[发明专利]一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程领域，具体涉及一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法。

背景技术

为了调控自然界的水流，从古至今人类修建了大量的水利水电工程，在这些水利工程中均质土坝因具有造价低廉、施工方便、对自然环境适应性强、结构形式简单等优点而被广泛采用。由于调控蓄水的作用，在均质土坝中修建有大量的穿坝涵管，贯通整个均质土坝的穿坝涵管与坝体的接触问题一直本人为是渗流破坏的薄弱环节，在接触面渗透压力达到一定水平，坝体与穿坝建筑之间就会发生接触冲刷破坏。

由于坝体与穿坝建筑之间的接触冲刷破坏机理与土层之间的接触冲刷破坏相差较大，相比于土层之间接触冲刷破坏所需的水力条件和几何条件，坝体与穿坝涵管之间的接触冲刷破坏不仅需要水力条件和几何条件同时也与接触处土体的力学状态密切相关。由于均质土坝与穿坝涵管的接触冲刷破坏涉及到渗流力学、接触力学和弹塑性力学等多门学科，研究较为复杂，研究也较少。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置及方法，本发明能够模拟由于不同原因导致的均质土坝与穿坝涵管接 触冲刷破坏。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种均质土坝与穿坝涵管接触冲刷模型试验装置，包括模型槽、接触冲刷模拟装置、竖向加载装置和监测装置，其中，所述模型槽内承载模拟坝体，且模型槽设置有供水通道以提供冲刷的液体，所述接触冲刷模拟装置设置于模型槽底端，包括若干节连接的单节穿坝涵管模型构成的穿坝涵管模型，以模拟穿坝涵管与坝体的接触冲刷破坏，所述竖向加载装置，向模型槽内填筑模拟坝体，改变坝体的高度，在模拟坝体的设定位置与穿坝涵管模型内设置监测装置，以检测穿坝涵管模型和模拟坝体的压力，模拟坝体内的流速及变形量。

所述模型槽包括基座、侧壁和底板，所述侧壁和底板构成具有一开口的容纳空间，所述基座承载上述容纳空间，且侧壁上设置有溢流孔，在所述底板上开设进水口和出水口，所述模型槽成为模型试验中的供水设备。

所述底板中间设置有一条状槽，所述条状槽侧壁上安装有横向滑动导轨，以辅助接触冲刷模拟装置的横向移动。

所述接触冲刷模拟装置，包括穿坝涵管模型、横向移动部件、竖向移动部件和漏水装置，所述穿坝涵管模型有多节单节穿坝涵管模型组成，所述横向移动部件与穿坝涵管模型前端连接，所述竖向移动部件与某个单节穿坝涵管模型相连，所述漏水装置安装在两节单节穿坝涵管模型之间，所述穿坝涵管模型卡合在模型槽底部。

优选的，所述横向移动部件包括横向反力桩、横向移动千斤顶和横向移动板，横向移动板和位于最前端的单节穿坝涵管模型刚性连接，横向移动千斤顶分别与横向移动板和横向反力桩刚性连接。

优选的，所述单节穿坝涵管模型包括盒体和设置于盒体的连接扣，所述连接扣与竖向移动部件的连接端相适配。

优选的，所述竖向移动部件包括第二横向滑动导轨与竖向移动千斤顶，所述竖向移动千斤顶一端与单节穿坝涵管模型中的连接扣连接，另一端与第二横向滑动导轨刚性连接，所述第二横向滑动导轨活动连接在底板条状槽内的横向滑动导轨中。

优选的，所述漏水装置包括进水管道和喷头，所述喷头设置于两节相邻的单节穿坝涵管模型之间，所述进水管道连接喷头，并延展至单节穿坝涵管模型外侧。

优选的，所述竖向加载装置包括反力架、移动导轨、竖向加载千斤顶和竖向加载板，所述反力架设置于模型槽上端，所述移动导轨设置于反力架上，所述移动导轨上设置竖向加载千斤顶，通过竖向加载板向模型槽方向施加压力。

所述模拟坝体，由坝体填料堆积而成。

所述监测装置包括安装在穿坝涵管和坝体内的土压力盒和渗压计、坝体内的光栅流速测速仪以及监测坝体变形的激光测距仪。

基于上述装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)搭建接触冲刷试验装置；

(2)从下往上分多层填筑坝体，根据干密度计算每层所需土量；

(3)在坝体填筑过程中，随填筑高度的提高，根据检测装置布置图将渗压计、土压力盒、激光测距仪埋设在坝体相应的位置；

(4)坝体填筑后从进水口蓄水，慢慢蓄水至试验高度，并监测坝体的浸润线变化，直至坝体浸润线稳定；

(5)根据工况需要移动涵管或提升蓄水位，并监测坝体的土压力、孔隙水压力坝体位移的变化，并采用摄像机监测接触面土体变化。

所述步骤(1)中，根据现场实体和室内模型的大小以及受力情况对比，确定出相似比，并根据相似比确定出模型的各部件的尺寸。