CN102662044B - 一种沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可广泛用于水利工程、岩土工程等工程中沥青混凝土水力劈裂机理的研究装置及技术，尤其涉及一种沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法。刚性圆桶的顶端布置桶盖，刚性圆桶的侧壁外侧布置压力进水口，压力进水口另一侧的刚性圆桶外侧布置下游渗漏出水口，压力进水口高于下游渗漏出水口。本发明提供的沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法试样包括沥青混凝土上游料源，沥青混凝土和沥青混凝土下游料源，考虑了材料之间的模量差异；同时试样的边界条件简单，并且通过可伸缩螺栓可以控制沥青混凝土的扰度，真实模拟现场实际工作情况；另外该装置在压力进水口施加水压，形成稳定的渗流场，可以定量的分析沥青混凝土的水力劈裂机理。

Description

一种沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及一种可广泛用于水利工程、岩土工程等工程中沥青混凝土水力劈裂机理的研究装置及技术，尤其涉及一种沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法。

背景技术

沥青作为一种水工材料用于工程防渗已有悠久的历史。国外水工沥青技术的应用比较广泛，包括大坝防渗面板、大坝心墙、水库防渗、渠道河堤防渗、海岸防护、垃圾场污水池衬砌等。然而由于各种原因，沥青混凝土这一性能优异的水工材料,与当前国内水利水电工程建设现状不相称，在我国并没有得到充分利用。在第 16 届国际大坝会议上，各国专家就未来高坝的发展趋势达成共识，认为沥青心墙坝是未来特高坝的适宜坝型，但是, 目前此类坝建设中还存在一些亟需解决的问题，其中心墙水力劈裂问题是阻碍沥青混凝土心墙高坝建设的瓶颈之一。

水力劈裂是指由于水压力的抬高在岩石或者土体等弱透水结构中引起裂缝发生或扩展的现象。由于沥青混凝土心墙防渗结构很薄，厚度一般仅为0.5～1.2m左右，一旦发生水力劈裂，会造成严重渗漏甚至垮坝。在二十世纪六、七十年代，曾出现过Djatiluhur、Teton坝等多起因水力劈裂造成严重渗漏事件，我国马家沟、象山等沥青混凝土心墙堆石坝也出现过类似的问题。《土石坝沥青混凝土面板与心墙设计规范》（DL5411-2009）第8.05节认为“沥青混凝土孔隙率小，孔隙是封闭且不连通的，又无孔隙水的存在；沥青混凝土的渗透系数很小，渗水进入很困难，沥青混凝土心墙中渗流和渗水压力很难形成……故沥青混凝土水力劈裂可以不考虑”。但是在大坝运行过程中，沥青混凝土心墙在水荷载作用下会产生较大的变形，Finstertal等坝的监测资料表明:这种变形可能导致心墙拓宽、孔隙率增大而透水性增加，进而形成新的渗流场，为可能发生的水力劈裂提供了前提条件；而且,土石坝沥青混凝土心墙两侧一般均设置砂砾料过渡3区，但质地坚硬的砂砾料的非线性变形模量远大于沥青混凝土心墙，导致心墙和过渡3料之间产生较强的拱效应，也可能引起心墙的水力劈裂。

发明内容

本发明的目的是为了客观模拟现场沥青混凝土的工作状态，研究沥青混凝土水力劈裂的内在机理，可广泛应用于土木水力工程中。

本发明采用如下技术方案：

本发明所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，包括刚性圆桶，桶盖，压力进水口，下游渗漏出水口；所述的刚性圆桶的顶端布置桶盖，刚性圆桶的侧壁外侧布置压力进水口，压力进水口另一侧的刚性圆桶外侧布置下游渗漏出水口，压力进水口高于下游渗漏出水口；所述的刚性圆桶的圆心处放置试样件，试样件成块状且沿径向与刚性圆桶的内壁相切，试样件与压力进水口之间布置沥青混凝土上游料源，试样件与下游渗漏出水口之间布置沥青混凝土下游料源；还包括刚性支撑件，伸缩螺栓；所述的刚性支撑布置在沥青混凝土下游料源与下游渗漏出水口之间，伸缩螺栓布置刚性支撑件与刚性圆桶内壁之间。

本发明所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，还包括填充材料；所述的填充材料沿刚性支撑件边缘的垂向两侧布置，且填充材料布置在刚性支撑件与刚性圆桶内壁之间。

本发明所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，所述的填充材料是止水泡沫材料。

本发明所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，还包括止水层，所述的止水层布置在桶盖下端面。

本发明所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置的试验方法，步骤如下：

1）、取样：在现场取得整块沥青混凝土试样，对整块沥青混凝土试样切割成块状，尺寸符合试验装置的装载尺寸且加工时避免对心墙的初始应力状态产生扰动；

2）、装样：将步骤1制备好的沥青混凝土试样放置于试验装置内，保证沥青混凝土试样与刚性圆桶相切，沥青混凝土试样将刚性圆桶内分割成上游区与下游区，分别对上游区与下游区内填装上、下游料源，并使两侧填料的指标和筑坝现场一致；

3）、试样加载：对填装完成的上、下游料源内加水直至饱和，在沥青混凝土试样与上、下游区过渡土料顶部放置止水层盖好桶盖；通过压力进水口对其内施加少量的水，观察下游渗漏出水口是否有出现出漏水现象；如果出现漏水现象则检查漏止水层与沥青混凝土试验样的接触是否紧密，返回步骤2，重新装样直至不发生漏水现象；

4）、试验：上述步骤完成后，则可对沥青混凝土试样进行试验，通过压力进水口往刚性圆桶内加水，此时水压应大于步骤3施加的水压，下游渗漏出水口出水，待下游渗漏出水口流量稳定后，再逐步增加水压，直至下游渗漏出水口流量发生突变，记录当前施加水压值；

5）、水力劈裂机理分析：取出试验后的沥青混凝土观察裂缝情况，通过有限元分析分析沥青混凝土试样的应力状态，分析水力劈裂的内在机理；

6）、根据上述步骤2～5分别在取得不同的试样进行多次试验，可通过改变顶盖施加压力的大小，改变沥青混凝土的初始应力状态，通过改变刚性支撑件与刚性圆桶内壁之间的距离改变沥青混凝土的变形；

7）、根据多次试验的结果，通过步骤5对其每次沥青混凝土的水力劈裂机理进行分析，并得出相应的结论。

有益效果

本发明提供的沥青混凝土水力劈裂试验装置及试验方法试样包括沥青混凝土上游料源，沥青混凝土和沥青混凝土下游料源，考虑了材料之间的模量差异；同时试样的边界条件简单，并且通过可伸缩螺栓可以控制沥青混凝土的扰度，真实模拟现场实际工作情况；另外该装置在压力进水口施加水压，形成稳定的渗流场，可以定量的分析沥青混凝土的水力劈裂机理。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图中1是刚性圆桶，2是刚性支撑件，3是止水层，4是压力进水口，5是下游渗漏出水口，6是伸缩螺栓，7是充填材料，8是沥青混凝土上游料源，9是沥青混凝土，10是沥青混凝土下游料源。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步详细说明：

如图所示：一种沥青混凝土水力劈裂试验装置，包括刚性圆桶1，刚性支撑件2，止水层3，桶盖，压力进水口4，下游渗漏出水口5，伸缩螺栓6，填充材料7。

刚性圆桶1的顶端布置桶盖，刚性圆桶1的侧壁外侧布置压力进水口4，压力进水口4另一侧的刚性圆桶1外侧布置下游渗漏出水口5，压力进水口4高于下游渗漏出水口5。刚性圆桶1的圆心处放置试样件9，试样件9成块状且沿径向与刚性圆桶1的内壁相切，试样件9与压力进水口4之间布置沥青混凝土上游料源8，试样件9与下游渗漏出水口5之间布置沥青混凝土下游料源10。刚性支撑件2布置在沥青混凝土下游料源10与下游渗漏出水口5之间，伸缩螺栓6布置刚性支撑件2与刚性圆桶1内壁之间。填充材料7沿刚性支撑件2边缘的垂向两侧布置，且填充材料7布置在刚性支撑件2与刚性圆桶1内壁之间。填充材料7是止水泡沫材料。止水层3布置在桶盖下端面。填充材料7可以压缩变形，布置在刚性支撑2的侧壁与刚性圆桶1相连，防止水从刚性支撑的侧壁流入下游渗漏出水口。

沥青混凝土水力劈裂试验装置的试验方法，其特征在于：步骤如下：

1）、取样：在现场取得整块沥青混凝土试样，对整块沥青混凝土试样切割成块状，尺寸符合试验装置的装载尺寸且加工时避免对心墙的初始应力状态产生扰动；

2）、装样：将步骤1制备好的沥青混凝土试样放置于试验装置内，保证沥青混凝土试样与刚性圆桶1相切，沥青混凝土试样将刚性圆桶1内分割成上游区与下游区，分别对上游区与下游区内填装上、下游料源，并使两侧填料的指标和筑坝现场一致；

3）、试样加载：对填装完成的上、下游料源内加水直至饱和，在沥青混凝土试样与上、下游区过渡土料顶部放置止水层盖好桶盖；通过压力进水口4对其内施加少量的水，观察下游渗漏出水口5是否有出现出漏水现象；如果出现漏水现象则检查止水层与沥青混凝土试验样的接触情况，返回步骤2，重新装样直至不发生漏水现象。因为出现漏水，说明沥青混凝土和止水层接触不紧密，只有重新装样排除上述问题；

4）、试验：上述步骤完成后，则可对沥青混凝土试样进行试验，通过压力进水口4往刚性圆桶1内加水，此时水压应大于步骤3施加的水压，下游渗漏出水口5出水，待下游渗漏出水口5流量稳定后，再逐步增加水压，直至下游渗漏出水口流量发生突变，记录当前施加水压值；

5）、水力劈裂机理分析：取出试验后的沥青混凝土观察裂缝情况，通过有限元分析分析沥青混凝土试样的应力状态，分析水力劈裂的内在机理；

6）、根据上述步骤2～5分别在取得不同的试样进行多次试验，可通过改变顶盖施加压力的大小，改变沥青混凝土的初始应力状态，通过改变刚性支撑件2与刚性圆桶1内壁之间的距离改变沥青混凝土的变形；

7）、根据多次试验的结果，通过步骤5对其每次沥青混凝土的水力劈裂机理进行分析，并得出相应的结论。

Claims (5)

1.一种沥青混凝土水力劈裂试验装置，其特征在于：包括刚性圆桶（1），桶盖，压力进水口（4），下游渗漏出水口（5）；所述的刚性圆桶（1）的顶端布置桶盖，刚性圆桶（1）的侧壁外侧布置压力进水口（4），压力进水口（4）另一侧的刚性圆桶（1）外侧布置下游渗漏出水口（5），压力进水口（4）高于下游渗漏出水口（5）；所述的刚性圆桶（1）的圆心处放置试样件（9），试样件（9）成块状且沿径向与刚性圆桶（1）的内壁相切，试样件（9）与压力进水口（4）之间布置沥青混凝土上游料源（8），试样件（9）与下游渗漏出水口（5）之间布置沥青混凝土下游料源（10）；还包括刚性支撑件（2），伸缩螺栓（6）；所述的刚性支撑（2）布置在沥青混凝土下游料源（10）与下游渗漏出水口（5）之间，伸缩螺栓（6）布置刚性支撑件（2）与刚性圆桶（1）内壁之间。

2.根据权利要求1所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，其特征在于：还包括填充材料（7）；所述的填充材料（7）沿刚性支撑件（2）边缘的垂向两侧布置，且填充材料（7）布置在刚性支撑件（2）与刚性圆桶（1）内壁之间。

3.根据权利要求2所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，其特征在于：所述的填充材料（7）是止水泡沫材料。

4.根据权利要求1所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置，其特征在于：还包括止水层（3），所述的止水层（3）布置在桶盖下端面。

5.利用权利要求1至4之一所述的沥青混凝土水力劈裂试验装置的试验方法，其特征在于：步骤如下：

1）、取样：在现场取得整块沥青混凝土试样，对整块沥青混凝土试样切割成块状，尺寸符合试验装置的装载尺寸且加工时避免对心墙的初始应力状态产生扰动；

2）、装样：将步骤1制备好的沥青混凝土试样放置于试验装置内，保证沥青混凝土试样与刚性圆桶（1）相切，沥青混凝土试样将刚性圆桶（1）内分割成上游区与下游区，分别对上游区与下游区内填装上、下游料源，并使两侧填料的指标和筑坝现场一致；

3）、试样加载：对填装完成的上、下游料源内加水直至饱和，在沥青混凝土试样与上、下游区过渡土料顶部放置止水层（3）盖好桶盖；通过压力进水口（4）对其内施加少量的水，观察下游渗漏出水口（5）是否有出现出漏水现象；如果出现漏水现象则检查漏止水层与沥青混凝土试验样的接触是否紧密，返回步骤2，重新装样直至不发生漏水现象；

4）、试验：上述步骤完成后，则可对沥青混凝土试样进行试验，通过压力进水口（4）往刚性圆桶（1）内加水，此时水压应大于步骤3施加的水压，下游渗漏出水口（5）出水，待下游渗漏出水口（5）流量稳定后，再逐步增加水压，直至下游渗漏出水口流量发生突变，记录当前施加水压值；

5）、水力劈裂机理分析：取出试验后的沥青混凝土观察裂缝情况，通过有限元分析分析沥青混凝土试样的应力状态，分析水力劈裂的内在机理；

6）、根据上述步骤2～5分别在取得不同的试样进行多次试验，可通过改变顶盖施加压力的大小，改变沥青混凝土的初始应力状态，通过改变刚性支撑件（2）与刚性圆桶（1）内壁之间的距离改变沥青混凝土的变形；

7）、根据多次试验的结果，通过步骤5对其每次沥青混凝土的水力劈裂机理进行分析，并得出相应的结论。