旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置及试验方法

摘要

本发明涉及一种旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置及该装置的试验方法，该装置包括外罩和试验箱，所述试验箱内设有坝体模型，所述坝体模型采用风化石渣料制成，所述库盘表面和上游坝坡表面均设有粘土层作为坝体斜墙；所述外罩上设有与开口相配合的顶盖，所述顶盖上设有人工降雨器、风压机和长弧疝灯，所述试验箱上设有用于排出下游坝坡积水的排水管；所述坝体模型上埋设有多组传感器；该试验方法通过人工降雨器、长弧氙灯与风压机模拟坝体模型的旱涝急转工况，并通过孔隙水压力传感器、土压力传感器和基质吸力传感测得的数据模拟旱涝急转下坝体渗流场、应力场的时空分布。本发明可以为旱涝急转下的水库大坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。

权利要求

1.一种旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：包括顶部开口的外罩以及设置在外罩内的试验箱，所述试验箱内设有与待模拟的坝体按比例缩小的坝体模型，所述坝体模型包括依次相连的库盘、上游坝坡、坝顶和下游坝坡，所述坝体模型采用风化石渣料制成，所述库盘表面、上游坝坡表面以及靠近上游坝坡的部分坝顶表面均设有粘土层作为坝体斜墙；所述外罩上设有与开口相配合的顶盖，所述顶盖上设有人工降雨器、风压机和长弧疝灯，所述人工降雨器包括与供水箱连通的降雨管路以及设置在所述降雨管路的喷头，所述试验箱上设有用于排出下游坝坡积水的排水管；所述坝体模型上埋设有多组传感器，每组传感器包括一个基质吸力传感器以及分别设置在该基质吸力传感器的前、后的一个土压力传感器和一个孔隙水压力传感器。

2.根据权利要求1所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：所述坝体下游端的试验箱侧板的内侧粘贴有土工布。

3.根据权利要求1所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：所述供水箱设置在外罩的外侧，所述供水箱与人工降雨器之间设有增压泵，所述增压泵和人工降雨器之间设有流量计和阀门。

4.根据权利要求1所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：所述风压机为直流风压机。

5.根据权利要求1所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：所述粘土层采用待模拟的坝体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.根据权利要求1所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，其特征在于：所述试验箱、外罩和顶盖均采用透明有机玻璃制成。

7.一种权利要求1或2所述的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

1）在所述供水箱中注满水，开启人工降雨器，持续降雨并排除下游坝坡积水，直至实验箱内的水位达到预设的正常蓄水位，停止降雨；等待2-5天对坝体进行浸泡湿润，使坝体形成稳定渗流场；

2）开启长弧氙灯与风压机，保持所述试验箱内部温度不低于30℃，使模型在光照与风力条件下持续失水，持续20-25天后停止，此时关闭长弧氙灯与风压机电源；

3）再次开启人工降雨器，降雨强度保持在上游坝坡始终有表面径流且不冲刷坝坡，持续降雨至水位达到所述正常蓄水位，然后停止降雨；

在执行步骤1）-3）时，每间隔20-50分钟分别记录每个孔隙水压力传感器、土压力传感器和基质吸力传感的读数，并持续至步骤3）完成后5-9天，试验结束。

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于：所述试验箱、外罩和顶盖均采用透明有机玻璃制成，所述外罩外部设有图像采集高清摄像机始终记录上游坝坡的变化情况。

说明书

旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置及试验方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置及试验方法，属于水库坝体防护技术领域。

背景技术

[0002] 极端干旱造成水库上游坝坡粘土的土体基质吸力增大，土体受拉应力而开裂，从而使水库上游坝坡出现大范围危害性的裂缝，破坏粘土斜墙防渗体，此时如遭遇降雨，由于裂缝来不及自愈，坝体渗流路径缩短，水力坡降增大，可能引起土体渗透破坏；同时，雨水入渗，上游坝坡粘土的土体基质吸力降低，抗剪强度下降，也容易导致坝坡失稳。因此，旱涝急转极大地增加了水库坝坡失事概率。

[0003] 另外，采用气候状态图对溃坝率最高的山西省和溃坝率低的湖南省进行比较分析也表明，旱涝急转下水库安全事故发生概率显著提高。参阅相关文献可知，历史上的河南75·8溃坝事件就是旱涝急转条件下的水库垮坝惨剧。

[0004] 需要说明的是，模型试验虽然已成为水库大坝失事机理研究的重要手段，但现有的模型试验研究主要集中在水位骤降的上游坝坡失稳试验装置上，而有关旱涝急转下水库坝坡渗流和稳定性态的研究还很少涉及。因此，研究一种旱涝急转下水库坝坡模拟模型试验装置，对进一步阐明旱涝急转下溃坝机理和灾害防治具有重要意义。

发明内容

[0005] 本发明要解决技术问题是：提供一种能够反映旱涝急转下水库坝坡基质吸力、土压力、孔隙水压力时空分布规律的试验装置以及利用该试验装置的试验方法，从而监测坝坡不同部位不同时段应力和渗流参数的变化规律和发展趋势，获得旱涝急转下坝体工作性态的时空变化。

[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，包括顶部开口的外罩以及设置在外罩内的试验箱，所述试验箱内设有与待模拟的坝体按比例缩小的坝体模型，所述坝体模型包括依次相连的库盘、上游坝坡、坝顶和下游坝坡，所述坝体模型采用风化石渣料制成，所述库盘表面、上游坝坡表面以及靠近上游坝坡的部分坝顶表面均设有粘土层作为坝体斜墙；所述外罩上设有与开口相配合的顶盖，所述顶盖上设有人工降雨器、风压机和长弧疝灯，所述人工降雨器包括与供水箱连通的降雨管路以及设置在所述降雨管路的喷头，所述试验箱上设有用于排出下游坝坡积水的排水管；所述坝体模型上埋设有多组传感器，每组传感器包括一个基质吸力传感器以及分别设置在该基质吸力传感器的前、后的一个土压力传感器和一个孔隙水压力传感器。

[0007] 优选的，所述粘土层采用待模拟的坝体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。

[0008] 上述技术方案之一的进一步改进是：所述坝体下游端的试验箱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石渣料被水流带走流失。

[0009] 上述技术方案之一的再进一步改进是：所述供水箱设置在外罩的外侧，所述供水箱与人工降雨器之间设有增压泵，所述增压泵和人工降雨器之间设有流量计和阀门。这样可以精确控制人工降雨的降雨量及降雨强度，为后续的分析提供数据支持。进一步地，所述风压机为直流风压机，所述直流风压机通可过控制电流调节装置调节风速。这样可以精确控制和调节风速，同可以样为后续的分析提供准确的数据支持。

[0010] 上述技术方案之一的再进一步改进是：所述试验箱、外罩和顶盖均采用透明有机玻璃制成。这样可以通过图像采集高清摄像机以及相机等记录坝体的变化情况，如发生坍塌等，可以还原当时的实况。

[0011] 本发明提出的技术方案之二是：一种基于上述旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

[0012] 1）在所述供水箱中注满水，开启人工降雨器，持续降雨并排除下游坝坡积水，直至实验箱内的水位达到预设的正常蓄水位，停止降雨；等待2-5天对坝体进行浸泡湿润，使坝体形成稳定渗流场；

[0013] 2）开启长弧氙灯与风压机，保持所述试验箱内部温度不低于30℃，使模型在光照与风力条件下持续失水，持续20-25天后停止，此时关闭长弧氙灯与风压机电源；

[0014] 3）再次开启人工降雨器，降雨强度保持在上游坝坡始终有表面径流且不冲刷坝坡，持续降雨至水位达到所述正常蓄水位，然后停止降雨；

[0015] 在执行步骤1）-3）时，每间隔20-50分钟分别记录每个孔隙水压力传感器、土压力传感器和基质吸力传感的读数，并持续至步骤3）完成后5-9天，试验结束。

[0016] 上述技术方案之二的进一步改进是：所述试验箱、外罩和顶盖均采用透明有机玻璃制成，所述外罩外部设有图像采集高清摄像机始终记录上游坝坡的变化情况。

[0017] 本发明带来的有益效果是：当旱涝急转发生时，坝体应力场和渗流场急剧变化，传统研究主要集中在水位骤降的上游坝坡失稳，而鲜有涉及旱涝急转下的水库大坝失事机理模拟试验，本发明创造性地通过设计旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置，能够通过孔隙水压力传感器、土压力传感器和基质吸力传感器采集的数据模拟旱涝急转下坝体渗流场、应力场的时空分布，并可以直观地观察坝坡外部形象的变化情况，可以根据水库大坝实际情况，通过旱涝急转下水库坝坡模拟模型试验揭示旱涝急转下坝坡失事机理，为旱涝急转下的水库大坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。

[0018] 具体来说：1）本发明可以针对旱涝急转下均质土坝失事室内模型试验，通过模拟各种不同旱涝急转条件来分析不同干旱条件、降雨强度、降雨历时等外界环境条件因素下的坝坡失事情况。

[0019] 2）本发明可在线获取一个或多个完整旱涝急转周期下的坝坡孔隙水压力、基质吸力、裂缝发展的时空演化规律，为精确分析旱涝急转下水库大坝失事提供了便利条件，为旱涝急转情况下大坝的维护提供了理论依据，从而减小了大坝失事发生的可能性。

[0020] 3）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

[0021] 下面结合附图对本发明作进一步说明。

[0022] 图1是本发明实施例一中旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置的结构示意图。

具体实施方式

[0023] 实施例一

[0024] 本实施例的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置如图1所示，包括顶部开口的外罩1以及设置在外罩1内的试验箱2，试验箱2内设有与待模拟的坝体按比例缩小的坝体模型7，坝体模型7包括依次相连的库盘AB、上游坝坡BC、坝顶CD和下游坝坡DE，坝体模型7采用风化石渣料制成，库盘AB表面、上游坝坡BC表面以及靠近上游坝坡BC的部分坝顶CD表面均设有粘土层作为坝体斜墙。

[0025] 本实施例的粘土层优选采用待模拟的坝体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。制备粘土层时将从水库现场开挖的粘土在恒温箱中烤干，按照原状土级配、初始含水率制备土样。另外，选择当地材料制备斜墙后坝体的风化石渣。制造坝体模型7时，在试验箱上设置坝体斜墙和坝后风化石渣料分区的标志，首先填筑好坝后风化石渣料区域后，再将制备好的粘土土样按原状样密度采用分层填筑的方法装入试验箱2内，即制作形成库盘AB、上游坝坡BC、坝顶CD和下游坝坡DE。上游、下游坝坡的长度、坝顶的宽度、坝体分区按模拟的工程实例缩尺换算确定。

[0026] 外罩1上设有与开口相配合的顶盖3，外罩1和顶盖3的结合部采用橡胶圈（图中未示出）密封处理，顶盖3上设有人工降雨器、风压机13和长弧疝灯12，本实施例中风压机13为型号不锈钢新型风压机1250；长弧疝灯12为NBET长弧氙灯光源XE-JY。

[0027] 人工降雨器包括与供水箱5连通的降雨管路4以及设置在降雨管路4上的多个喷头16，试验箱2上设有用于排出下游坝坡DE积水的排水管6，排水管6上设有阀门。

[0028] 本实施例在外罩1的底部设有两根排水管，两根排水管上也设有阀门。当排水管6上的阀门打开时，外罩1的底部设有两根排水管也打开，从而可以顺利地将下游坝坡DE的积水排出，从而可以更准确地模拟水库坝坡。

[0029] 本实施例中在顶盖上部开孔，将风压机13嵌入开孔中并固定安装，所述外罩或顶盖上设有电源线孔，长弧疝灯12等的电源线穿过电源线孔与外部电源连接。另外，外罩1和顶盖3的结合部可以采用橡胶圈密封处理，而电源线孔可以不密封。

[0030] 另外，在上游坝坡BC的坝脚上游端处的试验箱2处也设有带阀门的排水管，当人工降雨器的降雨量过大时，可以通过该排水管放过多的水排掉。

[0031] 本实施例中坝体模型7上共埋设有四组传感器，分别位于上游坝坡坝脚上游端和下游端，以及上游坝坡中部、坝顶面，每组传感器包括一个基质吸力传感器10以及分别设置在该基质吸力传感器10前方（本发明中以朝向下游方向为前方）的一个土压力传感器11、设置在该基质吸力传感器10后方的一个孔隙水压力传感器9。每组传感器中孔隙水压力传感器9和土压力传感器11与基质吸力传感器10的距离分别为10厘米。其中，基质吸力传感器10型号为Fredlund FTC-100热传导传感器；孔隙水压力传感器11为AD-25微型孔隙水压力传感器；土压力传感器9为HM91微型土压力传感器。

[0032] 作为本实施例的改进，本实施例的外罩1、试验箱2和顶盖3均由透明有机玻璃制成，当然也可以采用其他材质，但采用透明有机玻璃的好处是可以在外部设置图像采集高清摄像机或相机进行录像或才拍照，可以记录旱涝急转下水库坝坡的演变过程。

[0033] 本实施例的有机玻璃试验箱2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600cm，高度200cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长度150cm，高度200cm，有机玻璃底板厚度5cm，长度600cm，宽度160cm。有机玻璃外罩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700cm，高度250cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长度200cm，高度250cm，有机玻璃底板厚度5cm，长度600cm，宽度210cm；有机玻璃顶盖3由前、后、左、右和顶板5块有机玻璃板制成，前后两块有机玻璃板相同，厚度5cm，长度700cm，高度50cm，左右两块有机玻璃板相同，厚度
5cm，长度200cm，高度50cm，有机玻璃底板厚度5cm，长度700cm，宽度210cm。

[0034] 本实施例中上游坝坡BC和下游坝坡DE的长度分别为253cm，坡比为1:3，坝顶CD的宽度为60cm，坝基面以下的土体厚度为60cm，坝前水位为60cm，供水箱5为圆柱形铁通200cm×200cm（直径×高），粘土斜墙顶部宽度为20cm、底部宽度为30cm、库盘厚度为15cm。喷头16为垂直旋转下喷式喷头，降雨半径1.0 1.5cm。~

[0035] 本实施例还可以作以下改进：供水箱5设置在外罩的外侧，供水箱2与人工降雨器之间设有增压泵18，增压泵18和人工降雨器之间设有流量计17和阀门。这样可以精确控制人工降雨的降雨量及降雨强度，为后续的分析提供数据支持。进一步地，风压机13采用直流风压机，直流风压机通过控制电流调节装置调节风速。这样可以精确控制和调节风速，同可以样为后续的分析提供准确的数据支持。

[0036] 为了防止坝体水土流失，坝体模型上、下游端的两块试验箱侧板的内侧粘贴有土工布。这样，当排水管排水时，可以防止坝坡的原料被水流带走流失，即如图1所示，将两块土工布8分别粘贴在有机玻璃试验箱2的左右侧板内侧面。

[0037] 实施例二

[0038] 本实施例是实施例一中的旱涝急转下水库坝坡模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

[0039] 1）在供水箱5中注满水，开启人工降雨器，持续降雨并排除下游坝坡DE积水，直至实验箱2内的水位达到预设的正常蓄水位，停止降雨；等待2-5天对坝体进行浸泡湿润，使坝体形成稳定渗流场；

[0040] 2）开启长弧氙灯12与风压机13，保持试验箱2内部温度不低于30℃，使模型在光照与风力条件下持续失水，持续20-25天后停止，此时关闭长弧氙灯12与风压机13电源；

[0041] 3）再次开启人工降雨器，降雨强度保持在上游坝坡BC始终有表面径流且不冲刷坝坡，持续降雨至水位达到正常蓄水位，然后停止降雨；

[0042] 在执行步骤1）-3）时，每间隔20-50分钟分别记录每个孔隙水压力传感器、土压力传感器和基质吸力传感的读数，并持续至步骤3）完成后5-9天，试验结束。

[0043] 本实施例还可以作以下改进：试验箱、外罩和顶盖均采用透明有机玻璃制成，外罩外部设有图像采集高清摄像机始终记录上游坝坡的变化情况。

[0044] 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。