CN102507405A

CN102507405A - 大型数控双向渗透仪

Info

Publication number: CN102507405A
Application number: CN2010102358821A
Authority: CN
Inventors: 蔡正银; 张建卫; 凌华; 傅华; 范明桥; 王芳; 蓸培; 肖雪宏; 韩华强
Original assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Current assignee: Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
Priority date: 2010-07-26
Filing date: 2010-07-26
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2030-07-26
Also published as: CN102507405B

Abstract

大型数控双向渗透仪，由底座、立柱，上横梁构成机架，渗透室下设有轴向液压缸并与供水装置连通；上盖进口、底盘出口装有压力传感器，内装有上渗透板，下渗透板及加荷活塞；球形支座设置在渗透室的外部、上下各装压力传感器，中部四方向各装有压力传感器；各压力传感器与位移传感器接计算机；轴向液压缸的驱动机构、油源电机组、电液伺服阀和比例溢流阀由调压控制柜控制；恒压供水装置的水泵组、安全阀由电气控制操作柜控制；特征是供水装置采用恒压供水系统，其驱动装置采用变频调速控制；安全阀反馈接电气控制操作柜。本发明上覆荷载0～6MPa，可调节的水头压力1.6MPa，渗流水量6m³/h。数据采集准确，控制模式自动化程度高。

Description

大型数控双向渗透仪

技术领域

本发明涉计一种试验装置，具体涉及一种大型数控双向渗透仪，特别适用于高土石坝体与坝基材料的渗透试验。可进行有上覆压力以及长期有渗流作用下的渗透试验，并可满足较深入的渗透变形，渗透破坏试验研究及其它重大工程土石料渗透试验要求。

背景技术

国内外坝工实践表明：由渗流引起的渗透变形是造成土石坝破坏和失事的主要原因^[1]，渗流与渗透变形分析是堆石坝坝体设计的关键技术问题。目前室内渗透与渗透变形试验研究主要存在以下问题：（1）渗透与渗透变形试验装置试样直径一般在300mm，试样最大粒径仅为60mm。现场堆石料的粒径最大可达到1m。这种缩尺效应势必影响试验的可靠性。（2）对于300m级高坝防渗体、反滤材料、过渡料等的最大轴向应力可超过6Mpa。中国国内室内渗透与渗透变形试验一般都在无上覆压力情况下进行试验，这忽视了坝体材料的真实应力状态，试验成果与现实情况严重脱离；（3）坝基覆盖层和坝体内部水头压力一般都很大，有的区域甚至达到2Mpa。另外，往往由于设计缺陷、施工不当等种种原因，出现了防渗体开裂等，如株树桥水库面板开裂后，垫层承受的水压力大大升高，远远超出在无反滤保护条件下垫层的抗渗破坏比降，加剧了垫层渗透变形^[2]。目前室内试验中一般最大水头压力都只能控制在几帕或几十帕之间，最大水头坡降一般为几十左右，远远小于现场坝体材料所受水头压力和坡降。

进年来由于经济和科学技术的发展，有些单位已进行了一些渗透与渗透变形试验装置的研制。如清华大学^[3]的试验桶直径为600mm，试样最大粒径提高至120mm，试验可进行的破坏坡降超过10。

青海省水利水电科学研究所^[4]研制的大型高压渗透仪直径为1000mm，最大上覆压力为1Mpa，最大水头压力为0.35MPa。河海大学等[5]研制了试样桶直径300mm、高度500mm的渗透仪。西北农林科技大学等^[6]研制了的新型渗透变形仪直径为61.8mm，渗透水压力最高为400kPa。

总体而言，上述设备的研制只能在某一方面进行改进，未能综合考虑缩尺效应影响、坝体的真实应力状态、坝体材料真实的水压力状态、水流方向等因素。现有的渗流试验存在无上覆荷载、试样尺寸小、水头压力小的问题。

参考文献

[1]屈智炯，对粗粒土渗透变形研究的进展。水电站设计，2008，24（1）：48-55

[2]盛金保，谢晓华，李雷.株树桥水库大坝严重渗漏原因分析,水利水运工程学报，2003（4）：25-30

[3]郑瑞华、张嘎、张建民等大型无粘性土渗透破坏试验系统及应用，实验技术与管理，2007，24（5）：23-25）

[4]杨得勇、雍莉. 混凝土面板砂砾石坝垫层料过渡料渗流及渗透稳定性试验研究,西北水电，2001（2）：47-50

[5]张福海，王保田，张文慧等，粗粒土渗透系数及土体渗透变形仪的研制，水利水电科技进展，2006，26（4）：31－33（30，50）

[6]田堪良,张慧莉,罗碧玉.新型渗透变形仪的研制.岩石力学与工程学报，2008，27（S2）3441－3444。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型数控双向渗透仪，该渗透仪测定无粘性、粘性土的渗透系数以及在上覆荷载情况下，从上向下，或从上向下在不同压力和不同流速的渗透水流作用下，发生渗透变形的临界坡降和破坏坡降。本发明与普通垂直渗透仪不同的显著特点是：有很大的上覆荷载0～6MPa，可调节的水头压力可达1.6 MPa，渗流水量较大为6m³/h，数据采集准确，控制模式自动化程度高。

完成上述发明任务的方案是：

一种大型数控双向渗透仪，由底座、4根立柱，上横梁构成机架，机架中部设有放置试样的渗透室，该渗透室下面设有轴向液压缸；该渗透室与恒压供水装置连通；

渗透室的上盖进口、底盘出口装有压力传感器，渗透室内装有上渗透板，下渗透板及加荷活塞；

一个球形支座，设置在渗透室的外部，调整加荷活塞受力时的同轴度。该渗透室上下两进出口阀座上各装一个压力传感器，渗透室的四个方向外侧面中部各装有一个压力传感器，用于测定各部分的水头压力；轴向液压伺服油缸活塞上装有位移传感器，用于控制活塞位置。各压力传感器与位移传感器的输出连接计算机；

轴向液压缸的驱动机构、油源电机组、电液伺服阀和比例溢流阀，由调压控制柜控制；恒压供水装置中的水泵组、安全阀，由电气控制操作柜控制；

其特征在于，所述的供水装置采用恒压供水系统，该系统的驱动装置采用变频调速控制；同时系统中设有安全阀，可限定供水压力，该安全阀的反馈接电气控制操作柜。

本发明有以下优化方案：

1. 所述的电液伺服阀安装在液压缸座上。这样响应快，荷载控制准确度高。

2. 渗透室的支承轴承及活塞采用组合线性密封，密封效果好，采用非金属导向环导向，摩擦力小，并可承受较大的侧向力。

3. 渗透室安装在一个小车上，小车由液压马达、阀组及链轮控制进出机架的速度，可无级调速，安全可靠，使用方便。

4. 所述的恒压供水系统进水的出口处设有水过滤器和减压装置。减压装置用于模拟渗透水的水头高度所产生的水压。

换言之，本项发明的试验机由以下几项关键技术来实现：

为了实现水头压力为0～1.6MPa可调，采用恒压供水系统，通过变频调速控制水的压力，并通过安全阀反馈来实现压力调节。

为保证渗透水的流量为0.0637–6m3/ｈ可调，通过变频调速控制水流量。

为保证渗透水出口的压力与进口的水的压力不变，进水的出口处增加水过滤器和减压装置来实现。

为使渗透量测量可靠。采用耐压4MPa的电磁流量计，数据准确，可实现自动量测。

为保证上覆载荷为0～6MPa，并且克服水头压力的影响，采用电液伺服闭环控制系统、响应快、载荷稳定。

现有的渗流试验存在无上覆荷载、试样尺寸小、水头压力小的问题。与现有技术相比，本发明具有很大的上覆荷载0～6MPa，可调节的水头压力可达1.6MPa，渗流水量较大为6m³/h。数据采集准确，控制模式自动化程度高。本发明的渗透仪可测定无粘性、粘性土的渗透系数以及在上覆荷载情况下，从上向下，或从上向下在不同压力和不同流速的渗透水流作用下，发生渗透变形的临界坡降和破坏坡降。既能做大渗透量6m³/h 的试验，又能做微小渗透量0.0018m³/h的试验。

实施例中，仪器设计最大上覆荷载6MPa（试样上承受6000kN荷载），试样尺寸1000x1000x1500mm（长x宽x高），水头压力1.6MPa。这样适应开展百米以上高土石坝及南水北调等重大工程项目相应的试验研究工作。

附图说明

图1为大型双向渗透仪结构示意图；

图2为主机结构示意图；

图3为液压原理图；

图4为渗透原理图。

具体实施方式

实施例1，大型数控双向渗透仪，下面结合附图1详细介绍本发明的主要部件及结构。其主要包括主机部分1，油源系统2，渗透测量系统3，恒压供水装量4，电液伺服控制系统5等。

附图2为主机部分1的示意图。

主机部分：

主要由机架、轴向液压缸101，渗透室102，小车105等组成。

机架由底座103，4根立柱104，上横梁100构成，轴向液压缸采用组合结构，装备方便、可靠。上支承轴承及活塞采用组合线性密封，密封效果好，采用非金属导向环导向，摩擦力小，并可承受较大的侧向力。电液伺服阀安装在液压缸座上，这样响应快，荷载控制准确度高，液压缸的进出口处各安装压力传感器，通过比较压差，准确测出试验件的上覆力。

小车105使得渗透室的进出，及试样的装卸方便，小车由液压马达及链轮控制进出机架的速度，可无级调速，安全可靠。

渗透室102是承放试样的压力容器，渗透室的上盖进口，底盘出口各装有压力传感器，渗透室内装有上渗透板，下渗透板及加荷活塞，球形支座在渗透室的外部，渗透室中部外侧面的四个方向各装有一个压力传感器，用于测定各部分的水头压力。

从上述结构中可以看出，主机部分采用加载油缸，底座，4根立柱，上横梁构成的框架式结构，保证了机架的足够刚度。

附图3为油源部分的液压原理图，该油源由泵站201及阀组203组成。油过滤后进入63升/分的轴向柱塞泵。该油泵由60千瓦的电机带动，泵打出来的高压油通过单向阀202和100升/分的精密滤油器204进入主油路，在单向阀的旁路上装有比例溢流阀203，它能单独调整液压系统的压力，比例溢流阀出来的油经过回油滤油器进入散热器后回到油箱。油箱上装有电接点温度计，起液压油超温保护作用。

附图3系统的压力油分为三路。一路经精密过滤器205，进入电液伺服阀206，再进入轴向主油缸207，使轴向活塞产生上覆荷载，最大可达到6MPa。

第二路经精密过滤器208，进入电液伺服阀209，再进入小渗透液压缸210，推动渗透水缸，可进行小渗透量的试验。

第三路压力油，用于产生渗透室进出机架小车的动力，压力油经减压阀211，降低油压，进入调速阀212，调速油马达的流量，进而调速小车，再经过电磁换向阀213换向，进入油马达214，从而带动试样小车进出机架。

附图4渗透试样安装在渗透室中，恒压水由水池供水，供水装置301采用变频调速水泵调整供水的压力，压力为0~1.6M/Pa无级可调，供水量最大可至6m³/h。压力水通过分配阀门进入大（小）电磁流量计302，可电测渗透水的流量，再通过阀门进入渗透室，可由下方（或上方）进，上方（或下方）出，为了保持渗透室的水压，在出口处安装减压阀303，调节水压，再通过分配阀门及相应的流量计304检测在承载了上覆压力下的试样的水渗流量。

Claims

1. 一种大型数控双向渗透仪，由底座、4根立柱，上横梁构成机架，机架中部设有放置试样的渗透室，该渗透室下面设有轴向液压缸；该渗透室与恒压供水装置连通；

一个球形支座，设置在渗透室的外部，调整加荷活塞受力时的同轴度；该渗透室上下两进出口阀座上各装一个压力传感器，渗透室的四个方向外侧面中部各装有一个压力传感器，用于测定各部分的水头压力；轴向液压伺服油缸活塞上装有位移传感器，用于控制活塞位置。

2.各压力传感器与位移传感器的输出接计算机；

其特征在于，所述的供水装置采用恒压供水系统，该系统的驱动装置采用变频调速控制；同时系统中设有安全阀，该安全阀的反馈接电气控制操作柜。

3. 根据权利要求1所述的大型数控双向渗透仪，其特征在于，所述的电液伺服阀安装在液压缸座上。

4. 根据权利要求1所述的大型数控双向渗透仪，其特征在于，所述的渗透室上支承轴承及活塞采用组合线性密封。

5. 根据权利要求1所述的大型数控双向渗透仪，其特征在于，所述的渗透室采用非金属导向环导向。

6. 根据权利要求1所述的大型数控双向渗透仪，其特征在于，所述的渗透室安装在一个小车上，小车由液压马达及链轮控制进出机架的速度。

7. 根据权利要求1~5之一所述的大型数控双向渗透仪，其特征在于，所述的恒压供水系统进水的出口处设有水过滤器和减压装置。