一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置的制作方法

本发明主要适用于水利工程模型试验中量测技术，尤其涉及一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置。

背景技术：

筑坝壅高水库水位，会在坝体及坝基形成稳定渗流，对消力塘底板块产生不利荷载，独立板块的抗浮稳定是消力塘底板设计的控制条件。模型试验研究是水利工程设计不可缺少的环节，但由于渗流情况比较复杂，传统消力塘模型试验仍缺少对渗流的有效模拟。目前针对消力塘底板的渗流测量主要集中在原型观测领域，主要方法有：

(1)测压管。在水垫塘底板布置钻孔式测压管和“u”型测压管进行渗压测量，并利用排水孔进行渗流监测。随着不同时段上下游水位升降，在对消力塘的基础渗流进行监测的同时、比较测压管水位和“u”型测压管的水位在各个阶段的实测值与相应下游水位，即可得出渗压。相对造价较低、简单易行。

(2)渗压计。渗压计是由测压管及连接在测压管的三道管、渗压针、压力表以及用于封堵的封头等组成。传统的渗压计对密封工艺有很高的要求，而且其借助固定的电缆容易发生松动变形、造成渗压计的标高发生改变，从而影响数据的准确性。在坝体现场环境下并不便于对测压管的电缆进行校正调节，只能将测压管整个更换，费时费力，也造成了经济上的浪费。

综上，传统的测压管方法以及现阶段的渗压计方法，都是建立在原型渗流通道自然成立的情况下，而由于水力学模型试验只是针对泄洪建筑物体型的模拟，所采用的均为不透水材料、不能自然形成渗流，所以上述方法都不适合运用于水利工程模型试验中。因此，结合模型试验对渗流模拟的局限性，设计一种安装方便、运行简单、经济实用的渗流模拟装置尤为重要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的技术问题，本发明是在针对当前渗流模拟方法对水利工程模型试验领域的不适用性，提出一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置。该装置能有效的解决上述问题，其设计、制作难度较低，操作简单方便，可有效模拟消力塘底板的渗流情况。

为了解决现有技术中存在技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置，由装置本体构成；所述装置本体包括带水位刻度标尺的支撑竖杆，所述支撑竖杆上部设置有第一横梁；所述第一横梁的两侧分别通过滑轮机构连接上游补水筒和下游补水筒，所述支撑竖杆中部设置有带阀门控制机构的第二横梁；所述滑轮机构通过固定架与所述支撑竖杆顶部连接；所述上游补水筒和所述下游补水筒分别通过各自挡板形成供水腔和弃水腔；每个所述供水腔底部设置有进水孔和补水孔；每个所述弃水腔底部设置有放水孔，所述阀门控制机构包括上游控制阀，下游控制阀和放水控制阀；所述放水控制阀输入端连接有抽水泵，其输出端分别连接所述上游控制阀和所述下游控制阀的输入端。

所述上游控制阀输入端与所述上游补水筒的进水孔连接，所述上游补水筒的补水孔与所述消力塘模型中的上游渗流槽连接；所述下游控制阀输入端与所述下游补水筒的进水孔连接，所述下游补水筒的补水孔与所述消力塘模型中下游渗流槽连接。

所述所述弃水腔外侧设置有水位刻度标尺。

有益效果

本发明提供的消力塘模型试验渗流模拟装置，通过对来流量的三次调节及竖直挡板对水位的控制，可为消力塘提供稳定的渗流，通过量筒两次定时对水量的测量，即可得出渗流流量，方便快捷，可重复利用。本发明原理清晰，结构简单、易于加工制作，且成本较低，在水力学试验方面具有很好的适用性。

附图说明

图1是本发明一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置结构示意图；

图2是本发明一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置中补水筒结构示意图；

图3是本发明中消力塘底板渗流模拟示意图。

附图标记

1--支撑竖杆11--水位刻度标尺12--第一横梁13--第二横梁

2--滑轮机构(3，4)--上游补水筒(31，41)--挡板(32，42)--供水腔

(33，43)--弃水腔(321，421)--进水孔(322，422)--补水孔

(331，431)--放水孔(332，432)--水位刻度标尺5--阀门控制机构

51--上游控制阀52--下游控制阀53--放水控制阀

6--抽水泵7--消力塘模型71--上游渗流槽72--下游渗流槽8--蓄水池

具体实施方式

下面结合附图对本发明作出详细说明。

如图1，图2所示；本发明提供一种针对消力塘模型试验渗流的模拟装置，由装置本体构成；所述装置本体包括带水位刻度标尺11的支撑竖杆1，所述支撑竖杆1上部设置有第一横梁12；所述第一横梁12的两侧分别通过滑轮机构2连接上游补水筒3和下游补水筒4，所述支撑竖杆1中部设置有带阀门控制机构5的第二横梁13；所述滑轮机构2通过固定架21与所述支撑竖杆顶部1连接。如图2所示，所述上游补水筒3和所述下游补水筒4分别通过各自挡板(31，41)形成供水腔(32，42)和弃水腔(33，43)；每个所述供水腔底部设置有进水孔(321，421)和补水孔(322，422)；每个所述弃水腔(33，43)底部设置有放水孔(331，431)。所述弃水腔(33，43)外侧设置有水位刻度标尺(332，432)。所述阀门控制机构5包括上游控制阀51，下游控制阀52和放水控制阀53；所述放水控制阀53一端连接有抽水泵6，其输出端分别连接所述上游控制阀51和所述下游控制阀52的输入端。所述上游控制阀51输入端，所述上游补水筒3的进水孔321连接，所述上游补水筒3的补水孔322与所述消力塘模型7中的上游渗流槽71连接；所述下游控制阀52输入端与所述下游补水筒4的进水孔421连接，所述下游补水筒4的补水孔422与所述消力塘模型7中下游渗流槽72连接。

如图1，图2，图3所示，本发明中所述的支撑竖杆1为钢架结构固定于地面，水位刻度标尺11固定于支撑钢架竖杆1上，结合1滑轮机构系统2(包括定滑轮、钢丝绳、调节装置)可调节补水筒(3，4)的特定高度，用于获得不同的上下游渗透水位及水位差。所述阀门控制机构5分为上游控制阀51、下游控制阀52和放水控制阀53，供水泵来流恒定，通过调节放水阀53可对来流进行初级分流，从而获得不同的进入整个渗压控制装置的流量，通过上游控制阀51和下游控制阀52对来流进行二次分流以使上下游分别获得不同的进流量。所述补水筒分为上游补水筒3和下游补水筒4，构造相同，均由有机玻璃加工制成、为长方体结构、且上口敞开并在两侧设置吊环与钢丝绳连接，补水筒(3，4)内部设一比边壁稍低的竖直挡板(31，41)，将其分隔成两个下部不连通的空间，分别定义为供水腔(32，42)和弃水腔(33，43)，供水腔(32，42)底部布置进水孔(321，421)和补水孔(322，422)，弃水腔(33，43)底部布置放水孔(331，431)。水流由连接管路通过进水孔(321，421)进入补水筒(3，4)供水一侧，当水位超过挡板(31，41)顶部时，便自动流入弃水筒，通过调节不同的挡板(31，41)顶部位置可获得相应的渗流水位，补水孔(322，422)用于向消力塘补充渗流。弃水腔(33，43)外壁设一刻度标尺，放水孔(331，431)通过连接管路与量筒相连、排放弃水。所述的连接管路系统由连接各个部分的塑料管构成。所述量筒用于测定弃水筒出水孔排放的水量。如图3所示，所述消力塘模型7包括上游渗流槽71和下游渗流槽72，为消力塘模型7中底板下的矩形沟槽，用于在底板下形成渗流场。本发明中供水系统包括蓄水池8和抽水泵6，蓄水池8要求水位稳定、且具有一定的面积，以免抽水泵抽水时产生大的漩涡以及波动，鉴于一般模型试验中的水库满足条件、可利用其作为渗压蓄水池使用。

如图1，图2所示，实际中支撑钢架1安装有上中两个横梁(12，13)，上横梁用于悬挂补水筒3、4，通过定滑轮5连接，方便调节所需的上下游水位差，中横梁13用于固定控制阀(51，52，53)，从而调节进入上下游补水筒(3，4)的进水口流量，支撑钢架竖杆1上装有量程为0～2.5m、零点与消力塘底板齐平的水位刻度标尺11，用以控制上下游渗压水位。上下游补水筒3、4构造相同，均由8mm厚度的有机玻璃板制成，补水筒底长度设计为13cm，宽度为12cm，高度为50cm。其内部被高40cm的竖直挡板(31，41)分隔为供水腔(32，42)(13cm×6.4cm)和弃水腔(33，43)(13cm×4.8cm)，供水腔(32，42)下部进水孔(321，421)通过塑料管与阀门(51，52)相连、补水孔(322，422)通过塑料管与渗流槽71、72相连，弃水腔(33，43)一侧外壁贴有量程为0～20cm、零点与弃水腔底端齐平的刻度标尺(332，432)、下部放水孔(331，431)通过塑料管与量筒相连。

本发明涉及的渗流模拟装置在使用时，首先根据事先拟定的上下游渗压水位h1和h2，通过滑轮机构2将上下游补水筒(3，4)内竖直挡板(31，41)调节至相应高度，再通过阀门控制机构5调节进入补水筒(3，4)的水量。然后在补水筒(3，4)位置不变及控制阀门5开度固定的情况下，分别测量固定时间段t内补水孔(322，422)关闭和开启时的弃水腔(33，43)水位高度h1和h2以及弃水量v1和v2，即可准确模拟并测定进入消力塘底板下的渗流压力和流量。补水孔(322，422)关闭测得的v1，即为进入补水筒(3，4)的水流总量，当补水孔(322，422)打开向消力塘模型7底板补充渗流时，水流总量v1又分为补水孔出流量v、放水孔出流量v2以及弃水腔内的水量差(h2-h1)*a，其中a为弃水腔的截面面积。由此可得，消力塘模型试验渗压模拟的两个重要参数，渗透压力水位差h及渗透流量q：

h＝h1-h2

q＝[v1-v2-(h2-h1)*a]/t

此消力塘模型试验渗流模拟装置的使用步骤如下：

①利用定滑轮5调节上游补水筒3和下游补水筒4的高度，使得挡板(31，41)顶端位于已经拟定的上下游渗透水位h1＝2m、h2＝1m；

②补水孔(322，422)关闭，放水孔(331，431)全开，打开抽水泵6，调节控制阀51～53至供水腔(32，42)内水流稳定、弃水腔(33，43)水位不变，之后所有控制阀51～53不再调节、保持不动；

③待水流稳定一段时间后，记录弃水腔(33，43)水位高度h1＝2.6cm，并计时t＝3min，用量筒测量时间段内弃水腔的弃水量v1＝23.267l；

④补水孔(322，422)打开，控制阀51～53依然不变，待水流稳定一段时间之后，记录弃水腔水位高度h2＝1.6cm，并再次计时t＝3min，用量筒测量时间段内弃水腔的弃水量v2＝3.775l。至此，测量完毕。

综上，上下游渗透水位h1＝2m、h2＝1m，补水筒水流总量v1＝23.267l，放水孔出流量v2＝3.775l，弃水腔水位高度h1＝2.6cm、h2＝1.6cm，弃水筒的截面面积a＝13cm×4.8cm＝62.4cm²，固定时间段t＝3min。则依据技术方案，渗透压力水位差h及渗透流量q为：

h＝h1-h2＝2-1＝1m

q＝[v1-v2-(h2-h1)*a]/t＝[23.267-3.775-(1.6-2.6)×62.4/1000]/3＝6.518l/min

上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护范围的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之列。