CN111175139B - 一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法，包括压力室壳体、围压施压机构、轴压施加机构、试样裂缝破坏机构和监测机构；压力室壳体包括底座、压力室顶盖、钢板和高强钢化玻璃。心墙试样放置在压力室中部，心墙试样两侧布设砂层，砂层与钢板间形成围压腔；心墙试样具有初始裂缝；初始裂缝内填充具有彩色示踪剂的砂层；围压施压机构包括围压进孔、围压出孔和围压溢出管；轴压施加机构用于向心墙试样施加轴向压力；试样裂缝破坏机构包括水压进孔和水压出孔；监测机构包括围压传感器、水压传感器、轴压传感器和电磁流量计。本发明能实现水力劈裂试验过程的可视化，从而能有效地应用于心墙坝水力劈裂试验研究。

Description

一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，特别是一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法。

背景技术

心墙是土石坝中重要的结构组成部分,其心墙特性是研究的重点,而其中心墙水力劈裂问题更是工程界普遍关注又亟待解决的关键问题之一。目前，粘土心墙坝的水力劈裂试验可分为室内试验、现场试验和模型试验。室内试验便于准确控制试验条件，可重复性强，因此被广泛应用。

但是，现有的土石坝心墙水力劈裂室内试验仍存在以下缺陷：

1、不能有效监测试样破坏过程中的孔压变化规律。

2、心墙试样未考虑上下游反滤层的影响，不能模拟粘土和反滤料的联合作用。

3、试样所处环境为黑箱密闭环境，不能实时观察试样的破坏过程。

因此，现有试验不能有效监测心墙坝水力劈裂过程，试验成果难以应用于实际工程。

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，而提供一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法，该模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法实现了水力劈裂试验过程的可视化，从而能有效地应用于心墙坝水力劈裂试验研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，包括压力室壳体、围压施压机构、轴压施加机构、试样裂缝破坏机构和监测机构。

压力室壳体包括底座、压力室顶盖和连接底座和压力室顶盖的四块侧板，其中两块相对设置的侧板为钢板，另外两块相对设置的侧板为透明板。

心墙试样放置在压力室的中部，心墙试样朝向透明板的两侧面与透明板内壁面相接触，心墙试样朝向钢板的两侧面均设置有砂层，且砂层与对应的钢板之间均具有间隙，并形成两个围压腔。其中一个围压腔为进水围压腔，另一个围压腔为出水围压腔。与进水围压腔相接触的砂层称为进水砂层，与出水围压腔相接触的砂层称为出水砂层。

心墙试样具有垂直于透明板且水平贯穿的初始裂缝。初始裂缝邻近进水砂层设置，且内部填充有示踪砂层，示踪砂层为预埋有彩色示踪剂的砂层。

围压施压机构包括水体、围压进孔、围压出孔和围压溢出管。水体通过围压进孔向进水围压腔施加围压，围压出孔和围压溢出管均与出水围压腔相连通。

轴压施加机构位于心墙试样顶部，用于向心墙试样施加轴向压力。

试样裂缝破坏机构包括水体、水压进孔和水压出孔。水体通过水压进孔向进水砂层施加初始裂缝破坏水压。水压出孔设置在位于出水砂层底部的底座中。

监测机构包括围压传感器、水压传感器、轴压传感器和电磁流量计。围压传感器设置在围压进孔中，水压传感器设置在水压进孔中，轴压传感器设置在轴压施加机构中，电磁流量计设置在水压出孔中。

监测机构还包括孔压传感器，孔压传感器设置在孔压引水管上，孔压引水管按设定间距埋置在心墙试样中。

孔压引水管具有5根，均布设在初始裂缝与出水砂层之间，5根孔压引水管与初始裂缝之间的距离分别为为1mm、10mm、20mm、35mm、55mm。孔压引水管插入心墙试样中部且位于初始裂缝截面以下20mm，每根孔压引水管上均布设进水孔，且外周均包裹有透水土工布，孔压引水管顶端连接孔压传感器。

透明板为高强钢化玻璃，能承担不低于10MPa的围压。

一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，包括如下步骤。

步骤1，制作试样模具：制作一个与心墙试样尺寸相匹配的试样模具。

步骤2，制备心墙试样，具体制备方法，包括如下步骤：

步骤21，安装试样模具：将试样模具安装在底座上，在试样模具内表面设置一层透明膜。

步骤22，试样填筑：在试样模具内分层填筑进水砂层、出水砂层及粘土心墙。

步骤23，埋置孔压引水管：当试样填筑到距离心墙试样中部截面以下20mm处，将包裹有透水土工布的孔压引水管按设定间距摆放并固定，继续试样填筑。

步骤24，制作初始裂缝：当试样填筑至中部截面时，在邻近进水砂层处布设贯穿心墙前后侧面的示踪砂层，示踪砂层中的砂石中预埋有彩色示踪剂。

步骤25，完成试样制作：继续填筑试样至设定高度，将试样压盖压在试样顶部，拆除试样模具。

步骤3，安装压力室壳体：在制备的心墙试样外侧安装压力室壳体，压力室壳体与进水砂层及出水砂层之间均具有围压腔，与初始裂缝相接触的压力室壳体为透明板。

步骤4，加载围压：打开围压溢出管的闸阀，通过围压进孔向围压腔内输水，直至围压溢出管有水流出，关闭围压溢出管的闸阀，继续向围压腔内输水。此时，围压传感器实时监测围压进孔内的输水压力，当达到设定的输入压力时，停止向围压进孔输水。

步骤5，加载轴向压力：轴压施加机构向下移动，从而向心墙试样施加轴压，此时，轴压传感器实时监测所施加的轴压，当达到设定的轴压时，轴压施加机构停止下移。

步骤6，加载试样裂缝破坏压力：通过水压进孔向进水砂层中输水，直至心墙试样完全破坏。

步骤7，破坏过程的可视化监测：在加载试样裂缝破坏压力的同时，透过透明板观察初始裂缝的发展，通过观测彩色示踪剂的运动，能直观地观测到初始裂缝内水流的流向和初始裂缝的发展过程。

步骤7中，通过孔压传感器实时监测破坏过程中孔压的变化情况，通过连接在水压出孔上的电磁流量计监测出水量。

还包括步骤8，不同工况下的可视化试验：改变加载条件，重复步骤1至步骤7，进行不同工况下的可视化试验。

还包括步骤9，水力劈裂机理分析：通过对比分析多组试验成果，总结得出水力劈裂的发生条件以及影响因素。

本发明具有如下有益效果：本发明通过围压进孔和围压出孔控制试样围压，通过轴压装置施加轴压，水流通过底座的水压进孔透过排水板进入砂层，再从试样左侧的预设裂缝对试样施加内水压力，直至水压出孔有水流流出，试样破坏。透过高强钢化玻璃，观察试样破坏过程，通过孔压传感器可以有效监测试样破坏过程中的孔压变化规律。本发明克服了以往水力劈裂试验的不足，能有效监测水力劈裂过程，并且实现了试验全过程的可视化，从而能有效地应用于心墙坝水力劈裂试验研究。

附图说明

图1显示了本发明一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置的结构示意图。

图2显示了试样的布置示意图。

图3显示了试样的受力示意图。

其中：1钢轴；2压力室顶盖；3试样压盖；4刚板；5透明橡皮膜；6初始裂缝；7围压传感器；8围压进孔；9水压进孔；10水压传感器；11孔压传感器；12围压溢出管；13轴压传感器；14加压装置；15孔压引水管；16砂层；17心墙试样；18排水板；19围压出孔；20水压出孔；21电磁流量计；22底座；23高强钢化玻璃；24围压腔。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。

如图1和图2所示，一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，包括压力室壳体、围压施压机构、轴压施加机构、试样裂缝破坏机构和监测机构。

压力室壳体包括底座22、压力室顶盖2和连接底座和压力室顶盖的四块侧板，其中两块相对设置的侧板为钢板4，另外两块相对设置的侧板为透明板。钢板和透明板均优选与底座通过螺栓相连接。

上述透明板优选为高强钢化玻璃23，能承担不低于10MPa的围压。

心墙试样17放置在压力室的中部，心墙试样尺寸优选为200mm×200mm×200mm。

心墙试样朝向透明板的两侧面与透明板内壁面相接触，接触面间优选设置有透明膜，如透明橡皮膜5等。

心墙试样朝向钢板的两侧面均设置有砂层16，且砂层与对应的钢板之间均具有间隙，并形成两个围压腔24。其中一个围压腔为进水围压腔，另一个围压腔为出水围压腔。

上述钢板的内壁面优选设置有透明膜，如透明橡皮膜5等。压力室顶盖密封罩设在两块钢板顶部，两者间优选通过螺栓相连接。

与进水围压腔相接触的砂层称为进水砂层，与出水围压腔相接触的砂层称为出水砂层。

进水砂层和出水砂层的左右厚度优选为20mm，以模拟心墙上下游面的反滤层。

心墙试样具有垂直于透明板且水平贯穿的初始裂缝6。初始裂缝邻近进水砂层设置，优选与进水砂层相接触。初始裂缝内部填充有示踪砂层，示踪砂层为预埋有彩色示踪剂的砂层。

上述初始裂缝优选水平设置，为长方体，其前后长度为200mm，左右方向宽度为80mm，竖直方向的厚度尺寸优选为10mm。

围压施压机构包括水体、围压进孔8、围压出孔19和围压溢出管12。

围压进孔8优选设置在位于上游侧的底座中，围压出孔19优选设置在位于下游侧的底座上。围压溢出管12优选布设在位于出水围压腔顶部的压力室顶盖上。

水体通过围压进孔向进水围压腔施加围压，围压出孔和围压溢出管均与出水围压腔相连通。

轴压施加机构位于心墙试样顶部，用于向心墙试样施加轴向压力。

轴压施加机构包括钢轴1和加压装置14，钢轴的顶端与加载机相连，钢轴的底端穿过压力室顶盖并与加压装置14相连接，加压装置14位于试样顶盖3的正上方。

试样裂缝破坏机构包括水体、水压进孔9和水压出孔20。

水压进孔9优选设置在位于上游侧的底座中，水压进孔与进水砂层之间优选设置排水板18。水压出孔20优选设置在位于下游侧的底座上，水压出孔与出水砂层之间优选设置排水板18。试验过程中裂缝水流通过出水砂层流向排水板，经由排水板滤砂排水，然后通过水压出孔导到电磁流量计，测量出水量。

水体通过水压进孔向进水砂层施加初始裂缝破坏水压。水压出孔设置在位于出水砂层底部的底座中。

监测机构包括围压传感器7、水压传感器10、轴压传感器13、孔压传感器11和电磁流量计21。

围压传感器优选设置在围压进孔中，水压传感器优选设置在水压进孔中，轴压传感器优选设置在轴压施加机构中，电磁流量计优选设置在水压出孔中。

孔压传感器优选设置在孔压引水管15的顶端，孔压引水管15优选安装在压力室顶盖的孔压接口上。

本发明中，孔压引水管优选具有5根，5根孔压引水管，且均按设定间距埋置在初始裂缝与出水砂层之间的心墙试样中，5根孔压引水管与初始裂缝之间的距离分别为为1mm、10mm、20mm、35mm、55mm。

进一步，孔压引水管优选插入心墙试样中部且位于初始裂缝截面以下20mm，每根孔压引水管上均布设进水孔，且外周均包裹有透水土工布，每根孔压引水管顶端各连接一个孔压传感器。

一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，包括如下步骤。

步骤1，制作试样模具：制作一个与心墙试样尺寸相匹配的试样模具。试样模具尺寸优选为240mm×200mm×200mm，由一块底板和四块侧板构成，底板和侧板之间，侧板和侧板之间均优选通过螺栓紧密连接。

步骤2，制备心墙试样，具体制备方法，包括如下步骤：

步骤21，安装试样模具：将试样模具安装在底座上，在试样模具内表面设置一层透明膜，优选为透明橡皮膜。

步骤22，试样填筑：在试样模具内分层填筑进水砂层、出水砂层及粘土心墙。

步骤23，埋置孔压引水管：当试样填筑到距离心墙试样中部截面以下20mm处，将包裹有透水土工布的孔压引水管按设定间距摆放并固定，继续试样填筑。

步骤24，制作初始裂缝：当试样填筑至中部截面时，在邻近进水砂层处布设贯穿心墙前后侧面的示踪砂层，示踪砂层中的砂石中预埋有彩色示踪剂。

步骤25，完成试样制作：继续填筑试样至设定高度，如200mm，将试样压盖压在试样顶部，并用透明橡皮膜进行包裹，拆除试样模具。

步骤3，安装压力室壳体：在制备的心墙试样外侧安装压力室壳体，压力室壳体与进水砂层及出水砂层之间均具有围压腔，与初始裂缝相接触的压力室壳体为透明板，如高强钢化玻璃。钢板优选通过螺栓与底座紧密连接，高强钢化玻璃周围优选通过强力密封胶进行密封。最后，进行压力室顶盖2的安装，压力室顶盖2通过螺栓与钢板4紧密连接，并对高强钢化玻璃周围进行密封等工作。

步骤4，加载围压：打开围压溢出管的闸阀，通过围压进孔向围压腔内输水，直至围压溢出管有水流出，关闭围压溢出管的闸阀，继续向围压腔内输水。此时，围压传感器实时监测围压进孔内的输水压力，当达到设定的输入压力时，停止向围压进孔输水。

步骤5，加载轴向压力：轴压施加机构向下移动，从而向心墙试样施加轴压，此时，轴压传感器实时监测所施加的轴压，当达到设定的轴压时，轴压施加机构停止下移。

步骤6，加载试样裂缝破坏压力：通过水压进孔向进水砂层中输水，直至心墙试样完全破坏。

步骤7，破坏过程的可视化监测：在加载试样裂缝破坏压力的同时，透过透明板观察初始裂缝的发展，通过观测彩色示踪剂的运动，能直观地观测到初始裂缝内水流的流向和初始裂缝的发展过程。另外，通过孔压传感器实时监测破坏过程中孔压的变化情况，通过连接在水压出孔上的电磁流量计监测出水量。

通过孔压传感器的测值，可以监控到裂缝扩展过程，譬如距离初始裂缝20mm的第三个孔压传感器，当裂缝刚开始扩展时刻，它的孔压测值可能为0，当裂缝扩展到距离初始裂缝10mm第二孔压传感器位置时，第三个孔压传感器开始有测值，随着裂缝扩展到第三个孔压传感器位置时，孔压传感器的测值等于进水口水压传感器的测值，演变成全水头；出水量的监测可以用来反映裂缝扩展的情况，定量表征裂缝开度的变化。

步骤8，不同工况下的可视化试验：改变加载条件，重复步骤1至步骤7，进行不同工况下的可视化试验。

步骤9，水力劈裂机理分析：通过对比分析多组试验成果，总结得出水力劈裂的发生条件以及影响因素。

另外，图3表示模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置可以给心墙试样施加轴向荷载σ1和通过围压给试件施加水平向荷载σ3，心墙试样的前后面是受侧限。

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 (6)

1.一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，其特征在于：包括压力室壳体、围压施压机构、轴压施加机构、试样裂缝破坏机构和监测机构；

压力室壳体包括底座、压力室顶盖和连接底座和压力室顶盖的四块侧板，其中两块相对设置的侧板为钢板，另外两块相对设置的侧板为透明板；

心墙试样放置在压力室的中部，心墙试样朝向透明板的两侧面与透明板内壁面相接触，心墙试样朝向钢板的两侧面均设置有砂层，且砂层与对应的钢板之间均具有间隙，并形成两个围压腔；其中一个围压腔为进水围压腔，另一个围压腔为出水围压腔；与进水围压腔相接触的砂层称为进水砂层，与出水围压腔相接触的砂层称为出水砂层；

心墙试样具有垂直于透明板且水平贯穿的初始裂缝；初始裂缝邻近进水砂层设置，且内部填充有示踪砂层，示踪砂层为预埋有彩色示踪剂的砂层；

围压施压机构包括水体、围压进孔、围压出孔和围压溢出管；水体通过围压进孔向进水围压腔施加围压，围压出孔和围压溢出管均与出水围压腔相连通；

轴压施加机构位于心墙试样顶部，用于向心墙试样施加轴向压力；

试样裂缝破坏机构包括水体、水压进孔和水压出孔；水体通过水压进孔向进水砂层施加初始裂缝破坏水压；水压出孔设置在位于出水砂层底部的底座中；

监测机构包括围压传感器、水压传感器、轴压传感器、电磁流量计和孔压传感器；围压传感器设置在围压进孔中，水压传感器设置在水压进孔中，轴压传感器设置在轴压施加机构中，电磁流量计设置在水压出孔中；

孔压传感器设置在孔压引水管上，孔压引水管按设定间距埋置在心墙试样中；孔压引水管具有5根，均布设在初始裂缝与出水砂层之间，5根孔压引水管与初始裂缝之间的距离分别为1mm、10mm、20mm、35mm、55mm；孔压引水管插入心墙试样中部且位于初始裂缝截面以下20mm，每根孔压引水管上均布设进水孔，且外周均包裹有透水土工布，孔压引水管顶端连接孔压传感器；

通过孔压传感器的测值，能够监控到裂缝扩展过程；出水量的监测能够用来反映裂缝扩展的情况，定量表征裂缝开度的变化。

2.根据权利要求1所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，其特征在于：透明板为高强钢化玻璃，能承担不低于10MPa的围压。

3.一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，制作试样模具：制作一个与心墙试样尺寸相匹配的试样模具；

步骤2，制备心墙试样，具体制备方法，包括如下步骤：

步骤21，安装试样模具：将试样模具安装在底座上，在试样模具内表面设置一层透明膜；

步骤22，试样填筑：在试样模具内分层填筑进水砂层、出水砂层及粘土心墙；

步骤23，埋置孔压引水管：当试样填筑到距离心墙试样中部截面以下20mm处，将包裹有透水土工布的孔压引水管按设定间距摆放并固定，继续试样填筑；

步骤24，制作初始裂缝：当试样填筑至中部截面时，在邻近进水砂层处布设贯穿心墙前后侧面的示踪砂层，示踪砂层中的砂石中预埋有彩色示踪剂；

步骤25，完成试样制作：继续填筑试样至设定高度，将试样压盖压在试样顶部，拆除试样模具；

步骤3，安装压力室壳体：在制备的心墙试样外侧安装压力室壳体，压力室壳体与进水砂层及出水砂层之间均具有围压腔，与初始裂缝相接触的压力室壳体为透明板；

步骤4，加载围压：打开围压溢出管的闸阀，通过围压进孔向围压腔内输水，直至围压溢出管有水流出，关闭围压溢出管的闸阀，继续向围压腔内输水；此时，围压传感器实时监测围压进孔内的输水压力，当达到设定的输入压力时，停止向围压进孔输水；

步骤5，加载轴向压力：轴压施加机构向下移动，从而向心墙试样施加轴压，此时，轴压传感器实时监测所施加的轴压，当达到设定的轴压时，轴压施加机构停止下移；

步骤6，加载试样裂缝破坏压力：通过水压进孔向进水砂层中输水，直至心墙试样完全破坏；

步骤7，破坏过程的可视化监测：在加载试样裂缝破坏压力的同时，透过透明板观察初始裂缝的发展，通过观测彩色示踪剂的运动，能直观地观测到初始裂缝内水流的流向和初始裂缝的发展过程。

4.根据权利要求3所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，其特征在于：步骤7中，通过孔压传感器实时监测破坏过程中孔压的变化情况，通过连接在水压出孔上的电磁流量计监测出水量。

5.根据权利要求3或4所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，其特征在于：还包括步骤8，不同工况下的可视化试验：改变加载条件，重复步骤1至步骤7，进行不同工况下的可视化试验。

6.根据权利要求5所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，其特征在于：还包括步骤9，水力劈裂机理分析：通过对比分析多组试验成果，总结得出水力劈裂的发生条件以及影响因素。

Images