CN104390863B - 一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明针对高堆石坝面膜或面板防渗结构蓄水运行后一定深度以下坝体上游面周边防渗膜常规锚固方式的部位或面板周边缝接缝柔性止水易产生的破坏现象，公开了一种模拟现场在上下不同接触材料条件下的变形破坏的柔性防渗接缝结构水力动态试验仪及试验方法。柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪主要由压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统组成。通过试验可揭示高面膜堆石坝一定水深防渗体周边锚固接缝处破坏的机理。

Description

一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪及试验方法

技术领域

本发明涉及柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪器及其试验方法，属于高面膜堆石坝膜防渗结构技术领域。

背景技术

水资源开发利用中的水库大坝采用土石材料筑坝的占了大部分比例，虽然其中大部分属于中低坝，但世界上最高的坝为土石坝。高堆石坝中的防渗体主要采用黏性土心墙或钢筋混凝土面板，而对于坝址地基为较深覆盖层时，只能采用黏土心墙(或斜心墙)连接地基混凝土防渗墙的型式。高黏土心墙堆石坝需在坝址附近采集黏土，不仅征地代价高，而且造成地表植被破坏，影响生态环境。采用高分子聚合物膜成的柔性防渗体可取代黏性土，不完全统计，至2010年全球至少有167座土石坝采用膜防渗。对于较高的面膜堆石坝，坝体受到自重和水压力作用后堆石材料将产生最大相对于坝高0.5％～1％的位移变形，铺设在坝面上的膜将随坝体一起位移，而膜的周边锚固在几乎不变形的岩体或混凝土体上，变形的坝体与几乎不变形的岩体之间相对于一条接缝，使膜在岩体或混凝土体与土石坝体的交界处很小的尺度内产生相对较大的拉伸变形，由于膜上下接触材料界面的约束，膜自身具有的很大延伸性也难以发挥作用，在坝面与岩体的接缝部位极易发生破坏，此处简称“接缝处破坏”。

“接缝处破坏”与该处承受水头、该处坝体变形量、膜与上下接触材料的界面特性以及膜自身物理力学特性有关，且随着水库初蓄水时水头的增加，膜的拉伸变形是一个动态过程。如何揭示“接缝处破坏”的机理并应用于工程实践，需要研制一种能将所考察接缝处的承受水头、该处坝体变形量、膜与上下接触材料的界面特性以及膜自身物理力学特性作为变量且能模拟动态过程的试验仪器，同时开发相应的试验方法。本发明“一种柔性防渗体接缝水力动态试验仪及试验方法”将使实现上述命题成为可能。

发明内容

本发明针对高面膜堆石坝周边接缝结构极易破坏但缺乏分析手段及方法提出一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪及试验方法。

一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，包括压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统，其特征在于上述压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统四个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统；

所述的压力室及进出水/气管阀系统由上压力室和下压力室，进出水管路及控制阀构成，上压力室和下压力室通过法兰盘连接；

所述的试样安装平台及规矩系统由带有4条轨道的浮筒、下压力室内壁垂直对称的4条竖直浮筒轨槽构成，浮筒通过轨道与下压力室内壁轨槽契合只能作上下直线移动；试样安装平台设置在浮筒顶部呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样，防渗膜试样由上压力室和下压力室通过法兰盘实现周边固定。

所述的位移和压力量测反馈控制系统由位移及压力传感器、反馈控制器构成。

所述的上、下压力容器内径均为500mm，设计压力2.2MPa，上压力室内高250mm，下压力室内高6500mm。

所述的浮筒外径499mm，高度300mm，浮筒顶部平台边缘设置壁厚2mm高度60mm的圈环，浮筒外壁设置垂直对称的4条竖直轨道，宽度9mm，中心点凸出高度3mm；下压力室内壁轨槽为宽度10mm，中心点深度3mm，与浮筒外壁轨道匹配。

所述的监视系统由水下摄像装置构成。

所述的柔性防渗体接缝结构水力动态仪的试验方法，主要步骤为：

(1)下压力室充一些水，将顶部安装垫层、柔性防渗体及其保护层的浮筒放入下压力室，调整水位，使柔性防渗体处于下压力室法兰盘的平面；

(2)下压力室通过法兰盘安装上压力室，柔性防渗体锚固在法兰盘内；

(3)给上压力室和下压力室充水加压，且上压力室的压力始终稍稍大于下压力室，直至上压力室的压力达到试验设计值停止加压；

(4)待压力值稳定一段时间后，下压力室徐徐降压，而上压力室同时加压，通过自动控制协调浮筒下降速率和上压力室加压速率，使浮筒平台下降过程中始终保持上压力室的压力处于试验设计压力值的正负5％以内；

(5)位移量测系统实时量测并记录浮筒平台的下降量，监测系统实时显示并记录柔性防渗体随浮筒下降发生变形以及垫层的情况(柔性防渗体与垫层之间是否发生相对位移)，直至柔性防渗体破坏。

技术效果

柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪可完全模拟面膜堆石坝的柔性防渗体周边锚固接缝处在坝体位移过程中防渗体的变形过程与状态，其突出优越性为：

(1)通过位移和压力量测反馈控制系统在上压力室水压力始终保持试验设计值的正负5％以内的条件下由上压力室和下压力室的压力差驱使浮筒试样安装平台向下移动，完全模拟了水库蓄水到某一水位时的坝体位移方式；

(2)在防渗膜试样上施加水压力，克服了现有模型箱试验通过液压加压板在试样上施加压力不能模拟水压力在试样与透水保护层之间不产生摩阻力的技术难题，使试验成果与工程实际吻合度产生质的提升；

(3)不仅能自动采集试验数据，而且可通过水下监视系统观察压力容器内试样变形直至破坏的全过程。

(4)柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪及其试验方法该研究领域的空白，具有原创性。

附图说明

图1是柔性防渗体接缝结构动态试验仪示意图。

图中1.试验仪支架2.下压力室3.下压力室法兰盘4.下压力室内壁4条对称的竖向轨槽5.下压力室进水管6.下压力室进水管控制阀(自控或手动)7.下压力室进水管压力传感器(或压力表)8.下压力室出水管9.下压力室出水管控制阀(自控或手动)10.下压力室出水管压力传感器(或压力表)11.下压力室顶部排气管12.下压力室排气管控制阀(自控或手动)13.浮筒及顶部平台固定垫层装置14.浮筒外壁的4条对称竖向轨道15.上压力室16.上压力室法兰盘17.上压力室进水管18.上压力室进水管控制阀(自控或手动)19.上压力室进水管压力传感器(或压力表)20.上压力室进水管流量计21.上压力室出水管22.上压力室出水管控制阀(自控或手动)23.上压力室出水管压力传感器(或压力表)24.上压力室顶部排气管25上压力室排气管控制阀26.上下压力室压力控制调节仪27.浮筒位移量测系统28.水下摄像系统29.控制电脑

具体实施方式

一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，包括压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统，其特征在于上述压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统四个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统；压力室及进出水/气管阀系统由上压力室15、下压力室2，进出水/气管路17、21、24、5、8和11及控制阀18、22、25、6、9、12和26构成，上压力室15、下压力室2通过法兰盘16和3连接；试样安装平台及规矩系统由带有4条轨道14的浮筒13、下压力室内壁垂直对称的4条竖直浮筒轨槽4构成，浮筒13通过轨道14与下压力室内壁轨槽4契合只能作上下直线移动；试样安装平台设置在浮筒顶部呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样试样，防渗膜试样由法兰盘16和3实现周边固定。位移和压力量测反馈控制系统由位移27及压力传感器19、23、7和10、反馈控制器26和29构成。上压力室15、下压力室2内径均为500mm，设计压力2.2MPa，上压力室内高250mm，下压力室内高6500mm。浮筒13外径499mm，高度300mm，浮筒13顶部平台边缘设置壁厚2mm高度60mm的圈环，浮筒13外壁设置垂直对称的4条竖直轨道14，宽度9mm，中心点凸出高度3mm；下压力室内壁轨槽4为宽度10mm，中心点深度3mm，与浮筒外壁轨道14匹配。

浮筒及顶部圆盘13和轨道14与下压力室内壁轨槽4构成试样安装平台及规矩系统，由于只能上下直线移动的浮筒13与上压力室15和下压力室2的内径仅相差1mm、浮筒轨道14宽度与下压力室内壁轨槽4宽度也近差1mm，所以均需需精密加工；由压力传感器19、23、7和10、进水控制阀18和6、数据采集仪、控制芯片26及软件组成位移27和压力量测反馈控制系统，这是试验仪最核心的系统；水下照明、水下摄像及监视器28组成实时水下监视系统。

上述柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪的试验方法：

将试验设计的防渗膜试样(外缘区域画有不同颜色、半径的同心圆)及其上下面垫层安装到图1中浮筒及顶部平台固定垫层装置13，然后将浮筒4条对称竖向轨道14对准下压力室2的4条对称竖向轨槽4，放入下压力室2,；关闭下压力室出水管控制阀9，打开下压力室进水管控制阀6，向下压力室2内充水；当浮筒顶部的防渗膜试样与下压力室顶部法兰盘3顶部齐平时，停止充水；将防渗膜试样铺设在下压力室顶部法兰盘3上，将上压力室15通过法兰盘16和法兰盘3安装在下压力室上，再将上下法兰盘16和3闭合拧紧；打开上压力室顶部排气管24和上压力室进水管控制阀18，关闭上压力室出水管控制阀22，向上压力室内充水，同时根据上压力室进水管流量计20得到单位时间内的进水量，向下压力室充水(此时打开下压力室顶部排气管11，排气完毕即关闭)以抵消上压力室增加的水重，使防渗膜试样处于水平状态；上下压力室同步充水，保持上压力室的压力稍稍大于下压力室，使防渗膜试样不至于上抬，保持稍有微凹的水平状态，直至压力值达到试验设计值；徐徐打开下压力室出水管控制阀9，使下压力室压力徐徐下降，同时上压力室继续充水，通过自动控制协调浮筒下降速率和上压力室加压速率，使浮筒平台下降过程中始终保持上压力室的压力处于试验设计压力值的正负5％以内；此时，支撑浮筒逐渐下沉，防渗膜试样在上下垫层的约束下边缘处发生拉伸变形，变形增大直至破坏；在浮筒下沉过程中，由浮筒位移量测系统26量测浮筒的下沉量，由监测系统27显示防渗膜试样的变形过程与上下垫层的性态；通过观察防渗膜试样外缘区域的同心圆分析垫层界面的约束作用，通过浮筒下沉量的量测值确定对应承受水头的防渗膜试样的拉伸极限伸长量。

当采用较小试验水压力值时，垫层对于防渗膜试样的约束很小或者尚未产生，此时，即使筒同样达到上述高压力值时的下沉量，防渗膜试样则不一定发生破坏。通过试验可以确定这个使某种垫层之间的某种防渗膜试样在试验仪中发生破坏的临界水压力值。

Claims (5)

1.一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，包括压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统，其特征在于上述压力室及进出水/气管阀系统、试样安装平台及规矩系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统四个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统；

所述的压力室及进出水/气管阀系统由上压力室、下压力室，进出水管路及控制阀构成，上压力室和下压力室通过法兰盘连接；

所述的试样安装平台及规矩系统由带有4条轨道的浮筒、下压力室内壁垂直对称的4条竖直浮筒轨槽构成，浮筒通过轨道与下压力室内壁轨槽契合只能作上下直线移动；试样安装平台设置在浮筒顶部呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样，防渗膜试样由上压力室法兰盘和下压力室法兰盘实现周边固定；

所述的位移和压力量测反馈控制系统由位移量测系统及压力传感器、反馈控制器构成。

2.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，其特征在于上压力室和下压力室的内径均为500mm，设计压力2.2MPa，上压力室内高250mm，下压力室内高6500mm。

3.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，其特征在于所述的浮筒外径499mm，高度300mm，浮筒顶部平台边缘设置壁厚2mm高度60mm的圈环，浮筒外壁设置垂直对称的4条竖直轨道，宽度9mm，中心点凸出高度3mm；下压力室内壁轨槽为宽度10mm，中心点深度3mm，与浮筒外壁轨道匹配。

4.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪，其特征在于所述的监视系统由水下摄像装置构成。

5.根据权利要求1所述的一种柔性防渗体接缝结构水力动态试验仪的试验方法，主要步骤为：

(1)下压力室充一些水，将顶部安装垫层、柔性防渗体及其保护层的浮筒放入下压力室，调整水位，使柔性防渗体处于下压力室法兰盘的平面；

(2)在下压力室法兰盘上安装带有法兰盘的上压力室，柔性防渗体锚固在法兰盘内；

(3)给上压力室和下压力室充水加压，且上压力室的压力始终稍稍大于下压力室，直至上压力室的压力达到试验设计值停止加压；

(4)待压力值稳定一段时间后，下压力室徐徐降压，而上压力室同时加压，通过自动控制协调浮筒下降速率和上压力室加压速率，使浮筒平台下降过程中始终保持上压力室的压力处于试验设计压力值的正负5％以内；

(5)位移量测系统实时量测并记录浮筒平台的下降量，监视系统实时显示并记录柔性防渗体随浮筒下降发生变形以及垫层的情况，直至柔性防渗体破坏。