本实用新型属于水利工程技术领域，具体涉及一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置。
背景技术：
管涌在堤坝渗流破坏中危害严重，其发展机理为：由于上游水头较高，堤坝基础砂土层渗透坡降超出允许值，部分砂土在下游涌出；随着出口涌砂的发生，缩短了基础渗径，增加的基础砂土层渗透坡降，从而进一步加剧了出口涌砂，直至堤坝破坏。研究堤坝基础砂土层管涌试验对管涌防护和应急处置具有重要意义，其中确定砂土层管涌发生的临界水头，以及管涌长度发展变化随时间的相关关系是管涌最重要的因素。
常规试验装置受尺寸及观测限制，只能确定临界水头，无法有效观测到管涌发展变化过程和涌砂随时间的变化规律等。
技术实现要素：
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本实用新型提供一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置。
技术方案：为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：
一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，包括储水箱、水泵、调压水箱和试验箱，所述试验箱通过透水隔板分隔为储水室与土样填筑室；
所述水泵一端通过管道与储水箱相连通，另一端连通至调压水箱中，所述调压水箱内部设有阀球，且所述阀球的高度可调节；所述储水室的进水口与调压水箱的出水口通过管道连通，通过调压水箱供水和调节水压，且调压水箱的高度可调；所述水泵的开启与关闭受调压水箱内的阀球的控制，调压水箱与阀球相配合用于精确控制储水室内的水头高度；模拟水头以调压水箱水头为准。
所述土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层，中部为试验砂土层，表层铺设粘土覆盖层；在试验砂土层中埋设孔隙水压力传感器，在试验砂土层顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠，用于示踪管涌向上游发展轨迹；
所述土样填筑室在远离储水室侧设置有管涌出口，所述管涌出口通过水沙排出管道连通引出；所述水沙排出管道出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗；所述漏斗中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗底部连通的排水导管排出。
作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述储水室密闭，且顶端开设有排气孔。
作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述土样填筑室上端开口，进一步的，并配设有盖板。
作为优选方案，所述透水隔板的透水位置及透水面积可调节，用于模拟不同尺寸的管涌断面。
作为优选方案，所述彩色玻璃微珠的直径10~100μm，比重2.4~2.6g/cm3，彩色玻璃微珠的平均尺寸和比重与砂砾的相同。
作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，高水位下堤坝管涌模拟试验过程中，彩色玻璃微珠的位移能够通过拍照进行数字图像处理计算位移量。
作为优选方案，所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，所述砂土层中砂土的颗粒级配和初始含水率与原状砂土的颗粒级配和初始含水率相同；
所述砂土层中，中间布置管涌通道，两侧填筑粗砂隔离带，保证管涌通道向上游直线发展。管涌发展通道沿程埋设孔隙水压力传感器，实时自动测量砂土层不同位置渗压变化。
作为优选方案，所述试验箱及盖板采用透明材质。进一步的，采用透明有机玻璃制成。
另一方面，本实用新型还提供一种高水位下堤坝管涌模拟试验方法，包括：
在土样填筑室内底层铺设砂砾石垫层，中层铺设试验砂土层，在试验砂土层中埋设孔隙水压力传感器及粗砂隔离带，试验砂土层压密实后在其表面沿轴线方向间隔布置不同颜色的彩色玻璃微珠，然后在表层铺设粘土覆盖层；
设定调压水箱及阀球的高度，打开水泵从储水箱中抽水进入调压水箱，水流通过管道进入储水室，保持透水隔板的关闭，待储水室中的水位上升至需求高度时打开透水隔板进行试验；
初始高度选择较小的水头，试验通水后观察管涌出口的涌砂量，若保持水位恒定一段时间(10-15分钟)未出现涌砂，则增加水位高度10cm继续观察；若在某一恒定水位出现涌砂，则保持水位恒定并记录水头数据，涌砂通过水沙排出管道进入漏斗后沉积下来，砂子中的水过滤出来从排水导管排出后，通过天平记录各个时间段的涌砂量，并同时通过量杯记录各个时间段的涌水量；
由于试验砂土层中的砂子排出，出现涌砂后一段时间，试验砂土层会出现变形，该变形会随着砂土颗粒向右位移发生变化，通过观察彩色玻璃微珠的位移以及涌砂中彩色玻璃微珠的出现顺序能够清晰观测到管涌向上游发展变形的部位，并通过拍照进行的数字图像处理记录各个时段管涌的发展位置和发展速率。
有益效果：本实用新型提供的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，当管涌现象发生时，原先稳定砂层中的砂土颗粒出现位移，传统管涌试验研究主要集中在管涌临界水头和管涌过程中整体变形的观测，而鲜有涉及发生管涌部位变形程度定量观测及结合变形的涌砂量测量，本实用新型创造性地通过设计高水位下堤坝管涌模拟试验装置，通过采用孔隙水压力传感器观测土体内的渗流场时空分布，并可以直观地观察及分析土体外部形象的变化情况，模拟堤坝管涌破坏全过程，为可为高水位下的堤坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。
本实用新型可以针对堤坝管涌破坏室内模型试验，通过模拟不同水位下堤坝管涌破坏，分析孔隙水压力时空演化规律，堤坝变形破坏过程，为精确分析堤坝管涌变形破坏提供了便利条件。
本实用新型具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。具体来说：1）可进行不同尺度试验，试验装置可采用有机玻璃槽，大尺度时也可采用简单的混凝土槽等，尺寸不受限制，避免了尺寸过小对试验准确度的影响；
2）针对观测不便问题，采用沙中掺杂彩色玻璃微珠等措施，有效跟踪管涌发展变化过程；
3）测压管采用孔隙水压力传感器，便于自动化观测；
4）上游自动补水设备，保证水位平衡；
5）下游涌沙收集装置水砂分离收集，便于涌沙量和出水量实时跟踪测量。
附图说明
图1为实施例中高水位下堤坝管涌模拟试验装置的结构示意图；
图中：储水箱1、水泵2、阀球3、调压水箱4、排气孔5、储水室6、透水隔板7、砂砾石垫层8、试验砂土层9、粘土覆盖层10、粗砂隔离带11、彩色玻璃微珠12、孔隙水压力传感器13、管涌出口14、水沙排出管道15、漏斗16、天平17。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本实用新型及其应用或使用的任何限制。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本实用新型的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
实施例一
一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，该装置包括试验箱，所述试验箱通过透水隔板7分隔为密闭的储水室6与上端开口的土样填筑室，所述土样填筑室内按需求填筑有一定厚度的试验砂土层9，在一些实施例中，如图1所示，所述试验砂土层9底部填铺有砂砾石垫层8，顶部设置有粘土覆盖层10。所述试验砂土层9内部沿管口轴线不同位置布设彩色玻璃微珠12和孔隙水压力传感器13及粗砂隔离带11；所述土样填筑室在远离储水室6侧设置有管涌出口14，所述管涌出口14通过水沙排出管道15连通引出；管涌出口14通过水沙排出管道15连通引出，所述水沙排出管道15出口下方设置有用于收集从管涌出口出来的涌砂的漏斗16；所述漏斗16中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗16底部的排水导管排出。
还包括储水箱1、水泵2，所述水泵2一端通过管道与储水箱1相连通，另一端连通至调压水箱4中，所述水泵2的开启与关闭受调压水箱4内的阀球3的控制。
所述储水室6充满水且通过调压水箱4供水和调节水压，且调压水箱4的高度可调；所述调压水箱4内部设有阀球3，所述阀球3的高度可调节，调压水箱4与阀球3相配合可精确控制水位高度。
所述土样填筑室与储水室6之间通过透水隔板7隔开，且所述透水隔板7的高度可调节，用于模拟不同尺寸的管涌断面。
更为优选的，所述试验箱采用透明材质；所述储水室6为密闭结构，且储水室6顶端开设有排气孔5。所述储水室密闭且与调压水箱4通过水管连接，模拟水头以调压水箱4水头为准。所述调压水箱4可调整高度以模拟所需水位，内部球阀控制调压水箱4内水位恒定。
出口填土覆盖层预设管涌出口14，节省管涌发生时间；并设粗砂隔离带11，保证涌沙和涌水顺畅排出。管涌发展通道沿程埋设孔隙水压力传感器，实时自动测量砂土层不同位置渗压变化。
高水位下堤坝管涌模拟试验过程中，彩色玻璃微珠12的位移可通过拍照进行数字图像处理计算位移量，此时可根据需要将粘土覆盖层10换成玻璃顶盖以获得更好的图像效果。
实施例二
本实施例是实施例一中的高水位下堤坝管涌模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：
1）在土样填筑室内根据需求填筑一定厚土的土层，底层填筑采用砂砾石垫层8，中层为试验砂土层9，表层铺设粘土覆盖层10；并在试验砂土层9沿轴线方向铺设三排彩色玻璃微珠12，同时在试验砂土层9中埋设孔隙水压力传感器13及粗砂隔离带11。
2）打开水泵2从储水箱1中抽水进入调压水箱4，水流通过管道进入储水室6，保持透水隔板7的关闭，待储水室6中的水位上升至需求高度时打开透水隔板7进行试验。若需求的水位高度大于储水室6中的水位高度则通过将储水室6充满水并调整调压水箱4的高度设定水头，选取所需水头后设置阀球3的高度，当水位低于阀球3时水泵自动打开，水位达到阀球3高度时水泵关闭，以此来保持水位的稳定。
3）试验通水后观察管涌出口14的涌砂量，若保持水位恒定10min未出现涌砂，则增加水位高度10cm继续观察；若在某一恒定水位出现涌砂，则保持水位恒定，涌砂通过水沙排出管道15进入漏斗16后沉积下来，砂子中的水可从排水导管排出，此时可通过天平17记录各个时间段的涌砂量。
4）由于试验砂土层9中的砂子排出，出现涌砂后一段时间，试验砂土层9会出现变形，导致粘土覆盖层10也产生相应变形，由于土层中的水流自左向右流动，土体的变形也会随着土颗粒向右位移发生变化，通过观察彩色玻璃微珠12的位移可清晰观察到发生管涌变形的部位，并可通过拍照进行的数字图像处理记录各个时段变形量的大小。
本实用新型提供的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，当管涌现象发生时，原先稳定砂层中的砂土颗粒出现位移，传统管涌试验研究主要集中在管涌临界水头和管涌过程中整体变形的观测，而鲜有涉及发生管涌部位变形程度定量观测及结合变形的涌砂量测量，本实用新型创造性地通过设计高水位下堤坝管涌模拟试验装置，通过采用孔隙水压力传感器观测土体内的渗流场时空分布，并可以直观地观察及分析土体外部形象的变化情况，模拟堤坝管涌破坏全过程，为可为高水位下的堤坝安全运行、应急防范和决策提供技术支持。
本实用新型可以针对堤坝管涌破坏室内模型试验，通过模拟不同水位下堤坝管涌破坏，分析孔隙水压力时空演化规律，堤坝变形破坏过程，为精确分析堤坝管涌变形破坏提供了便利条件。
本实用新型具有原理简单、操作便利、监测快捷、可多次利用、试验容错率高等优点。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本实用新型保护内容的限制。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
1.一种高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，包括储水箱（1）、水泵（2）、调压水箱（4）和试验箱，所述试验箱通过透水隔板（7）分隔为储水室（6）与土样填筑室；
所述水泵（2）一端通过管道与储水箱（1）相连通，另一端连通至调压水箱（4）中，所述调压水箱（4）内部设有阀球（3），且所述阀球（3）的高度可调节；所述储水室（6）的进水口与调压水箱（4）的出水口通过管道连通，通过调压水箱（4）供水和调节水压，且调压水箱（4）的高度可调；所述水泵（2）的开启与关闭受调压水箱（4）内的阀球（3）的控制，调压水箱（4）与阀球（3）相配合用于精确控制储水室（6）内的水头高度；
所述土样填筑室底部填铺有砂砾石垫层（8），砂砾石垫层（8）上设置试验砂土层（9）；在试验砂土层（9）中埋设孔隙水压力传感器（13），在试验砂土层（9）顶部沿轴线方向铺设彩色玻璃微珠（12），用于示踪管涌向上游发展轨迹；
所述土样填筑室在远离储水室（6）侧设置有管涌出口（14），所述管涌出口（14）通过水沙排出管道（15）连通引出；所述水沙排出管道（15）出口下方设置有用于收集涌砂的漏斗（16）；所述漏斗（16）中设置有过滤装置，过滤出来的水通过漏斗（16）底部连通的排水导管排出。
2.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，在试验砂土层（9）表层还铺设有粘土覆盖层（10）或者玻璃顶盖，用于对试验砂土层（9）进行施压。
3.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述储水室（6）密闭，且顶端开设有排气孔（5）。
4.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述土样填筑室上端开口。
5.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述透水隔板（7）的透水位置及透水面积可调节，用于模拟不同尺寸的管涌断面。
6.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述彩色玻璃微珠（12）的直径10~100μm，比重2.4~2.6g/cm3，彩色玻璃微珠（12）的平均尺寸和比重与砂砾的相同。
7.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，高水位下堤坝管涌模拟试验过程中，彩色玻璃微珠（12）的位移能够通过拍照进行数字图像处理计算位移量。
8.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述砂土层（9）中砂土的颗粒级配和初始含水率与原状砂土的颗粒级配和初始含水率相同；
所述砂土层（9）中，中间布置管涌通道，两侧填筑粗砂隔离带（11），保证管涌通道向上游直线发展。
9.根据权利要求1所述的高水位下堤坝管涌模拟试验装置，其特征在于，所述试验箱采用透明材质。
技术总结