CN103245391B - 一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种坝体浸润线监测模型试验装置，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝***移监测机构。同时本发明还公开了利用该装置的试验方法。本发明可应用于多种构造形式及填筑类型的坝体浸润线的多工况室内模拟试验、研究，其通过室内砂槽模型试验，观测浸润线在不同工况下的变化情况，研究浸润线滞后的主要影响因素及相关变化规律，为进一步的理论研究提供数据和参考。

Description

一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法。

背景技术

土石坝中的心墙是坝体的防渗部分，在坝体的运行中主要起防渗作用，而大坝的稳定主要依靠上下游的坝壳来维持。因此，心墙的土料一般粘粒含量较大，平均粒径较小，渗透系数较低。由于坝壳料与心墙料的渗透系数相差过大，一般认为心墙上游侧的入渗水头就是库水位，即心墙的挡水位就是坝前的库水位。

一般认为，库水位升降对坝体渗流场会引起变化。由于砂砾石坝壳渗透系数大，坝壳的浸润线随库水位的变化升降速度快且比较平缓；粘土心墙渗透系数小，心墙浸润线变化陡且慢，对水位升降响应迟缓得多。也就是说，渗透系数大对水位升降敏感、响应快，否则不敏感且影响慢。但经过一段时间后，浸润线的变化几乎都是一致的，相差不大。

但根据部分工程监测资料发现浸润线随坝前水位升降滞后变化现象，且明显高于理论值，出现“倒虹吸”现象，而且这种现象在库水位稳定很长时间后并没有消失。在实际工程中，水库运行期会出现人防或坝体维修等紧急情况，需要快速放空库水。在水库放水过程中，坝体内产生不稳定渗流，常造成土石坝坝体滑坡事故。因此在实际工程中必须防止因库水位下降速度太快而导致这类事故的发生。为进行上游坝坡的稳定分析，需要确定库水位下降过程中各时段坝体浸润线的位置。同时坝体在蓄水的过程中也存在倒虹吸，也存在浸润线滞后现象。但目前还没有对上述现象监测的装置。

由于理论分析和数值计算受参数选定、模型选取、本构关系等因素的影响极大，分析结果的合理性和代表性较难确定。现场试验工作受环境因素、人为因素等方面影响较大，难以对研究内容进行多工况试验分析。模型试验可使工程中发生的现象在实验室中再现出来，而且还可以对试验中的主要因素进行独立控制，故在分析倒虹吸现象的过程中，采用了室内砂槽模型试验进行研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种坝体浸润线监测模型试验装置及其试验方法，其通过坝体浸润线室内砂槽模型试验，观测浸润线在不同工况下的变化情况，研究浸润线滞后的主要影响因素及相关变化规律。模型采用均质土坝，通过变换模型坝体填筑密度，控制坝体渗透系数；观测在坝前水位变化情况下，坝体浸润线的变化情况，研究坝体渗透系数变化对坝体浸润线滞后的影响及其规律。同时可以监测蓄水和放水对坝***移的影响。该装置可应用于多种构造形式及填筑类型的坝体浸润线的多工况室内模拟试验、研究。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种坝体浸润线监测模型试验装置，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝***移监测机构。

所述模型槽为上部开口的长方体结构，其前后侧面采用钢化玻璃板制作，其他面采用钢板作为受力构件；钢板之间通过焊接连成一整体。

所述模型槽内表面上涂有一道防锈漆和一层水泥浆，用来防止钢板锈蚀、相对滑移和缝隙漏水；模型槽体内侧预先埋设橡皮条，防止坝体与模型槽接触面产生绕渗现象。

所述模型槽周体上设有若干加固钢条，钢条与模型槽通过螺栓锚固。

所述模型体的截面为梯形坝体，所述坝体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡，坝体的坝坡面坡率为1:1.4。

所述迎水侧排水机构和背水侧排水机构分别对应包括迎水侧排水管和背水侧排水管，迎水侧排水管和背水侧排水管的一端均伸入到模型槽内，迎水侧排水管和背水侧排水管上分别对应设置有迎水侧排水阀门、迎水侧排水流量计、背水侧排水阀门和背水侧排水流量计。

所述水位监测机构包括监测管，监测管包括塑料监测管和竖形带刻度玻璃管；所述塑料监测管一端与模型槽内连通，另一端通过金属弯管与竖形带刻度玻璃管相连，整体形成U型管。

所述进水机构包括进水管，所述进水管一端与模型槽内连通，另一端与调压水泵相连，进水管上设有进水阀门和进水流量计。

所述测压机构包括设置于模型槽前侧上的若干测压管预留孔；每个测压管预留孔中均设有一根测压管，测压管包括金属直管及带刻度的有机玻璃管，金属直管和有机玻璃管之间用金属弯管连接；测压管进水段采用其上打孔的金属直管铺设于坝体下部；同时为保证管段进水孔不被堵塞，金属直管周围采用细石子环绕。

所述坝***移监测机构包括分别布置于坝体前后坝坡的一个高精度光栅尺。

一种利用坝体浸润线监测模型试验装置的试验方法，步骤如下：

一、模型制作

（1）准备工作

根据设计，制作模型槽，布设进、排水管、监测管及其附属部件；

测得原土料的含水量，向土料里均匀加入通过计算得到的水量，使筑坝的粘土的含水量在最优含水率，制备完后养护24h；

控制干密度方法：按照设计好的干密度换算筑坝所需土料的重量；

m_土＝ρ_干（1+ω）V_设

式中m_土、ρ_干、ω及V_设分别表示——所需土料质量、干密度、含水率、坝体设计体积；

将计算的所需土料压实成相应体积，即可得到所需干密度的坝体；

（2）铺底，安放测压管

首先用土料填筑模型底部，根据要求压实，在相应的模型槽预留的测压管预留孔处反开挖土体，安放测压管，进水管段采用直径10mm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕，并填土压实使其固定；固定测压管后，继续填筑模型坝体，压实时需注意测压管，以防损坏；

（3）坝体填筑

模型坝体尺寸根据模型比尺调整，本设计模型比尺采用λ_L＝λ_H＝40；

λ_L和λ_H分别代表长度比尺和高度比尺；

坝体按以下步骤填筑：

①沿模型高度方向水平分层，土料每层铺筑10cm，由低向高分层填筑，控制每层压实均匀且密实，直至填筑结束；②及时清除土料中杂质，并根据土料实际情况调整土的选择和土量；③人工填筑夯实，夯实方法采用人工冲击板；在夯实过程中，注意边角处土层的密实程度，即注意土与槽壁玻璃板和底层钢板相接触的处理；④分层夯实后，对上表面划毛处理，以免土层之间接触不良；⑤模型填筑完毕后，对模型削坡处理；

（4）模型坝壳填筑

在粘土坝体上先铺置土工布防护，再填筑模型坝壳；坝体外壳料选取沙砾石，在实验过程中主要起到保护心墙的作用；

（5）光栅尺安装

前后坝坡各布置一个高精度光栅尺；安装时注意光栅尺的固定；

二、试验步骤

（1）首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数；打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流注入坝体迎水侧，蓄水到最大蓄水高度，关闭进水阀门；稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定；

（2）模拟水库放水，坝前水位下降的情况；当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以一定的速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位；在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化；根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍；在坝前水位下降过程中，采用1次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数；等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数；

（3）放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定；

（4）当测压管水位在4小时内不再变化，认为坝体浸润线稳定；量测各个时刻埋入坝体中各个测压管相应的水位值，绘制某一时刻坝内等水头线，得到坝内浸润线随时间的变化曲线并观察水位变化速度对浸润线产生的不同影响；对比光栅尺读数变化，绘制不同时段坝体的位移变化，得到一定的蓄水速率和排水速率对坝***移产生的不同影响。

本发明的模型材料及尺寸

依据相似性力学原理及原型条件设计、制造模型和进行模型试验。为了研究的地下水渗流现象提出的模拟方法，基于相同的数学方程用其它介质所产生的类似物理现象来模拟。

砂槽模型相似条件

相似条件一：

地下水渗流问题的研究，最直观的方法是砂槽模型试验。为使模型中的水流运动完全复演天然状态的水流，模型比尺必须基于一定的相似准则。

$\frac{L}{L_m}=L_r;$      $\frac{v}{v_m}=v_r;$      $\frac{h}{h_m}=h_r;$      $\frac{k}{k_m}=k_r;$    $\frac{\mathrm{\μ}}{{\mathrm{\μ}}_m}={\mathrm{\μ}}_r$

式中无下标者表示原型；下标m表示模型。

当取正态模型（L_r＝k_r＝h_r）时，

ν_r＝k_r且 $t_r=\frac{L_r{\mathrm{\μ}}_r}{k_r}$

式中L、k、h、t及μ分别表示—长度、渗透系数、水头、时间及空隙率。

则对于均质粘土坝模型，k_xr＝k_yr＝k_zr  ν_xr＝ν_yr＝ν_zr。

当考虑基于库水位降落所引起坝体内的非稳定渗流，其初始状态势必是既定上下游水位时的稳定渗流场，因此可按稳定渗流的模型比尺进行砂槽实验。随后，库水位根据实际降落曲线下降，测定某一时刻坝体内孔隙水压力分布，即瞬时稳定流场。其时间比尺和稳定渗流相同。

相似条件二：

砂槽模型试验主要是研究在渗透力作用下砂层的渗透变形发展过程，因此模型材料一般取原型天然材料，这样可以使模型与原型的水力比降和材料的抗渗强度完全相等，以便最大限度地反映原型情况。

取模型的长度比尺其中λ的下标表示物理量，下标N代表原型量，下标M代表模型量。

若渗流符合达西定律V＝kJ，则有压渗流的正态模型比尺关系为：

几何比尺λ_L＝λ_H(水平与垂直长度比尺相等)

流速比尺 ${\mathrm{\λ}}_V=\frac{V_N}{V_M}={\mathrm{\λ}}_k=\frac{k_N}{k_M}=1$

流量比尺 ${\mathrm{\λ}}_Q=\frac{Q_N}{Q_M}={{\mathrm{\λ}}_L}^2{\mathrm{\λ}}_k={{\mathrm{\λ}}_L}^2$

时间比尺 ${\mathrm{\λ}}_t=\frac{t_N}{t_M}=\frac{{\mathrm{\λ}}_L}{{\mathrm{\λ}}_k}={\mathrm{\λ}}_L.$

本发明的有益效果：

1.能够随时调整模型尺寸、水位变化、进水速率及排水速率等参数，适用于不同工况条件下锚拉式挡墙应力及位移测试。

2.可以监测蓄水和放水对坝***移的影响。

3.通过改变填料的类型，能够模拟不同填料下锚拉式悬臂挡墙应力分布、位移变化、锚杆拉力变化规律。

4.设计合理，易于加工，可以重复进行试验。

5.提供了坝体浸润线监测模型试验方法。

附图说明

图1是本发明模型体结构示意图；

图2是模型实验装置结构示意图；

其中1.模型槽，2.模型体，3.监测管，4.进水管，5.进水阀门，6.调压水泵，7.测压管，8.护坡，9.迎水侧排水管，10.迎水侧排水阀门，11.背水侧排水管，12.背水侧排水阀门，13.迎水侧排水流量计，14.进水流量计，15.背水侧排水流量计，16.高精度光栅尺，17.迎水侧。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1、图2所示，坝体浸润线监测模型试验装置，包括模型槽、模型体、进水***、排水***、水位监测***、测压***、坝***移监测***。

模型槽1一端设有排水管9，另一端设有监测管3和排水管11，模型槽1底部设有进水管4；模型槽1前侧上设有若干测压管预留孔；模型体2放置于模型槽1内，截面为梯形坝体，模型体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡8。

模型槽1为上部开口的长方体结构，采用钢板作为模型槽主要受力构件。钢板之间通过焊接连成一整体。同时为了便于观察试验现象，模型槽的两侧采用钢化玻璃板制作。

模型槽1内表面上涂有一道防锈漆和一层水泥浆，用来防止钢板锈蚀、相对滑移和缝隙漏水。模型槽体内侧预先埋设橡皮条，防止坝体与模型槽接触面产生绕渗现象。

模型槽1周体上设有若干加固钢条，钢条与模型槽通过螺栓锚固。

模型体2的截面为梯形坝体，所述坝体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡8，大坝坡面坡率采用1:1.4。

进水***包括进水阀门5、进水管4和调压水泵6、进水流量计14，所述的进水管4一向与模型槽1相连，另一向与调压水泵6相连，进水管4上设有进水阀门5和进水流量计14。

排水***包括迎水侧排水管9、迎水侧排水阀门10、迎水侧排水流量计13、背水侧排水管11、背水侧排水阀门12、背水侧排水流量计15，所述的迎水侧排水管9与模型槽1连接，迎水侧排水管9上设有迎水侧排水阀门10和迎水侧排水流量计13；所述的背水侧排水管11与模型槽1连接，背水侧排水管11上设有背水侧排水阀门12和背水侧排水流量计15。

水位监测***包括监测管3。监测管由塑料监测管和竖形带刻度玻璃管，所述的塑料监测管一向与模型槽1相连，另一向用金属弯管与竖形带刻度玻璃管相连，形成U型管用以监测水位。

测压***由若干测压管7组成。若干测压管预留孔布置在玻璃板一侧，便于观测水位的变化。每个预留孔中均设有一根测压管7，测压管7采用金属管及带刻度的有机玻璃管制作而成，金属管和玻璃管之间用金属弯管连接。测压管进水段采用直径10mm打孔金属管，铺设于坝体下部。同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕。

坝***移监测***包括高精度光栅尺16。前后坝坡各布置一个高精度光栅尺16。

下面是本发明的模型制作和具体的三个具体试验方法：

一、模型制作

（1）准备工作

根据设计，制作模型槽，模型槽采用10mm厚钢板作为受力构件，同时为了便于观察试验现象，试验槽的两侧采用钢化玻璃板制作。模型槽长4m，宽1m，高1m，具体尺寸根据试验模型调整。为便于观测水位的变化，测压管布置在玻璃板一侧。

模型槽的一侧采用钢化玻璃制作，钢化玻璃强度大，透明度高。这样有利于保证模型填筑时的安全和试验过程中的观测。

模型槽内表面由于和模型体围堤接触，为防止钢板锈蚀、相对滑移和缝隙漏水等情况，其内表面涂防锈漆一道，并涂一层水泥浆，以增强土体和箱体之间的接触。

为了防止坝体与模型槽接触面产生绕渗现象，在槽体内侧预先埋设橡皮条。

安装水箱，布设水管和水槽等附属设施。

测得原土料的含水量，向土料里均匀加入通过计算得到的水量，使筑坝的粘土的含水量在最优含水率附近，制备完后养护24h。

控制干密度方法：按照设计好的干密度换算筑坝所需土料的重量。

m_土＝ρ_干（1+ω）V_设

式中m_土、ρ_干、ω及V_设分别表示——所需土料质量、干密度、含水率、坝体设计体积；

将计算的所需土料压实成相应体积，即可得到所需干密度的坝体。

模型体采用均质粘性土土坝，本设计模型比尺采用λ_L＝λ_H＝40。模型体坝高取1.0m，坝顶宽0.2m，坝底宽2.8m；沿坝轴线长度1m。为了保护坝坡稳定，在坝体上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡，大坝坡面坡率采用1:1.4，坝顶总宽度为0.2m，坝底总宽度为3m。模型坡面如图1所示。模型尺寸及填筑材料，可根据实际工程及所采用模型比尺适当调整。

（2）铺底，安放测压管

首先用土料填筑模型底部，根据要求压实，本次试验采用94%压实度，可根据实际工程进行调整。压实应注意问题：①分十层填筑坝体，尽可能控制每层压实均匀且密实；②注意土与槽壁玻璃板和底层铁板相接触的处理；③填筑时，各土层之间要进行刮毛处理，防止土层之间接触不良。填土达到一定高程后在相应的模型槽预留的测压管预留孔处反开挖土体，根据模型尺寸和观测要求布置测压管。坝体中线及两侧坝肩处各布置一根测压管，前后坝坡各布置三根测压管，前后砂砾石护坡各布置一根测压管。其他剖面，根据具体情况可以调整测压管布置方案。

测压管主要采用带刻度的有机玻璃管及金属管制作，并用金属弯管连接，进水管段采用直径10mm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕。进水管段采用直径10mm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕，并填土压实使其固定。固定测压管后，继续填筑模型坝体，压实时需注意测压管，以防损坏。

（3）坝体填筑

模型坝体尺寸根据模型比尺调整，本设计模型比尺采用λ_L＝λ_H＝40；

λ_L和λ_H分别代表长度比尺和高度比尺；

模型坝体按以下步骤进行填筑：

①沿模型高度方向进行水平分层，土料每层铺筑10cm，由低向高分层填筑，尽可能控制每层压实均匀且密实，直至填筑结束；②及时清除土料中杂质，并根据土料实际情况调整土的选择和土量；③人工填筑夯实，夯实方法采用人工冲击板。在夯实过程中，注意边角处土层的密实程度（即注意土与槽壁玻璃板和底层铁板相接触的处理）；④分层夯实后，对上表面进行划毛处理，以免土层之间接触不良；⑤模型填筑完毕后，对模型进行削坡等处理。

（4）模型坝壳填筑

在粘土坝体上先铺置土工布防护，再填筑模型坝壳。坝体外壳料选取沙砾石，在实验过程中主要起到保护心墙的作用。

（5）光栅尺安装

前后坝坡各布置一个高精度光栅尺。安装时注意光栅尺的固定。

二、试验方法，本发明中列举三个具体的试验方法。

实施例1：坝体采用粘土材料填筑，进水速度为5cm/min、10cm/min、15cm/min。

（1）首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数。打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流以5cm/min的速率注入坝体迎水侧17。

（2）在蓄水的同时，观测记录各测压管的水位的变化和光栅尺读数。根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍。在坝前水位下降过程中，采用2次/1分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数。蓄水到最大蓄水高度0.8m后，关闭进水阀门。稳定一段时间使坝体充分饱和，在稳定期间仍继续读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定。

（3）模拟水库放水，坝前水位下降的情况。当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以0.25cm/min的放水速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，尽量保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位。在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化。根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍。在坝前水位下降过程中，采用1次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数。等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数。

（4）放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定。

（5）排水后用相同材料重新制作模型体，更换蓄水速率为10cm/min和15cm/min。重复步骤（1）、（2）、（3）。

通过此试验装置测试不同蓄水速率对坝体浸润线滞后现象的影响和不同蓄水速率对坝***移的影响。

实施例2：坝体采用粘土材料填筑，进水速度5cm/min，排水速度为0.25cm/min、0.45cm/min、0.65cm/min。

（1）首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数。打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流以5cm/min的速率注入坝体迎水侧17，蓄水到最大蓄水高度0.8m，关闭进水阀门。稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定。

（2）模拟水库放水，坝前水位下降的情况。当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以0.25cm/min的放水速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧17排水流量计读数，尽量保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位。在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化。根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍。在坝前水位下降过程中，采用1次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数。等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数。

（3）放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定。

（4）排水后用相同材料重新制作模型体，更换放水速率为0.45cm/min和0.65cm/min。重复步骤（1）、（2）、（3）。

通过此试验装置测试不同放水速率对坝体浸润线滞后现象的影响和不同放水速率对坝***移的影响。

实施例3：坝体采用粘土材料和粉土材料填筑，进水速度5cm/min，排水速度为0.25cm/min、0.45cm/min、0.65cm/min。

（1）用粘土材料填筑坝体，关闭排水阀门，读取光栅尺读数。打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流以5cm/min的速率注入坝体迎水侧17，蓄水到最大蓄水高度0.8m，关闭进水阀门。稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定。

（2）模拟水库放水，坝前水位下降的情况。当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以0.25cm/min的放水速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，尽量保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位。在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化。根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍。在坝前水位下降过程中，采用1次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数。等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数。

（3）放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定。

（4）排水后用相同粉土材料重新制作模型体，重复步骤（1）、（2）、（3）。

通过此试验装置测试不同坝体填筑材料对坝体浸润线滞后现象的影响和坝***移的影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.一种坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，包括模型槽，模型槽一端设有连通至模型槽内的迎水侧排水机构，相对另一端设有连通至模型槽内的水位监测机构和背水侧排水机构，模型槽底部设有与其内部连通的进水机构；模型槽前侧设有与其内部连通的测压机构；模型槽内设有模型体，模型体上设有坝***移监测机构；

所述模型槽为上部开口的长方体结构，其前后侧面采用钢化玻璃板制作，其他面采用钢板作为受力构件；钢板之间通过焊接连成一整体；

所述坝***移监测机构包括分别布置于坝体前后坝坡的一个高精度光栅尺。

2.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述模型槽内表面上涂有一道防锈漆和一层水泥浆；模型槽体内侧埋设有橡皮条；所述模型槽周体上设有若干加固钢条，钢条与模型槽通过螺栓锚固。

3.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述模型体的截面为梯形坝体，所述坝体的上下游坝面采用土工布及砂卵石护坡，坝体的坝坡面坡率为1:1.4。

4.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述迎水侧排水机构和背水侧排水机构分别对应包括迎水侧排水管和背水侧排水管，迎水侧排水管和背水侧排水管的一端均伸入到模型槽内，迎水侧排水管和背水侧排水管上分别对应设置有迎水侧排水阀门、迎水侧排水流量计、背水侧排水阀门和背水侧排水流量计。

5.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述水位监测机构包括监测管，监测管包括塑料监测管和竖形带刻度玻璃管；所述塑料监测管一端与模型槽内连通，另一端通过金属弯管与竖形带刻度玻璃管相连，整体形成U型管。

6.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述进水机构包括进水管，所述进水管一端与模型槽内连通，另一端与调压水泵相连，进水管上设有进水阀门和进水流量计。

7.如权利要求1所述的坝体浸润线监测模型试验装置，其特征是，所述测压机构包括设置于模型槽前侧上的若干测压管预留孔；每个测压管预留孔中均设有一根测压管，测压管包括金属直管及带刻度的有机玻璃管，金属直管和有机玻璃管之间用金属弯管连接；测压管进水段采用其上打孔的金属直管铺设于坝体下部；金属直管周围采用细石子环绕。

8.一种利用权利要求1所述坝体浸润线监测模型试验装置的试验方法，其特征是，步骤如下：

一、模型制作

(1)准备工作

根据设计，制作模型槽，布设进、排水管、监测管及其附属部件；

测得原土料的含水量，向土料里均匀加入通过计算得到的水量，使筑坝的粘土的含水量在最优含水率，制备完后养护24h；

控制干密度方法：按照设计好的干密度换算筑坝所需土料的重量；

m_土＝ρ_干(1+ω)V_设

式中、m_土、ρ_干、ω及V_设分别表示——所需土料质量、干密度、含水率、坝体设计体积；

将计算的所需土料压实成相应体积，即可得到所需干密度的坝体；

(2)铺底，安放测压管

首先用土料填筑模型底部，根据要求压实，在相应的模型槽预留的测压管预留孔处反开挖土体，安放测压管，进水管段采用直径10mm打孔金属管，同时为保证管段进水孔不被堵塞，管段采用细石子环绕，并填土压实使其固定；固定测压管后，继续填筑模型坝体，压实时需注意测压管，以防损坏；

(3)坝体填筑

模型坝体尺寸根据模型比尺调整，本模型比尺采用λ_L＝λ_H＝40；λ_L和λ_H分别代表长度比尺和高度比尺；

坝体按以下步骤填筑：

①沿模型高度方向水平分层，土料每层铺筑10cm，由低向高分层填筑，控制每层压实均匀且密实，直至填筑结束；②及时清除土料中杂质，并根据土料实际情况调整土的选择和土量；③人工填筑夯实，夯实方法采用人工冲击板；在夯实过程中，注意边角处土层的密实程度，即注意土与槽壁玻璃板和底层钢板相接触的处理；④分层夯实后，对上表面划毛处理，以免土层之间接触不良；⑤模型填筑完毕后，对模型削坡处理；

(4)模型坝壳填筑

在粘土坝体上先铺置土工布防护，再填筑模型坝壳；坝体外壳料选取沙砾石，在实验过程中主要起到保护心墙的作用；

(5)光栅尺安装

前后坝坡各布置一个高精度光栅尺；安装时注意光栅尺的固定；

二、试验步骤

(1)首先关闭排水阀门，读取光栅尺读数；打开进水阀门，控制进水阀门开启大小，观测进水流量计读数，使水流注入坝体迎水侧，蓄水到最大蓄水高度，关闭进水阀门；稳定一段时间使坝体充分饱和，读取光栅尺读数，观测各测压管水位，直到稳定；

(2)模拟水库放水，坝前水位下降的情况；当模型边坡达到饱和并且处于稳定状态后，开启迎水侧排水阀门进行放水，使坝前水位以一定的速度下降，通过控制迎水侧排水阀门的大小，观测迎水侧排水流量计读数，保持水位下降的速度均匀，直至降到最低水位；在放水的同时，观测记录各测压管的水位的变化；根据模型比尺，则模型试验观测的时间是相应的实际时间的1/40倍；在坝前水位下降过程中，采用1次/5分钟观测一次测压管的水位变化和光栅尺读数；等竖形玻璃管内水位稳定后，可以根据测压管水位变化情况减少观测次数，逐渐减少观测次数；

(3)放水结束后，关闭迎水侧排水阀门，继续测压管水位的观测和光栅尺读数观测，直至稳定；

(4)当测压管水位在4小时内不再变化，认为坝体浸润线稳定；量测各个时刻埋入坝体中各个测压管相应的水位值，绘制某一时刻坝内等水头线，得到坝内浸润线随时间的变化曲线并观察水位变化速度对浸润线产生的不同影响；对比光栅尺读数变化，绘制不同时段坝体的位移变化，得到一定的蓄水速率和排水速率对坝***移产生的不同影响。