本发明公开了考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法，包括水头施加系统、垫层渗流安全设计试验系统和渗流数据采集系统；垫层渗流安全设计试验系统包括带缺陷土工膜、垫层室、倾角调节装置和试验台；渗流数据采集系统包括颗粒收集器、流量计和计算机。本发明结合实际工程背景，设置坝坡比、压力水头值和土工膜缺陷大小，模拟坝面土工膜缺陷集中渗漏导致的膜下垫层颗粒运移过程，根据垫层颗粒运移量及流失量、垫层级配变化和缺陷渗漏量判定垫层渗流安全，得到垫层安全厚度与相对密度的关系曲线，进而得到确保垫层渗流安全的最小垫层厚度或最小相对密度，为坝面土工膜防渗土石坝工程中膜下颗粒垫层安全运行的设计参数选择提供理论依据。