本發(fā)明涉及水利工程領(lǐng)域，具體涉及一種均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷模型試驗(yàn)裝置及方法。

背景技術(shù)：

為了調(diào)控自然界的水流，從古至今人類修建了大量的水利水電工程，在這些水利工程中均質(zhì)土壩因具有造價(jià)低廉、施工方便、對(duì)自然環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛采用。由于調(diào)控蓄水的作用，在均質(zhì)土壩中修建有大量的穿壩涵管，貫通整個(gè)均質(zhì)土壩的穿壩涵管與壩體的接觸問題一直本人為是滲流破壞的薄弱環(huán)節(jié)，在接觸面滲透壓力達(dá)到一定水平，壩體與穿壩建筑之間就會(huì)發(fā)生接觸沖刷破壞。

由于壩體與穿壩建筑之間的接觸沖刷破壞機(jī)理與土層之間的接觸沖刷破壞相差較大，相比于土層之間接觸沖刷破壞所需的水力條件和幾何條件，壩體與穿壩涵管之間的接觸沖刷破壞不僅需要水力條件和幾何條件同時(shí)也與接觸處土體的力學(xué)狀態(tài)密切相關(guān)。由于均質(zhì)土壩與穿壩涵管的接觸沖刷破壞涉及到滲流力學(xué)、接觸力學(xué)和彈塑性力學(xué)等多門學(xué)科，研究較為復(fù)雜，研究也較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷模型試驗(yàn)裝置及方法，本發(fā)明能夠模擬由于不同原因?qū)е碌木|(zhì)土壩與穿壩涵管接 觸沖刷破壞。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷模型試驗(yàn)裝置，包括模型槽、接觸沖刷模擬裝置、豎向加載裝置和監(jiān)測(cè)裝置，其中，所述模型槽內(nèi)承載模擬壩體，且模型槽設(shè)置有供水通道以提供沖刷的液體，所述接觸沖刷模擬裝置設(shè)置于模型槽底端，包括若干節(jié)連接的單節(jié)穿壩涵管模型構(gòu)成的穿壩涵管模型，以模擬穿壩涵管與壩體的接觸沖刷破壞，所述豎向加載裝置，向模型槽內(nèi)填筑模擬壩體，改變壩體的高度，在模擬壩體的設(shè)定位置與穿壩涵管模型內(nèi)設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置，以檢測(cè)穿壩涵管模型和模擬壩體的壓力，模擬壩體內(nèi)的流速及變形量。

所述模型槽包括基座、側(cè)壁和底板，所述側(cè)壁和底板構(gòu)成具有一開口的容納空間，所述基座承載上述容納空間，且側(cè)壁上設(shè)置有溢流孔，在所述底板上開設(shè)進(jìn)水口和出水口，所述模型槽成為模型試驗(yàn)中的供水設(shè)備。

所述底板中間設(shè)置有一條狀槽，所述條狀槽側(cè)壁上安裝有橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌，以輔助接觸沖刷模擬裝置的橫向移動(dòng)。

所述接觸沖刷模擬裝置，包括穿壩涵管模型、橫向移動(dòng)部件、豎向移動(dòng)部件和漏水裝置，所述穿壩涵管模型有多節(jié)單節(jié)穿壩涵管模型組成，所述橫向移動(dòng)部件與穿壩涵管模型前端連接，所述豎向移動(dòng)部件與某個(gè)單節(jié)穿壩涵管模型相連，所述漏水裝置安裝在兩節(jié)單節(jié)穿壩涵管模型之間，所述穿壩涵管模型卡合在模型槽底部。

優(yōu)選的，所述橫向移動(dòng)部件包括橫向反力樁、橫向移動(dòng)千斤頂和橫向移動(dòng)板，橫向移動(dòng)板和位于最前端的單節(jié)穿壩涵管模型剛性連接，橫向移動(dòng)千斤頂分別與橫向移動(dòng)板和橫向反力樁剛性連接。

優(yōu)選的，所述單節(jié)穿壩涵管模型包括盒體和設(shè)置于盒體的連接扣，所述連接扣與豎向移動(dòng)部件的連接端相適配。

優(yōu)選的，所述豎向移動(dòng)部件包括第二橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌與豎向移動(dòng)千斤頂，所述豎向移動(dòng)千斤頂一端與單節(jié)穿壩涵管模型中的連接扣連接，另一端與第二橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌剛性連接，所述第二橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌活動(dòng)連接在底板條狀槽內(nèi)的橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌中。

優(yōu)選的，所述漏水裝置包括進(jìn)水管道和噴頭，所述噴頭設(shè)置于兩節(jié)相鄰的單節(jié)穿壩涵管模型之間，所述進(jìn)水管道連接噴頭，并延展至單節(jié)穿壩涵管模型外側(cè)。

優(yōu)選的，所述豎向加載裝置包括反力架、移動(dòng)導(dǎo)軌、豎向加載千斤頂和豎向加載板，所述反力架設(shè)置于模型槽上端，所述移動(dòng)導(dǎo)軌設(shè)置于反力架上，所述移動(dòng)導(dǎo)軌上設(shè)置豎向加載千斤頂，通過豎向加載板向模型槽方向施加壓力。

所述模擬壩體，由壩體填料堆積而成。

所述監(jiān)測(cè)裝置包括安裝在穿壩涵管和壩體內(nèi)的土壓力盒和滲壓計(jì)、壩體內(nèi)的光柵流速測(cè)速儀以及監(jiān)測(cè)壩體變形的激光測(cè)距儀。

基于上述裝置的工作方法，包括以下步驟：

(1)搭建接觸沖刷試驗(yàn)裝置；

(2)從下往上分多層填筑壩體，根據(jù)干密度計(jì)算每層所需土量；

(3)在壩體填筑過程中，隨填筑高度的提高，根據(jù)檢測(cè)裝置布置圖將滲壓計(jì)、土壓力盒、激光測(cè)距儀埋設(shè)在壩體相應(yīng)的位置；

(4)壩體填筑后從進(jìn)水口蓄水，慢慢蓄水至試驗(yàn)高度，并監(jiān)測(cè)壩體的浸潤(rùn)線變化，直至壩體浸潤(rùn)線穩(wěn)定；

(5)根據(jù)工況需要移動(dòng)涵管或提升蓄水位，并監(jiān)測(cè)壩體的土壓力、孔隙水壓力壩體位移的變化，并采用攝像機(jī)監(jiān)測(cè)接觸面土體變化。

所述步驟(1)中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體和室內(nèi)模型的大小以及受力情況對(duì)比，確定出相似比，并根據(jù)相似比確定出模型的各部件的尺寸。

進(jìn)一步的，壩體滲流的相似性計(jì)算為根據(jù)原體與模型的長(zhǎng)度、寬度、高度、滲流流速、水頭和滲透系數(shù)，根據(jù)達(dá)西定律，計(jì)算得到滲透流速的相似比尺條件，結(jié)合滲流的連續(xù)性條件，計(jì)算時(shí)間比尺與滲流量的比尺；

均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸的相似性計(jì)算過程為在壩體滲流相似的基礎(chǔ)上，采用π定理研究接觸面力學(xué)特征的相似性。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可模擬由于不同原因?qū)е碌木|(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷破壞，且模型加工方便，易于拆卸和搬運(yùn)，可以重復(fù)利用。

附圖說明

構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分的說明書附圖用來提供對(duì)本申請(qǐng)的進(jìn)一步理解，本申請(qǐng)的示意性實(shí)施例及其說明用于解釋本申請(qǐng)，并不構(gòu)成對(duì)本申請(qǐng)的不當(dāng)限定。

圖1為均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷模型試驗(yàn)裝置組裝圖；

圖2為模型槽示意圖；

圖3為豎向加載裝置示意圖；

圖4為接觸沖刷模擬裝置示意圖；

圖5為橫向移動(dòng)裝置示意圖；

圖6為豎向移動(dòng)裝置示意圖；

圖7為漏水裝置示意圖；

圖8為單節(jié)穿壩涵管模型示意圖；

圖9為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖；

其中：1、模型槽，2、接觸沖刷模擬裝置，3、豎向加載裝置，4、壩體，5、擋土側(cè)壁擋，6、水側(cè)壁，7、底板，8、基座，9、溢流口，10、進(jìn)水口，11、出水口，12、方口，13、橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌I，14、橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌II，15、反力架，16、豎向加載千斤頂，17、豎向加載板，18、單節(jié)穿壩涵管模型，19、漏水裝置，20、橫向移動(dòng)裝置，21、豎向移動(dòng)裝置，22、方盒，23、連接扣，24、進(jìn)水管道，25、噴頭，26、橫向反力樁，27、橫向移動(dòng)千斤頂，28、橫向移動(dòng)板，29、橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌III，30、豎向移動(dòng)千斤頂。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖與實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

應(yīng)該指出，以下詳細(xì)說明都是例示性的，旨在對(duì)本申請(qǐng)?zhí)峁┻M(jìn)一步的說明。除非另有指明，本文使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語具有與本申請(qǐng)所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員通常理解的相同含義。

需要注意的是，這里所使用的術(shù)語僅是為了描述具體實(shí)施方式，而非意圖限制根據(jù)本申請(qǐng)的示例性實(shí)施方式。如在這里所使用的，除非上下文另外明確指出，否則單數(shù)形式也意圖包括復(fù)數(shù)形式，此外，還應(yīng)當(dāng)理解的是，當(dāng)在本說明書中使用術(shù)語“包含”和/或“包括”時(shí)，其指明存在特征、步驟、操作、器件、組件和/或它們的組合。

如圖1所示，一種均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷模型試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置主要包括模型槽1、接觸沖刷模擬裝置2、豎向加載裝置3、壩體4和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有土壓力盒、滲壓計(jì)、激光測(cè)距儀等組成

模型槽由擋土側(cè)壁5、擋水側(cè)壁6、底板7和基座8組成，在擋水側(cè)壁5上設(shè)有溢流口9，在靠近擋水側(cè)壁6一側(cè)的底板7上設(shè)有進(jìn)水口10，在底板另一側(cè)設(shè)有出水口11，并在底板7上留有安裝接觸沖刷模擬裝置2的方口12，在方口12側(cè)壁上安裝有橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌I 13用以輔助接觸沖刷模擬裝置2的橫向移動(dòng)。

豎向加載裝置3包括橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌II 14、反力架15、豎向加載千斤頂16和豎向加載板17。

其中反力架通過螺栓與模型槽1的擋土側(cè)壁5剛性連接，豎向加載千斤頂16兩端分別與豎向加載板17和橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌II 14剛性連接，同時(shí)橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌II 14與反力架15剛性連接。

接觸沖刷模擬裝置2由單節(jié)穿壩涵管模型18、漏水裝置19、橫向移動(dòng)裝置20和豎向移動(dòng)裝置21組成。其中單節(jié)穿壩涵管模型18分為方盒22和連接扣23組成，連接扣23用于與豎向移動(dòng)裝置21中的千斤頂連接。漏水裝置19主要包括進(jìn)水管道24和噴頭25組成，用于模擬穿壩涵管漏水時(shí)，有進(jìn)水管道24進(jìn)水噴頭25噴水。單節(jié)穿壩涵管模型之間、噴頭與單節(jié)穿壩涵管模型之間采用橡膠墊止水，共同構(gòu)成穿壩涵管模型。接觸沖刷模擬裝置2通過豎向移動(dòng)裝置模擬穿壩涵管的不均勻沉降，通過橫向移動(dòng)裝置模擬穿壩涵管的側(cè)向位移。

橫向移動(dòng)裝置包括橫向反力樁26、橫向移動(dòng)千斤頂27、橫向移動(dòng)板28組成。其中橫向移動(dòng)板28和單節(jié)穿壩涵管模型18剛性連接，橫向移動(dòng)千斤頂27分別與橫向移動(dòng)板28和橫向反力樁26剛性連接。

豎向移動(dòng)裝置包括橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌III 29、豎向移動(dòng)千斤頂30組成。其中豎向移動(dòng)千斤頂30一端與單節(jié)穿壩涵管模型18中的連接扣23連接另一端與橫向滑動(dòng)導(dǎo)軌III 29剛性連接。

所述壩體填料基于模型試驗(yàn)尺寸和滲透系數(shù)相似比，選擇適用于模型試驗(yàn)的填料。

所述監(jiān)測(cè)裝置主要包括安裝在穿壩涵管和壩體內(nèi)的土壓力盒和滲壓計(jì)、壩體內(nèi)的光柵流速測(cè)速儀以及監(jiān)測(cè)壩體變形的激光測(cè)距儀。

本發(fā)明的試驗(yàn)裝置的制作步驟：

步驟1：根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)體和室內(nèi)模型的大小以及受力情況對(duì)比，確定出一個(gè)合適的相似比，

并根據(jù)相似比確定出室內(nèi)模型的各部件的尺寸。

步驟2：組裝模型槽，并安裝豎向加載裝置

步驟3：組裝接觸沖刷沖刷模擬裝置，并將接觸沖刷模擬裝置安裝在模型槽上。

步驟4：模型槽內(nèi)填入土料并在填料過程中安裝相應(yīng)的監(jiān)測(cè)裝置

步驟1中相似關(guān)系的確定方法如下：

均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸沖刷過程中涉及到壩體的滲流過程和壩體與穿壩涵管的接觸破壞過程，因此基于這兩個(gè)物理過程進(jìn)行分別分析，并基于相似準(zhǔn)則進(jìn)行模型的相似比設(shè)計(jì)。

1、壩體滲流的相似性

原體與模型的長(zhǎng)度比尺為L(zhǎng)_r

原體與模型的寬度比尺為X_r

原體與模型的高度比尺為Z_r

原體與模型的滲流流速比尺為v_r

原體與模型的水頭比尺為h_r

原體與模型的滲透系數(shù)比尺為k_r

根據(jù)達(dá)西定律可得滲透流速的相似比尺條件為

在正態(tài)模型中(即Z_r＝X_r＝L_r＝h_r)時(shí)，則上式變?yōu)?/p>

v_ir＝k_ir

由滲流的連續(xù)性條件可得

由于斷面流速v與孔隙平均流速v′之間存在，可得時(shí)間比尺t_r為

因此，滲流量的比尺為

2、均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸的相似性

為保證均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸面力學(xué)特征的相似性，在壩體滲流相似的基礎(chǔ)上，采用π定理研究接觸面力學(xué)特征的相似性。利用量綱分析法推導(dǎo)模型相似比。根據(jù)影響接觸面力學(xué)性質(zhì)的因素可知影響接觸面力學(xué)狀態(tài)的主要物理量有土體含水率、土體干重度、接觸面的絕對(duì)糙率、接觸面的剪應(yīng)力、接觸面的法向應(yīng)力。

均質(zhì)土壩與穿壩涵管接觸破壞過程中涉及的基本量綱有長(zhǎng)度[L]、時(shí)間[T]和 質(zhì)量[M]，物理量以及量綱匯總?cè)缦卤硭?/p>

表1均質(zhì)土壩與穿壩涵管物理量

根據(jù)π定理，選取接觸面粘聚力、接觸面絕對(duì)糙率為基本變量，即x₁＝l，x₂＝r，他們滿足量綱分析對(duì)基本物理量的要求。接觸沖刷過程中接觸面的物理量總數(shù)n＝6，π數(shù)目為6，令x₃＝ω，x₄＝Δ，x₅＝τ，x₆＝σ_n即可得到6個(gè)無量綱π數(shù)，由此可以得到4個(gè)相似準(zhǔn)側(cè)及相似指標(biāo)，如下所示：

(1)土體含水率π₃＝ω，相似指標(biāo)為C_ω＝1

(2)接觸面絕對(duì)糙率相似指標(biāo)為

(3)接觸面剪應(yīng)力相似指標(biāo)為

(4)接觸面法向應(yīng)力相似指標(biāo)為

由以上可以看出，接觸沖刷過程中接觸面的力學(xué)特性涉及到多個(gè)變量之間的相似指標(biāo)存在一定的關(guān)系，如果能夠確定尺寸比尺、土體滲透系數(shù)比尺、土體干重度比尺，則其他的相似系數(shù)可通過相似指標(biāo)相應(yīng)的確定?？紤]到試驗(yàn)操 作的難易程度和試驗(yàn)時(shí)間，壩體填料土體干重度為1，尺寸比尺為50，滲透系數(shù)比尺為500。

根據(jù)尺寸比尺和滲透系數(shù)比尺可得其他物理量的相似比尺為：

試驗(yàn)方法：

(1)按照設(shè)計(jì)制作接觸沖刷試驗(yàn)裝置

(2)為保證壩體的均勻性，從下往上分5層填筑，根據(jù)干密度計(jì)算每層所需土量。

(3)在壩體填筑過程中，隨填筑高度的提高，根據(jù)檢測(cè)裝置布置圖將滲壓計(jì)、土壓力盒、激光測(cè)距儀等裝置埋設(shè)在壩體相應(yīng)的位置。

(4)壩體填筑后從進(jìn)水口蓄水，慢慢蓄水至試驗(yàn)高度，并監(jiān)測(cè)壩體的浸潤(rùn)線變化，直至壩體浸潤(rùn)線穩(wěn)定。

(5)根據(jù)工況需要移動(dòng)涵管或提升蓄水位，并監(jiān)測(cè)壩體的土壓力、孔隙水壓力壩體位移等變化，并采用高倍攝像機(jī)監(jiān)測(cè)接觸面土體變化。

上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明 保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以內(nèi)。