CN105699257B - 一种适用于土石接触面渗透破坏的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于土石接触面渗透破坏的试验装置及其试验方法，包括压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；所述的土石接触面渗透破坏试验仪包括一个底座，在所述的底座顶部设有土石接触面渗透破坏模拟室，所述的土石接触面渗透破坏模拟室的底部设有一个集土器，所述土石接触面渗透破坏模拟室的外圈设有一个对土石接触面渗透破坏模拟室的试样实施围压的压力室；所述的压力加载系统包括围压加载系统和水压加载系统，所述的水压加载系统与土石接触面渗透破坏模拟室的入水口相连，所述的围压加载系统与压力室的围压水入口相连。

Description

一种适用于土石接触面渗透破坏的试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于水利技术领域，具体涉及土石接触面渗透破坏试验装置及其试验方法。

背景技术

由于我国地域辽阔，河流湖泊众多，土石坝作为挡水建筑物，由于坝体材料主要是土石材料，方便就地取材，而且结构简单、方便施工、工期短、目前成为我国应用较为广泛的坝体结构。由于松散的土石材料填筑，在长期水流的冲击下，渗流通过坝身或坝基时，若渗流的渗透坡降大于临界坡降，土体经常会发生渗透破坏，导致土坝失事。坝体与坝基的接触面或土坝心墙与基岩的接触面，一旦在某种外力作用下产生裂缝就容易发生土石接触面渗透破坏。因此，对土石接触面渗透破坏产生的原因和发展过程的研究已成为影响闸坝等水工建筑物能否安全运行的重要课题。一般来说，地表水流的冲刷破坏常会引起人们的关注，也比较容易发现和挽救。而地下水的渗流冲刷目不能见，常被忽视，有时问题一经发现，会迅速导致工程的破坏，难以补救。针对工程实例，土石接触面渗透破坏一般采用室内试验。但是目前为止适用于坝体土料与穿坝建筑物或岩基土石接触面渗透破坏的研究较少，适用于土石接触面渗透破坏的试验装置更是少有人研究。

发明内容

本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供土石接触面渗透破坏试验装置及方法。

为了达成上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种土石接触面渗透破坏试验装置，包括压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪，

所述的土石接触面渗透破坏试验仪包括一个底座，在所述的底座顶部设有土石接触面渗透破坏模拟室，所述的土石接触面渗透破坏模拟室的底部设有一个集土器，土石接触面渗透破坏模拟室放置在一个压力室内，所述的压力室对土石接触面渗透破坏模拟室实施围压；

所述的压力加载系统包括围压加载系统和水压加载系统，所述的水压加载系统与土石接触面渗透破坏模拟室的入水口相连，所述的围压加载系统与压力室的围压水入口相连。

所述的压力室为由上盖板、下底板、上隔水板、柔性内壁、下隔水板和刚性外壁围成的环状空腔结构；上隔水板、柔性内壁、下隔水板在纵向方向上依次连接形成内壁，所述刚性外壁环绕在内壁外圈，同时在上盖板上设有围压水入口。

所述的土石接触面渗透破坏模拟室包括安装在压力室底部的下透水板，与下透水板相对的设置上透水板，上透水板、下透水板之间通过所述的柔性内壁连接成一个封闭的空间，试验时，在封闭空间内设置用于实验的混凝土和试验土样；上透水板的上方设置一个土石接触面渗透破坏模拟室上盖板，上盖板与上透水板之间通过所述的上隔水板形成一个封闭空间，该封闭空间设有土石接触面渗透破坏模拟室出水口。

进一步的，在所述的上透水板底部和下透水板顶部设置测压管。

进一步的，所述的混凝土的内侧壁设有渗压计。

进一步的，在下透水板的下方设置一个过水桶，在过水桶内安装一个斜透水板。

进一步的，所述的围压加载系统包括围压供水瓶、竖向导轨和电动提升装置；所述的电动提升装置驱动围压供水瓶沿着竖向导轨上、下运动，所述的围压供水瓶通过水管与围压水入口相连。所述竖向导轨保证供水瓶竖直方向的平动，所述电动提升装置用于提升供水瓶，使供水瓶内的水位提升增加围压。

进一步的，所述的水压加载系统包括水压供水瓶、竖向导轨、溢流箱和电动提升装置组成，所述的电动提升装置驱动围压供水瓶沿着竖向导轨上、下运动，水压供水瓶的出水口与土石接触面渗透破坏模拟室的入水口相连，所述的水压供水瓶的入水口连接水源，所述的水压供水瓶的溢流口与溢流箱相连。

上述装置的无围压土石接触面渗透破坏试验方法，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪，其中柔性内壁采用有机玻璃板代替；

(2)浇筑水泥块，将预制好的水泥块以及土样填筑在土石接触面渗透破坏模拟室内；

(3)开始逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

上述装置的有围压土石接触面渗透破坏试验方法，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；

(2)浇筑水泥块；将预制好的水泥块以及土样填筑在土石接触面渗透破坏模拟室内；

(3)根据试验需要先施加所需的围压，开始逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

上述装置的粗粒土渗透破坏试验方法，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；其中柔性内壁采用刚性玻璃板或钢板代替。

(2)直接填筑试验土样；

(3)开始逐步增大水压力，开始逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

本发明的有益效果是：

1、本发明提出了一种针对土石坝与穿坝建筑物土石接触面渗透破坏的试验装置及其试验方法，适用于研究土石坝坝体土质填料与穿坝建筑物以及粗粒土渗透破坏。

2、本发明可以应用于监测不同尺寸的试验材料，对试验材料的限制极小。

3、模型加工方便，易于拆卸和搬运，可以重复利用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1试验装置整体图；

图2压力加载装置；

图3土石接触面渗透破坏试验仪主视图；

图4土石接触面渗透破坏试验仪侧视图；

图5土石接触面渗透破坏试验仪俯视图。

图中1.压力加载系统、2.土石接触面渗透破坏试验仪、3.水压加载系统、4.围压加载系统、5.水压空水瓶、6.竖向导轨、7.竖向提升装置、8.溢流箱、9.入水口、10.出水口、11.溢流口、12.围压供水瓶、13.围压供水瓶出水口、14底座、15集土器、16土石接触面渗透破坏模拟室、17压力室、18土石接触面渗透破坏模拟室入水口、19过水桶、20斜透水板、21下透水板、22混凝土、23土质试样、24上透水板、25土石接触面渗透破坏模拟室出水口、26测压管、27渗压计、28土石接触面渗透破坏模拟室上盖板、29柔性内壁、30上隔水板、31刚性外壁、32下隔水板、33底部挡板、34围压入水口、35围压上盖板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1-5所示，一种土石接触面渗透破坏试验装置从左到右包括压力加载系统1和土石接触面渗透破坏试验仪2两部分。

土石接触面渗透破坏试验仪2包括一个底座14，在所述的底座14顶部设有土石接触面渗透破坏模拟室，所述的土石接触面渗透破坏模拟室的底部设有一个集土器15，土石接触面渗透破坏模拟室放置在一个压力室17内，所述的压力室17对土石接触面渗透破坏模拟室实施围压；

所述的压力加载系统包括围压加载系统和水压加载系统，所述的水压加载系统与土石接触面渗透破坏模拟室入水口18相连，所述的围压加载系统与压力室的围压水入口34相连。

具体的结构如下：

如图2所示，压力加载系统包括水压加载系统3和围压加载系统4两部分，水压加载系统3包括水压供水瓶5、竖向导轨6、竖向提升装置7和溢流箱8组成。水压供水瓶4设入水口9、出水口10和溢流口11。溢流口11用以保持水压供水瓶5的水位保持在同一水平，溢流口11与溢流箱8之间通过水管连接，溢流箱8用以盛装水压供水瓶5中的溢流水。围压加载装置包括围压供水瓶12、竖向导轨6和竖向提升装置7。围压供水瓶12只设围压供水瓶出水口13，在试验前即注满水。压力加载系统1中的竖向提升装置7采用电动龙门吊。

如图3所示，为土石接触面渗透破坏试验仪从下到上包括底座14、集土器15、土石接触面渗透破坏模拟室16、压力室17组成。在土石接触面渗透破坏模拟室16底部开口安装集土器15，集土器15用来盛装在试验过程中由于水的冲刷作用而掉落的土粒防止土粒悬浮在水流中影响试验结果。

土石接触面渗透破坏模拟室从下到上包括土石接触面渗透破坏模拟室入水口18、过水桶19、斜透水板20、下透水板21、混凝土22、土质试样23、上透水板24、土石接触面渗透破坏模拟室出水口25、测压管26、渗压计27和土石接触面渗透破坏模拟室上盖板28。

在过水桶19内安装一个斜透水板20，过水桶19与斜透水板20作用是滤去水中的气泡防止水中气泡对试验的影响。下透水板21安装在压力室底部，与下透水板相对的设置上透水板24，上透水板24、下透水板21之间通过所述的柔性内壁连接成一个封闭的空间，试验时，在封闭空间内设置用于实验的混凝土和试验土样；

上透水板的上方设置一个土石接触面渗透破坏模拟室上盖板28，上盖板与上透水板之间通过所述的上隔水板形成一个封闭空间，该封闭空间设有土石接触面渗透破坏模拟室出水口。

压力室17包括柔性内壁29、上隔水板30、刚性外壁31、下隔水板32、底部挡板33和围压入水口34组成。其中底部挡板33与过水桶19刚性连接防止围压导致的模型变形。底部挡板33、下隔水板32和过水桶19之间刚性连接。上隔水板30和刚性外壁31之间刚性连接。土石接触面渗透破坏模拟室上盖板28与上隔水板30之间通过螺栓连接。柔性内壁29采用透明乳胶膜，当试验工况不需要施加围压时，柔性内壁可采用透明有机玻璃板。柔性内壁29与上隔水板30和下隔水板32采用粘结紧密防止土石接触面渗透破坏模拟室16与压力室17之间水的流动.

本发明试验装置的安装方法如下：

步骤1组装竖向导轨，安装水压供水瓶与围压供水瓶、安装溢流箱；

步骤2安装土石接触面渗透破坏模拟室底座、过水桶、集土器和斜透水版；

步骤3安装压力室的底部挡板、刚性外壁、下隔水板、上隔水板；

步骤4安装压力室围压上盖板；

步骤5安装压力室柔性内壁；

步骤6安装下透水石并将预制好的水泥块以及土样填筑在土石接触面渗透破坏模拟室并安装上透水石以及土石接触面渗透破坏模拟室上盖板；

步骤7使用水管将压力加载系统的出水口和土石接触面渗透破坏试验仪的进水口连接；

步骤8提升围压供水瓶施加围压，待围压供水瓶水面稳定，提升水压供水瓶施加水压并记录渗压计度数和测压孔读数。

利用上述装置进行试验的方法如下：

1、无围压土石接触面渗透破坏试验

(1)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装压力加载系统

(2)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装土石接触面渗透破坏试验仪，其中柔性内壁采用有机玻璃板代替。

(3)浇筑水泥块(用以代替穿坝建筑物)，水泥标号采用PO32.5，水灰比采用0.4；

(4)开始逐步增大水压力，水压力的施加共分为10级，每级0.01Mpa(每级提升供水瓶1m)，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(5)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

2、有围压土石接触面渗透破坏试验

(1)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装压力加载系统

(2)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装土石接触面渗透破坏试验仪

(3)浇筑水泥块(用以代替穿坝建筑物)，水泥标号采用PO32.5，水灰比采用0.4；

(4)根据试验需要先施加所需的围压，开始逐步增大水压力，水压力的施加共分为10级，每级0.01Mpa(每级提升供水瓶1m)，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(5)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

3、粗粒土渗透破坏试验

(1)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装压力加载系统

(2)按照土石接触面渗透破坏试验装置安装方法组装土石接触面渗透破坏试验仪，其中柔性内壁采用刚性玻璃板或钢板代替。

(2)直接填筑试验土样土样

(3)开始逐步增大水压力，水压力的施加共分为10级，每级0.01Mpa(每级提升供水瓶1m)，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系。对于每级水压力，当渗流量稳定不变后才施加下一级水压力

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，既表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力可得临界渗透坡降。这时仍可继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种适用于土石接触面渗透破坏的试验装置，其特征在于，包括压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；

所述的土石接触面渗透破坏试验仪包括一个底座，在所述的底座顶部设有土石接触面渗透破坏模拟室，所述的土石接触面渗透破坏模拟室的底部设有一个集土器，所述土石接触面渗透破坏模拟室的外圈设有一个对土石接触面渗透破坏模拟室的试样实施围压的压力室；

所述的压力加载系统包括围压加载系统和水压加载系统，所述的水压加载系统与土石接触面渗透破坏模拟室的入水口相连，所述的围压加载系统与压力室的围压水入口相连；

所述的压力室为由上盖板、底部挡板、上隔水板、柔性内壁、下隔水板和刚性外壁围成的环状空腔结构；上隔水板、柔性内壁、下隔水板在纵向方向上依次连接形成内壁，所述刚性外壁环绕在内壁外圈，同时在上盖板上设有围压水入口；

所述的土石接触面渗透破坏模拟室包括安装在压力室底部的下透水板，与下透水板相对的设置上透水板，上透水板、下透水板之间通过所述的柔性内壁连接成一个封闭的空间，试验时，在封闭空间内设置用于实验的混凝土和试验土样；上透水板的上方设置一个土石接触面渗透破坏模拟室上盖板，上盖板与上透水板之间通过所述的上隔水板形成一个封闭空间，该封闭空间设有土石接触面渗透破坏模拟室出水口；

在所述的上透水板底部和下透水板顶部设置测压管；所述的混凝土的内侧壁设有渗压计；

所述的围压加载系统包括围压供水瓶、竖向导轨和电动提升装置；所述的电动提升装置驱动围压供水瓶沿着竖向导轨上、下运动，所述的围压供水瓶通过水管与围压水入口相连；

在下透水板的下方设置一个过水桶，在过水桶内安装一个斜透水板，所述的水桶上设有一个土石接触面渗透破坏模拟室的入水口；

底部挡板、下隔水板和过水桶之间刚性连接，柔性内壁与上隔水板和下隔水板采用紧密粘结。

2.如权利要求1所述的适用于土石接触面渗透破坏的试验装置，其特征在于，所述的水压加载系统包括水压供水瓶、竖向导轨、溢流箱和电动提升装置，所述的电动提升装置驱动围压供水瓶沿着竖向导轨上、下运动，水压供水瓶的出水口与土石接触面渗透破坏模拟室的入水口相连，所述的水压供水瓶的入水口连接水源，所述的水压供水瓶的溢流口与溢流箱相连。

3.如权利要求1-2任一所述试验装置的无围压土石接触面渗透破坏试验方法，其特征在于，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪，其中柔性内壁采用有机玻璃板代替；

(2)浇筑水泥块；将预制好的水泥块以及土样填筑在土石接触面渗透破坏模拟室内；

(3)打开水压加载系统，对试样逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系；

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，即表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力得出临界渗透坡降，此时继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

4.如权利要求1-2任一所述试验装置的有围压土石接触面渗透破坏试验方法，其特征在于，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；

(2)浇筑水泥块；将预制好的水泥块以及土样填筑在土石接触面渗透破坏模拟室内；

(3)根据试验需要先施加所需的围压，然后开始逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系；

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且黏土芯未出现任何破坏迹象时，即表明黏土与沥青混凝土之间发生渗透破坏，由相应的水压力得出临界渗透坡降，此时继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。

5.如权利要求1-2任一所述试验装置的粗粒土渗透破坏试验方法，其特征在于，如下：

(1)安装压力加载系统和土石接触面渗透破坏试验仪；其中柔性内壁采用刚性玻璃板或钢板代替；

(2)在土石接触面渗透破坏模拟室内直接填筑试验粗粒土样；

(3)打开水压加载系统，逐步增大水压力，并进行渗流量测试，得出水压力和渗流量的关系；

(4)当水压力增大到一定数值，水压力–渗流量关系发生明显变化，且粗粒土芯未出现任何破坏迹象时，即表明粗粒土发生渗透破坏，由相应的水压力得出临界渗透坡降，此时继续增大水压力，直至模型渗流量激增、水压力无法保持时试验终止。