CN108918275A - 模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置及方法，试验装置包括压力试验系统、加压系统和计算机；压力试验系统包括基座、垫层室、土工膜和压力室；垫层室内铺设有砂砾石。试验方法包括土工膜厚度选择、蓄水方式合理性评价和垫层水力特性研究。本发明通过综合分析和评价不同加压方式下土工膜的工作性态，为土工膜用于坝高150m级的高土石坝防渗设计时选择合适厚度的土工膜和检验大坝蓄水方式的合理性提供依据。另外，可以进一步研究土工膜顶破和刺破后垫层的水力特性，评估土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏造成的危害程度，为实际工程中土工膜的修补与更换提供建议。
Description
技术领域
本发明涉及水利工程中土工膜的检测领域，特别是一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置及方法。
背景技术
土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低及施工速度快等优点，已广泛应用于土石坝、堤防、库盘等防渗工程。
高土石坝是指高度70m以上，承受水头压力在0.7MPa以上的土石坝。
国际上土工膜防渗水头最高的土石坝为西班牙97m高的Poza de Los Ramos堆石坝，后加高至134m。国内土石坝采用土工膜防渗起步较晚，尚未建成坝高百米以上的土工膜防渗土石坝，其原因在于：目前，尚无相关试验设备可用于测试蓄水条件下土工膜的工作性态，对高土石坝土工膜的运行性态与变形破坏机理研究不深，土工膜在高土石坝中运行的安全性仍存在疑虑。
另外，高土石坝采用土工膜防渗时，大坝蓄水方式会对土工膜的受力性态产生重要影响。高土石坝蓄水方式受蓄水深度，蓄水分期和蓄水速率控制。与低土石坝相比，高土石坝蓄水深度大，土工膜承受的水头大。由于高土石坝竣工后变形持续时间较长，因此大坝的蓄水分期较低土石坝多，且各期蓄水速度需根据坝体变形速率进行不断调整。一般地，当大坝变形速率较大时，应降低蓄水速率。土工膜承受高水头时，可能出现高水压力作用下的液胀破坏或垫层土石颗粒造成的顶破或刺破。一旦土工膜出现破损，就会引起缺陷渗漏，对工程安全造成威胁。因此，研究土工膜防渗高土石坝在不同蓄水方式下土工膜的工作性态具有重要研究意义和工程应用价值。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，该模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法通过观察不同加压方式下土工膜的变形程度和破损情况，检验不同加压方式下土工膜的承载能力，综合分析和评价不同加压方式下土工膜的工作性态，为土工膜用于坝高150m级的高土石坝防渗设计时选择合适厚度的土工膜和检验大坝蓄水方式的合理性提供依据，另外，还能进一步研究土工膜下垫层的水力特性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，包括步骤1的土工膜厚度选择和步骤2的蓄水方式合理性评价。
其中，步骤1、土工膜厚度选择包括如下步骤：
步骤11，施加压力选择：以挡水高度150m的高土石坝所对应的水头压力1.5MPa作为试验优选施加压力；压力施加时，通过计算机控制加压系统按照2kPa/s的加压速率连续加压，当压力室内压力达到1.5MPa时，停止加压。
步骤12，土工膜试样准备：将1.0mm、1.5mm和2.0mm厚的土工膜裁剪成所需要的大小。
步骤13，试验装置组装：先将步骤12准备的1.0mm的土工膜试样铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接。
步骤14，加压试验：启动计算机和加压系统，按照步骤11选择的压力施加方式开始加压试验，试验过程中同时记录加压过程，加压过程中实时观察土工膜的变形以及是否出现破损；试验结果显示，1.0mm厚的土工膜试样在压力施加至1.26MPa时，出现破损；也即1.0mm厚的土工膜不能承受1.5MPa的水压力，停止加压，排空压力室中的水，清理土工膜和土工膜下垫层料。
步骤15，不同厚度土工膜加压试验：将土工膜厚度更换为1.5mm和2.0mm，重复步骤12至步骤14。
步骤16，防渗土工膜厚度选择：步骤15的试验结果显示，1.5mm和2.0mm的土工膜试样在压力施加至1.5MPa时，均未出现破损；也即1.5mm和2.0mm厚的土工膜均能承受1.5MPa的水压力，从土工膜的安全适用性，经济合理性以及施工难易程度考虑，选择1.5mm厚的土工膜作为挡水深度150m高土石坝的防渗土工膜。
步骤2、蓄水方式合理性评价包括如下步骤：
步骤21，加压方式选择：一种加压方式对应一种蓄水方式，根据蓄水深度、蓄水分期和蓄水速率三者的影响，选择如下三种加压方式。
加压方式一：第1级加压速率为1kPa/s，连续加压至0.3MPa时，稳压20min；第2级到第7级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.2MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，持续稳压2h以上。
加压方式二：第1级到第2级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压20min；第3级到第14级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，稳压2h以上。
加压方式三：第1级到第2级每级加压速率为0.5kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压40min；第3级到第14级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压20min，达到1.5MPa后，稳压4h以上。
步骤22，试验装置组装根据步骤1选择1.5mm厚的土工膜，重新裁剪1.5mm厚的土工膜试样，并将土工膜试验铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接。
步骤23，加压试验：对步骤22中组装的土工膜采用步骤21选择的三种加压方式，分别进行加压试验，在三种加压方式加压过程中，土工膜均未出现破损，判定1.5mm厚土工膜能安全承受上述三种加压方式，进一步说明与三种加压方式相应的三种蓄水方式是合理的。
还包括步骤3的垫层水力特性研究：当步骤23中，判定1.5mm的土工膜试样满足蓄水要求后，接着持续加压，当土工膜被水力顶破或被土石料中砂砾石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，取出土工膜，测量记录土石料冲刷坑的形状和大小。
本发明还提供一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置，该模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置通过观察不同加压方式下土工膜的变形程度和破损情况，检验不同加压方式下土工膜的承载能力，综合分析和评价不同加压方式下土工膜的工作性态，为土工膜用于坝高150m级的高土石坝防渗设计时选择合适厚度的土工膜和检验高土石坝蓄水方式的合理性提供依据，另外，该试验装置还能进一步研究土工膜下垫层的水力特性。
模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置，包括压力试验系统、加压系统和计算机。
压力试验系统包括从下至上依次同轴设置的基座、垫层室、土工膜和压力室；基座与垫层室固定连接，垫层室和压力室可拆卸连接且将土工膜进行锚固；垫层室内铺设有砂砾石。
加压系统通过输水管与压力室相连接，加压系统还与计算机相连接。
垫层室上设置有出水管，出水管上设置有流量计。
压力室上设置有压力表。
砂砾石的最大干密度不低于1.96g/cm3。
砂砾石颗粒最大粒径不超过20mm，砂砾石的颗粒粒径分布中10～20mm的占比不低于25％。
本发明具有如下有益效果：通过观察不同加压方式下土工膜的变形程度和破损情况，检验不同加压方式下土工膜的承载能力，综合分析和评价不同加压方式下土工膜的工作性态，为土工膜用于坝高150m级的高土石坝防渗设计时选择合适厚度的土工膜和检验大坝蓄水方式的合理性提供依据。另外，可以进一步研究土工膜顶破和刺破后垫层的水力特性，评估土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏造成的危害程度，为实际工程中土工膜的修补与更换提供建议。
附图说明
图1显示了本发明模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置的结构示意图。
图2显示了土工膜的俯视图。
其中有：1、基座，2、垫层室，3、压力室，4、土工膜，5、压力表，6、螺栓，7、输水管，8、出水管，9、流量计，10、加压系统，11、计算机，12、土石料。
具体实施方式
下面结合附图和具体优选实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置，包括压力试验系统、加压系统10和计算机11。
压力试验系统包括从下至上依次同轴设置的基座1、垫层室2、土工膜4和压力室3；基座与垫层室固定连接，垫层室和压力室可拆卸连接且将土工膜进行锚固，土工膜俯视图如图2所示，垫层室的顶部外缘以及压力室的顶部及底部均优选设置有法兰盘，通过螺栓6将垫层室和压力室相连接。
加压系统优选通过输水管7与压力室相连接，加压系统还与计算机相连接。
垫层室上优选设置有出水管8，出水管上设置有流量计9。
进一步，压力室上优选设置有压力表5。
垫层室内铺设有砂砾石，也即土石料12，土工膜铺设在砂砾石的上表面。
上述砂砾石的最大干密度不低于1.96g/cm3，优选为1.96g/cm3，砂砾石颗粒最大粒径不超过20mm，砂砾石的颗粒粒径分布中10～20mm的占比不低于25％，优选颗粒粒径分布如下表1所示：
表1垫层料各粒组质量百分比
一种模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，包括步骤1的土工膜厚度选择，步骤2的蓄水方式合理性评价和步骤3的垫层水力特性研究。
步骤1、土工膜厚度选择包括如下步骤：
步骤11，施加压力选择：以挡水高度150m的高土石坝所对应的水头压力1.5MPa作为试验优选施加压力；压力施加时，通过计算机控制加压系统按照2kPa/s的加压速率连续加压，当压力室内压力达到1.5MPa时，停止加压。
步骤12，土工膜试样准备：将1.0mm、1.5mm和2.0mm厚的土工膜裁剪成所需要的大小。
步骤13，试验装置组装：先将步骤12准备的1.0mm的土工膜试样铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接。
步骤14，加压试验：启动计算机和加压系统，按照步骤11选择的压力施加方式开始加压试验，试验过程中同时记录加压过程，加压过程中实时观察土工膜的变形以及是否出现破损；试验结果显示，1.0mm厚的土工膜试样在压力施加至1.26MPa时，出现破损；也即1.0mm厚的土工膜不能承受1.5MPa的水压力，停止加压，排空压力室中的水，清理土工膜和土工膜下垫层料。
步骤15，不同厚度土工膜加压试验：将土工膜厚度更换为1.5mm和2.0mm，重复步骤12至步骤14。
步骤16，防渗土工膜厚度选择：步骤15的试验结果显示，1.5mm和2.0mm的土工膜试样在压力施加至1.5MPa时，均未出现破损；也即1.5mm和2.0mm厚的土工膜均能承受1.5MPa的水压力，从土工膜的安全适用性，经济合理性以及施工难易程度考虑，选择1.5mm厚的土工膜作为挡水深度150m高土石坝的防渗土工膜。
步骤2、蓄水方式合理性评价包括如下步骤：
步骤21，加压方式选择：一种加压方式对应一种蓄水方式，根据蓄水深度、蓄水分期和蓄水速率三者的影响，选择如下三种加压方式。
加压方式一：第1级加压速率为1kPa/s，连续加压至0.3MPa时，稳压20min；第2级到第7级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.2MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，持续稳压2h以上。
加压方式二：第1级到第2级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压20min；第3级到第14级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，稳压2h以上。
加压方式三：第1级到第2级每级加压速率为0.5kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压40min；第3级到第14级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压20min，达到1.5MPa后，稳压4h以上。
步骤22，试验装置组装：根据步骤1选择1.5mm厚的土工膜，重新裁剪1.5mm厚的土工膜试样，并将土工膜试验铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接。
步骤23，加压试验：对步骤22中组装的土工膜采用步骤21选择的三种加压方式，依次进行加压试验，在三种加压方式加压过程中，土工膜均未出现破损，才能判定该土工膜满足蓄水要求。试验结果显示，在三种加压方式下，1.5mm的土工膜试样均未出现破损，在最大压力1.5MPa下1.5mm厚的土工膜可以安全承受所设定的三种加压方式，所设定的三种加压方式对应于水库三种蓄水方式，表明1.5mm厚土工膜作为高土石坝(挡水高度150m)防渗土工膜时可以安全承受所对应的三种蓄水方式，进一步说明与三种加压方式相应的三种蓄水方式是合理的。
本发明利用加压系统加压到1.5MPa，从而模拟水库150m的蓄水深度，根据试验结果选择高土石坝防渗土工膜的厚度。再对选择相应厚度的土工膜，模拟水库不同蓄水过程高土石坝土工膜的工作性态，为高土石坝蓄水方式的合理性提供依据。水库蓄水方式因水库蓄水深度、蓄水速率和蓄水分期的不同而不同，其中加压速率对应于水库的蓄水速率，加压系统采用的分级加压模拟水库的分期蓄水，加压系统最终加压至1.5MPa对应于水库150m的蓄水深度。
步骤3、垫层水力特性研究：当步骤23中，判定1.5mm的土工膜试样满足蓄水要求后，接着持续加压，当土工膜被水力顶破或被土石料中砂砾石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，取出土工膜，测量记录土石料冲刷坑的形状和大小。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：包括步骤1的土工膜厚度选择和步骤2的蓄水方式合理性评价；
其中，步骤1、土工膜厚度选择包括如下步骤：
步骤11，施加压力选择：以挡水高度150m的高土石坝所对应的水头压力1.5MPa作为试验优选施加压力；压力施加时，通过计算机控制加压系统按照2kPa/s的加压速率连续加压，当压力室内压力达到1.5MPa时，停止加压；
步骤12，土工膜试样准备：将1.0mm、1.5mm和2.0mm厚的土工膜裁剪成所需要的大小；
步骤13，试验装置组装：先将步骤12准备的1.0mm的土工膜试样铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接；
步骤14，加压试验：启动计算机和加压系统，按照步骤11选择的压力施加方式开始加压试验，试验过程中同时记录加压过程，加压过程中实时观察土工膜的变形以及是否出现破损；试验结果显示，1.0mm厚的土工膜试样在压力施加至1.26MPa时，出现破损；也即1.0mm厚的土工膜不能承受1.5MPa的水压力，停止加压，排空压力室中的水，清理土工膜和土工膜下垫层料；
步骤15，不同厚度土工膜加压试验：将土工膜厚度更换为1.5mm和2.0mm，重复步骤12至步骤14；
步骤16，防渗土工膜厚度选择：步骤15的试验结果显示，1.5mm和2.0mm的土工膜试样在压力施加至1.5MPa时，均未出现破损；也即1.5mm和2.0mm厚的土工膜均能承受1.5MPa的水压力，从土工膜的安全适用性，经济合理性以及施工难易程度考虑，选择1.5mm厚的土工膜作为挡水深度150m高土石坝的防渗土工膜；
步骤2、蓄水方式合理性评价包括如下步骤：
步骤21，加压方式选择：一种加压方式对应一种蓄水方式，根据蓄水深度、蓄水分期和蓄水速率三者的影响，选择如下三种加压方式：
加压方式一：第1级加压速率为1kPa/s，连续加压至0.3MPa时，稳压20min；第2级到第7级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.2MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，持续稳压2h以上；
加压方式二：第1级到第2级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压20min；第3级到第14级每级加压速率为2kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压10min，达到1.5MPa后，稳压2h以上；
加压方式三：第1级到第2级每级加压速率为0.5kPa/s，每级加压0.15MPa，每级加压完成后稳压40min；第3级到第14级每级加压速率为1kPa/s，每级加压0.1MPa，每级加压完成后稳压20min，达到1.5MPa后，稳压4h以上；
步骤22，试验装置组装：根据步骤1选择1.5mm厚的土工膜，重新裁剪1.5mm厚的土工膜试样，并将土工膜试验铺设在垫层室中砂砾石颗粒的上表面，接着将压力室放置在土工膜上方，并与垫层室密封可拆卸连接；
步骤23，加压试验：对步骤22中组装的土工膜采用步骤21选择的三种加压方式，分别进行加压试验，在三种加压方式加压过程中，土工膜均未出现破损，判定1.5mm厚土工膜能安全承受上述三种加压方式，进一步说明与三种加压方式相应的三种蓄水方式是合理的。
2.根据权利要求1所述的模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：还包括步骤3的垫层水力特性研究：当步骤23中，判定1.5mm的土工膜试样满足蓄水要求后，接着持续加压，当土工膜被水力顶破或被土石料中砂砾石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，取出土工膜，测量记录土石料冲刷坑的形状和大小。
3.模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验装置，其特征在于：包括压力试验系统、加压系统和计算机；
压力试验系统包括从下至上依次同轴设置的基座、垫层室、土工膜和压力室；基座与垫层室固定连接，垫层室和压力室可拆卸连接且将土工膜进行锚固；垫层室内铺设有砂砾石；加压系统通过输水管与压力室相连接，加压系统还与计算机相连接。
4.根据权利要求3所述的模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：垫层室上设置有出水管，出水管上设置有流量计。
5.根据权利要求3所述的模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：压力室上设置有压力表。
6.根据权利要求3所述的模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：砂砾石的最大干密度不低于1.96g/cm3。
7.根据权利要求6所述的模拟高土石坝蓄水过程土工膜工作性态的试验方法，其特征在于：砂砾石颗粒最大粒径不超过20mm，砂砾石的颗粒粒径分布中10~20mm的占比不低于25%。
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