CN111896448B - 土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置 - Google Patents

土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置，装置包括模型水槽、土工膜防渗模型坝、水位控制装置、缺陷渗漏测量系统；模型水槽的坝体左侧板倾斜角度可调，从而能够模拟不同的岸坡比；缺陷渗漏测量系统包括高速摄像机和计算机。本发明通过开展不同含水率垫层土工膜的缺陷渗漏试验，获得土工膜缺陷渗漏浸润区直径，建立土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定的数学模型，得出实际工程中不同含水率垫层土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别。本发明对指导土工膜的施工具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

Description

土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置
技术领域
本发明涉及水利工程中土工膜的检测领域，特别是一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置。
背景技术
土工膜作为新兴防渗材料，渗透系数极低，一般为1.0×10-11～1.0×10-13cm/s，因此已广泛应用于土石坝、堤防、围堰、库盆、蓄水池、渠道、垃圾填埋场等防渗工程。工程中使用的土工膜厚度多在0.5～2mm。由于土工膜是一种柔性薄膜材料，因此土工膜在生产、运输和施工过程中出现损伤或缺陷几乎不可避免。工程实践表明，土工膜缺陷导致的渗漏将会使得土工膜防渗系统性能下降，加大渗流量，进一步可能引发工程防渗安全性。
因此，建立土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定模型，对指导土工膜施工具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
现有技术中，SL/T235-1999《土工合成材料测试规程》中的渗透试验仅用于测试完好土工膜的渗透性，未涉及缺土工膜的渗漏特性。其它已有试验或数值模拟存在如下不足：
1.现有土工膜缺陷渗漏试验或数值模拟主要考察缺陷渗漏量，未对实际工程坝面土工膜缺陷渗漏影响范围进行研究，无法获得缺陷渗漏影响范围。
2.现有技术未考虑不同含水率的垫层对土工膜缺陷渗漏范围的影响，与工程实际情况有较大差距。
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，而提供一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置，该土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法和装置通过采用建立模型的方式模拟施工缺陷，开展不同含水率垫层下土工膜的缺陷渗漏试验，获得土工膜缺陷渗漏浸润区直径。根据不同含水率垫层上到达稳定时间土工膜缺陷渗漏浸润区区域的分布特点，建立土工膜缺陷渗漏浸润区直径数学模型，获得土工膜缺陷渗漏浸润区直径计算公式，根据实际工程设计参数，得出实际工程中不同施工条件下不同含水率垫层土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，包括如下步骤。
步骤1，填筑坝体：在模型水槽内，采用细砂填筑土工膜防渗土石坝的坝体：
步骤2，填充垫层：在坝体上游的垫层室内填充含水率为w1的垫层料。
步骤3，铺设土工膜：将厚度为t的土工膜平整铺设在步骤2的垫层料表面。
步骤4，蓄水：在坝体上游的模型水槽内蓄水，使土工膜与垫层紧密贴服。
步骤5，土工膜缺陷渗漏试验，包括如下步骤：
步骤51，添加荧光剂：在步骤4模型水槽的蓄水中添加荧光剂。
步骤52，缺陷破坏：在选定的土工膜缺陷位置，对土工膜进行缺陷破坏。破坏起始时刻的孔洞直径，记为缺陷的初始直径d0。
步骤53，观察缺陷渗漏扩散：在步骤52缺陷破坏的同时，开启荧光灯和与计算机相连接的高速摄像机。高速摄像机拍摄破坏起始时刻时土工膜缺陷的图像。
随后，高速摄像机按照设定时间间隔拍摄土工膜缺陷的图像，计算机实时量测并记录土工膜缺陷渗漏浸润区直径。记录n个时间节点分别为T1、T2、……Tn，且n≥3，0＜T1＜T2＜……＜Tn，当相邻时刻记录的土工膜缺陷渗漏浸润区直径稳定时，试验停止。T1、T2、……Tn时刻对应的土工膜缺陷渗漏浸润区直径，记为D11、D12、……、D1n。
步骤6，不同含水率的垫层时土工膜的缺陷渗漏试验：将步骤2中含水率为w1的垫层分别更换成含水率为w2、w3、w4和w5的垫层，重复步骤3至步骤5。其中，w1＜w2＜w3＜w4＜w5。最终获得：
含水率为w1的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D11、D12、……、D1n。
含水率为w2的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D21、D22、……、D2n。
含水率为w3的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D31、D32、……、D3n。
含水率为w4的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D41、D42、……、D4n。
含水率为w5的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D51、D52、……、D5n。
步骤7，建立土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏预测稳定数学模型：建立的缺陷渗漏预测稳定数学模型，如下：
D＝c(1-e-nT)0.5(aw2+bw+f) (3)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，T为渗漏时间，w为垫层含水率，c、n、a、b和f为五个待确定的未知参数。
步骤8，确定五个未知参数：利用步骤5和步骤6中获取的土工膜缺陷渗漏试验数据，进行函数拟合，由此确定未知参数a、b、f、c和n。
步骤9，实际工程土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定：包括如下步骤：
步骤91，获取实际垫层初始含水率wA：通过查阅实际工程土工膜防渗土石坝中垫层的设计参数，获取实际垫层初始含水率wA。
步骤92，确定浸润区最终稳定时刻Tw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA，代入参数已确定的公式(3)中，则公式(3)转化为：自变量为T，因变量为D的函数，也即D＝f(T)，对f(T)进行求导，则得到
Figure BDA0002581018010000031
的比值。当
Figure BDA0002581018010000032
时的自变量T，则为确定的浸润区最终稳定时刻Tw。
步骤93，确定缺陷渗漏区的稳定直径Dw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA和步骤92确定的浸润区最终稳定时刻Tw，均代入参数已确定的公式(3)中，从而得到上游坝面缺陷渗漏区的稳定直径Dw。
步骤94，计算土工膜缺陷渗漏区的预测直径DA：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA以及实际渗漏时间TA，代入参数已确定的公式(3)中，从而获得实际渗漏时间TA时的缺陷渗漏区的预测直径DA。
步骤95，土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定：将步骤94计算的缺陷渗漏区预测直径DA和步骤93确定的缺陷渗漏区稳定直径Dw进行比较：
A、若DA>1.05Dw，则缺陷发生扩展或变形，对实际工程有潜在安全风险。
B、若1.05Dw≥DA≥0.95Dw，则缺陷渗漏区直径已处于稳定范围内。
C、若DA＜0.95Dw，则缺陷渗漏区直径尚未达到稳定状态。
步骤7中，建立土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏稳定数学模型，具体包括如下步骤：
步骤71，建立缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：根据不同含水率下垫层上不同渗漏时刻土工膜缺陷渗漏的分布特点，建立式(1)的缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5Dm (1)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，T为渗漏时间，c和n是两个待确定的未知参数。
步骤72，建立任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm的数学模型：由于任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm与垫层含水率w呈非线性相关，因此建立式(2)所示的抛物线模型：
Dm＝aw2+bw+f (2)
其中，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，w为垫层含水率，a，b和f为拟合参数。
步骤73，确定土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏稳定数学模型：将式(2)代入式(1)，得到不同含水率下土工膜防渗土石坝缺陷渗漏预测稳定数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5(aw2+bw+f) (3)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，T为渗漏时间，w为垫层含水率，c、n、a、b和f为五个待确定的未知参数。
步骤8中，五个未知参数的确定方法，包括如下步骤：
步骤A、中间参数a、b和f的确定：结合公式(2)中，将步骤5和步骤6中得到的任意同一时刻下不同含水率的5组试验数据(w1，D1n)、(w2，D2n)、(w3，D3n)、(w4，D4n)和(w5，D5n)，进行抛物线拟合，由此能够确定未知参数a、b和f。
B、未知参数c和n确定：将拟合参数a、b和f代入式(1)，再从步骤6中得到的每种含水率下的n组试验数据中各选取m组，3≤m≤n；将每种含水率下的m组数据，通过MATLAB软件进行回归分析，由此确定未知参数c和n。
步骤2中，垫层中干垫层料的填充质量，采用如下公式(4)进行计算：
m＝00.1S(1+0.01w)Vρdmax (4)
其中，m为干垫层料质量。S为垫层的压实度。w为垫层料的含水率。V为坝面垫层的体积。ρdmax为垫层的最大干密度。
垫层中的加水质量，采用如下公式(5)进行计算：
m水＝mw (5)
其中，m水为垫层中的加水质量。m为干垫层料质量。w为垫层料的含水率。
步骤1中，填筑坝体时，通过调整模型水槽一侧或两侧的侧钢板角度，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同岸坡比情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
步骤1中，填筑坝体时，通过调整坝体上下游的坝坡比或坝体上下游的水位压差，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同上下游坝坡比或上下游水位压差情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验装置，包括模型水槽、土工膜防渗模型坝、水位控制装置和缺陷渗漏测量系统。
模型水槽包括底面钢板、四块侧钢板和固定承重架。四块侧钢板密封连接在底面钢板四周，分别为坝体下游侧钢板、坝体上游侧钢板、坝体左侧钢板和坝体右侧钢板。其中，坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板通过Z字折叠且呈弧形的胶质铰链与底面钢板密封连接，在坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的外侧壁通过固定承重架进行支撑。固定承重架的长度能够伸缩，从而能够调节坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度。
土工膜防渗模型坝填筑在模型水槽中，且横跨在坝体左侧钢板和坝体右侧钢板之间。当坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度发生变化时，进而能够模拟不同的岸坡比。
水位控制装置用于控制土工膜防渗模型坝上下游的水位，位于土工膜防渗模型坝上游的模型水槽的水体中添加有荧光粉。
缺陷渗漏测量系统包括荧光灯、高速摄像机和计算机，荧光灯和高速摄像机均安装在模型水槽外侧顶部，且高速摄像机镜头正对土工膜防渗模型坝的上游坝面土工膜。高速摄像机与计算机相连接。
土工膜防渗模型坝包括坝体、垫层和土工膜。坝体采用细砂填筑形成，坝体的上游坝面覆盖有垫层，土工膜铺设在垫层之上。土工膜上标记有土工膜缺陷位置，用于作为缺陷破坏试验点。位于土工膜缺陷位置处的土工膜上设置有刻度尺，便于高速摄像机和计算机清晰地观测到缺陷渗漏浸润区的变化趋势。
本发明具有如下有益效果：
1.本发明根据不同含水率的垫层上土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定的分布特点，建立土工膜缺陷渗漏浸润区直径的数学模型，判定实际工程中不同施工条件下不同含水率垫层土工膜的防渗土石坝缺陷渗漏稳定。
2.本发明坝体左侧钢板可以在宽度方向伸长，根据试验需求自行调节坝体左侧钢板宽边的长度，满足多种坝高的模型坝坝体的堆筑。
3.本发明中坝体左侧钢板和底面钢板以自由压缩或展开的弧形软Z字胶质材料连接。可在0-90°范围内调节坝体左侧钢板倾斜角度，模拟实际工程中不同岸坡比的半个坝体。
4.本发明中在蓄水池内添加荧光粉，阻绝室内其他光源，打开荧光灯对准表面有清晰刻度的透明土工膜表面，可以观测到清晰的浸润锋运行轨迹。
附图说明
图1显示了本发明一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验装置的结构示意图。
图2显示了土工膜防渗模型坝及水位控制系统的纵向剖面图。
图3显示了模型水槽及土工膜防渗模型坝的右侧图。
图4显示了高速摄像机拍摄的土工膜缺陷渗漏浸润区随时间变化的趋势图像。
图5显示了垫层含水率为6％、7％、8％、9％和10％时土工膜缺陷渗漏浸润区直径随时间变化的计算曲线。
图6显示了土工膜缺陷渗漏浸润区直径D与缺陷渗漏区稳定直径Dw在初始含水率6％下随时间变化的计算曲线。
其中有：1、模型水槽，2、缺陷，3、荧光灯，4、土工膜防渗模型坝，5、垫层，6、高速摄像机，7、计算机，8、出水口，9、浮球式控制水位装置，10、进水口，11、止水片，12、胶质铰链，13、固定承重架，14、坝体左侧钢板。
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、图2和图3所示，一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验装置，包括模型水槽1、土工膜防渗模型坝4、水位控制装置和缺陷渗漏测量系统。
模型水槽包括底面钢板、四块侧钢板和固定承重架13。四块侧钢板密封连接在底面钢板四周，分别为坝体下游侧钢板、坝体上游侧钢板、坝体左侧钢板14和坝体右侧钢板。
其中，坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板通过Z字折叠且呈弧形的胶质铰链与底面钢板密封连接，在坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的外侧壁通过固定承重架进行支撑。本实施例中，优选坝体左侧钢板通过Z字折叠且呈弧形的胶质铰链12与底面钢板密封连接，在坝体左侧钢板的外侧壁通过固定承重架进行支撑。坝体右侧钢板优选竖直设置。
上述固定承重架的长度能够伸缩，优选为液压千斤顶，从而能够调节坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度。本实施例中，坝体左侧钢板在固定承重架的作用下，能实现0-90°的倾斜。
如图1所示，土工膜防渗模型坝填筑在模型水槽中，且横跨在坝体左侧钢板和坝体右侧钢板之间。土工膜防渗模型坝与坝体上游侧钢板之间形成蓄水池，土工膜防渗模型坝与坝体下游侧钢板之间形成泄水池，出水口8位于泄水池侧的坝体下游侧钢板底部，进水口10优选设置在坝体上游侧钢板中上部。
土工膜防渗模型坝包括坝体、垫层5和土工膜。坝体优选采用细砂填筑形成，坝体高优选为400mm，坝顶宽优选为200mm，上游坝面坡度优选为1:2，下游坝面坡度优选为1:1.8。坝体两侧分别与坝体右侧钢板的垂直内边壁和倾斜45°的坝体左侧钢板的内边壁接触。
坝体的上游坝面覆盖有垫层，土工膜铺设在垫层之上。
土工膜上标记有土工膜缺陷位置，用于作为缺陷破坏试验点，形成缺陷2。在土工膜与模型水槽的接触处优选固定有止水片11。
位于土工膜缺陷位置处的土工膜上设置有刻度尺，且土工膜优选为透明膜，便于高速摄像机和计算机清晰地观测到缺陷渗漏浸润区的变化趋势，大致趋势如图2所示。
当坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度发生变化时，进而能够模拟不同的岸坡比。
水位控制装置用于控制土工膜防渗模型坝上下游的水位，优选为与进水口相连接的浮球式控制水位装置9。
位于土工膜防渗模型坝上游的模型水槽的水体中添加有荧光粉。
缺陷渗漏测量系统包括荧光灯3、高速摄像机6和计算机7，荧光灯和高速摄像机均安装在模型水槽外侧顶部，且高速摄像机镜头正对土工膜防渗模型坝的上游坝面土工膜。高速摄像机与计算机相连接，位于高速摄像机上方。
一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，包括如下步骤。
步骤1，填筑坝体：在模型水槽内，采用细砂填筑土工膜防渗土石坝的坝体。
填筑坝体前，通过调整模型水槽一侧或两侧的侧钢板角度，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同岸坡比情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。在本实施例中，前钢板优选呈45°，后钢板竖直。
垫层填充前，优选先配置适量黏土，然后将配置黏土均匀涂抹在模型水槽的前后侧壁和底面，也即涂抹区域为模型坝体与模型水槽的接触区域，以防止坝体与模型水槽间发生接触渗流。
坝体优选采用细砂填筑，从下往上分多层依次填筑；每层都填筑夯实完成后，按照坝坡比对上下游坝坡进行削坡。
填筑坝体时，通过调整坝体上下游的坝坡比，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同上下游坝坡比情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
步骤2，填充垫层：在坝体上游的垫层室内填充含水率为w1(6％)的垫层料。
上述垫层中干垫层料的填充质量，采用如下公式(4)进行计算：
m＝00.1S(1+0.01w)Vρdmax (4)
其中，m为干垫层料质量。S为垫层的压实度。w为垫层料的含水率。V为坝面垫层的体积。ρdmax为垫层的最大干密度。
上述垫层中的加水质量，采用如下公式(5)进行计算：
m水＝mw (5)
其中，m水为垫层中的加水质量。m为干垫层料质量。w为垫层料的含水率。
本试验选用黏土垫层为例，选取压实度均为95％的黏土垫层。土料含水率为14％时，干密度最大，试验黏土样最优含水率为14％，对应的最大干密度为1.75g/cm3。
当垫层室的体积为18783cm3时，通过上述黏土垫层料质量的计算公式计算，为获取试验过程中需要的压实度S为95％的黏土料，含水率为w1(6％)、w2(7％)、w3(8％)、w4(9％)和w5(10％)的黏土垫层需分别选配质量为33100.46g、33412.36g、33725.03g、34036.84g和34249.60g的黏土料。
步骤3，铺设土工膜：将厚度为t＝0.5mm的土工膜平整铺设在步骤2的垫层料表面，在土工膜与槽壁接触的地方采用凡士林涂抹并用夹具固定止水片。
步骤4，蓄水：在坝体上游的模型水槽内蓄水，在坝体上游蓄水至设计水位线，蓄水完成后，将步骤3铺设的厚度0.5mm的土工膜静置一段时间，使土工膜与垫层紧密贴服。
蓄水时，通过调整坝体上下游的水位压差，重复步骤1至步骤5，从而模拟不同上下游水位压差情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
步骤5，土工膜缺陷渗漏试验，包括如下步骤。
步骤51，添加荧光剂：在步骤4模型水槽的蓄水中添加荧光剂。
步骤52，缺陷破坏：在选定的土工膜缺陷位置，对土工膜进行缺陷破坏。破坏起始时刻的孔洞直径，记为缺陷的初始直径d0，本试验d0＝1mm。
步骤53，观察缺陷渗漏扩散。
在步骤52缺陷破坏的同时，开启荧光灯和与计算机相连接的高速摄像机。高速摄像机拍摄破坏起始时刻时土工膜缺陷的图像。随后，高速摄像机按照设定时间间隔拍摄土工膜缺陷的图像，计算机实时量测并记录土工膜缺陷渗漏浸润区直径，并记录n个时间节点分别为T1、T2、……Tn，且n≥3，0＜T1＜T2＜……＜Tn，当相邻时刻记录的土工膜缺陷渗漏浸润区直径趋于基本稳定时，试验停止。T1、T2、……Tn时刻对应的土工膜缺陷渗漏浸润区直径，记为D11、D12、……、D1n。
在本实施例中，w＝6％时，，n＝17，17个时间点分别为：T1(3s)、T2(7s)、T3(11s)、T4(20s)、T5(40s)、T6(80s)、T7(100s)、T8(300s)、T9(600s)、T10(900s)、T11(1200s)、T12(1500s)、T13(1800s)、T14(2100s)、T15(2400s)、T16(3000s)和T17(3600s)。记录黏土垫层含水率为w1(6％)时，在17个时间节点时土工膜的缺陷渗漏浸润区直径D11、D12、……D117，绘制垫层含水率为w1时土工膜缺陷渗漏浸润区直径D和时间节点T的关系曲线；图4显示了高速摄像机拍摄的土工膜缺陷渗漏浸润区随时间变化的趋势图像。
步骤6，不同含水率的垫层时土工膜的缺陷渗漏试验：将步骤2中含水率为w1的垫层分别更换成含水率为w2、w3、w4和w5的垫层，重复步骤3至步骤5。其中，w1＜w2＜w3＜w4＜w5。
最终获得：
含水率为w1的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……T17的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D11、D12、……、D117。
含水率为w2的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……T17的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D21、D22、……、D217。
含水率为w3的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……T17的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D31、D32、……、D317。
含水率为w4的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……T17的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D41、D42、……、D417。
含水率为w5的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……T17的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D51、D52、……、D517。
具体数值，如表1所示。
表1土工膜缺陷渗漏浸润区直径(mm)
Figure BDA0002581018010000091
图5显示了黏土垫层含水率为6％、7％、8％、9％和10％时土工膜缺陷渗漏浸润区直径随时间变化的计算曲线。如图5可知，关系曲线前半段为曲线，后半段近似为直线。
步骤7，建立土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏预测稳定数学模型，具体包括如下步骤：
步骤71，建立缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：根据不同含水率下垫层上不同渗漏时刻土工膜缺陷渗漏的分布特点，建立式(1)的缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5Dm (1)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，T为渗漏时间，c和n是两个待确定的未知参数。
步骤72，建立任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm的数学模型：由于任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm与垫层含水率w呈非线性相关，因此建立式(2)所示的抛物线模型：
Dm＝aw2+bw+f (2)
其中，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，w为垫层含水率，a，b和f为拟合参数。
步骤73，确定土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏稳定数学模型：将式(2)代入式(1)，得到不同含水率下土工膜防渗土石坝缺陷渗漏预测稳定数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5(aw2+bw+f) (3)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，T为渗漏时间，w为垫层含水率，c、n、a、b和f为五个待确定的未知参数。
步骤8，确定五个未知参数：具体确定方法如下：
A、中间参数a、b和f的确定：结合公式(2)中，对步骤5和6中得到的某一时刻下5组试验数据(w1，D117)、(w2，D217)、(w3，D317)、(w4，D417)和(w5，D517)，也即(6％，127)、(7％，113)、(8％，86)、(9％，99)和(10％，143)进行抛物线拟合，获得形如Dw＝0.0446x2-5.9035x+285.91的多项式关系式，由此可确定未知参数a＝0.0446、b＝-5.9035和f＝285.91。
B、确定中间参数c和n：将拟合参数a、b和f代入式(1)，对步骤6中得到的全部17个时间节点的85组数据取6个时间节点(也即m＝6)包括一个起始临近点和5个六等分点，共30组数据：
(T7，D17)、(T9，D19)、(T11，D111)、(T13，D113)、(T15，D115)和(T16，D116)，也即(100，43)、(600，70)、(1200，90)、(1800，110)、(2400，121)和(3000，124)。
(T7，D27)、(T9，D29)、(T11，D211)、(T13，D213)、(T15，D215)和(T16，D216)，也即(100，39)、(600，62)、(1200，82)、(1800，96)、(2400，106)和(3000，110)。
(T7，D37)、(T9，D39)、(T11，D311)、(T13，D313)、(T15，D315)和(T16，D316)，也即(100，25)、(600，43)、(1200，55)、(1800，65)、(2400，75)和(3000，81)。
(T7，D47)、(T9，D49)、(T11，D411)、(T13，D413)、(T15，D415)和(T16，D416)，也即(100，33)、(600，52)、(1200，66)、(1800，78)、(2400，88)和(3000，96)。
(T7，D57)、(T9，D59)、(T11，D511)、(T13，D513)、(T15，D515)和(T16，D516)，也即(100，44)、(600，82)、(1200，106)、(1800，122)、(2400，136)和(3000，140)。
通过MATLAB软件进行回归分析，由此可确定未知参数c＝0.5787和n＝4.4836e-04。
本实施例，求取的确定中间参数c和n，更为准确，拟合精度高。
五个未知参数确定后的公式(1)，表达如下：
D＝0.5787(0.0446x2-5.9035x+285.91)(1-e-0.00044836T)0.5
步骤9，实际工程土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定，包括如下步骤。
步骤91，获取实际垫层初始含水率wA：通过查阅实际工程土工膜防渗土石坝中垫层的设计参数，获取实际垫层初始含水率wA。
步骤92，确定浸润区最终稳定时刻Tw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA，代入参数已确定的公式(3)中，则公式(3)转化为：自变量为T，因变量为D的函数，也即D＝f(T)，对f(T)进行求导，则得到
Figure BDA0002581018010000111
的比值。当
Figure BDA0002581018010000112
时的自变量T，则为确定的浸润区最终稳定时刻Tw。
此步骤能求取含水率在6％-10％范围内不同含水率下的浸润区最终稳定时刻Tw。如本试验取wA＝6％为例，则Tw＝4016s，Dw＝135mm。
步骤93，确定缺陷渗漏区的稳定直径Dw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA和步骤92确定的浸润区最终稳定时刻Tw，均代入参数已确定的公式(3)中，从而得到上游坝面缺陷渗漏区的稳定直径Dw。
步骤94，计算土工膜缺陷渗漏区的预测直径DA：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA以及实际渗漏时间TA，代入参数已确定的公式(3)中，从而获得实际渗漏时间TA时的缺陷渗漏区的预测直径DA。
步骤95，土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定：将步骤94计算的缺陷渗漏区预测直径DA和步骤93确定的缺陷渗漏区稳定直径Dw进行比较：
A、若DA>1.05Dw，则缺陷发生扩展或变形，对实际工程有潜在安全风险。
B、若1.05Dw≥DA≥0.95Dw，则缺陷渗漏区直径已处于稳定范围内。
C、若DA＜0.95Dw，则缺陷渗漏区直径尚未达到稳定状态。
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 (9)

1.一种土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1，填筑坝体：在模型水槽内，采用细砂填筑土工膜防渗土石坝的坝体：
步骤2，填充垫层：在坝体上游的垫层室内填充含水率为w1的垫层料；
步骤3，铺设土工膜：将厚度为t的土工膜平整铺设在步骤2的垫层料表面；
步骤4，蓄水：在坝体上游的模型水槽内蓄水，使土工膜与垫层紧密贴服；
步骤5，土工膜缺陷渗漏试验，包括如下步骤：
步骤51，添加荧光剂：在步骤4模型水槽的蓄水中添加荧光剂；
步骤52，缺陷破坏：在选定的土工膜缺陷位置，对土工膜进行缺陷破坏；破坏起始时刻的孔洞直径，记为缺陷的初始直径d0；
步骤53，观察缺陷渗漏扩散：在步骤52缺陷破坏的同时，开启荧光灯和与计算机相连接的高速摄像机；高速摄像机拍摄破坏起始时刻时土工膜缺陷的图像；
随后，高速摄像机按照设定时间间隔拍摄土工膜缺陷的图像，计算机实时量测并记录土工膜缺陷渗漏浸润区直径；记录n个时间节点分别为T1、T2、……Tn，且n≥3，0＜T1＜T2＜……＜Tn，当相邻时刻记录的土工膜缺陷渗漏浸润区直径稳定时，试验停止；T1、T2、……Tn时刻对应的土工膜缺陷渗漏浸润区直径，记为D11、D12、……、D1n；
步骤6，不同含水率的垫层时土工膜的缺陷渗漏试验：将步骤2中含水率为w1的垫层分别更换成含水率为w2、w3、w4和w5的垫层，重复步骤3至步骤5；其中，w1＜w2＜w3＜w4＜w5；最终获得：
含水率为w1的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D11、D12、……、D1n；
含水率为w2的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D21、D22、……、D2n；
含水率为w3的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D31、D32、……、D3n；
含水率为w4的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D41、D42、……、D4n；
含水率为w5的黏土垫层时，时间节点为T1、T2、……Tn的土工膜的缺陷渗漏浸润区直径依次为D51、D52、……、D5n；
步骤7，建立土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏预测稳定数学模型：建立的缺陷渗漏预测稳定数学模型，如下：
D＝c(1-e-nT)0.5(aw2+bw+f) (3)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，T为渗漏时间，w为垫层含水率，c、n、a、b和f为五个待确定的未知参数；
步骤8，确定五个未知参数：利用步骤5和步骤6中获取的土工膜缺陷渗漏试验数据，进行函数拟合，由此确定未知参数a、b、f、c和n；
步骤9，实际工程土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定：包括如下步骤：
步骤91，获取实际垫层初始含水率wA：通过查阅实际工程土工膜防渗土石坝中垫层的设计参数，获取实际垫层初始含水率wA；
步骤92，确定浸润区最终稳定时刻Tw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA，代入参数已确定的公式(3)中，则公式(3)转化为：自变量为T，因变量为D的函数，也即D＝f(T)，对f(T)进行求导，则得到
Figure FDA0003002312200000021
的比值；当
Figure FDA0003002312200000022
时的自变量T，则为确定的浸润区最终稳定时刻Tw；
步骤93，确定缺陷渗漏区的稳定直径Dw：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA和步骤92确定的浸润区最终稳定时刻Tw，均代入参数已确定的公式(3)中，从而得到上游坝面缺陷渗漏区的稳定直径Dw；
步骤94，计算土工膜缺陷渗漏区的预测直径DA：将步骤91获取的实际垫层初始含水率wA以及实际渗漏时间TA，代入参数已确定的公式(3)中，从而获得实际渗漏时间TA时的缺陷渗漏区的预测直径DA；
步骤95，土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性的判定：将步骤94计算的缺陷渗漏区预测直径DA和步骤93确定的缺陷渗漏区稳定直径Dw进行比较：
A、若DA>1.05Dw，则缺陷发生扩展或变形，对实际工程有潜在安全风险；
B、若1.05Dw≥DA≥0.95Dw，则缺陷渗漏区直径已处于稳定范围内；
C、若DA＜0.95Dw，则缺陷渗漏区直径尚未达到稳定状态。
2.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤7中，建立土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏稳定数学模型，具体包括如下步骤：
步骤71，建立缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：根据不同含水率下垫层上不同渗漏时刻土工膜缺陷渗漏的分布特点，建立式(1)的缺陷渗漏浸润区的预测稳定初始数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5Dm (1)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，T为渗漏时间，c和n是两个待确定的未知参数；
步骤72，建立任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm的数学模型：由于任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径Dm与垫层含水率w呈非线性相关，因此建立式(2)所示的抛物线模型：
Dm＝aw2+bw+f (2)
其中，Dm为任意时刻不同含水率缺陷浸润区直径，w为垫层含水率，a，b和f为拟合参数；
步骤73，确定土工膜防渗土石坝的缺陷渗漏稳定数学模型：将式(2)代入式(1)，得到不同含水率下土工膜防渗土石坝缺陷渗漏预测稳定数学模型：
D＝c(1-e-nT)0.5(aw2+bw+f) (3)
其中，D为缺陷渗漏浸润区的预测直径，T为渗漏时间，w为垫层含水率，c、n、a、b和f为五个待确定的未知参数。
3.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤8中，五个未知参数的确定方法，包括如下步骤：
步骤A、中间参数a、b和f的确定：结合公式(2)中，将步骤5和步骤6中得到的任意同一时刻下不同含水率的5组试验数据(w1，D1n)、(w2，D2n)、(w3，D3n)、(w4，D4n)和(w5，D5n)，进行抛物线拟合，由此能够确定未知参数a、b和f；
B、未知参数c和n确定：将拟合参数a、b和f代入式(1)，再从步骤6中得到的每种含水率下的n组试验数据中各选取m组，3≤m≤n；将每种含水率下的m组数据，通过MATLAB软件进行回归分析，由此确定未知参数c和n。
4.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤2中，垫层中干垫层料的填充质量，采用如下公式(4)进行计算：
m＝00.1S(1+0.01w)Vρdmax (4)
其中，m为干垫层料质量；S为垫层的压实度；w为垫层料的含水率；V为坝面垫层的体积；ρdmax为垫层的最大干密度。
5.根据权利要求4所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：垫层中的加水质量，采用如下公式(5)进行计算：
m水＝mw (5)
其中，m水为垫层中的加水质量；m为干垫层料质量；w为垫层料的含水率。
6.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤1中，填筑坝体时，通过调整模型水槽一侧或两侧的侧钢板角度，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同岸坡比情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
7.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤1中，填筑坝体时，通过调整坝体上下游的坝坡比或坝体上下游的水位压差，重复步骤2至步骤5，从而模拟不同上下游坝坡比或上下游水位压差情况下的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别试验。
8.根据权利要求1所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：步骤5中，采用土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验装置进行土工膜缺陷渗漏试验；其中，土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验装置，包括模型水槽、土工膜防渗模型坝、水位控制装置和缺陷渗漏测量系统；
模型水槽包括底面钢板、四块侧钢板和固定承重架；四块侧钢板密封连接在底面钢板四周，分别为坝体下游侧钢板、坝体上游侧钢板、坝体左侧钢板和坝体右侧钢板；其中，坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板通过Z字折叠且呈弧形的胶质铰链与底面钢板密封连接，在坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的外侧壁通过固定承重架进行支撑；固定承重架的长度能够伸缩，从而能够调节坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度；
土工膜防渗模型坝填筑在模型水槽中，且横跨在坝体左侧钢板和坝体右侧钢板之间；当坝体左侧钢板和/或坝体右侧钢板的倾斜角度发生变化时，进而能够模拟不同的岸坡比；
水位控制装置用于控制土工膜防渗模型坝上下游的水位，位于土工膜防渗模型坝上游的模型水槽的水体中添加有荧光粉；
缺陷渗漏测量系统包括荧光灯、高速摄像机和计算机，荧光灯和高速摄像机均安装在模型水槽外侧顶部，且高速摄像机镜头正对土工膜防渗模型坝的上游坝面土工膜；高速摄像机与计算机相连接。
9.根据权利要求8所述的土工膜防渗土石坝缺陷渗漏稳定性判别的试验方法，其特征在于：土工膜防渗模型坝包括坝体、垫层和土工膜；坝体采用细砂填筑形成，坝体的上游坝面覆盖有垫层，土工膜铺设在垫层之上；土工膜上标记有土工膜缺陷位置，用于作为缺陷破坏试验点；位于土工膜缺陷位置处的土工膜上设置有刻度尺，便于高速摄像机和计算机清晰地观测到缺陷渗漏浸润区的变化趋势。
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