本实用新型专利技术公开了一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，试验箱通过透水隔板分隔为储水室与土样填筑室；调压水箱内部设有阀球，且阀球的高度可调节；储水室的进水口与调压水箱的出水口通过管道连通，通过调压水箱供水和调节水压，且调压水箱的高度可调；水泵的开启与关闭受调压水箱内的阀球控制，调压水箱与阀球相配合用于精确控制储水室水位高度；土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层，砂砾石垫层上面设置试验砂土层；在试验砂土层中埋设孔隙水压力传感器，在试验砂土层顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠，用于示踪管涌向上游发展轨迹；管涌出口通过水沙排出管道连通引出；水沙排出管道出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗。
A simulation test device for piping of dyke under high water level
【技术实现步骤摘要】
一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置
本技术属于水利工程
，具体涉及一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置。
技术介绍
管涌在堤坝渗流破坏中危害严重，其发展机理为：由于上游水头较高，堤坝基础砂土层渗透坡降超出允许值，部分砂土在下游涌出；随着出口涌砂的发生，缩短了基础渗径，增加的基础砂土层渗透坡降，从而进一步加剧了出口涌砂，直至堤坝破坏。研究堤坝基础砂土层管涌试验对管涌防护和应急处置具有重要意义，其中确定砂土层管涌发生的临界水头，以及管涌长度发展变化随时间的相关关系是管涌最重要的因素。常规试验装置受尺寸及观测限制，只能确定临界水头，无法有效观测到管涌发展变化过程和涌砂随时间的变化规律等。
技术实现思路
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本技术提供一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置。技术方案：为解决上述技术问题，本技术采用的技术方案为：一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，包括储水箱、水泵、调压水箱和试验箱，所述试验箱通过透水隔板分隔为储水室与土样填筑室；所述水泵一端通过管道与储水箱相连通，另一端连通至调压水箱中，所述调压水箱内部设有阀球，且所述阀球的高度可调节；所述储水室的进水口与调压水箱的出水口通过管道连通，通过调压水箱供水和调节水压，且调压水箱的高度可调；所述水泵的开启与关闭受调压水箱内的阀球的控制，调压水箱与阀球相配合用于精确控制储水室内的水头高度；模拟水头以调压水箱水头为准。所述土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层，中部为试验砂土层，表层铺设粘土覆盖层；在试验砂土层中埋设孔隙水压力传感器，在试验砂土层顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠，用于示踪管涌向上游发展轨迹；所述土样填筑室在远离储水室侧设置有管涌出口，所述管涌出口通过水沙排出管道连通引出；所述水沙排出管道出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗；所述漏斗中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗底部连通的排水导管排出。作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述储水室密闭，且顶端开设有排气孔。作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述土样填筑室上端开口，进一步的，并配设有盖板。作为优选方案，所述透水隔板的透水位置及透水面积可调节，用于模拟不同尺寸的管涌断面。作为优选方案，所述彩色玻璃微珠的直径10~100μm，比重2.4~2.6g/cm3，彩色玻璃微珠的平均尺寸和比重与砂砾的相同。作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，高水位下堤坝管涌模拟试验过程中，彩色玻璃微珠的位移能够通过拍照进行数字图像处理计算位移量。作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述砂土层中砂土的颗粒级配和初始含水率与原状砂土的颗粒级配和初始含水率相同；所述砂土层中，中间布置管涌通道，两侧填筑粗砂隔离带，保证管涌通道向上游直线发展。管涌发展通道沿程埋设孔隙水压力传感器，实时自动测量砂土层不同位置渗压变化。作为优选方案，所述试验箱及盖板采用透明材质。进一步的，采用透明有机玻璃制成。另一方面，本技术还提供一种高水位下堤坝管涌模拟试验方法，包括：在土样填筑室内底层铺设砂砾石垫层，中层铺设试验砂土层，在试验砂土层中埋设孔隙水压力传感器及粗砂隔离带，试验砂土层压密实后在其表面沿轴线方向间隔布置不同颜色的彩色玻璃微珠，然后在表层铺设粘土覆盖层；设定调压水箱及阀球的高度，打开水泵从储水箱中抽水进入调压水箱，水流通过管道进入储水室，保持透水隔板的关闭，待储水室中的水位上升至需求高度时打开透水隔板进行试验；初始高度选择较小的水头，试验通水后观察管涌出口的涌砂量，若保持水位恒定一段时间(10-15分钟)未出现涌砂，则增加水位高度10cm继续观察；若在某一恒定水位出现涌砂，则保持水位恒定并记录水头数据，涌砂通过水沙排出管道进入漏斗后沉积下来，砂子中的水过滤出来从排水导管排出后，通过天平记录各个时间段的涌砂量，并同时通过量杯记录各个时间段的涌水量；由于试验砂土层中的砂子排出，出现涌砂后一段时间，试验砂土层会出现变形，该变形会随着砂土颗粒向右位移发生变化，通过观察彩色玻璃微珠的位移以及涌砂中彩色玻璃微珠的出现顺序能够清晰观测到管涌向上游发展变形的部位，并通过拍照进行的数字图像处理记录各个时段管涌的发展位置和发展速率。有益效果：本技术提供的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，当管涌现象发生时，原先稳定砂层中的砂土颗粒出现位移，传统管涌试验研究主要集中在管涌临界水头和管涌过程中整体变形的观测，而鲜有涉及发生管涌部位变形程度定量观测及结合变形的涌砂量测量，本技术创造性地通过设计高水位下堤坝管涌模拟试验装置，通过采用孔隙水压力传感器观测土体内的渗流场时空分布，并可以直观地观察及分析土体外部形象的变化情况，模拟堤坝管涌破坏全过程，为可为高水位下的堤坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。本技术可以针对堤坝管涌破坏室内模型试验，通过模拟不同水位下堤坝管涌破坏，分析孔隙水压力时空演化规律，堤坝变形破坏过程，为精确分析堤坝管涌变形破坏提供了便利条件。本技术具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。具体来说：1）可进行不同尺度试验，试验装置可采用有机玻璃槽，大尺度时也可采用简单的混凝土槽等，尺寸不受限制，避免了尺寸过小对试验准确度的影响；2）针对观测不便问题，采用沙中掺杂彩色玻璃微珠等措施，有效跟踪管涌发展变化过程；3）测压管采用孔隙水压力传感器，便于自动化观测；4）上游自动补水设备，保证水位平衡；5）下游涌沙收集装置水砂分离收集，便于涌沙量和出水量实时跟踪测量。附图说明图1为实施例中高水位下堤坝管涌模拟试验装置的结构示意图；图中：储水箱1、水泵2、阀球3、调压水箱4、排气孔5、储水室6、透水隔板7、砂砾石垫层8、试验砂土层9、粘土覆盖层10、粗砂隔离带11、彩色玻璃微珠12、孔隙水压力传感器13、管涌出口14、水沙排出管道15、漏斗16、天平17。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本技术及其应用或使用的任何限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，包括储水箱（1）、水泵（2）、调压水箱（4）和试验箱，所述试验箱通过透水隔板（7）分隔为储水室（6）与土样填筑室；/n所述水泵（2）一端通过管道与储水箱（1）相连通，另一端连通至调压水箱（4）中，所述调压水箱（4）内部设有阀球（3），且所述阀球（3）的高度可调节；所述储水室（6）的进水口与调压水箱（4）的出水口通过管道连通，通过调压水箱（4）供水和调节水压，且调压水箱（4）的高度可调；所述水泵（2）的开启与关闭受调压水箱（4）内的阀球（3）的控制，调压水箱（4）与阀球（3）相配合用于精确控制储水室（6）内的水头高度；/n所述土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层（8），砂砾石垫层（8）上设置试验砂土层（9）；在试验砂土层（9）中埋设孔隙水压力传感器（13），在试验砂土层（9）顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠（12），用于示踪管涌向上游发展轨迹；/n所述土样填筑室在远离储水室（6）侧设置有管涌出口（14），所述管涌出口（14）通过水沙排出管道（15）连通引出；所述水沙排出管道（15）出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗（16）；所述漏斗（16）中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗（16）底部连通的排水导管排出。/n...
【技术特征摘要】
1.一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，包括储水箱（1）、水泵（2）、调压水箱（4）和试验箱，所述试验箱通过透水隔板（7）分隔为储水室（6）与土样填筑室；
所述水泵（2）一端通过管道与储水箱（1）相连通，另一端连通至调压水箱（4）中，所述调压水箱（4）内部设有阀球（3），且所述阀球（3）的高度可调节；所述储水室（6）的进水口与调压水箱（4）的出水口通过管道连通，通过调压水箱（4）供水和调节水压，且调压水箱（4）的高度可调；所述水泵（2）的开启与关闭受调压水箱（4）内的阀球（3）的控制，调压水箱（4）与阀球（3）相配合用于精确控制储水室（6）内的水头高度；
所述土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层（8），砂砾石垫层（8）上设置试验砂土层（9）；在试验砂土层（9）中埋设孔隙水压力传感器（13），在试验砂土层（9）顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠（12），用于示踪管涌向上游发展轨迹；
所述土样填筑室在远离储水室（6）侧设置有管涌出口（14），所述管涌出口（14）通过水沙排出管道（15）连通引出；所述水沙排出管道（15）出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗（16）；所述漏斗（16）中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗（16）底部连通的排水导管排出。
2.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，在试验砂土层（9）表层还铺设有粘土覆盖层（10）或者玻璃顶盖，用于对试...
【专利技术属性】
技术研发人员：李子阳，马福恒，叶伟，胡江，邱莉婷，霍吉祥，陈诚，成荣亮，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，
类型：新型
国别省市：江苏;32
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