一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置

1.本发明涉及防灾减灾工程仪器技术领域，尤其涉及一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置。


背景技术：

2.土石坝泛指由当地土料、石料或混合料，经过抛填、辗压等方法堆筑成的挡水坝。目前，土石坝是世界大坝工程建设中应用最为广泛和发展最快的一种坝型。而内部侵蚀是威胁土石坝土堤安全的重要因素之一，内部侵蚀现象可能会通过潜蚀、接触侵蚀、逆向侵蚀、集中渗漏侵蚀四种模式破坏土石坝进而导致溃坝等各类事故的发生。如甘肃省庄浪县李家嘴水库，坝基基础建设不符合要求，土质松散，夯压时辅土层较厚，坝体不实。工程竣工后不久，坝体就开始出现裂缝，最宽处可达30m，远达不到蓄水要求，只能敞开式运行。
3.土石坝遭受自然环境侵蚀、地质变形、水力冲击以及管理不善造成的人为损坏等，会有相当一部分土石坝不同程度地出现病险问题，屡屡发生溃坝事故，对人民群众生命财产安全造成了严重危害。而由上述原因导致的内部侵蚀往往是诱发土石坝溃坝的主要因素。所以研究土石坝发生内部侵蚀的机制的特点非常迫切。但是真实土石坝发生内部侵蚀溃坝发生时的破坏力巨大，突发性强，所以往往难以用于研究土石坝内部侵蚀机制的特征。导致现如今研究土石坝内部侵蚀机制的特征等都是在室内进行模拟完成，而溃坝模型比尺设计的难点在于如何满足坝体溃决过程的相似性，由于很难与原型完全相似，故采取近似模型级配缩尺法进行试验。按照起动流速相似准则，将原型坝体的颗粒按一定比例缩小后，按相应粒径组进行等质量替换。
4.以上多种因素导致实地监测土石坝内部侵蚀难度较大，因此大多数观测土石坝内部侵蚀机制实验都是在室内进行，但当前我国普遍采用的室内研究土石坝内部侵蚀机制的物理实验装置，都存在一些不足：(1)当前大多模拟泥石流实验装置设计都是只单方面考虑了降雨或者水力冲击对泥石流的影响，很少有实验装置综合两者而设计；(2)现行的装置都需要人为观测，耗费大量的人力资源；(3)现行的模拟实验装置均存在实验后的流动砂水无法进行下一步富水砂层的研究，监测数据单一等，无法做到集成控制。
5.正是基于上述原因，本发明提供了一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置，能够有效解决现有模拟装置适用性单一、监测数据不实时准确、实验后砂水无法进行下一步富水砂层研究等问题。
7.为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：本发明公开了一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置，包括箱体、水压机、可调节阀门、流量计、水箱、转动模拟降水器、数据收集系统、高清相机、砂水收集器、土石坝
物理模型和水下摄像头；所述箱体呈中空顶部开口的方形结构，所述土石坝物理模型呈四棱锥结构设置于所述箱体的内腔底部中间，所述水压机的输入端通入水池内，其输出端与所述箱体的内腔左端连通，所述箱体的右端端壁设有透明观察口，所述高清相机设置于所述箱体的右侧，其镜头朝向所述观察口，所述箱体的右侧壁上方设有所述水下摄像头，所述水下摄像头和高清相机分别与所述数据收集系统电连接；所述箱体的上方设有转动模拟降水器，所述转动模拟降水器通过管道与所述水箱连通，所述管道上设有可调节阀门和流量计；所述砂水收集器与所述箱体内腔底部连通。
8.所述箱体的左端端壁中部形成漏斗状连接件，所述漏斗状连接件外径较大的一端与所述箱体的内腔连通，外径较小的一端与所述水压机的输出端相连。
9.所述箱体与所述转动模拟降水器之间设有雨水分离器，所述雨水分离器为滤板。
10.所述土石坝物理模型的两侧斜坡表面上设有振弦电阻式微型孔隙水压计；其内部设有微型孔隙土压计，所述振弦电阻式微型孔隙水压计和微型孔隙土压计分别与所述数据收集系统电连接。
11.所述箱体的后壁上方设有溢流口。
12.所述溢流口位于所述箱体顶部与所述土石坝物理模型的顶部之间。
13.本发明的有益效果在于：1）本实验装置采用了阀门大小可调节以及可旋转的水箱以及可调节水压的横向水流，能够模拟不同程度的降雨和水压力诱发土石坝内部侵蚀的情况。
14.2）本实验装置采用了可改变的土石坝物理模型，能够模拟不同种类的土石坝发生内部侵蚀的特点。
15.3）采用水压力计、土壤湿度计、土压力盒数据收集装置以及与其配套的同步数据处理装置，能够得到实时有效的数据，从而能够准确的研究出土石坝发生内部侵蚀时的特征。
16.采用了砂水收集器，使能够在实验后能够对砂水进行进一步的富水砂层的研究。
附图说明
17.图1为本发明的结构示意图；图2为本发明中土石坝物理模型的结构示意图；图3为本发明的流程示意图。
18.图中：1-水压机，2-雨水分离器，3-可调节阀门，4-流量计，5-水箱，6-转动模拟降水器，7-数据收集系统，8-高清相机，9-砂水收集器，10-土石坝物理模型，11-溢水口，12-水下摄像头，13-振弦电阻式微型孔隙水压计，14-微型孔隙土压计，15-漏斗状连接件，100-箱体。
具体实施方式
19.下面对本发明进一步说明：请参阅图1-3，
本发明公开了一种土石坝内部侵蚀机制模拟的物理实验装置，包括箱体100、水压机1、可调节阀门3、流量计4、水箱5、转动模拟降水器6、数据收集系统7、高清相机8、砂水收集器9、土石坝物理模型10和水下摄像头12；所述箱体100呈中空顶部开口的方形结构，所述土石坝物理模型10呈四棱锥结构设置于所述箱体100的内腔底部中间，所述水压机1的输入端通入水池内，其输出端与所述箱体100的内腔左端连通，所述箱体100的右端端壁设有透明观察口，所述高清相机8设置于所述箱体100的右侧，其镜头朝向所述观察口，所述箱体100的右侧壁上方设有所述水下摄像头12，所述水下摄像头12和高清相机8分别与所述数据收集系统7电连接，使实验在无人坚守的情况下依然能够顺利地进行监测；将数据收集器安装在土石坝物理模型内部，数据收集器包括振弦电阻式微型孔隙水压计、土壤湿度计、微型孔隙土压计，通过振弦电阻式良好的防水性能，能够连续地记录下实验中的数据，同步数据处理装置能够实时地处理出实验数据，得到实验结果，使实验更加有效地进行，更加准确地研究出土石坝富水砂层内部侵蚀机制的特性。
20.所述箱体100的上方设有转动模拟降水器6，所述转动模拟降水器6通过管道与所述水箱5连通，所述管道上设有可调节阀门3和流量计4，采用阀门大小可调节水箱5、雨水分离器2、转动模拟降水器6能更贴近实际的降雨情况，且能模拟多种降雨情况，使实验结果更具有普适可靠性。
21.所述砂水收集器9与所述箱体100内腔底部连通，能够及时收集实验冲刷过程产生的流动砂水，并便于后续对于富水砂层的研究，本案能够根据所要模拟的地区的土石坝地质特征调节土石坝模型；横向的水流更贴合实际情况，区别于传统室内模拟实验更具有普适性；能够通过调节水箱5的阀门大小模拟不同强度的降雨；能够通过水压力计、土壤湿度计、土压力盒匹配的同步数据处理器来实时监测记录下较为准确的数据；以及高清水下摄像头来保证无人坚守时实验也能够正常进行；砂水收集器9接收模拟河流以及雨水冲刷作用后所流下的砂水；本发明实验装置能够模拟不同程度的降雨、河流量以及不同地区的地质特征，具有普适性。
22.本发明用于研究土石坝内部侵蚀机制的物理实验装置，主要工作流程为通过模拟的横向水流和竖向降雨对土石坝物理模型的影响研究土石坝内部侵蚀机制的特点。而用来模拟降雨的水箱可以调整阀门大小以及旋转，以模拟出不同强度的降雨，通过水压机的横向水流可以模拟更符合实际情况的水流压力。通过数据收集装置，将研究土石坝内部侵蚀机制所需的数据记录下来，传输至与其匹配的同步数据处理装置，然后进行同步分析。模拟实验结束后，砂水收集器收集的砂水可以进行下一步关于土石坝内部侵蚀机制的富水砂层的研究。模拟土石坝内部侵蚀实验需要多天时间，而且需要实时监测，不能暂停。安装高清摄像头和水下摄像头以及数据收集系统，即可解决在实验过程中无人看守的情况下，实验还能正常进行的问题。
23.所述箱体100的左端端壁中部形成漏斗状连接件15，所述漏斗状连接件13外径较大的一端与所述箱体100的内腔连通，外径较小的一端与所述水压机1的输出端相连，能够通过水压机1调节水压的横向水流配合漏斗状连接件15更贴合土石坝受冲击的实际情况，使室内模拟实验更加接近真实土石坝内部侵蚀的场景。
24.所述箱体100与所述转动模拟降水器6之间设有雨水分离器2，所述雨水分离器2为
滤板。
25.所述土石坝物理模型10的两侧斜坡表面上设有振弦电阻式微型孔隙水压计13；其内部设有微型孔隙土压计14，所述振弦电阻式微型孔隙水压计13和微型孔隙土压计14分别与所述数据收集系统7电连接，从而实时精确地记录水压力和土压力，便于后续分析土石坝内部侵蚀机制特点。
26.所述箱体100的后壁上方设有溢流口11。
27.所述溢流口11位于所述箱体100顶部与所述土石坝物理模型10的顶部之间。
28.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。