(shù)量多、分布范圍廣，且易發(fā)生重大潰堤險(xiǎn)情。因此，對(duì)于堤壩的滲流破壞問(wèn)題絕對(duì)不可掉以輕心，研究水庫(kù)土壩滲流破壞的形成與發(fā)展過(guò)程，對(duì)預(yù)防滲流破壞與提出相應(yīng)的防治措施具有重要意義。只有在汛期到來(lái)之前將可能發(fā)生管涌的堤壩調(diào)查清楚并進(jìn)行適當(dāng)加固處理才是上策。利用本實(shí)用新型裝置對(duì)管涌滲透變形的機(jī)理進(jìn)行分析，找出防治措施，在汛期到來(lái)之前查清隱患，做到未雨綢繆，確保堤防安全。
[0003]目前，關(guān)于堤基管涌破壞的數(shù)值模擬大多局限于有限元滲流模擬的范圍，因其無(wú)法考慮顆粒流失引起的土水相互作用過(guò)程，故無(wú)法全面解釋管涌的形成、發(fā)展過(guò)程。物理模型試驗(yàn)，原理相對(duì)簡(jiǎn)單，現(xiàn)象直觀，得出的結(jié)論具有科學(xué)意義，因此是一種有效的研究手段。但以往的堤基管涌破壞模型試驗(yàn)方法，不能模擬管涌發(fā)展過(guò)程，或無(wú)法測(cè)試管涌過(guò)程中滲流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，而只能獲得臨界坡降參數(shù)，無(wú)法詳細(xì)描述管涌破壞的發(fā)展進(jìn)程。難以再現(xiàn)管涌破壞形成、發(fā)展的真實(shí)過(guò)程，因此不能滿足堤防工程管涌破壞研究的需求。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]為了克服現(xiàn)有問(wèn)題，本實(shí)用新型的管涌破壞發(fā)展試驗(yàn)?zāi)Ｐ脱b置可采用如下方案:
[0005]一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)升降水頭裝置、試驗(yàn)槽裝置和數(shù)據(jù)收集裝置，其中，自動(dòng)升降水頭裝置通過(guò)橡膠管與試驗(yàn)槽裝置相連，試驗(yàn)槽裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)收集裝置連接，其特征在于，所述自動(dòng)升降水頭裝置包括:由木架、豎板、底板構(gòu)成的安裝架，由滑輪、纜繩構(gòu)成的機(jī)械傳動(dòng)裝置，移動(dòng)式水箱，自動(dòng)控制裝置，其中，兩塊豎板垂直設(shè)置于底板與木架之間；滑輪固定安裝于木架上；自動(dòng)控制裝置安裝于底板上；底板通過(guò)纜繩懸掛于滑輪之間；纜繩一端與底板連接，一端跨過(guò)滑輪與自動(dòng)控制裝置連接；移動(dòng)式水箱固定安裝于底板上。
[0006]本實(shí)用新型所述移動(dòng)式水箱左側(cè)有進(jìn)水口和進(jìn)水口閥門，上部有溢水口，底部有出水口。
[0007]本實(shí)用新型所述的試驗(yàn)槽裝置包括帶標(biāo)尺的方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽、設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽上端的匯水槽和設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽下端的帶缺口的底板，其中，匯水槽帶有出水口 ；試驗(yàn)槽裝置槽底開設(shè)進(jìn)水口。
[0008]本實(shí)用新型所述方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽內(nèi)放置圓柱形有機(jī)玻璃分隔槽，依次設(shè)置于分隔槽下端的阻水底板和阻水橡皮圈。
[0009]本實(shí)用新型所述數(shù)據(jù)收集裝置包括量測(cè)系統(tǒng)以及與之連接的計(jì)算機(jī)終端，所述量測(cè)系統(tǒng)包括沿試驗(yàn)槽管內(nèi)部由上至下均勻布置的水壓力傳感器，與水壓力傳感器相連的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)和計(jì)算機(jī)終端，位于匯水槽出水口處的電子流量計(jì)。
[0010]本實(shí)用新型所述方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽管壁上設(shè)置紅色細(xì)顆粒分劃線。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有如下有益效果:
[0012]1.通過(guò)電控自動(dòng)水頭升降系統(tǒng)使上下游水頭差的變化模擬提防工程受周期性洪峰下管涌破壞發(fā)展過(guò)程。
[0013]2.與現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)裝置相比，能夠?qū)Φ讓蛹?xì)顆粒的上涌路徑、破壞后最終形態(tài)進(jìn)行比較精確的定量分析。
[0014]3.能夠?qū)崟r(shí)對(duì)比分析不同相對(duì)密實(shí)度的土體發(fā)生管涌破壞的整個(gè)過(guò)程。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1是本實(shí)用新型研究水庫(kù)土壩滲流破壞發(fā)展過(guò)程模型試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是有機(jī)玻璃分隔槽不意圖。
[0017]圖中，1、長(zhǎng)木架，2、滑輪系統(tǒng)，3、溢水口，4、移動(dòng)式水箱，5、出水口，6、底板，7、進(jìn)水口，8、進(jìn)水口閥門，9、纜繩，10、自動(dòng)控制裝置，11、進(jìn)水橡膠軟管，12、槽底進(jìn)水口，13、計(jì)算機(jī)終端，14、隔板，15、圓柱形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽，16、刻度線，17、水頭傳感器，18、帶缺口的底板，19、電子流量計(jì)，20、槽頂出水口，21、匯水槽，22、數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，23、紅色細(xì)顆粒分劃線，24、圓柱形有機(jī)玻璃分隔槽，25、阻水底板，26、阻水橡皮圈。
【具體實(shí)施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0019]如圖1所示，本實(shí)用新型公開一種研究無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的試驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)升降水頭裝置、帶有槽底進(jìn)水口 12的試驗(yàn)槽裝置和數(shù)據(jù)收集裝置。
[0020]本實(shí)用新型所述自動(dòng)升降水頭裝置包括由木架1、豎板24、底板25構(gòu)成的安裝架，由滑輪2、纜繩9構(gòu)成的機(jī)械傳動(dòng)裝置，移動(dòng)式水箱4，自動(dòng)控制裝置10，其中，兩塊豎板24垂直設(shè)置于底板25與木架I之間；滑輪2固定安裝于木架I上；自動(dòng)控制裝置10安裝于底板25上；底板6通過(guò)纜繩9懸掛于滑輪2之間；纜繩9 一端與底板6連接，一端跨過(guò)滑輪2與自動(dòng)控制裝置10連接；移動(dòng)式水箱4固定安裝于底板6上。
[0021]優(yōu)選地，本實(shí)用新型所述機(jī)械傳動(dòng)裝置由懸掛于自動(dòng)升降水頭裝置上端的木架I上的一對(duì)滑輪2、跨過(guò)滑輪2的纜繩9構(gòu)成。
[0022]如圖1所示，本實(shí)用新型所述的試驗(yàn)槽裝置包括帶標(biāo)尺的方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽15、設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽15上端的匯水槽21和設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽15下端的帶缺口的底板18，其中，匯水槽21帶有出水口 20。
[0023]如圖2所示，本實(shí)用新型所述有機(jī)玻璃隔槽15包括:圓柱形有機(jī)玻璃分隔槽24、阻水底板25、阻水橡皮圈26。
[0024]本實(shí)用新型中自動(dòng)升降水頭裝置通過(guò)出水口 5經(jīng)橡膠管11與試驗(yàn)槽裝置槽底進(jìn)水口 12相連，與試驗(yàn)槽裝置連通。[0025]如圖1所示，本實(shí)用新型所述數(shù)據(jù)收集裝置包括量測(cè)系統(tǒng)以及與之連接的計(jì)算機(jī)終端13，所述量測(cè)系統(tǒng)包括沿試驗(yàn)槽15管內(nèi)部由上至下均勻布置的水壓力傳感器17，與水壓力傳感器17相連的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)22和計(jì)算機(jī)終端13，位于匯水槽出水口 20處的電子流量計(jì)19。
[0026]由于方形槽的的尺寸效應(yīng)比較顯著，故本套裝置的實(shí)驗(yàn)槽體積較大，方形槽尺寸達(dá)800mmX800mm ;當(dāng)用隔板將其四個(gè)分槽時(shí)，則采用圓柱形槽來(lái)減少邊界效應(yīng)。其次，由于目前實(shí)驗(yàn)通常采用同種顏色的沙子，很難觀察細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑，發(fā)生管涌破壞之后也很難根據(jù)最終狀態(tài)分析細(xì)顆粒的運(yùn)動(dòng)路徑、長(zhǎng)度，本套裝置則比較成熟的運(yùn)用彩沙來(lái)解決這些問(wèn)題。
[0027]如圖3，為本實(shí)用新型模型試驗(yàn)裝置的工作原理示意圖，結(jié)合圖1與圖2給出如下優(yōu)選實(shí)施例:
[0028]作為本實(shí)用新型的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在模型無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的試驗(yàn)中，定量描述底層細(xì)顆粒上涌的路徑、速度是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0029](I)首先在方形槽底面根據(jù)不同土的性質(zhì)填筑一定的厚度的土樣至紅色細(xì)顆粒分劃線23，其中的細(xì)顆粒為紅色，接著填筑一般顏色土樣至槽滿，通過(guò)自動(dòng)控制水頭裝置向模型槽內(nèi)注入清水，使土樣充分浸水飽和。
[0030](2)進(jìn)一步，再由自動(dòng)升降水頭系統(tǒng)按照預(yù)先設(shè)定升降時(shí)間間隔模擬一種類似洪峰的規(guī)律性變化的水頭差，水透過(guò)透水板，在土樣中形成滲流場(chǎng)，接著在匯水槽21中匯聚并排出。
[0031](3)透過(guò)有機(jī)玻璃15觀察槽內(nèi)底部紅色細(xì)顆粒上涌的路徑，根據(jù)槽壁刻度16求得其速度、路徑長(zhǎng)度等相關(guān)參數(shù)。
[0032](4)期間可根據(jù)需要，隔一段時(shí)間收集回水槽中的細(xì)顆粒，定期記錄電子流量計(jì)19的讀數(shù)可得到整個(gè)管涌發(fā)展過(guò)程中的流量變化情況；計(jì)算機(jī)終端13給出管槽內(nèi)各點(diǎn)水頭高度隨時(shí)間的變化情況。
[0033]( 5 )發(fā)生管涌破壞后，可先將管涌槽至于零下溫度環(huán)境中變?yōu)楣腆w，可等距橫向切片掃描，并用MATLAB、ALIKE等軟件分析每個(gè)截面紅色細(xì)砂所占的百分率；亦可過(guò)方形槽軸線豎向切片觀察紅色細(xì)砂上涌的路徑。
[0034]作為本實(shí)用新型的另一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例，在模型無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的試驗(yàn)中，研究不同土體的相對(duì)密實(shí)度與管涌發(fā)生的臨界水力梯度、破壞發(fā)展現(xiàn)象快慢的關(guān)系，通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):
[0035](I)將圓柱形隔槽24裝入方形槽15內(nèi)，以孔隙率為土體密實(shí)度的控制參數(shù)，通過(guò)改變?cè)摽刂茀?shù)可以得到不同的土樣，選取需要進(jìn)行對(duì)比分析的土樣放入槽中，通過(guò)自動(dòng)控制水頭裝置向模型槽內(nèi)注入清水，使土樣充分浸水飽和。
[0036](2)進(jìn)一步，再由自動(dòng)升降水頭系統(tǒng)逐漸分級(jí)升高水頭，水透過(guò)透水板，在土樣中形成滲流場(chǎng)，接著在匯水槽21中匯聚并排出。
[0037](3)實(shí)時(shí)對(duì)比觀察四個(gè)試樣槽內(nèi)土體試樣的運(yùn)動(dòng)情況，亦可在四個(gè)角度設(shè)置圖像采集裝置，時(shí)刻拍攝顆粒的分布情況，連續(xù)記錄管涌過(guò)程中顆粒的分布情況以及細(xì)砂的流失過(guò)程、運(yùn)動(dòng)軌跡。
[0038](4)期間可根據(jù)需要，隔一段時(shí)間收集回水槽中的細(xì)顆粒，定期記錄電子流量計(jì)19的讀數(shù)可得到整個(gè)管涌發(fā)展過(guò)程中的流量變化情況；計(jì)算機(jī)終端13給出管槽內(nèi)各點(diǎn)水頭高度隨時(shí)間的變化情況。
[0039](5)通過(guò)水頭差與滲徑的關(guān)系確定不同相對(duì)密實(shí)度的土體管涌臨界水力梯度。
[0040]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型管涌滲透發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置通過(guò)自動(dòng)升降水頭系統(tǒng)對(duì)無(wú)粘性土施加類似于洪峰作用的規(guī)律性變化水頭差，克服了現(xiàn)有模型裝置精度低的缺陷。通過(guò)在試樣底部加入紅色細(xì)砂，不僅能在試驗(yàn)過(guò)程中清楚觀察細(xì)顆粒向上運(yùn)動(dòng)路徑，也可在發(fā)生管涌破壞后切塊掃描，用MATLAB、ALIKE等圖形對(duì)比軟件分析；通過(guò)橫向切片掃描得出紅色細(xì)砂在每一層中所占比例，通過(guò)對(duì)豎向切片掃描可分析紅色細(xì)砂的流動(dòng)路徑。
[0041]同時(shí)，通過(guò)在本實(shí)驗(yàn)裝置的方形機(jī)玻璃槽中加入隔板，可將試驗(yàn)槽分為體積相同，形狀相同的四個(gè)圓柱槽，可以同時(shí)觀察不同孔隙率(相對(duì)密實(shí)度)管涌破壞的發(fā)展過(guò)程。大大縮短了實(shí)驗(yàn)時(shí)間，可以實(shí)時(shí)對(duì)比不同土體管涌破壞發(fā)展過(guò)程，提高實(shí)驗(yàn)效率。
[0042]最后，電子流量計(jì)、水頭測(cè)量裝置實(shí)時(shí)測(cè)定下游水頭、流量等參數(shù)，所以該套裝置可以全面表征模擬堤防等工程管涌破壞發(fā)展。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，包括自動(dòng)升降水頭裝置、試驗(yàn)槽裝置和數(shù)據(jù)收集裝置，其中，自動(dòng)升降水頭裝置通過(guò)橡膠管(11)與試驗(yàn)槽裝置相連，試驗(yàn)槽裝置通過(guò)數(shù)據(jù)線和數(shù)據(jù)收集裝置連接，其特征在于，所述自動(dòng)升降水頭裝置包括:由木架(I)、豎板(24)、底板(25)構(gòu)成的安裝架，由滑輪(2)、纜繩(9)構(gòu)成的機(jī)械傳動(dòng)裝置，移動(dòng)式水箱(4)，自動(dòng)控制裝置(10)，其中，兩塊豎板(24)垂直設(shè)置于底板(25)與木架(I)之間；滑輪(2)固定安裝于木架(I)上；自動(dòng)控制裝置(10)安裝于底板(25)上；底板(6)通過(guò)纜繩(9)懸掛于滑輪(2)之間；纜繩(9) 一端與底板(6)連接，一端跨過(guò)滑輪(2)與自動(dòng)控制裝置(10)連接；移動(dòng)式水箱(4)固定安裝于底板(6)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述移動(dòng)式水箱(4)左側(cè)有進(jìn)水口(7)和進(jìn)水口閥門(8)，上部有溢水口(3)，底部有出水口(5)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的試驗(yàn)槽裝置包括帶標(biāo)尺的方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽(15)、設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽(15)上端的匯水槽(21)和設(shè)置于方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽(15)下端的帶缺口的底板(18)，其中，匯水槽(21)帶有出水口( 20 );試驗(yàn)槽裝置槽底開設(shè)進(jìn)水口( 12 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽(15)內(nèi)放置圓柱形有機(jī)玻璃分隔槽(24)，依次設(shè)置于分隔槽(24)下端的阻水底板(25)和阻水橡皮圈(26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)收集裝置包括量測(cè)系統(tǒng)以及與之連接的計(jì)算機(jī)終端(13)，所述量測(cè)系統(tǒng)包括沿試驗(yàn)槽(15)管內(nèi)部由上至下均勻布置的水壓力傳感器(17)，與水壓力傳感器(17)相連的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)(22)和計(jì)算機(jī)終端(13)，位于匯水槽出水口(20)處的電子流量計(jì)(19)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種無(wú)粘性土管涌破壞發(fā)展過(guò)程的模型試驗(yàn)裝置，其特征在于，在所述方形有機(jī)玻璃試驗(yàn)槽(15)管壁上設(shè)置紅色細(xì)顆粒分劃線(23 )。
【文檔編號(hào)】E02B1/02GK203821296SQ201420147285
【公開日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】孫杰, 周曉智, 袁磊, 葛路, 凌煒 申請(qǐng)人:河海大學(xué)