模拟库水岸坡管涌过程的试验装置的制作方法

1.本实用新型涉及岩土体管涌破坏的试验研究领域，主要涉及库水条件下岸坡发生管涌的机制以及临界条件分析的试验研究所采用的一种模拟装置。


背景技术：

2.库水岸坡作为一类特殊的坡体，长期遭受较高水压力的作用，存在较大的安全风险。一旦坡体内部形成微型管缝缺陷，水流将会沿着管缝流动，运动水流不断冲刷管缝壁面，加剧管缝破坏，最终形成管涌，危及坡体安全。正如古人所云“千丈之堤，以蝼蚁之穴溃（见《韩非子
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喻老》）”一语双关之寓意，库岸边坡内的微小缺陷也能成为影响坡体稳定安全的关键因素之一。
3.1996年，黄河发生决堤事件，成为历史惨剧，造成大量人员伤亡。然而，黄河决堤的起因也是从微小的管道开始，最终演化成巨大的缺口，水流突破河堤，进入平原。为了研究河堤、岸坡管涌渐进破坏过程，国内外学者开展了较多研究工作。在试验方面，如何实现管道的形成，如何实现微型管道缺陷的自然发展，从而模拟真实的管涌演化过程，是能真实反映管涌过程、分析临界条件的主要问题。针对这一问题，目前尚未有普遍认可的试验方法。
4.目前所见管涌模拟试验装置中，多采用在配置有供水系统的试验箱中置入透水板或隔板挡住试验土体上的管涌口、以可取出的棍棒模拟贯通通道等方式进行管涌模拟，试验土样有的选择部分透明土。此外还有采用彩色砂或长筒型塑料膜进行模拟的。但其若用于库水岸坡模拟时，由于靠近库水一侧的坡体表面在管涌启动前是完好的，采用现有的试验装置模拟其管涌启动过程与真实的管涌启动过程还存在较大差距。


技术实现要素：

5.本实用新型所要解决的技术问题是提供一种用于较好地模拟管涌启动过程的模拟库水岸坡管涌过程的试验装置。
6.本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：模拟库水岸坡管涌过程的试验装置，包括供水系统和试验箱，所述试验箱包括透明箱体内的试验坡体，所述试验坡体按照设定的密实度和厚度逐层进行填筑，试验坡体横贯于试验箱的前、后箱壁之间，从而在试验坡体的一侧形成可控制库水水位的库水模拟腔，另一侧为泄水腔，试验坡体在填筑时安装预制的冰柱从而在温度变化导致冰柱融化时形成连通库水模拟腔与泄水腔的通道。所称库水水位即模拟试验中库水模拟腔（7）的水位，供水系统用于控制库水模拟腔的补水量 ，调节库水水位。
7.为防止试验时库水快速破坏坡体，所述位于库水模拟腔一侧的试验坡体的表面喷洒有胶凝材料，如水泥浆。
8.所述冰柱可以是纯水冻结而成，融化后将形成微型突涌通道，在一定水力梯度条件下，运动水流逐渐侵蚀坡体，产生管涌现象。
9.所述冰柱也可以是饱水细砂冻结而成，融化后则会形成渐进的管涌过程。
10.放置冰柱时，通常使冰柱的前端位置较高，置冰柱前端于试验坡体邻库水模拟腔的一侧，冰柱的末端位置较低，置冰柱末端位于试验坡体邻泄水腔的另一侧。显然，试验中所设定的库水水位应在冰柱的前端位置之上。
11.所述供水系统还包括水位保持装置。
12.试验中的试验土体各层的材料、密实度和厚度根据需要模拟的实际土体的性质确定，至少构筑一层材料，常见试验过程均用多层材料进行模拟。试验中采用的观测装置可以根据需要选择高速摄像机、水压力表等，试验记录通常包括管涌破坏演化过程录像和管涌发生的临界水压等。试验中，随着温度升高，冰柱逐渐融化，在冰柱与试验坡体交界面周围逐渐形成通道，库水模拟腔内水体及融化形成的液态水在通道内汇集并从冰柱末端所在位置流出，待冰柱溶解体积较大时，残余冰柱将从试验坡体内滑出，形成管涌通道，此时，库水模拟腔内水体由此通道内涌出，在一定的水力梯度条件下，运动水流将不断侵蚀通道壁面土体，形成管涌破坏过程。
13.所述的管涌破坏过程可以在库水水位较恒定的条件下进行，也可以在库水水位变动的条件下进行，均能通过调控供水系统来实现。
14.本实用新型的有益效果是：通过在试验土体中埋设冰柱和温度控制，冰柱融化后在试验土体中形成贯通管道，从试验角度解决了管涌启动过程的渐进模拟。通过高速摄像机，捕获管涌的发生演化过程，方便观测，试验装置结构简单、容易制作，试验条件控制简便。
附图说明
15.图1是本实用新型的试验装置的结构示意图。
16.图2是本实用新型的试验箱的剖面结构示意图。
17.图中标记为：1-供水阀，2-供水管，3-冰柱前端，4-试验坡体，5-透明箱体，6-冰柱末端，7-库水模拟腔，8-排水管，9-泄水腔，10-排污管，11-排水阀。
具体实施方式
18.下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
19.如图1所示，本实用新型的模拟库水岸坡管涌过程的试验装置包括供水系统和试验箱, 所述供水系统包括外接的供水管2及供水阀1、排水管8及排水阀11，所述试验箱包括透明箱体5内的试验坡体4，所述试验坡体4按照设定的密实度和厚度逐层进行填筑，试验坡体4横贯于试验箱的前、后箱壁之间，而在试验坡体4的一侧形成库水模拟腔7，另一侧则为泄水腔，供水系统通过供水管2、排水管8与库水模拟腔7连通，所述供水阀1控制给予库水模拟腔7的补水量，所述排水管8用于辅助实现库水水位恒定，试验坡体4中在填筑时安装预制的冰柱从而在温度变化导致冰柱融化时形成贯通试验坡体4的通道。
20.实施例：
21.如图1所示，试验箱包括钢化玻璃板制作的透明箱体5、试验坡体4、固定库水水位库水。试验坡体4需要按照设定的密实度及每层5cm的填筑高度（也即厚度）逐层进行填筑，保证试验坡体均质各向同性；试验坡体4横贯于试验箱的前、后箱壁之间从而在试验坡体4的一侧形成可控制库水水位的库水模拟腔7，另一侧为泄水腔9，库水模拟腔7配置有水位保
持装置，水位保持装置为其出口位置高于冰柱前端3但低于供水管管口位置的排水管8，排水管8上设置有可开闭的排水阀11，泄水腔9设有排污管10，在填筑试验坡体4过程中安装预制冰柱，填筑时控制环境温度，保证冰柱形态不变，待坡体填筑完成后，在库水一侧的坡体表面喷洒胶凝材料，防止库水快速破坏坡体。
22.试验时，通过升温使冰柱融化，在试验坡体4中将形成贯通管道，所述贯通管道可连通库水模拟腔7和泄水腔9，供水系统通过供水管2与试验箱连接，通过供水阀1控制向库水模拟腔7的给水。
23.利用该试验箱进行管涌模拟试验的试验方法如下：
24.第一步，在填筑完试验坡体4后，供水之前先安装试验观测装置；
25.第二步，打开供水阀1，关闭排水阀11，直至库水模拟腔7的水达到设定的库水水位，供水时应避免水管流出的水流直接冲向试验坡体4；
26.第三步，关闭供水阀1，待冰柱在室温环境下缓慢融化，形成通道，观察到冰柱末端6处水流开始持续流出，视为管涌过程启动；
27.第四步，试验过程中，捕捉管涌发生演化时间，观察出水浑浊程度变化情况等，并进行记录，若水位恒定后试验坡体4尚未损坏，则重新打开供水阀1和排水阀11，使其库水模拟腔7的水位稳定在排水管8高度，直至试验结束或试验坡体4损坏，当排水阀11打开而排水管8无水流流出，视为试验坡体4损坏。
28.第二步和第三步中，根据试验需要，也可一直不关闭供水阀1和排水阀11，在较为恒定的水压下进行模拟试验。
29.通过以上试验可揭示库水岸坡管涌破坏演化过程，确定管涌发生的临界水压等参数特征。