本發(fā)明屬于水利工程物理模型試驗領域，尤其涉及一種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、堤防工程是防洪抗災的關鍵基礎設施之一，其安全性直接關系到沿河保護區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全，然而在堤防的長時間運行過程中，往往會因滲透水流的長期作用而面臨失穩(wěn)風險，尤其是管涌現(xiàn)象，其破壞性往往是突然且嚴重的。

2、管涌是最具破壞性的滲透失效形式之一，是由堤防內(nèi)外水位差造成的滲透壓力引起，當滲透壓力超過土體的抗剪強度時，水流開始侵蝕堤防內(nèi)的細顆粒土壤，逐步形成滲透通道或地下空洞，這種現(xiàn)象在砂質(zhì)土壤或其他滲透性較強的土質(zhì)中尤為常見，一旦形成，便可能迅速擴大，土體強度和穩(wěn)定性降低，導致土體大量流失，最終引發(fā)堤防的整體失穩(wěn)甚至潰決。

3、近年來，隨著氣候變化導致極端天氣事件頻發(fā)，洪水規(guī)模和頻率有所增加，使得管涌問題變得愈發(fā)嚴重。尤其在洪水高發(fā)地區(qū)，堤防長期處于高水位作用下，滲流滲透現(xiàn)象頻繁發(fā)生，導致堤防的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性受到嚴重威脅。為了深入理解管涌的形成機制及其對堤防安全的影響，進行精細化的管涌試驗研究變得至關重要?，F(xiàn)有技術(shù)中，針對管涌破壞的研究多采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場試驗相結(jié)合的方法。然而，數(shù)值模擬受限于模型的假設條件，無法充分反映復雜水頭下實際工程中的管涌破壞過程；而現(xiàn)場試驗則受制于成本高、周期長和操作復雜等限制，難以廣泛應用于日常研究和設計中。另外現(xiàn)有的研究多采用簡化條件下的試驗裝置以間接檢測的方式了解管涌的破壞過程，難以模擬復雜水頭作用下的真實情況。

4、因此，亟需一種能夠模擬復雜水頭下管涌破壞過程的物理模型試驗裝置和方法，以彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，對堤防工程的設計和維護具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置及方法。

2、這種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置，包括儲水室、試樣填筑室、溢流室和自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)，儲水室和溢流室分別設于試樣填筑室兩側(cè)；

3、儲水室和填筑室之間設有凹型不透水板，自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括水位調(diào)節(jié)板和潛水泵，水位調(diào)節(jié)板在凹型不透水板一側(cè)上下移動，調(diào)節(jié)凹型不透水板凹陷最低處的高度；

4、潛水泵設于儲水室底部，潛水泵出水口設于試樣填筑室上游上方，試樣填筑室上游的上方設有超聲波水位傳感器。

5、作為優(yōu)選，試樣填筑室內(nèi)的試樣中分層設有孔隙水壓力傳感器和土壓力盒。

6、作為優(yōu)選，儲水室和溢流室之間通過回水管連接，溢流室頂部設有過濾盒，過濾盒頂部和試樣填筑室內(nèi)試樣的頂部齊平。

7、作為優(yōu)選，水位調(diào)節(jié)板設于凹型不透水板朝向儲水室的一側(cè)，水位調(diào)節(jié)板兩側(cè)對稱連接有傳動機構(gòu)，兩個傳動機構(gòu)分別安裝在凹型不透水板凹陷部位的兩側(cè)。

8、這種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置的使用方法，包括以下步驟：

9、步驟一、在試樣填筑室中分層填筑試樣并布設孔隙水壓力傳感器和土壓力盒，在試樣填筑室下游土體內(nèi)預留滲漏通道；

10、步驟二、通過自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)給對試樣填筑室加水，直至試樣飽和；

11、步驟三、自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過水位調(diào)節(jié)板和潛水泵進行水位變化的模擬，孔隙水壓力傳感器和土壓力盒實時記錄孔隙水壓力和土體應力數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生管涌破壞；

12、步驟四、重復以上各步驟，通過改變滲漏通道的位置和大小，進行多組模型試驗。

13、作為優(yōu)選，步驟三中，自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過水位調(diào)節(jié)板的移動模擬水頭的周期性變化，同時通過潛水泵向試樣填筑室排水，實現(xiàn)水位變化的精確補償。

14、本發(fā)明的有益效果是：

15、1)本發(fā)明通過智能水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位調(diào)節(jié)板和潛水泵，水位調(diào)節(jié)板為水位提供周期性變化，潛水泵對水位進行進一步精確調(diào)整，能夠模擬和研究實際工程中各種復雜水位工況下的堤防工程的滲流場，準確直觀再現(xiàn)堤防工程的管涌破壞情況，大大降低現(xiàn)有研究采用簡化條件下管涌裝置誤差大、精度低等缺陷，解決現(xiàn)有技術(shù)中水頭控制不精確、動態(tài)水頭變化模擬能力不足的技術(shù)問題，更真實地模擬不同水頭條件下的管涌破壞過程，探索其形成與發(fā)展的機理。

16、2)本發(fā)明通過改變預留滲漏通道的設置模擬不同的滲流條件，該預留通道距離堤腳的位置可以調(diào)整，以研究滲漏通道位置對滲透破壞的影響；該預留通道的直徑可以調(diào)整，以研究滲漏通道大小對滲透破壞的影響，也能夠通過改變地基試樣分布類型，可模擬不同類型堤防工程實際的管涌滲透破壞現(xiàn)象，適用范圍較廣。

技術(shù)特征：

1.一種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置，其特征在于，包括儲水室、試樣填筑室、溢流室和自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)，儲水室和溢流室分別設于試樣填筑室兩側(cè)；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置，其特征在于，試樣填筑室內(nèi)的試樣中分層設有孔隙水壓力傳感器和土壓力盒。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置，其特征在于，儲水室和溢流室之間通過回水管連接，溢流室頂部設有過濾盒，過濾盒頂部和試樣填筑室內(nèi)試樣的頂部齊平。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置，其特征在于，水位調(diào)節(jié)板設于凹型不透水板朝向儲水室的一側(cè)，水位調(diào)節(jié)板兩側(cè)對稱連接有傳動機構(gòu)，兩個傳動機構(gòu)分別安裝在凹型不透水板凹陷部位的兩側(cè)。

5.如權(quán)利要求1至4中任一所述的堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置的使用方法，其特征在于，包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置的使用方法，其特征在于，步驟三中，自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過水位調(diào)節(jié)板的移動模擬水頭的周期性變化，同時通過潛水泵向試樣填筑室排水，實現(xiàn)水位變化的精確補償。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種堤防工程管涌破壞過程的物理模型試驗裝置及方法，包括以下步驟：在試樣填筑室中分層填筑試樣并布設孔隙水壓力傳感器和土壓力盒，在試樣填筑室下游土體內(nèi)預留滲漏通道；自循環(huán)智能水頭調(diào)節(jié)系統(tǒng)通過水位調(diào)節(jié)板和潛水泵進行水位變化的模擬，孔隙水壓力傳感器和土壓力盒實時記錄孔隙水壓力和土體應力數(shù)據(jù)，直至試樣發(fā)生管涌破壞。本發(fā)明的有益效果是：通過智能水位調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制水位調(diào)節(jié)板和潛水泵，水位調(diào)節(jié)板為水位提供周期性變化，潛水泵對水位進行進一步精確調(diào)整，能夠模擬和研究實際工程中各種復雜水位工況下的堤防工程的滲流場，更真實地模擬不同水頭條件下的管涌破壞過程，探索其形成與發(fā)展的機理。

技術(shù)研發(fā)人員：張遠雄,劉康,何康康,侯碩磊
受保護的技術(shù)使用者：合肥工業(yè)大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/2