CN108344544B - 一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法，它解决了现有技术中存在复合土工膜缺陷渗漏量的测量精度不高、与实际数据有偏差、应用范围局限的问题，具有结构简单、便于操作、可用于测量复合土工膜缺陷渗漏量且测量精度高的效果；其技术方案为：包括自动抬升水头装置和盛土器，自动抬升水头装置与盛土器顶部连通，用于调节施加至盛土器内部的水头压力；盛土器的内部从下至上依次配置中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层、复合土工膜、中粗砂透水层；盛土器的底部由基座支撑，基座的内部具有与盛土器底部第二排水口相对的量筒，通过量筒测量渗流量。

Description

一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法

技术领域

本发明涉及土木工程领域，尤其涉及一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法。

背景技术

复合土工膜是由土工膜和土工织物复合而成的一种不透水材料，具有抗穿刺能力高、摩擦系数大、耐老化性能好、抗排水能力强、适应环境温度范围大等特点，已广泛应用于水利、化工、建筑、交通、地铁、隧道、垃圾处理场等工程。但在土石坝防渗应用中，由于防渗水头较大，易造成复合土工膜的缺陷(造成复合土工膜缺陷渗漏的因素还有很多：自身材质问题、施工过程中的损坏、焊缝连接不牢等)，从而导致土石坝渗流破坏及甚至影响整体稳定性。

因此，研究复合土工膜缺陷渗漏对坝体渗流的影响很有必要。现大量研究学者已对缺陷渗漏给出了很多经验及解析公式，但由于公式前提假设过于局限，与实际工程测得数据有偏差，并不能广泛应用于所有工程中。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法，其具有结构简单、便于操作、可用于测量复合土工膜缺陷渗漏量的效果。

本发明采用下述技术方案：

一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，包括自动抬升水头装置和盛土器，自动抬升水头装置与盛土器顶部连通，用于调节施加至盛土器内部的水头压力；

盛土器的内部从下至上依次配置中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层、复合土工膜、中粗砂透水层；

盛土器的底部由基座支撑，基座的内部具有与盛土器底部第二排水口相对的量筒，通过量筒测量渗流量。

进一步的，所述自动抬升水头装置包括提升机构和内部设有浮球阀装置的水箱，水箱的顶部由提升机构悬吊；水箱的底部设有进水管，水箱一侧具有溢流口，所述溢流口通过水管连接盛土器的第一排水口。

进一步的，所述提升机构包括支架，支架的内部顶端安装卷扬机，卷扬机通过钢丝绳连接的挂钩吊装水箱。

进一步的，所述支架的两侧设有可滑动的刻度尺。

进一步的，所述盛土器包括有机玻璃制成的桶体，桶体的顶部通过密封垫圈安装顶盖；所述桶体的侧面对应于中粗砂透水层的位置分别设有排气管，排气管配置止水夹。

进一步的，所述试验填土的四周向外侧填充防渗黏土层。

进一步的，所述盛土器内部填充的土层之间铺设纱布。

进一步的，所述复合土工膜采用两布一膜，在复合土工膜中间位置设置不同形状、大小的缺陷。

一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验方法，包括以下步骤：

步骤(1)配土：

根据最优含水率按照设定比例制备试验填土，将混合均匀的填土放置于密闭容器内密封设定时间，使混合土中的水分均匀分布；测量所述填土的含水率，达到最优含水率后即可使用；否则继续密封操作；

制备黏土方法同上；

步骤(2)填土：

在洁净干燥的桶体内部底层放置第一层纱布，在第一层纱布上部平铺设定厚度的干燥中粗砂，加水至中粗砂表面后刮平；放置第二层纱布，在第二层纱布上部分多层填入试验填土；

步骤(3)饱和：

首先对中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层进行水头饱和；然后在中粗砂垫层上部铺设复合土工膜，再对复合土工膜上部的中粗砂透水层进行水头饱和；

步骤(4)施加水头：

将水箱侧面的溢流口用水管连接到盛土器顶部第一排水口，由上往下施加水压，水经复合土工膜、试验填土从桶体底部第二排水口流入量筒内，测定设定时间内的渗流量；

步骤(5)数据处理：

每间隔设定时间测量一次渗流量，记录测定时间，取多次测量平均值，计算出不同高度水头下的渗流速度。

进一步的，所述步骤(2)中，填土时分5层填入，每层填土前先进行黏土护壁，再填入混合土击实，各层填土间要凿毛，避免分层。

进一步的，所述步骤(4)中，对每个设定的缺陷孔径，可测定不同水头高度下的渗流量；为使渗流达到一个稳定的状态，规定在给定水压24小时后再开始记录渗流量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明的试验装置可根据不同实际情况设定不同水头和缺陷大小，模拟现场工况测量复合土工膜的缺陷渗漏量，结构简单、易于拆卸、便于操作、可以重复利用；

(2)本发明填土过程中采用黏土护壁，有效防止水不从填土渗流而从土体与仪器壁之间流走；

(3)本发明设置自动抬升水头装置，可自动提供水头，而且高度可调，大大提高了工作效率。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的盛土器结构示意图；

图3为本发明的自动抬升水头装置结构示意图；

图4为本发明的水箱内部结构示意图；

其中，1-基座，2-盛土器，3-自动抬升水头装置，4-桶体，5-顶盖，6-排气管，7-第二排水口，8-螺栓，9-密封垫圈，10-量筒，11-复合土工膜，12-下层中粗砂透水层，13-中粗砂垫层，14-黏土层，15-第一排水口，16-水箱，17-支架，18-钢丝绳，19-卷扬机，20-刻度尺，21-溢流口，22-进水管，23-浮漂，24-连杆，25-柱塞阀，26-上层中粗砂透水层。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在复合土工膜缺陷渗漏量的测量精度不高、与实际数据有偏差、应用范围局限的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置及方法。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1-图4所示，提供了一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，包括自动抬升水头装置3、盛土器2和基座1，自动抬升水头装置3与盛土器2通过水管连通，盛土器2的底部由基座1支撑。

所述基座1由两块间隔一定距离的混凝土柱构成，其采用C30普通混凝土浇筑而成。

优选地，所述混凝土柱为长50cm、宽40cm、高40cm的矩形结构。

所述盛土器2稳定放置于两块混凝土柱的上部，盛土器2包括顶部开口的桶体4和顶盖5，桶体4与顶盖5之间设置密封垫圈9，顶盖5与桶体4通过螺栓8连接；顶盖5的顶部中心位置开有第一排水口15，桶体4的底部设有第二排水口7，第二排水口7的下侧设有量筒10，所述量筒10位于两块混凝土柱之间。

所述桶体4和顶盖5采用透明材质制成。

优选地，所述桶体4和顶盖5由有机玻璃制成，所述桶体4为圆柱形。

优选地，所述密封垫圈9为橡胶垫圈。

所述桶体4内部填充根据实际工况放置相应土层和复合土工膜11，从下往上依次填充下层中粗砂透水层12、试验填土、中粗砂垫层13、复合土工膜11、上层中粗砂透水层26。

其中，上层中粗砂和下层粗砂为砂透水层，可使砂土结合更紧密，防止复合土工膜11承受水流的局部冲刷；下层中粗砂透水层12和上层中粗砂垫层26起到过滤作用，并对复合土工膜11起到保护作用。

填土时采用黏土护壁，即在试验填土外围放置一层防渗黏土层14，保证黏土渗透系数小于填土，使黏土、试验填土、桶体4结合更紧密，防止填土与桶体4壁之间发生接触渗流。

复合土工膜11采用两布一膜，在复合土工膜11中间位置根据试验设计方案设置缺陷形状及大小。

所述桶体4的一侧对应于下层中粗砂透水层12上部和上层中粗砂透水层26下部位置分别设有排气管6，所述排气管6上设置止水夹，排气管6用于饱和阶段排出气体。

下层中粗砂透水层12、试验填土、中粗砂垫层13、复合土工膜11、上层中粗砂透水层26的各层之间均铺设纱布，纱布与桶体4底部尺寸一致，在试验中起到分隔及防止砂土被水冲出、冲散的作用。

优选地，所述纱布采用400目纱布。

所述自动抬升水头装置3包括水箱16及其提升机构，水箱16的底部具有进水管22，通过进水管22连接外部供水装置；水箱16的侧面具有溢流口21，水箱16可通过溢流口21连接水管以与顶盖5的第一排水口15相连，所述水管上设置供水阀门。

所述提升机构包括支架17和卷扬机19，支架17为金属材质，其焊接呈门型结构，支架17的顶部内侧安装卷扬机19，卷扬机19上绕制钢丝绳18，钢丝绳18的一端连接挂钩，通过挂钩吊装水箱16。

其中，水箱16的顶部两端连接牵引绳，牵引绳与挂钩相连接；卷扬机19开关开启时，卷扬机19工作，拉动钢丝绳18抬升水箱16，达到所需位置后关闭开关即可。

所述支架17的两侧具有可滑动的刻度尺20，刻度尺20通过滑动机构与支架17相连，用于衡量抬高水头高度。

优选地，所述刻度尺20通过滑轮与支架17连接。

所述水箱16内部设有浮球阀装置，所述浮球阀装置包括浮漂23、连杆24和柱塞阀25，柱塞阀25安装于水箱16内壁上，所述连杆24一端与柱塞阀25相连，连杆24另一端连接浮漂23；柱塞阀连接控制其通断的结构(通过现有技术实现)。

所述浮漂23随水面上涨而上升，当水面上升至一定位置时，连杆24支起，末端相连的柱塞阀25随之关闭；当水位下降时，浮漂23也下降，连杆24又带动柱塞阀25开启。

本申请的试验过程为：

步骤(1)配土：

将粉土和黏土按照3:7比例配制混合土，加入适量水至混合土达到最优含水率(通过击实试验获取)，将混合搅拌均匀的混合土放置在密闭塑料桶内闷24小时，使混合土中的水分均匀分布。

试验前重测含水率，达到最优含水率即可使用，否则重复上述步骤。同理，取最优含水率制备黏土，配好后放置密闭塑料桶内闷36小时。

步骤(2)填土：

采用分层填土方式；首先在洁净干燥的桶体4底部放第一层400目纱布，在第一层400目纱布上部铺设4cm厚度的干燥中粗砂，平铺后倒水至中粗砂表面，用刮刀将其表面刮平后，放置第二层400目纱布。

填土时分5层填入，每层填土前先进行黏土护壁，再填入混合土击实，各层填土间要凿毛，避免分层。

具体操作为：先将制好的紧密黏土泥团绕仪器壁排成一圈，用击实器将其砸实至4cm高，侧面厚度取1.5cm，将多余部分割掉后，将称好的混合土倒入黏土圆环内铺平击实，击实过程中要把砸出黏土圆环内的混合土掏空，第一层填土完成；第二层至第五层方法同第一层，每层填土高度4cm。

步骤(3)饱和：

饱和方式采取水头饱和，由于铺复合土工膜11后饱和速度慢，因此，将饱和过程分为两个阶段。

在铺复合土工膜11之前，先对下层中粗砂透水层12、混合土、中粗砂垫层13进行水头饱和；铺上复合土工膜11后，再对上层中粗砂透水层26进行饱和；这种方法比一次性饱和效率高，并能提升饱和度。

第一阶段饱和：在填土上部铺设第三层400目纱布，在第三层400目纱布上平铺一层干燥的中粗砂作为复合土工膜垫层(即中粗砂垫层13)，倒入适量水至砂上表面，有利于排出砂中残余气体，加速饱和；放置第四层400目纱布后用打好孔的有机玻璃板盖住，并打胶固定，胶干24小时后用重物压重，防止饱和过程中土体发生位移。

将水箱16与桶体4底部第二排水口7相连，以下层中粗砂透水层12底部为界，逐级抬升水头高度，每级抬高10cm，每三天抬升一级，保证每级完全饱和后再进入下一级。连续抬升三级后，最后一次抬高水头高出中粗砂垫层1m，饱和两天，直至有机玻璃板顶部有水溢出。

饱和初期，打开下排气管6的止水阀，排出下层粗砂透水层12中的气体，待排气管中无气泡且有水流均匀流出时，关掉止水阀；当上部有机玻璃板有水流出时，第一阶段饱和完成，关掉供水阀门。

第二阶段饱和：将上层重物和有机玻璃板取下，并清理干净桶体4壁的残余玻璃胶，铺上带有5mm缺陷孔径的复合土工膜11(缺陷孔径可自行设定)，复合土工膜11与桶体4内壁打胶干燥24小时后，放第五层400目纱布，在第五层400目纱布上平铺一层4cm厚度干燥中粗砂，将桶体4填满，倒入水至砂层上表面后将表面刮平，放置第六层400目纱布，在顶盖5与桶体4间放上密封垫圈9，使其结合紧密；最后用螺栓8将顶盖5拧紧，打开供水阀门。

以顶盖5为界，抬升1m水头，打开下排气管6的止水阀，再次排空下层粗砂透水层中气体，待下排气管无气体排出且有水均匀流出后，关闭下止水阀；打开上排气管6的止水阀，排空填土、中粗砂垫层13及上层中粗砂透水层26中气体，待上排气管6无气体排出且有水流均匀流出后，关闭止水阀；继续饱和，直至桶体4顶部第一排水口15有水流均匀流出，饱和完成。

步骤(4)施加水头：

将水箱16侧壁的溢流口21用水管连接到顶盖5上的第一进水口15，由上往下施加水压，水头高度可根据设计工况设定。

水经复合土工膜11、填土从桶体4底部第二排水口7流出，量筒10对准第二排水口7放置，每隔一段时间测定一次渗流量，测定多组数据。

为使测得渗流量更加准确，测量应在给定水压24小时后再开始记录。

以缺陷孔径5mm为例，第一天施加1m的水头，24小时内保持1m水头但不进行测量，使渗流达到稳定后，第二天开始测量，每一个小时测量一次，每次测量10min的渗漏量，共测10组数据。

同样方法，第二天1m水头测量结束后将水头抬高至2m，24小时内保持2m水头不变，待渗流稳定后，每间隔每小时测量一次。

以此类推，得到3m、4m、5m水头下的渗流量。

步骤(5)数据处理：

缺陷渗漏流速表示为：v＝Q/t；

式中，v为渗流速度，Q为测量时间内渗流量，t为测量时间。

取十次测量数据的平均值作为5mm缺陷孔径、1m水头下的缺陷渗漏流速，2m、3m、4m、5m水头下测得的数据处理方法同上。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，其特征在于，包括自动抬升水头装置和盛土器，自动抬升水头装置与盛土器顶部连通，用于调节施加至盛土器内部的水头压力；

盛土器的内部从下至上依次配置中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层、复合土工膜、中粗砂透水层；在根据设计工况设定施加水头前，需进行水头饱和，具体为：首先对中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层进行水头饱和；然后在中粗砂垫层上部铺设复合土工膜，再对复合土工膜上部的中粗砂透水层进行水头饱和；

盛土器的底部由基座支撑，基座的内部具有与盛土器底部第二排水口相对的量筒，通过量筒测量渗流量；

所述自动抬升水头装置包括提升机构和内部设有浮球阀装置的水箱，水箱的顶部由提升机构悬吊；水箱的底部设有进水管，水箱一侧具有溢流口，所述溢流口通过水管连接盛土器的第一排水口；

所述盛土器包括有机玻璃制成的桶体，桶体的顶部通过密封垫圈安装顶盖；所述桶体的侧面对应于中粗砂透水层的位置分别设有排气管，排气管配置止水夹；

所述试验填土的周向外侧填充防渗黏土层；具体的，填土时采用黏土护壁，即在试验填土外围放置一层防渗黏土层，保证黏土渗透系数小于填土，使黏土、试验填土、桶体结合更紧密，防止填土与桶体壁之间发生接触渗流；

缺陷渗漏流速表示为：v＝Q/t；

式中，v为渗流速度，Q为测量时间内渗流量，t为测量时间。

2.根据权利要求1所述的一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，其特征在于，所述提升机构包括支架，支架的内部顶端安装卷扬机，卷扬机通过钢丝绳连接的挂钩吊装水箱。

3.根据权利要求2所述的一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，其特征在于，所述支架的两侧设有可滑动的刻度尺。

4.根据权利要求1所述的一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，其特征在于，所述盛土器内部填充的土层之间铺设纱布。

5.根据权利要求1所述的一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验装置，其特征在于，所述复合土工膜采用两布一膜，在复合土工膜中间位置设置不同形状、大小的缺陷。

6.一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的试验装置，包括以下步骤：

步骤(1)配土：

根据最优含水率按照设定比例制备试验填土，将混合均匀的填土放置于密闭容器内密封设定时间，使混合土中的水分均匀分布；测量所述填土的含水率，达到最优含水率后即可使用；否则继续密封操作；

步骤(2)填土：

在洁净干燥的桶体内部底层放置第一层纱布，在第一层纱布上部平铺设定厚度的干燥中粗砂，加水至中粗砂表面后刮平；放置第二层纱布，在第二层纱布上部分多层填入试验填土；

步骤(3)饱和：

首先对中粗砂透水层、试验填土、中粗砂垫层进行水头饱和；然后在中粗砂垫层上部铺设复合土工膜，再对复合土工膜上部的中粗砂透水层进行水头饱和；

步骤(4)施加水头：

将水箱侧面的溢流口用水管连接到盛土器顶部第一排水口，由上往下施加水压，水经复合土工膜、试验填土从桶体底部第二排水口流入量筒内，测定设定时间内的渗流量；

步骤(5)数据处理：

每间隔设定时间测量一次渗流量，记录测定时间，取多次测量平均值，计算出不同高度水头下的渗流速度。

7.根据权利要求6所述的一种测量复合土工膜缺陷渗漏量的试验方法，其特征在于，所述步骤(2)中，填土时分5层填入，每层填土前先进行黏土护壁，再填入混合土击实，各层填土间要凿毛，避免分层。