一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型及試驗方法
2023-06-01 02:39:26
專利名稱：一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型及試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型及試驗方法，屬於水利工程物理模型試驗領域。
背景技術：
我國的堤防建設已有幾千年的歷史，目前在長江和黃河流域兩岸的堤防，很多都是經歷代修建而成，有著悠久的歷史。正是由於現有堤防是歷史上多次修建、破壞、再修復加固而逐漸形成的，因此堤防的質量存在著不少的隱患，一到汛期便險象環生。統計資料表明，大多數堤基防滲能力差，堤基中薄弱環節的存在，就要求採取必要的防滲措施，然而現有的這方面措施很不完善，而且許多堤防未做基礎處理，因此，流土、管湧等堤基的滲透破壞在堤防工程中非常普遍。故加強對堤基滲透變形乃至破壞的研究，關乎國民生計，意義重大。堤基的滲透變形問題已經受到了學術及工程界的普遍關注。目前，關於堤基滲透變形的數值模擬多局限於有限元滲流模擬的範圍，但其無法考慮顆粒流失引起的水土作用過程，故很難全面表徵堤基滲透變形的發展過程。相比於有限元數值模擬，物理模型試驗原理簡單，現象較直觀，針對性強。以往的堤基滲透變形模型試驗方法，一般只在土樣上遊施加水頭差，與工程實際中堤基上下遊同時承受不同水頭的情況還有一定的差別，不能科學的表徵堤基上、下遊在洪水期間不同水頭下的滲透作用。另外，以往的滲透變形研究試驗儀器一般為窄槽，尺寸較小，一般人工觀測數據，精度較低，無法監測滲透變形過程中滲流場的動態變化，不能獲得滲流發展過程中瞬態的水力參數，難以較準確反映堤基非飽和非均勻滲流與滲透破壞現象，也不能滿足堤基管湧等滲透變形研究的要求。故需要一種新的技術方案以解決上述問題。`
發明內容
為解決上述技術問題，本發明提供一種能夠準確並全面表徵模擬多元堤基管道式管湧型滲透變形的發生發展過程的模型裝置及試驗方法。為實現上述發明目的，本發明研究多元堤基管道式管湧型滲透變形的模擬試驗裝置採用如下技術方案:
一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗裝置，包括箱式試驗儀、基於單片機的智能水位調節系統、下遊水位調節室及數據採集裝置，其特徵在於:箱式試驗儀上遊設有進水口，經進水塑料軟管與基於單片機的智能水位調節系統相連，進水口右側及下遊安裝透水板，箱式試驗儀外側面設有多個水壓力傳感器，下遊設有水位調節室，最右側側壁底部開有排水孔，排水孔下部經出水塑料軟管接有智能電子流量計；箱式試驗儀上部加蓋有機玻璃蓋板，有機玻璃蓋板與箱式試驗儀之間用多個螺栓固定，有機玻璃蓋板上開有多個出逸孔，出逸孔孔口用橡膠塞封堵；出逸孔周圍三面設有擋水板，使帶砂的水由另一面的水砂收集口排出。所述的下遊水位調節室位於下遊透水板右側，水位調節室左側頂部外側經進水閥、聯接軟管與一智能電子流量計相連，智能電子流量計外側經塑料軟管與下遊進水管連接；水位調節室右側從上到下均勻開有水位調節孔，水位調節孔用橡膠塞封堵。所述的基於單片機的智能水位調節系統包括供水裝置、控制供水裝置的可變頻交流電機及控制電機的中央控制盒，所述供水裝置通過進水塑料軟管連接進水口。所述的水壓力傳感器共三排，呈梅花形布置於箱式試驗儀的外側面。所述的數據採集裝置由智能電子流量計、水壓力傳感器、數據採集及傳輸模塊、數據終端組成。具體而言，所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗方法，包括以下步驟:
a.向箱式試驗儀內分層填築土樣，每層裝填完畢則進行壓實、飽和處理；b.將有機玻璃蓋板與箱式試驗儀周邊用多個螺栓固定，接觸面塗抹凡士林，有機玻璃蓋板的出逸孔用橡膠塞封堵逐漸增加水頭差，當水頭差達到設定值後，保持數小時，直到下遊排水孔流量穩定，記錄此時的流量數據；d.待下遊排水孔流量穩定後，打開緊靠下遊的出逸孔的橡膠塞，觀察、記錄出逸口的試驗現象，並及時連續地量取出逸孔外水砂收集口的滲流量及出砂量，由智能電子流量計實時採集下遊排水孔的流量，同時水壓力傳感器採集箱式試驗儀內不同位置土樣的各個時刻的水頭數據，直至土樣發生管道式管湧型滲透變形，試驗停止；
e.其他條件不變，不斷改變出逸孔的位置，即依次打開有機玻璃蓋板遠離上遊的各個出逸孔的橡膠塞，重複以上各步驟，完成出逸孔位置不同的多組模型試驗；f.對測得水頭、流量數據進行分析，分別作出土樣出逸孔、下遊排水孔滲流量一上下遊水頭差變化曲線、臨界水力梯度-水平滲徑長度變化曲線，以對多元堤基管道式管湧型滲透變形現象進行表徵。所述步驟c中，所述的增加水頭差，是利用上下遊水位同調系統實現的，所述的上下遊水位同調系統是由上遊基於單片機的智能水位調節系統及箱式試驗儀下遊方向的水位調節室組成的:以下遊水位調 節室將土樣下遊水位穩定在某一水位，上遊利用基於單片機的智能水位調節系統逐漸增加水頭。本發明的有益效果:
1、提供了一種新的模擬多元堤基管道式管湧型滲透變形的裝置和方法；
2、其通過上遊基於單片機的智能水位調節系統及箱式試驗儀下遊方向的水位調節室組成的上下遊水位同調系統，對土樣施加隨時間變化的水頭差，可以較科學的模擬堤基上、下遊在洪水期間不同水頭下的滲透作用，準確再現堤基的滲透變形情況，針對性強；
3、通過設置水壓力傳感器、智能電子流量計等測量裝置，可以獲得滲流發展過程中瞬態的水力參數，全程監測滲透變形過程中滲流場的動態變化，得以較準確反映堤基非飽和非均勻滲流與滲透變形現象；
2、通過改變土樣類型，可模擬均勻堤基、雙層堤基、三層堤基等多元堤基的管道式管湧型滲透變形現象，適用範圍較廣；
3、通過改變箱式試驗儀出逸孔位置的方式，可模擬多元堤基各種水力條件下的管道式管湧型滲透變形的發生發展過程。
圖1是本發明多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置的結構示意圖。
圖2是本發明多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗方法的流程圖。圖3是本發明試驗方法中得到的土樣出逸孔、下遊排水孔滲流量一上下遊水頭差變化曲線圖。圖4是本發明試驗方法中得到的土樣臨界水力梯度-水平滲徑長度變化曲線圖。圖中，1、有機玻璃蓋板,2、透水板,3、下遊透水板,4、出逸孔,5、擋水板,6、水砂收集口，7、水壓力傳感器，8、數據採集及傳輸模塊，9、數據終端，10、聯接軟管，11、進水管，12、進水閥，13、水位調節孔，14、橡膠塞，15、智能電子流量計，16、塑料軟管，17、出水塑料軟管，18、智能電子流量計，19、進水口，20、進水塑料軟管，21、箱式試驗儀，22、水位調節室，23、排水孔，24、供水裝置，25、可變頻交流電機，26、中央控制盒，27、基於單片機的智能水位調節系統,28、下遊進水管。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。請參閱圖1所示，本發明公開一種研究多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗裝置，包括箱式試驗儀、基於單片機的智能水位調節系統、數據採集裝置:箱式試驗儀21上遊設有進水口 19，經進水塑料軟管20與基於單片機的智能水位調節系統27相連，進水口 19右側安裝透水板2，下遊安裝下遊透水板3，箱式試驗儀21外側面設有多個水壓力傳感器，下遊設有水位調節室22，最右側側壁底部開有排水孔23，排水孔23下部經出水塑料軟管17接有智能電子流量計18 ;箱式試驗儀上部加蓋有機玻璃蓋板1，有機玻璃蓋板與箱式試驗儀之間用多個螺栓固定，有機玻璃蓋板上開有多個出逸孔4，出逸孔4孔口用橡膠塞封堵；出逸孔4周圍三面設有擋水板5，使帶砂的水由另一面的水砂收集口 6排出。所述基於單片機的·智能水位調節系統27包括供水裝置24、控制供水裝置24的可變頻交流電機25及控制電機25的中央控制盒26，所述供水裝置24通過進水塑料軟管20連接進水口 19。該基於單片機的智能水位調節系統27，能夠使施加於土樣的上遊水頭自動地隨時間發生規律性的變化，以模擬不同水頭差工況下堤基的滲透變形情況；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。所述的水壓力傳感器7共三排，呈梅花形布置於箱式試驗儀21的外側面；水壓力傳感器7通過數據採集及傳輸模塊8連接於數據終端9，可實時(精度為秒)監測並自動、精準地記錄土樣不同位置的水頭數據。所述的數據採集裝置由智能電子流量計15、智能電子流量計18、水壓力傳感器7、數據採集及傳輸模塊8、數據終端9組成。所述的出逸孔4與下遊排水孔23均為箱式試驗儀21的排水出口，其中，出逸孔4排水帶砂，模擬堤基管道式管湧型滲透變形的滲流出口 ；下遊排水孔23隻排水、不排砂，模擬堤基正常的滲流出水。所述的下遊水位調節室22位於下遊透水板3右側，水位調節室22左側頂部外側經進水閥12、聯接軟管11與一智能電子流量計15相連，智能電子流量計15外側經塑料軟管16與下遊進水管28相連；水位調節室22右側從上到下均勻開有水位調節孔13，水位調節孔13用橡膠塞14封堵。請參閱圖2所示，所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗方法，包括如下步驟:
土樣取長江、秦淮河交接處天然粉細砂，開展滲透變形的發生發展試驗，粉細砂基本參數見表I。(I)向箱式試驗儀21中填築土樣，分層裝填，每層裝填完就進行壓實、排氣及飽和處理；
(2)將有機玻璃蓋板I與箱式試驗儀21周邊用多個螺栓固定，接觸面塗抹凡士林，有機玻璃蓋板I上的出逸孔4用橡膠塞封堵；
(3)以下遊水位調節室22將土樣下遊水位穩定在某一水位，上遊利用基於單片機的智能水位調節系統27逐漸增加水頭，當水頭差達到設定值後，保持數小時，直到下遊排水孔流量穩定，記錄此時的流量數據；(4)待下遊排水孔23流量穩定後，打開緊靠下遊的出逸孔4的橡膠塞，觀察、記錄出逸口 4的試驗現象，並及時連續地量取出逸孔4外水砂收集口6的滲流量及出砂量，由智能電子流量計15、18實時採集下遊排水孔的流量，同時水壓力傳感器7採集箱式試驗儀21內不 同位置土樣的各個時刻的水頭數據，直至土樣發生管道式管湧型滲透變形，試驗停止；
(5)其他條件不變，不斷改變出逸孔4的位置，即依次打開有機玻璃蓋板I遠離上遊的各個出逸孔4的橡膠塞，重複以上各步驟，完成出逸孔4位置不同的多組模型試驗；
(6)對測得水頭、流量數據進行分析，分別作出土樣出逸孔4、下遊排水孔23滲流量一上下遊水頭差變化曲線、臨界水力梯度-水平滲徑長度變化曲線，以對多元堤基管道式管湧型滲透變形現象進行表徵。所述下遊排水孔流量為智能電子流量計18與智能電子流量計15測得的流量數據之差。另外，下面對照圖3、圖4，說明應用本發明研究多元堤基管道式管湧型滲透變形的發生發展過程。如圖3所示，其為本發明模擬多元堤基管道式管湧型滲透變形發生發展過程的土樣出逸孔、下遊排水孔滲流量一上下遊水頭差變化曲線圖，由圖3可看出，在上遊水位未達到破壞水頭49 cm以前，出逸孔和下遊排水孔口流量數值增長均勻，關係曲線均呈現近似直線形狀。當滲透變形通道形成後，出逸孔處滲流量急劇增加，排水孔流量則有所下降。加每一級水頭後，出水口流量穩定也是具有一定規律的。在增加上遊水頭之初，出逸孔流量增加很快且增加值較大，而排水孔口水流量增加很小。前者具有減小趨勢，後者具有增加趨勢。經過一段時間後，出逸孔流量逐漸減少至穩定數值，排水孔口流量也逐漸增大至穩定數值。如圖4所示，其為本發明模擬多元堤基管道式管湧型滲透變形的發生發展過程的臨界水力梯度-水平滲徑長度曲線圖，由圖4可知，隨著水平滲徑長度的增加，土樣臨界水力梯度的變化呈遞增趨勢，但增幅卻逐漸減小。 表I長江、秦淮河交接處天然粉細砂基本參數
權利要求
1.一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置，包括箱式試驗儀、基於單片機的智能水位調節系統、下遊水位調節室、數據採集裝置，其特徵在於:箱式試驗儀上遊設有進水口，經進水塑料軟管與基於單片機的智能水位調節系統相連，進水口右側及下遊安裝透水板，箱式試驗儀外側面設有多個水壓力傳感器，下遊設有水位調節室，最右側側壁底部開有排水孔，排水孔下部經出水塑料軟管接有智能電子流量計；箱式試驗儀上部加蓋有機玻璃蓋板，有機玻璃蓋板與箱式試驗儀之間用多個螺栓固定，有機玻璃蓋板上開有多個出逸 L，出逸孔孔口用橡膠塞封堵；出逸孔周圍三面設有擋水板，使帶砂的水由另一面的水砂收集口排出；所述的下遊水位調節室位於下遊透水板右側，水位調節室左側頂部外側經進水閥、聯接軟管與一智能電子流量計相連，智能電子流量計外側經塑料軟管與下遊進水管連接；水位調節室右側從上到下均勻開有水位調節孔，水位調節孔用橡膠塞封堵。
2.根據權利要求1所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置，其特徵在於:所述的基於單片機的智能水位調節系統包括供水裝置、控制供水裝置的可變頻交流電機及控制電機的中央控制盒，所述供水裝置通過進水塑料軟管連接進水口。
3.根據權利要求1所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置，其特徵在於:所述的水壓力傳感器共三排，呈梅花形布置於箱式試驗儀的外側面。
4.根據權利要求1所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置，其特徵在於:所述的數據採集裝置由智能電子流量計、水壓力傳感器、數據採集及傳輸模塊、數據終端組成。
5.根據權利要求1所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型裝置的試驗方法，包括如下步驟: a.向箱式試驗儀內分層填築土樣，每層裝填完畢則進行壓實、飽和處理； b.將有機玻璃蓋板與箱式試驗儀周邊用多個螺栓固定,接觸面塗抹凡士林,有機玻璃蓋板上的出逸孔用橡膠塞封堵； c.逐漸增加水頭差，當 水頭差達到設定值後，保持數小時，直到下遊排水孔流量穩定，記錄此時的流量數據； 其特徵在於，還包括以下步驟: d.待下遊排水孔流量穩定後，打開緊靠下遊的出逸孔的橡膠塞，觀察、記錄出逸口的試驗現象，並及時連續地量取出逸孔外水砂收集口的滲流量及出砂量，由智能電子流量計實時採集下遊排水孔的流量，同時水壓力傳感器採集箱式試驗儀內不同位置土樣的各個時刻的水頭數據，直至土樣發生管道式管湧型滲透變形，試驗停止； e.其他條件不變，不斷改變出逸孔的位置，即依次打開有機玻璃蓋板遠離上遊的各個出逸孔的橡膠塞，重複以上各步驟，完成出逸孔位置不同的多組模型試驗； f.對測得水頭、流量數據進行分析，分別作出土樣出逸孔、下遊排水孔滲流量一上下遊水頭差變化曲線、臨界水力梯度-水平滲徑長度變化曲線，以對多元堤基管道式管湧型滲透變形現象進行表徵。
6.根據權利要求5所述的多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型試驗方法，其特徵在於:所述步驟c中，所述的增加水頭差，是利用上下遊水位同調系統實現的，所述上下遊水位同調系統是由上遊基於單片機的智能水位調節系統及箱式試驗儀下遊方向的水位調節室組成的:以下遊水位調節室將土樣下遊水位穩定在某一水位，上遊利用基於單片機的智能水位調節系統逐漸增加水頭。
全文摘要
本發明公開了一種多元堤基管道式管湧型滲透變形的模型及試驗方法。模型裝置由基於單片機的智能水位調節系統、箱式試驗儀、下遊水位調節室、數據採集裝置四部分組成。其通過上下遊水位同調系統，對土樣施加水頭差，模擬堤基上、下遊在洪水期間不同水頭下的滲透作用。通過改變土樣類型，可模擬均勻堤基、雙層堤基、三層堤基等多元堤基的管道式管湧型滲透變形現象；通過改變箱式試驗儀出逸孔位置的方式，可模擬堤基各種水力條件下的管湧等滲透變形過程。通過採用本發明提供的測量裝置，按照本發明提供的試驗方法，可以較準確地反映多元堤基管道式管湧型滲透變形的發生發展過程。
文檔編號E02B1/02GK103233441SQ201310138570
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月19日 優先權日2013年4月19日
發明者陳亮, 趙敬川, 夏兵兵, 高為壯, 雷文, 丁小闖, 康方博 申請人:河海大學