CN106368165B - 含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置及其构建方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置及其构建方法，该装置包括模型槽以及设置在其内的堤坝模型，堤坝模型的上部设有拱形的模拟蚁道；堤坝模型靠近下游坝坡处的模拟蚁道附近设有一个球形区域，模型槽的上部设有人工降雨器；堤坝模型内模拟蚁道附近埋设有多组监测传感器。该装置的构建方法为：首先将粘土制成土样，在堤坝模型上部埋设拱形的细管，填筑土样至高出细管后夯实，然后挖除细管周边土样为球形，重新回填挖除的土样使球形区域的粘土层越靠近该细管越疏松，填筑完成后抽取预埋细管生成模拟蚁道，在模拟蚁道的沿程设置多组监测传感器。本发明可用于研究均质堤坝上部缺陷优势流效应及其诱发渗透破坏致灾机理。

Description

含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置及其构建方法

技术领域

本发明涉及一种含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置及其构建方法，属于水库堤坝防护技术领域。

背景技术

据统计，我国溃决大坝中80.53%是均质土坝，且坝高<30m的占88%，而其中，工程质量问题、老化失修和生物侵害隐患缺陷等导致土石坝溃决又占40%。如青海沟后水库大坝因库水浸入堤坝上部上下游贯通的极强透水层，引起渗透破坏发生溃决；四川大路沟水库均质土坝亦因库水骤涨距坝顶1/3坝高处因白蚁洞穴引发堤坝渗透破坏发生溃决。上部隐患缺陷的危害在于其日常巡查和仪器监测均不易察觉，但其存在却为高库水位下的库水入渗开辟了通道，易引起集中渗透破坏，诱发滑坡甚至溃坝。

古人曰“蚁之为害，隐患难察”、“千里之堤，溃于蚁穴”。1998年长江中下游特大洪水，仅湖北省内就引发河堤管涌、散浸等险情6181处，经查证，80%的险情隐患是白蚁蚁道造成的。蚁道为拱型，口径可达10cm左右，底宽可达8cm左右，河水从堤防迎水坡蚁道灌进，顺蚁道从背水坡出逸，形成散浸、管涌、滑坡等险情，甚至酿成决堤事故。

模型试验研究具有环境、边界条件多样，操作简便，可重复性高等优点，已成为水库大坝、河道堤防的失事机理研究的重要手段。通常来说，隐患缺陷诱发的集中渗流，表现出不平衡优势流效应，进而引起堤坝渗流场发生显著的时空变化；然而，传统试验和研究或为符合Dacy渗流定律的稳定渗流，或为非平衡渗流的定性试验，难以反映含缺陷堤坝的实际渗流性态及其演化、灾变过程。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种用于研究均质堤坝上部缺陷优势流效应及其诱发渗透破坏致灾机理的含上部缺陷堤坝渗透破坏试验装置及其构建方法，从而可以揭示含上部缺陷下均质堤坝的优势流效应、渗流场时空演变规律与渗透破坏机理。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，包括透明有机玻璃制成的模型槽以及设置在所述模型槽内并采用粘土层制成的堤坝模型，所述堤坝模型与待模拟的堤坝按比例缩小；所述堤坝模型包括依次相连的库盘、上游坝坡、坝顶和下游坝坡，所述堤坝模型的上部设有贯通堤坝上游坝坡和下游坝坡的模拟蚁道，所述堤坝模型设有包围模拟蚁道的薄弱区域，所述薄弱区域的粘土层越靠近该模拟蚁道越疏松；所述模拟蚁道的截面呈拱形，其口径小于10厘米，底宽小于8厘米；所述堤坝模型位于靠近下游坝坡处的模拟蚁道附近设有一个球形区域，该球形区域的粘土层越靠近该模拟蚁道越疏松，而且该球形区域的粘土层也较薄弱区域的粘土层更疏松；所述模型槽的上部设有人工降雨器，所述模型槽上设有用于排出下游坝坡积水的排水管，所述排水管高于下游坝坡坡脚；所述堤坝模型内模拟蚁道附近埋设有多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器、一个土样含水率传感器和一个孔隙水压力传感器。

本发明的试验装置能够模拟复杂水力条件下坝体缺陷优势流效应引发的渗透破坏，通过在堤坝模型上部设置拱形的模拟蚁道从而形成上部缺陷，在使用时，通过透明有机玻璃模型槽可实时观测试验坝体模型的外部变形情况，人工降雨器可按预定的库水位控制条件，通过降雨强度控制库水位的上升过程，监测传感器组可实时监测坝体内部及缺陷局部土样体积含水率、基质吸力、孔隙水压力变化和水力梯度分布特征。其中堤坝模型按原状土密度和含水率填筑，上部缺陷按照试验要求在设定位置按设定的范围和方位布设形成，并在局部设置扩大的薄弱区域，从而更真实地模拟蚁道，更准确地反映蚁道从背水坡出逸引起的散浸、管涌、滑坡等险情和事故。

优选的，所述粘土层采用待模拟的堤坝现场开挖的粘土制成，所述粘土的颗粒级配和初始含水率与原状土的颗粒级配和初始含水率相同。

上述技术方案之一的进一步改进是：所述堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴有土工布。这样，当排水管排出下游坝坡积水时，可以防止下游坝坡的土层被水流带走流失。

上述技术方案之一的再进一步改进是：所述上游坝坡内埋设有多个孔隙水压力传感器。

上述技术方案之一的更进一步改进是：所述下游坝坡的上部布置有摄像头。通过摄像头可以记录下游坝坡渗透破坏和外部变形的过程，供后续研究时参考。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，首先将粘土制成土样，在透明有机玻璃制成的模型槽内利用该土样填筑好堤坝模型的基础和底部后夯实，在堤坝模型上部的预设位置埋设截面呈拱形的细管，其口径小于10厘米，底宽小于8厘米；继续填筑土样至高出细管预定高度后夯实，然后挖除细管周边土样，在靠近下游坝坡侧扩大挖除区域使该挖除区域为球形区域，重新回填挖除的土样，但减少夯实次数使球形区域的粘土层越靠近该细管越疏松，之后继续填筑土样并夯实至设计高程，使堤坝模型按待模拟的堤坝按比例缩小；最后抽取预埋细管，生成模拟蚁道，并在模拟蚁道周围生成薄弱区域；在堤坝模型填筑过程中，在模拟蚁道的沿程设置多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器、一个土样含水率传感器和一个孔隙水压力传感器。

优选的，所述模拟蚁道的中心高程距离坝顶1/3坝高处。

优选的，在所述堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴土工布。

优选的，所述粘土从待模拟的堤坝现场开挖得到，然后将粘土在恒温箱中烤干，按照原状土的颗粒级配和初始含水率制备土样。

本发明带来的有益效果如下：

1）本发明为针对含上部缺陷（模拟蚁道）均质堤坝渗透破坏的模拟试验，通过预埋拱形细管、拱形细管周围区域挖除后回填并减少夯实次数、整体填筑后抽掉拱形细管来形成堤坝上部缺陷，为了进一步提高渗透破坏失稳的几率，结合生物侵害引起缺陷的空间分布情况，将缺陷设置成倾向下游坝坡一定角度，并在靠近下游坝坡侧局部增大拱形周围的薄弱区域形成球形的扩大的***薄弱区域，从而使试验可有效地模拟坝体上下游贯穿性缺陷薄弱层、生物侵害引起的蚁道、主巢等，以能稳定有效地模拟优势流效应及其诱发的坝体渗透破坏、坝坡失稳，可以揭示含上部缺陷下均质堤坝的优势流效应、渗流场时空演变规律与渗透破坏机理，对于建立基于优势流理论的含缺陷均质堤坝非平衡渗流的全过程计算模型（散浸—优势流效应—管涌—坝体上部塌陷及下游坝坡滑坡）等都有重要的价值。

2）本发明依据失事工程（青海沟后水库、四川大路沟水库、长江中下游典型堤防），根据相似理论，配置土样，并按照所述的缺陷模拟方式布置上部缺陷，确保试验的成功率和成果的适应性；为提高薄弱层水头以增大其附近区域渗透压力，并防止库水或河水漫顶，所述缺陷层的中心距离坝顶约1/3坝高；所述的有机玻璃模型槽右侧的排水管略高于下游坡脚，以模拟坝后水位或堤后积水。

3）本发明通过含有高灵敏度基质吸力传感器、土样含水率传感器和孔隙水压力传感器等多组监测传感器，定量获取堤坝隐患局部-坝体整体多尺度的渗流性态参数变化，其中孔隙水压力计、基质吸力计、体积含水率计在上部缺陷附近区域加密布置，从而用以实时掌握坝体内部及缺陷局部的渗流状况，获取其演化规律。

4）本发明具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例中含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的结构示意图。

图2是本发明实施例中模拟蚁道的横截面示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例涉及含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，如图1和图2所示，该装置包括透明有机玻璃制成的模型槽1以及设置在模型槽1内并采用粘土层制成的堤坝模型12，堤坝模型12与待模拟的堤坝按比例缩小；堤坝模型12包括依次相连的库盘AB、上游坝坡BC、坝顶CD和下游坝坡DE，堤坝模型12的上部设有贯通堤坝上游坝坡CD和下游坝坡DE的模拟蚁道6，堤坝模型12设有包围模拟蚁道6的薄弱区域7，薄弱区域7的粘土层越靠近该模拟蚁道6越疏松；模拟蚁道6的截面呈拱形；堤坝模型12位于下游坝坡DE处的模拟蚁道6附近设有一个球形区域8，该球形区域8的粘土层越靠近该模拟蚁道6越疏松，而且该球形区域8的粘土层也较薄弱区域7的粘土层更疏松，从而形成局部扩大薄弱区域，用于模拟蚁道6内的主巢。

本实施例中模型槽1由前、后、左、右和底板五块有机玻璃板制成，前后两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长度300cm，高度120cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长度150cm，高度120cm，有机玻璃底板厚度5cm，长度300cm，宽度160cm；上下游坝坡BC、DE的长度分别为144cm，坡比为1:1.5，坝顶CD的宽度为15cm，坝基面以下的土样厚度为20cm，模拟蚁道6中心位置距离坝顶高程为25cm，模拟蚁道6底宽6cm、两边高2cm，作为局部薄弱扩大区域的球形区域8半径大约为7cm。

模型槽1的上部设有人工降雨器2，人工降雨器2包括供水箱3以及通过管道与供水箱3连通的喷头13，通过阀门控制通断。连接供水箱3与喷头13之间的管道上设有流量计14用于精确控制降雨量，并通过加压水泵15和阀门来调节降雨的强度。

模型槽1上设有用于排出下游坝坡DE积水的排水管4，排水管4高于下游坝坡坡脚，可以模拟坝后水位或堤后积水。

堤坝模型12内模拟蚁道6附近埋设有多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器11、一个土样含水率传感器9和一个孔隙水压力传感器10。本实施例中共设有十组监测传感器，其中在模拟蚁道6沿程等距埋设七组监测传感器；在下游坝坡DE沿程等距布置三组监测传感器。另外，在坝踵、上游坝坡BC中部各埋设1个孔隙水压力传感器10。

本实施例还可以作以下改进：

1）粘土层采用待模拟的堤坝现场开挖的粘土制成，粘土的颗粒级配和初始含水率与原状土的颗粒级配和初始含水率相同。这样可以更为真实地反映待模拟坝体的真实状况。

2）堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴有土工布。这样，当排水管排出下游坝坡积水时，可以防止下游坝坡的土层被水流带走流失。

3）下游坝坡DE的上部布置有摄像头。通过摄像头可以记录下游坝坡渗透破坏和外部变形的过程，供后续研究时参考。

本实施例通过以上设置可以较为真实地模拟含有上部缺陷的堤坝，并可通过模拟降雨来对上述堤坝进行试验。在试验时，可以通过多组监测传感器来检测堤坝的参数演变过程，并可直观地观察蚁道从背水坡出逸引起的散浸、管涌、滑坡等险情，为后续研究提供依据。

本实施例的试验过程如下：

1）在供水箱3中注满水，打开阀门和自计流量计14，启动加压水泵15，记录流量计14的读数，控制降雨量的大小，直至达到设定降雨量，开始降雨，记录流量计初始值，并打开排水管4的阀门5，排除下游坝坡DE的积水，当库水位达到1/3坝高时，停止降雨；

2）间隔30min分别记录十二个微型孔隙水压力传感器、十个土样含水率传感器、十个基质吸力传感的读数，同时，通过外部高清摄像头持续记录上游坝坡的变化情况，直至试验结束；

3）等待2d，在供水箱3中注满水，再次启动人工降雨器2，调节降雨量的大小，降雨强度保持在坝坡上游BC面始终有表面径流且不冲刷坝坡为宜，记录流量计14的读数，持续降雨至水位达到缺陷入口顶部时，降低降雨强度，保持水位缓慢上升，但不至于漫顶；

4）间隔10min分别记录各传感器的读数，直至发生渗透破坏或下游坝坡滑坡破坏为止，然后停止降雨，再次记录各传感器读数，试验结束。

实施例二

本实施例是实施例一的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，首先将粘土制成土样，在透明有机玻璃制成的模型槽内利用该土样填筑好堤坝模型的基础和底部后夯实，在堤坝模型上部的预设位置埋设截面呈拱形的细管，其口径小于10厘米，底宽小于8厘米；继续填筑土样至高出细管预定高度后夯实，然后挖除细管周边土样，在靠近下游坝坡侧扩大挖除区域使该挖除区域为球形区域，重新回填挖除的土样，但减少夯实次数使球形区域的粘土层越靠近该细管越疏松，之后继续填筑土样并夯实至设计高程，使堤坝模型按待模拟的堤坝按比例缩小；最后抽取预埋细管，生成模拟蚁道，同时因为抽取预埋细管时带动附近的土样活动从而在模拟蚁道周围生成薄弱区域；在堤坝模型填筑过程中，在模拟蚁道的沿程设置多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器、一个土样含水率传感器和一个孔隙水压力传感器。

本实施例中粘土优选从待模拟的堤坝现场开挖得到，然后将粘土在恒温箱中烤干，并按照原状土的颗粒级配和初始含水率制备土样。

所述模拟蚁道的中心高程优选距离坝顶1/3坝高处，在所述堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴土工布。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换形成的技术方案，均为本发明要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，其特征在于：包括透明有机玻璃制成的模型槽以及设置在所述模型槽内并采用粘土层制成的堤坝模型，所述堤坝模型与待模拟的堤坝按比例缩小；所述堤坝模型包括依次相连的库盘、上游坝坡、坝顶和下游坝坡，所述堤坝模型的上部设有贯通堤坝上游坝坡和下游坝坡的模拟蚁道，所述堤坝模型设有包围模拟蚁道的薄弱区域，所述薄弱区域的粘土层越靠近该模拟蚁道越疏松；所述模拟蚁道的截面呈拱形，其口径小于10厘米，底宽小于8厘米；所述堤坝模型位于靠近下游坝坡处的模拟蚁道处设有一个球形区域，该球形区域的粘土层越靠近该模拟蚁道越疏松，而且该球形区域的粘土层也较薄弱区域的粘土层更疏松；所述模型槽的上部设有人工降雨器，所述模型槽上设有用于排出下游坝坡积水的排水管，所述排水管高于下游坝坡坡脚；所述堤坝模型内模拟蚁道附近埋设有多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器、一个土样含水率传感器和一个孔隙水压力传感器。

2.根据权利要求1所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，其特征在于：所述堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴有土工布。

3.根据权利要求1所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，其特征在于：所述上游坝坡内埋设有多个孔隙水压力传感器。

4.根据权利要求1所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，其特征在于：所述下游坝坡的上部布置有摄像头。

5.根据权利要求1所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置，其特征在于：所述粘土层采用待模拟的堤坝现场开挖的粘土制成，所述粘土的颗粒级配和初始含水率与原状土的颗粒级配和初始含水率相同。

6.一种权利要求1所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，其特征在于：

将粘土制成土样，在透明有机玻璃制成的模型槽内利用该土样填筑好堤坝模型的基础和底部后夯实，在堤坝模型上部的预设位置埋设截面呈拱形的细管，其口径小于10厘米，底宽小于8厘米；

继续填筑土样至高出细管预定高度后夯实，然后挖除细管周边土样，在靠近下游坝坡侧扩大挖除区域使该挖除区域为球形区域，重新回填挖除的土样，但减少夯实次数使球形区域的粘土层越靠近该细管越疏松，之后继续填筑土样并夯实至设计高程，使堤坝模型按待模拟的堤坝按比例缩小；最后抽取预埋细管，生成模拟蚁道，同时在模拟蚁道周围生成薄弱区域；

在堤坝模型填筑过程中，在模拟蚁道的沿程设置多组监测传感器，每组监测传感器包括一个基质吸力传感器、一个土样含水率传感器和一个孔隙水压力传感器。

7.根据权利要求6所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，其特征在于：所述模拟蚁道的中心高程距离坝顶1/3坝高处。

8.根据权利要求6所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，其特征在于：在所述堤坝下游端的模型槽侧板的内侧粘贴土工布。

9.根据权利要求6所述的含上部缺陷堤坝渗透破坏模拟试验装置的构建方法，其特征在于：所述粘土从待模拟的堤坝现场开挖得到，然后将粘土在恒温箱中烤干，按照原状土的颗粒级配和初始含水率制备土样。