一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置的制作方法

本技术涉及水利工程，尤其涉及一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置。

背景技术：

1、在水利工程技术领域，多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置主要用于研究深水环境下围堰结构及防渗体系的力学响应特性，这类装置通过模拟不同水深条件下的静水压力以及水位变化过程，为评估围堰安全性提供实验依据，传统实验方法通常通过在模型箱内直接注入大量水体来模拟静水压力，其工作原理基于帕斯卡定律，利用水体自重形成压力梯度，这种方法需要建造能够承受高压的密封容器，并配置相应的水位控制和测量系统。

2、然而，现有技术存在若干需要改进的方面，建造能够模拟百米级水深的实验容器成本较高且存在安全隐患，模型箱内土体及防渗结构在荷载作用下的内部变形难以直接观测，常规的表面测量方法无法获取真实变形数据，此外，恒定水位的实验条件难以准确模拟实际水库运行中水位快速变化对围堰产生的动水压力冲击，这些因素都限制了实验数据的工程指导价值，因此，我们提出了一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置，用于解决上述问题。

技术实现思路

1、本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在现有技术存在模拟百米级水深成本高、安全风险大，内部变形难以直接观测，以及无法准确模拟水位骤降冲击等问题，限制了实验数据的工程应用价值的缺点，而提出的一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置。

2、为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：

3、一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置，包括模拟箱，所述模拟箱的顶部开口处通过顶升机构可升降地设有密封盖板，所述模拟箱的内部设有模型土体；

4、所述密封盖板上设有压力加载系统，所述压力加载系统包括与密封盖板底部柔性连接的柔性囊袋以及贯穿密封盖板设置的注水管和泄压管，所述注水管和泄压管均与柔性囊袋相连通，所述泄压管上设有快开阀；

5、所述模拟箱的一侧设有变形监测系统，所述变形监测系统包括固定设置在模拟箱外侧的多个安装板，多个所述安装板上贯穿固定嵌设有至少两个固定管，且每个固定管内均固定安装有位移计，所述位移计的内部活动测量端通过传导元件与模型土体连接。

6、在一种可能的设计中，所述传导元件为预埋在模型土体内的钢丝，所述钢丝的一端与模型土体固定连接，另一端穿过模拟箱侧壁的通孔与对应的位移计的内部活动测量端固定连接。

7、在一种可能的设计中，所述模拟箱侧壁的通孔内设置有密封套管，所述密封套管与钢丝之间填充有柔性密封胶，形成动密封结构。

8、在一种可能的设计中，所述顶升机构包括对称设置于模拟箱两侧的可自锁的电动推杆，所述电动推杆的输出端与密封盖板的底部固定连接，所述密封盖板的底部还设有多个导向杆，所述导向杆滑动贯穿模拟箱的顶部。

9、在一种可能的设计中，所述固定管内设有拉簧，所述拉簧的两端分别与固定管的内壁和位移计的内部活动测量端固定连接，用于对钢丝施加恒定拉力。

10、在一种可能的设计中，所述密封盖板和模拟箱之间设置有密封条，所述密封盖板和模拟箱的对应位置处设有多个安装孔，所述安装孔内螺纹连接有固定螺栓，用于进一步提高密封盖板和模拟箱的密封性和安全性。

11、在一种可能的设计中，所述模拟箱的外侧固定设有多个加强板，多个所述安装板均固定设置于其中相邻的两个加强板的外侧。

12、在一种可能的设计中，所述压力加载系统还包括高压水泵、压力传感器和控制器，所述高压水泵与注水管连接，所述压力传感器用于监测柔性囊袋内的压力，所述控制器分别与高压水泵和压力传感器连接，用于根据监测的压力值调节高压水泵的运行状态。

13、本技术中，首先，实验开始前，操作人员启动对称布置于模拟箱两侧的电动推杆，电动推杆的输出端推动密封盖板沿导向杆垂直上升，打开模拟箱顶部开口，在模拟箱内部完成模型土体的填筑与围堰模型的制作，同时在预定测点位置预埋钢丝，使钢丝一端锚固在土体内，另一端穿过模拟箱侧壁的通孔引出，该通孔内设置的密封套管与钢丝之间填充有柔性密封胶，形成既能保证密封又允许钢丝自由移动的动密封结构；

14、完成模型制备后，电动推杆驱动密封盖板下降至闭合位置，此时密封盖板与模拟箱之间的密封条被压缩，操作人员将多个固定螺栓穿入密封盖板和模拟箱上对应的安装孔并拧紧，确保实验腔体的密封性，模拟箱外侧的加强板为整个结构提供支撑，固定于相邻加强板上的安装板则为其上的固定管提供稳定基座；

15、压力加载阶段，外部高压水泵通过注水管向柔性囊袋内注入加压水体，该系统配备压力传感器和控制器，能够实时监测并调节囊袋内压力，使其精确保持在设定值，随着压力升高，柔性囊袋逐渐膨胀并与下方的模型土体表面充分贴合，施加均匀分布的法向压力，等效模拟不同深度的静水荷载，在此过程中，模型土体内部产生的变形带动预埋的钢丝产生位移，位移计的本体被固定在固定管上以提供稳定的测量基准，其内部的滑动测量端与钢丝的末端相连，钢丝的移动转化为位移计滑动测量端的直线位移并被精确记录，固定管内部设置的拉簧两端分别连接固定管的内壁和位移计的滑动测量端，该拉簧持续施加一个微小的平衡拉力，确保钢丝在整个实验过程中始终处于张紧状态，从而消除了钢丝松弛可能带来的测量误差，保证了位移传递的实时性与准确性

16、当需要模拟水位骤降工况时，开启泄压管上的快开阀，柔性囊袋内的高压水体通过泄压管迅速排出，系统压力在短时间内急剧降低，这一过程能够有效复现水库快速泄洪时产生的动水压力冲击，此时通过变形监测系统可准确记录围堰及防渗结构在荷载突变下的响应特性，实验结束后，松开固定螺栓，电动推杆再次驱动密封盖板抬升，导向杆确保升降过程的平稳与对中，为后续实验做好准备。

17、有益效果：本实用新型中，所述一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置，通过柔性囊袋与压力管路组成的加载系统，采用少量水体即可在实验区域内形成均匀分布的高压环境，显著降低了设备制造成本与运行风险，避免了建造大型高压容器的需求，同时减少了实验过程中的用水量，使得在常规实验室内进行高水压模拟成为可能；

18、本实用新型中，所述一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置，通过预埋钢丝与外部位移计构成的监测系统，能够将模型内部不可见的变形量直接传递至外部进行精确测量，利用钢丝的不可拉伸特性保证位移传递的准确性，同时外部设置的拉簧确保钢丝始终处于张紧状态，从而实时捕捉土体内部的细微变形过程；

19、本实用新型中，所述一种多工况深水库区围堰防渗变形模拟实验装置，通过注水管与泄压管的协同工作，能够精确模拟不同速率的水位变化过程；快开阀的瞬时开启可实现压力的快速释放，复现水位骤降工况对防渗结构的冲击效应，为研究非恒定流条件下围堰稳定性提供有效实验手段；

20、本实用新型中，通过柔性囊袋与压力管路系统，以少量水体在实验区域形成均匀高压，显著降低了设备成本与安全风险；借助预埋钢丝与外部位移计的监测结构，将内部变形直接传导至外部，确保了对土体细微变化的实时精准捕捉；结合注水管与带快开阀的泄压管，实现了不同速率水位变化的精确模拟，尤其可复现水位骤降的冲击效应，为研究非恒定流条件下围堰稳定性提供了有效实验手段。