一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置与方法

摘要

本申请涉及一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置与方法，属于堤防渗流破坏模拟的技术领域，其包括试验箱、上游水头调节模块、下游流量采集模块和下游出砂量采集模块，试验箱上开设有进水口，试验箱的进水口连接有进水管，进水管的另一端与上游水头调节模块连接；试验箱内靠近进水口的位置设置渗滤组件；试验箱内固定有与试验箱的侧壁紧贴的涵管，涵管远离渗滤组件的一端穿过试验箱的侧壁伸出到试验箱外部，涵管开设有渗流孔；试验箱的侧板和上盖板以及涵管均透明。本申请能够对穿堤无压涵管破损后堤坝的渗流破坏发展过程进行模拟，并能够实时观测堤防土体变形情况和涵管内部水流输砂运动情况。

说明书

技术领域

本申请涉及堤防渗流破坏模拟的领域，尤其是涉及一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置与方法。

背景技术

在进行堤坝施工中，通常会在坝体下部埋设用于泄水、引水的涵管。穿堤涵管的进口通常在水下较深处，属于深式泄水或放水建筑物。穿堤涵管结构简单、施工方便、工期较短、造价低，因此在中、小型工程中使用较多。穿堤涵管通常分为有压涵管与无压涵管两种类型，从防止管身漏水以免影响坝体安全的方面来考虑，穿堤涵管多为无压涵管。

由于涵管长时间受到上方回填土体的压力、周围填土的不均匀沉降以及涵管老化等原因，涵管管壁容易产生裂缝和孔洞，从而在土体与涵管之间产生渗流。土体中的渗流水沿裂缝和孔洞流入涵管内，水流携带土壤颗粒进入涵管内并从涵管的出口处排出，从而在涵管周围的土体内产生空穴，威胁堤坝的安全，严重可导致溃堤事故。

堤坝的破坏过程多数是通过水槽试验进行模拟，但是目前的水槽试验模拟装置中应用于无压涵管接触渗流破坏研究的较少，不够成熟，无法满足科学研究的需求。

发明内容

为了对穿堤无压涵管破损后堤坝的渗流破坏发展过程进行模拟，本申请提供一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置与方法。

一方面，本申请提供的一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置采用如下的技术方案：

一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置，包括试验箱、上游水头调节模块、下游流量采集模块和下游出砂量采集模块，所述试验箱水平方向的侧板上开设有进水口，所述试验箱的顶部开口并利用可拆卸的上盖板封闭，所述试验箱的进水口连接有进水管，所述进水管的另一端与上游水头调节模块连接；所述试验箱内靠近进水口的位置设置有将试验箱内部空间进行分割的透水的渗滤组件；所述试验箱内固定有水平设置并与渗滤组件垂直的涵管，所述涵管与试验箱的侧壁紧贴，所述涵管远离渗滤组件的一端穿过试验箱的侧壁伸出到试验箱外部，所述涵管伸出到试验箱外部的一端开口形成渗流出口，所述涵管的渗流出口处与下游流量采集模块连接；所述涵管位于渗滤组件与试验箱靠近涵管的渗流出口的侧壁之间的部分开设有模拟涵管破损的渗流孔；所述试验箱的侧板和上盖板以及涵管均透明可视化。

通过采用上述技术方案，渗滤组件将试验箱分为两部分，靠近进水口的为上游水体区，另一部分为土样填充区，试验箱内的土样变化和涵管内的变化均能够在外部观测到；利用游水头调节模块不断提高水头，试验箱内靠近涵管渗流孔的土样在渗流的带动下进入涵管内部并随着时间的推移被携带出涵管，从而在填充土样内产生孔洞甚至塌陷，能够对穿堤无压涵管接触渗流破坏的发展过程进行可视化的模拟，有助于对穿堤无压涵管接触渗流破坏机理的研究。

优选的，所述试验箱远离进水口的侧壁开口并利用可拆卸的侧盖板封闭；所述侧盖板上开设有预留孔，所述涵管与所述预留孔配合并从预留孔中穿出，所述预留孔的孔壁与涵管的管壁之间利用密封胶封堵。

通过采用上述技术方案，设置侧盖板，方便在试验箱竖直的状态下进行土样的装填，在压实的过程中使得土样能够与上盖板紧密贴合，避免在土样与上盖板之间产生空隙。

优选的，所述上盖板和侧盖板利用卡扣组件固定在试验箱上。

通过采用上述技术方案，能够快速的将上盖板和侧盖板安装到试验箱上或者从试验箱上取下来。

优选的，所述涵管为半圆管且半圆管的平面与试验箱的内壁紧贴，所述渗流孔开设在涵管的弧形面上。

通过采用上述技术方案，使得涵管与试验箱的侧壁的接触面积增加，有助于将涵管固定到试验箱的侧壁上，同时也使得在观察涵管内部情况时有更大的观察视野。

优选的，所述试验箱的侧壁和上盖板上分别设置有多个测压管，所述测压管连接有水压测试模块。

通过采用上述技术方案，对试验过程中试验箱内不同位置的水压以及不同水头高度时的水压进行检测，为后续分析提供数据支持。

优选的，所述渗滤组件包括两个相对的穿孔滤板以及夹持在滤板之间的渗滤层，所述滤板之间利用紧固件连接。

通过采用上述技术方案，过滤层允许水流通过而对土体颗粒进行阻挡，从而避免土体颗粒进入上游水体区，滤板对渗滤层起到支撑和保护的作用。

优选的，所述试验箱的上方和侧方均设置有摄像模块。

通过采用上述技术方案，利用摄像模块对试验过程中的土体变形和涵管内部情况进行实时记录。

另一方面，本申请提供的一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法采用如下的技术方案：

一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试样方法，包括：

S1、涵管制作，将制作好的涵管安装在试验箱内；

S2、装填土样，向试验箱内分层装填土样，并对土样进行压实和饱和处理；

S3、逐级提高水头，观察试验箱内土体的变形情况、涵管内的渗流和砂样起动流失情况；

S4、更换不同工况的涵管，重复步骤S2-S3；

S5、根据获得的数据和影像，对穿堤无压涵管接触渗流破坏的发展情况和形成机理进行分析。

通过采用上述技术方案，对穿堤无压涵管渗流破坏的发展过程进行模拟，能够清晰地观察到在水头不断提高的情况下试验箱内土样的变形情况以及涵管内砂样的发育和水流的流动情况。

优选的，S2中，水平装填土样，在进行土样装填时，水平放置试验箱，取掉上盖板，之后分层装填土样；装填完毕后将上盖板盖紧。

通过采用上述技术方案，对试验箱进行水平装样，能够适合多种类型的土壤。

优选的，S2中，竖直装填土样，在进行土样装填时，竖直放置试验箱，取掉侧盖板，之后采用分层水下抛填的方式进行装样；装填完毕后将侧盖板盖紧，利用密封胶封闭预留孔的孔壁与涵管的管壁之间的空隙；之后恢复试验箱到水平位置，土体与上盖板紧密接触。

通过采用上述技术方案，对一些颗粒较大的土壤采用竖向水下抛填的方式进行土样装填，保证土样与上盖板之间能够紧密贴合。

综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：

1.能够对穿堤无压涵管接触渗流破坏进行可视化模拟，从而对渗流破坏的发展过程进行观察；

2.能够采用多种适合不同工况的涵管，对孔洞发生在涵管上游、中游、下游等位置的情况进行模拟。

附图说明

图1是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的外部整体结构示意图；

图2是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的另一方向的外部整体结构示意图；

图3是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的内部结构示意图；

图4是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的内部结构俯视图；

图5是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的侧盖的结构示意图；

图6是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的涵管的结构示意图；

图7是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法的流程图；

图8是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法的实施例一的土样填充方式示意图；

图9是本申请的穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法的实施例二的土样填充方式示意图。

附图标记说明：1、试验箱；11、上盖板；111、加强板；12、侧盖板；121、预留孔；13、进水口；14、支撑框边；15、限位块；16、密封条；2、渗滤组件；21、滤板；22、渗滤层；3、涵管；31、渗流出口；32、渗流孔；33、插柱；4、进水管；5、支撑组件；51、加固板；52、行走轮；53、支腿；6、测压管；7、卡扣组件。

具体实施方式

以下结合附图1-9对本申请作进一步详细说明。

本申请实施例公开一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置。参照图1、图2，穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置包括试验箱1、上游水头调节模块、下游流量采集模块、下游出砂量采集模块以及摄像模块。

本实施例中的试验箱1为长方体状，尺寸为50×30×20 cm。试验箱1长度方向的其中一个侧板的中间位置开设有进水口13，进水口13处连接有进水管4。进水管4与上游水头调节模块连接。进水管4一侧模拟水体的上游。上游水头调节模块采用水槽试验中常用的水头调节设备，在此不再赘述。

参照图2、图3，试验箱1的顶面以及远离进水口13的侧面开口。试验箱1的顶端和远离进水口13的一端分别设置有封堵开口的上盖板11和侧盖板12。本实施例中试验箱1的箱体以及上盖板11和侧盖板12均采用无色透明有机玻璃制成，从而能够对试验箱1内部的情况进行观察，达到可视化的目的。

上盖板11和试验箱1宽度方向的两侧壁上均设置有多个与试验箱1内部连通的测压管6。测压管6沿试验箱1的长度方向等距离间隔设置。测压管6可设置多排。测压管6与水压检测模块连接，水压检测模块可以是水压力传感器、水压测试表或者是其他能够实时检测试验箱1内水体压力的仪器。

试验箱1的箱体的下方以及外侧还设置有支撑组件5。支撑组件5包括固定在试验箱1底板上的加固板51和安装在加固板51上的行走轮52。行走轮52的设置方便对试验箱1进行移动。

试验箱1开设进水口13的侧壁的外表面上固定设置有支腿53。支腿53用于将试验箱1竖起时对进水口13和进水管4的保护。

参照图1、图3，上盖板11和侧盖板12的外壁边缘分别设置有通过螺钉固定的加强板111，加强板111为不锈钢板。试验箱1宽度方向的两侧壁的外表面靠近上盖板11和侧盖板12的边缘分别设置有通过螺钉固定加强板111。

上盖板11和试验箱1的侧壁以及侧盖板12与试验箱1的侧壁之间分别利用多个卡扣组件7连接。卡扣组件7包括固定在上盖板11和侧盖板12的加强板111上的扣件以及固定在试验箱1侧壁的加强板111上的卡件。由于卡扣组件7为现有技术中常用的用于连接相邻两个部件之间的连接件，因此在本实施例中对卡扣组件7的具体结构不再赘述，本领域技术人员应该熟知。

试验箱1远离进水口13的一端的上方设置有长度方向两端分别与水平相对的两侧壁固定连接的支撑框边14。支撑框边14朝向上盖板11的端面和试验箱1侧壁的顶面齐平且均固定设置有密封条16，支撑框边14朝向侧盖板12的端面和试验箱1侧壁朝向侧盖板12的端面齐平且均固定设置有密封条16。

将上盖板11和侧盖板12分别利用卡扣组件7固定在试验箱1上，使得试验箱1内部形成密闭的空间，密封条16防止在试验箱1内部有水的情况下出现渗漏。

参照图3、图4，试验箱1内部靠近进水口13的位置设置有渗滤组件2，渗滤组件2允许水流通过对土壤颗粒产生阻挡。试验箱1宽度方向相对的侧壁内表面上分别固定设置有限位块15。限位块15位于渗滤组件2两侧从而将渗滤组件2夹紧固定。

渗滤组件2包括沿试验箱1长度方向相对的穿孔滤板21以及夹在滤板21之间的渗滤层22。渗滤层22为土工布或者无纺布。相对的滤板21之间利用螺栓连接从而将渗滤层22夹紧。渗滤组件2与进水口13之间的空间形成上游水体区。渗滤组件2与侧盖板12之间形成土样填充区。

参照图3、图5，试验箱1宽度方向的其中一侧壁内表面上固定有沿试验箱1的长度方向的涵管3。涵管3为半圆状且水平端面与试验箱1的侧壁紧贴并利用玻璃胶粘贴牢固。涵管3为无色透明的有机玻璃制成。涵管3长度方向的一度封闭、一端开口。涵管3的封闭端与滤板21紧贴，另一端穿过开设在侧盖板12上的预留孔121伸出到试验箱1外部。预留孔121的形状与涵管3的形状匹配。预留孔121的孔壁与涵管3的管壁之间的空隙利用密封胶封闭。

涵管3设置开口的一端为渗流出口31。涵管3位于试验箱1内部的部分开设有渗流孔32，渗流孔32用于模拟涵管3破坏后形成的孔洞。本实施例中渗流孔32开设在涵管3的上部。试验时，携带砂样的水从渗流出口31排出。

测压管6与试验箱1的侧壁的连通处位于涵管3的上方。

参照图3、图6，涵管3封闭一端的端面上固定有插柱33，插柱33的直径与滤板21上的孔的直径匹配并能够插入滤板21。插柱33能够起到对涵管3的支撑作用，从而增强涵管3的稳定性。

涵管3的渗流出口31处与下游流量检测模连接。本实施例中采用水槽试验中常用的流量检测仪器。

下游出砂量采集模块同样设置在涵管3的渗流出口31处，并对涵管3的出砂量进行监测。

摄像模块位于试验箱1外部的上盖板11上方和固定有涵管3的侧壁一侧。摄像模块可采用高清摄像机，在试验过程中对土体的渗流破坏发展情况实时记录。

由于上游水头调节模块、下游流量采集模块、下游出砂量采集模块、摄像模块以及水压检测模块均为常规技术手段，因此在附图中未体现。

本申请实施例一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的实施原理为：将渗滤组件2安装在试验箱1内并夹在限位块15之间，之后将涵管3利用玻璃胶黏贴在试验箱1的侧壁上并开设好渗流孔32，取下上盖板11或者侧盖板12，向试验箱1内填充土样模拟堤坝，最后将进水管4与上游水头调节模块连接即可进行试验。

本申请实施例公开一种穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法。

实施例一

参照图7、图8，穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法包括以下步骤：

S1、涵管制作：根据模拟工况，在不同涵管3位于试验箱1内的部分按照上游、中游、下游以及全管进行渗流孔32的开孔，渗流孔32的孔径大小按照设计要求开设，如5mm、2mm，渗流孔32的位置可位于涵管3的上部、下部，从而通过更换涵管3能够对涵管3的不同破坏情况进行模拟。

将制作好的涵管3安装在试验箱1内。

S2、装填土样：将试验箱1水平放置，取掉上盖板11，采用分层装填的方式向试验箱1内装入土壤，并进行饱和、压实、排气处理，保证在整个试验箱1的侧盖板12和滤板21之间充满土样、不留空隙。土样装填完毕后，将上盖板11盖上并利用卡扣组件7锁住。

由于采用水平装填土样的方式可能会导致土样与上盖板11之间不能够紧贴，因此在土样的最上层平铺透明的气泡膜，将土样与上盖板11之间的空隙充填。

S3、逐级提高水头：进水管4接通上游水头调节模块，向试验箱1内部加水，首先将上游水体区内的水的水位快速升到与涵管3相同的高度，之后按照每5min/cm的速度增加水头高度，记录涵管3内开始有水流出的时间以及有土体颗粒进入涵管3内的时间，观察土体随水头的提高而发生的变形情况，当土体发生较大破坏时，停止提高水头。

借助摄像模块记录土体变形过程以及涵管3内水流输砂运动情况。

利用水压检测模块和下游流量检测模对土体水压和通过涵管3的渗流量进行检测。

S4、更换不同工况的涵管3，重复步骤S2-S3。

S5、根据获得的数据和影像，对穿堤无压涵管接触渗流破坏的发展情况和形成机理进行分析。

本实施例中的土样装填方式适合多种类型的土壤，如壤土、砂土等。

实施例二

参照图7、图9，穿堤无压涵管接触渗流破坏的可视化试验装置的试验方法包括以下步骤：

S1、涵管制作：根据模拟工况，在不同涵管3位于试验箱1内的部分按照上游、中游、下游以及全管进行渗流孔32的开孔，渗流孔32的孔径大小按照设计要求开设，如5mm、2mm，渗流孔32的位置可位于涵管3的上部、下部，从而通过更换涵管3能够对涵管3的不同破坏情况进行模拟。

将制作好的涵管3安装在试验箱1内。

S2、装填土样：将试验箱1竖直放置，取掉侧盖板12，采用分层水下抛填的方式向试验箱1内装入土样，并进行压实处理。

采用竖向装填土样的方式能够保证土样与上盖板11紧密贴合。土样装调完毕后，将侧盖板12利用卡扣组件7固定在试验箱1上，并利用密封胶封堵预留孔121的孔壁与涵管3管壁之间的空隙。

将试验箱1恢复到水平位置。

S3、逐级提高水头：进水管4接通上游水头调节模块，向试验箱1内部加水，首先将上游水体区内的水的水位快速升到与涵管3相同的高度，之后按照每5min/cm的速度增加水头高度，记录涵管3内开始有水流出的时间以及有土体颗粒进入涵管3内的时间，观察土体随水头的提高而发生的变形情况，当土体发生较大破坏时，停止提高水头。

借助摄像模块记录土体变形过程以及涵管3内水流输砂运动情况。

利用水压检测模块和下游流量检测模对土样内的水压和通过涵管3的渗流量进行检测。

S4、更换不同工况的涵管3，重复步骤S2-S3。

S5、根据获得的数据和影像，对穿堤无压涵管接触渗流破坏的发展情况和形成机理进行分析。

本实施例中的土样装填方式适合砂土等大颗粒土壤。

以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。