CN113049472A - 一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于水利水电工程土工试验方法技术领域，公开了一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，利用渗透仪对原级配筑坝料进行大型垂直渗透特性试验，可避免颗粒级配缩尺效应对筑坝料渗透特性的影响，利用水头供水加压装置模拟实际坝体挡水工作水头，在维持原有填筑料级配的基础上，模拟水电站大坝填筑料在实际水头压力作用下的渗透特性，并且配以高精度的控制组件，能实现填筑料在不同条件下原级配渗透特性试验，测出土石坝砂砾石填筑料渗透特性参数，记录并分析填筑料渗透特性演变过程，为高面板坝坝体渗透稳定性分析及评价提供更为准确、可靠、真实的技术参数，经济效益显著。
Description
技术领域
本发明属于水利水电工程土工试验方法技术领域，具体涉及一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法。
背景技术
随着高面板土石坝的兴建，砂石料筑坝料渗透特性及坝体渗透稳定性成为高面板土石坝建设的制约性关键技术问题。原级配砂砾石筑坝材料渗透特性试验多数是在现场碾压试验后，仅采用试坑注水法测定其非饱和状态下的渗透系数，由于条件限制，无法测定高水头作用下，原级配砂砾石筑坝料试样渗透特性和渗透演变过程。另外，由于渗透试验是在现有碾压体上进行的，无法测定在上覆坝体压力作用下填筑料的渗透特性。
因受制于仪器设备加工条件和工程规模的限制，目前国内现行版本的试验规程中，对于最大粒径远超60mm的砂砾石填筑料，室内往往采用缩尺后的填筑料级配进行试验，对于粒径大于60mm原级配填筑料垂直渗透特性试验缺乏明确的试验方法和设备装置。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，克服了现有技术中存在的问题。
为了解决技术问题，本发明的技术方案是：一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求确定渗透仪的尺寸、渗透仪的加载荷载以及水头供水加压装置的最大水头压力；
步骤2：在渗透仪内壁进行边壁绕流处理；
步骤3：根据渗透试验要求对填筑料进行制样，制样时在渗透仪的测压孔中预埋测压延伸管；
步骤4：完成制样后，安装渗透仪的上游透水板，在上游透水板上铺设缓冲料，接着安装液压千斤顶，将渗透仪紧固；
步骤5：根据试验要求采用液压千斤顶对填筑料施加荷载，然后对填筑料从渗透仪底部自下而上滴水饱和；
步骤6：将渗透仪输入端与水头供水加压装置连接，渗透仪输出端与渗水量量测装置连接，渗水量量测装置输出端与沉淀池连接，沉淀池输出端与蓄水箱输入端连接，蓄水箱输出端连接水头供水加压装置，将水头供水加压装置、渗透仪和渗水量量测装置分别与控制组件电连接；
步骤7：进行垂直渗透特性试验，开启水头供水加压装置，逐步提升试验水头至设计水头压力值，由控制组件记录和采集填筑料垂直渗透特性试验过程参数，进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速参数的分析，根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程。
优选的，所述步骤1中渗透仪包括排砂孔、进水口、下游透水板、支撑柱、试样容器、上游透水板、上盖出水口、液压千斤顶、带孔传力柱、测压孔、测压延伸管、饱和孔、支撑基座、试样容器上盖和试样容器下盖，试样容器下盖安装于支撑基座上端面，其中试样容器下盖下端面设置有排砂孔，试样容器下盖左右端面分别设置有进水口和饱和孔，试样容器下盖内部竖直设置有支撑柱，所述试样容器下盖与试样容器下端通过连接法兰连接，其中试样容器下盖与试样容器连接处设置有下游透水板，其中支撑柱与下游透水板垂直相接，所述试样容器上端与试样容器上盖通过连接法兰连接，其中试样容器与试样容器上盖连接处设置有上游透水板，上游透水板上侧设置有带孔传力柱，带孔传力柱上侧设置有液压千斤顶，液压千斤顶上端面接触试样容器上盖内侧顶部，所述试样容器上盖右端面设置有上盖出水口，所述试样容器侧面从上至下依次设置有多个测压孔，测压孔用于预埋测压延伸管，测压延伸管外接压力传感器，液压千斤顶和压力传感器与控制组件电连接，用于采集测试断面水头压力。
优选的，所述渗透仪的试样容器为多个，多个试样容器采用连接法兰连接，试样容器的内径为100cm，试样容器的有效高度为1m，所述上游透水板和带孔传力柱之间铺设有缓冲料层，缓冲料层的厚度为8~15cm，缓冲料层由粒径5~20mm的圆砾铺设而成，所述缓冲料层上还铺设孔径为2mm×2mm的钢丝网。
优选的，所述步骤2中在渗透仪内壁进行边壁绕流处理，具体为：将底涂粘结剂均匀涂覆于试样容器内壁形成底涂粘结剂层，将遇水膨胀材料橡胶腻子均匀涂覆于底涂粘结剂层形成遇水膨胀材料橡胶腻子层，所述底涂粘结剂层的涂覆厚度为0.3~0.8mm，底涂粘结剂选自HYT环氧底涂剂，所述遇水膨胀材料橡胶腻子层的涂覆厚度为2~4mm。
优选的，所述步骤3中根据渗透试验要求对填筑料进行制样具体为：对填筑料进行分层制样，根据填筑料最大粒径确定分层制样的厚度，最大粒径小于50mm时，分层层厚为10cm，最大粒径介于50mm~100mm时，分层层厚为15cm，最大粒径介于100mm~200mm时，分层层厚为25cm，层间毛面处理深度为1.5cm；制样时采用变频振动电机表面振动器进行夯实，变频振动电机表面振动器采用功率2×0.8KW电机，激振力为10kN，可变频为0~50Hz。
优选的，所述步骤6中渗水量量测装置包括进水管、电磁流量计、出水口阀门、量筒出水口、开关阀、连通管、排水管、大测量筒、小测量筒、磁翻板远传液位计、测量筒基座、小测量筒排水阀和大测量筒排水阀，进水管一端连接出水端腔体，进水管另一端连接量筒出水口，所述进水管和量筒出水口之间的管路上设置有电磁流量计和出水口阀门，所述大测量筒和小测量筒分别竖直固定于测量筒基座上，所述大测量筒和小测量筒之间通过连通管连通，连通管上设置有开关阀，所述小测量筒与磁翻板远传液位计连接，磁翻板远传液位计和电磁流量计分别与控制组件电连接，所述大测量筒和小测量筒底部分别通过排水管与沉淀池连接，其中大测量筒与沉淀池连接的排水管上设置有大测量筒排水阀，小测量筒与沉淀池连接的排水管上设置有小测量筒排水阀，所述量筒出水口为两个，其中两个量筒出水口分别设置于大测量筒和小测量筒正上方；当渗水量小于100ml/s时，采用磁翻板远传液位计配合小测量筒进行测量；当渗水量小于200ml/s时，采用磁翻板远传液位计配合大测量筒和小测量筒进行测量；当渗水量大于200ml/s时，采用电磁流量计进行测量。
优选的，所述步骤6中水头供水加压装置包括水泵组合单元、压力变送器、电动调节阀、二次减压阀、耐压无缝钢管、渗透仪入水口阀门和水头供水控制组件，所述蓄水箱的输出端通过连接水管连接水泵组合单元，水泵组合单元的输出端通过耐压无缝钢管连接渗透仪入水口阀门，渗透仪入水口阀门的输出端连接渗透仪，所述水泵组合单元和渗透仪入水口阀门之间的耐压无缝钢管上设置有压力变送器，所述水泵组合单元的输出端还连接电动调节阀，电动调节阀的输出端连接二次减压阀，二次减压阀的输出端连接蓄水箱的输入端，所述水泵组合单元、压力变送器和电动调节阀分别与水头供水控制组件电连接，水头供水控制组件与控制组件电连接。
优选的，所述水泵组合单元由六套单泵加压组件并联组成，分别为第一套单泵加压组件、第二套单泵加压组件、第三套单泵加压组件、第四套单泵加压组件、第五套单泵加压组件和第六套单泵加压组件，每套单泵加压组件均由进水阀门、水泵和止回阀依次通过水压管道连接组装；所述第一套单泵加压组件由第一进水阀门、第一水泵和第一止回阀依次连接组装；第二套单泵加压组件由第二进水阀门、第二水泵和第二止回阀依次连接组装；第三套单泵加压组件由第三进水阀门、第三水泵和第三止回阀依次连接组装；第四套单泵加压组件由第四进水阀门、第四水泵和第四止回阀依次连接组装；第五套单泵加压组件由第五进水阀门、第五水泵和第五止回阀依次连接组装；第六套单泵加压组件由第六进水阀门、第六水泵和第六止回阀依次连接组装，所述各水泵和止回阀分别与水头供水控制组件电连接，各止回阀分别与耐压无缝钢管采用法兰机械连接；所述水泵组合单元采取多级泵梯级配置，其中第一水泵的水头扬程为1.5~61m，第二水泵的水头扬程为61~101m，第三水泵的水头扬程为101~162m，第四水泵的水头扬程为162~203m，第五水泵和第六水泵的水头扬程203~350m，所述水泵组合单元通过控制组件的控制提供0~150m区间内连续稳定的加压水头，各水泵的额定流量为0~42m3/h，多泵联合控制最高供水流量120m3/h，水泵从启动到达到预定工作频率时长设置为3s，水泵从关闭到停止工作时长设置为15s。
优选的，所述步骤中控制组件包括PLC柜、计算机、信号电缆和基于FLC软件开发的操作系统，其中基于FLC软件开发的操作系统安装于计算机中，PLC柜中设置有变频器和数显压力变送器，其中变频器和数显压力变送器分别与基于FLC软件开发的操作系统连接，所述变频器和数显压力变送器通过信号电缆与水头供水加压装置、渗透仪和渗水量量测装置连接，控制组件用于控制水头供水加压装置提供试验所需的水头压力，并且采集填筑料测试断面的水头压力以及渗水量。
优选的，所述水泵组合单元由六套单泵加压组件并联组成，分别为第一套单泵加压组件、第二套单泵加压组件、第三套单泵加压组件、第四套单泵加压组件、第五套单泵加压组件和第六套单泵加压组件，每套单泵加压组件均由进水阀门、水泵和止回阀依次通过水压管道连接组装；所述第一套单泵加压组件由第一进水阀门、第一水泵和第一止回阀依次连接组装；第二套单泵加压组件由第二进水阀门、第二水泵和第二止回阀依次连接组装；第三套单泵加压组件由第三进水阀门、第三水泵和第三止回阀依次连接组装；第四套单泵加压组件由第四进水阀门、第四水泵和第四止回阀依次连接组装；第五套单泵加压组件由第五进水阀门、第五水泵和第五止回阀依次连接组装；第六套单泵加压组件由第六进水阀门、第六水泵和第六止回阀依次连接组装，所述各水泵和止回阀分别与水头供水控制组件电连接，各止回阀分别与耐压无缝钢管采用法兰机械连接；所述水泵组合单元采取多级泵梯级配置，其中第一水泵的水头扬程为1.5~61m，第二水泵的水头扬程为61~101m，第三水泵的水头扬程为101~162m，第四水泵的水头扬程为162~203m，第五水泵和第六水泵的水头扬程203~350m，所述水泵组合单元通过控制组件的控制提供0~150m区间内连续稳定的加压水头，各水泵的额定流量为0~42m3/h，多泵联合控制最高供水流量120m3/h，水泵从启动到达到预定工作频率时长设置为3s，水泵从关闭到停止工作时长设置为15s。
优选的，所述步骤7中垂直渗透特性试验的填筑料最大粒径设定为200mm，水头压力值设定不大于150m，渗透仪的设置高度不小于1m且不大于5m；根据控制组件采集的数据进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算，并根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程，所述渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算公式如下：
Q=1/4πd2△h/T
k=v/（100i）
式中：
i-渗透坡降；
ΔH-水头压力测试断面的水头差，m；
ΔL-水头压力测试断面之间的填筑料长度，m；
v-流速，m/s；
Q-渗出水流量，m3/s；
A-多用途渗透仪断面面积，m2；
d-测量筒直径，m；
△h-液面升高增量，m；
T-采集时长，s；
k-渗透系数。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
（1）本发明利用渗透仪对原级配筑坝料进行大型垂直渗透特性试验，可避免颗粒级配缩尺效应对筑坝料渗透特性的影响，利用水头供水加压装置模拟实际坝体挡水工作水头，在维持原有填筑料级配的基础上，模拟水电站大坝填筑料在实际水头压力作用下的渗透特性，并且配以高精度的控制组件，能实现填筑料在不同条件下原级配渗透特性试验，测出土石坝砂砾石填筑料渗透特性参数，记录并分析填筑料渗透特性演变过程，为高面板坝坝体渗透稳定性分析及评价提供更为准确、可靠、真实的技术参数，经济效益显著；本发明满足超高土石坝填筑料最大粒径小于200mm时原级配垂直渗透试验要求，填补国内该粒径粗粒土室内试验研究领域的空白；
（2）本发明利用水头供水加压装置和控制组件可持续对填筑料进行垂直渗透稳定性试验，对高水头长时间作用下的原级配填筑料试样的渗透可靠性验证，也可进行150m以下水头压力值条件下，对原级配填筑料填筑料渗透演变特性进行试验，可以分析渗透特性演变规律；
（3）本发明控制组件实现了大型粗粒土渗透变形试验在高水头压力范围和大流量区间内，水头压力和对应流量的多通道实时自动采集，保证了在同一时刻各断面水头压力数据采集和渗透流量采集时刻的一致性，避免了人工采集各断面压力数据和渗透流量的时间差异和读数误差，解决了常规测压管无法进行高水头压力量测，以及量筒无法进行大流量渗透流量测量的难题，也提高了采集数据准确性和高效性；
（4）本发明渗透仪的试样容器的断面尺寸加大，内径为100cm，可满足最大粒径为200mm原级配填筑料的渗透特性试验，且制样标准可控性强，制样操作方便快捷，避免缩尺效应，能够精准的反应实际情况；本发明渗透仪采用支撑柱支撑下游透水板，提升了渗透仪的强度刚度，并利用液压千斤顶和带孔传力柱给填筑料施加荷载，液压千斤顶采用电动油泵自动稳压控制，液压千斤顶加压不小于试验水压，避免试验水压造成填筑料移位，最大限度的模拟实际情况；
（5）本发明渗透仪的试样容器内壁依次涂覆有底涂粘结剂层和遇水膨胀材料橡胶腻子层，底涂粘结剂层对试样容器内壁和遇水膨胀材料橡胶腻子层均具有具有粘结力，当试样饱和过程中，遇水膨胀材料橡胶腻子层在遇水后产生膨胀变形，并充满本发明试样容器内壁与试样接触面的所有不规则表面、空穴及间隙，同时产生较大接触压力，从而降低渗透试验过程中边壁渗流，使渗透试验更符合实际情况，渗透试验成果更精准、可靠；
（6）本发明渗水量量测装置通过磁翻板远传液位计与电磁流量计组合使用的方式，在满足渗水量测量精度和准确度的前提下，扩大了流量测量范围，当渗水量较小时，采用磁翻板远传液位计进行单筒法测量，当渗水量较大时，采用磁翻板远传液位计进行双筒法测量，当渗水量继续增大时，采用电磁流量计测量，满足大尺寸渗透仪不同试验水头作用下渗水量的测量要求，并且在磁翻板远传液位计测量流量时，还设置了单筒法测量与双筒法测量两种模式，扩大了磁翻板远传液位计适用量程范围，同时保证具有足够的精度，测量精度和自动化程度高、适用范围广；渗水量量测装置可更改测量模式的全自动数据采集模块，自动化程度高，操作方便，即提高了渗透变形试验渗水量测量的准确度又提高了测试效率，同时减少人力，降低试验成本；
（7）本发明水头供水加压装置的水泵组合单元可提供0~150m区间内连续稳定的试验水头，尾水减压组件包括电动调节阀和二次减压阀，确保尾水低压力排入蓄水箱，本发明通过多级水泵梯级配置组合方式，能提供0~150m区间内从低压到高压水头渗透特性试验水头，供水压力稳定，压力范围广，压力控制精准高，自动化程度高，解决了高水头室内渗透试验供水供压问题。
附图说明
图1、本发明一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法的工艺流程图；
图2、本发明蓄水箱、水头供水加压装置、渗透仪、渗水量量测装置、沉淀池和控制组件连接及结构示意图；
图3、本发明渗透仪结构示意图；
图4、本发明图3中A处局部放大图；
图5、本发明渗水量量测装置结构示意图；
图6、本发明砂砾石填筑料垫层料级配曲线图；
图7、本发明垫层料垂直渗透变形试验lgi-lgv关系曲线图。
附图标记说明
1、蓄水箱，2、水头供水加压装置，3、渗透仪，4、渗水量量测装置，5、沉淀池，6、控制组件，7、供水管，8、连接水管，9、水泵组合单元，10、压力变送器，11、电动调节阀，12、二次减压阀，13、耐压无缝钢管，14、渗透仪入水口阀门，15、水头供水控制组件，16、进水阀门，17、水泵，18、止回阀，19、排砂孔，20、进水口，21下游透水板，22、支撑柱，23、试样容器，24、上游透水板，25、上盖出水口，26、液压千斤顶，27、带孔传力柱，28、测压孔，29、测压延伸管，30、饱和孔，31、支撑基座，32、试样容器上盖，33、试样容器下盖，34、进水管，35、电磁流量计，36、出水口阀门，37、量筒出水口，38、开关阀，39、连通管，40排水管，41、大测量筒，42、小测量筒，43、磁翻板远传液位计，44、测量筒基座，45、小测量筒排水阀，46、大测量筒排水阀，47、底涂粘结剂层，48、遇水膨胀材料橡胶腻子层；
6-1、PLC柜，6-2、计算机、6-3、信号电缆；
16-1、第一进水阀门，17-1、第一水泵，18-1、第一止回阀；
16-2、第二进水阀门，17-2、第二水泵，18-2第二止回阀；
16-3、第三进水阀门，17-3、第三水泵，18-3、第三止回阀；
16-4、第四进水阀门，17-4、第四水泵，18-4、第四止回阀；
16-5、第五进水阀门，17-5、第五水泵，18-5、第五止回阀；
16-6、第六进水阀门，17-6、第六水泵，18-6、第六止回阀。
具体实施方式
下面结合实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。
同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
实施例1
如图1所示，本发明公开了一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求确定渗透仪3的尺寸、渗透仪3的加载荷载以及水头供水加压装置2的最大水头压力；
步骤2：在渗透仪3内壁进行边壁绕流处理；
步骤3：根据渗透试验要求对填筑料进行制样，制样时在渗透仪3的测压孔28中预埋测压延伸管29；
步骤4：完成制样后，安装渗透仪3的上游透水板24，在上游透水板24上铺设缓冲料，接着安装液压千斤顶26，将渗透仪3紧固；
步骤5：根据试验要求采用液压千斤顶26对填筑料施加荷载，然后对填筑料从渗透仪3底部自下而上滴水饱和；
步骤6：将渗透仪3输入端与水头供水加压装置2连接，渗透仪3输出端与渗水量量测装置4连接，渗水量量测装置4输出端与沉淀池5连接，沉淀池5输出端与蓄水箱1输入端连接，蓄水箱1输出端连接水头供水加压装置2，将水头供水加压装置2、渗透仪3和渗水量量测装置4分别与控制组件6电连接；
步骤7：进行垂直渗透特性试验，开启水头供水加压装置2，逐步提升试验水头至设计水头压力值，由控制组件6记录和采集填筑料垂直渗透特性试验过程参数，进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速参数的分析，根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程。
实施例2
优选的，如图2、3所示，所述步骤1中渗透仪3包括排砂孔19、进水口20、下游透水板21、支撑柱22、试样容器23、上游透水板24、上盖出水口25、液压千斤顶26、带孔传力柱27、测压孔28、测压延伸管29、饱和孔30、支撑基座31、试样容器上盖32和试样容器下盖33，试样容器下盖33安装于支撑基座31上端面，其中试样容器下盖33下端面设置有排砂孔19，试样容器下盖33左右端面分别设置有进水口20和饱和孔30，试样容器下盖33内部竖直设置有支撑柱22，所述试样容器下盖33与试样容器23下端通过连接法兰连接，其中试样容器下盖33与试样容器23连接处设置有下游透水板21，其中支撑柱22与下游透水板21垂直相接，所述试样容器23上端与试样容器上盖32通过连接法兰连接，其中试样容器23与试样容器上盖32连接处设置有上游透水板24，上游透水板24上侧设置有带孔传力柱27，带孔传力柱27上侧设置有液压千斤顶26，液压千斤顶26上端面接触试样容器上盖32内侧顶部，所述试样容器上盖32右端面设置有上盖出水口25，所述试样容器23侧面从上至下依次设置有多个测压孔28，测压孔28用于预埋测压延伸管29，测压延伸管29外接压力传感器，液压千斤顶26和压力传感器与控制组件6电连接，用于采集测试断面水头压力。
所述液压千斤顶26最大输出力1500KN，液压千斤顶26采用电动油泵自动稳压控制，电动油泵与控制组件6电连接，试验水压值水头加压范围0~150m，液压千斤顶26加压不小于试验水压。所述的垂直渗透特性试验包括垂直渗透变形试验和垂直反滤试验及高水头作用下渗流动态演变过程试验，所述垂直渗透变形试验段长度不小于1m，垂直反滤试验试验段长度不小于2m。
所述最上侧的测压孔28距离上游透水板24的距离为10cm。
所述带孔传力柱27抗压承载力2000KN，其开孔面积等于其底面覆盖的上游透水板24出水孔面积。
所述带孔传力柱27用于将液压千斤顶26的压力分散，避免局部受力。
所述进试样容器下盖33用于平衡水压，使得进水口20受压断面水压稳定均衡；试样容器23用于装填试样，可以满足最大粒径300mm以下粗颗粒土试样的渗透试验；试样容器上盖32用于收集试样断面的渗透水，并确保试样出水端水流的自由排出；上游透水板24和下游透水板21的作用是在确保试验水自由透过板体的同时，对试样起到支撑定型作用，支撑柱22用于支撑下游透水板21。
优选的，所述渗透仪3的试样容器23为多个，多个试样容器23采用连接法兰连接，试样容器23的内径为100cm，试样容器23的有效高度为1m，所述上游透水板24和带孔传力柱27之间铺设有缓冲料层，缓冲料层的厚度为8~15cm，缓冲料层由粒径5~20mm的圆砾铺设而成，所述缓冲料层上还铺设孔径为2mm×2mm的钢丝网。
所述上游透水板24和下游透水板21的开孔直径8mm，保障试样中的细颗粒有足够的通道尺寸被水流带出，同时又能保障试样的稳定，根据以往试验经验，被水流搬运的试样粒径基本小于8mm，开孔率16~20%，在确保透水板整体透水能力，防止开孔率过小，影响试样渗流水的排除，开孔太大降低了钢板的强度和刚度。
优选的，如图4所示，所述步骤2中在渗透仪3内壁进行边壁绕流处理，具体为：将底涂粘结剂均匀涂覆于试样容器23内壁形成底涂粘结剂层47，将遇水膨胀材料橡胶腻子均匀涂覆于底涂粘结剂层47形成遇水膨胀材料橡胶腻子层48，所述底涂粘结剂层47的涂覆厚度为0.3~0.8mm，底涂粘结剂选自HYT环氧底涂剂，所述遇水膨胀材料橡胶腻子层48的涂覆厚度为2~4mm。
所述底涂粘结剂对试样容器23的内壁和遇水膨胀材料橡胶腻子都具有粘结力，底涂粘结剂涂抹厚度为0.3~0.8mm，在渗透水压为3.5MPa条件下，渗透仪试样容器23与底涂粘结剂之间、底涂粘结剂与遇水膨胀材料橡胶腻子之间粘结稳固，不产生离层。
实施例3
优选的，所述步骤3中根据渗透试验要求对填筑料进行制样具体为：对填筑料进行分层制样，根据填筑料最大粒径确定分层制样的厚度，最大粒径小于50mm时，分层层厚为10cm，最大粒径介于50mm~100mm时，分层层厚为15cm，最大粒径介于100mm~200mm时，分层层厚为25cm，层间毛面处理深度为1.5cm；制样时采用变频振动电机表面振动器进行夯实，变频振动电机表面振动器采用功率2×0.8KW电机，激振力为10kN，可变频为0~50Hz。
所述变频振动电机表面振动器的下部震动台加工为高为25cm梯形台座，底面为0.5m×0.5m厚2.5cm的方形钢板，顶面为0.25m×0.25m厚2.5cm的方形钢板。
实施例4
优选的，如图2、5所示，所述步骤6中渗水量量测装置4包括进水管34、电磁流量计35、出水口阀门36、量筒出水口37、开关阀38、连通管39、排水管40、大测量筒41、小测量筒42、磁翻板远传液位计43、测量筒基座44、小测量筒排水阀45和大测量筒排水阀46，进水管34一端连接出水端腔体21，进水管34另一端连接量筒出水口37，所述进水管34和量筒出水口37之间的管路上设置有电磁流量计35和出水口阀门36，所述大测量筒41和小测量筒42分别竖直固定于测量筒基座44上，所述大测量筒41和小测量筒42之间通过连通管39连通，连通管39上设置有开关阀38，所述小测量筒42与磁翻板远传液位计43连接，磁翻板远传液位计43和电磁流量计35分别与控制组件6电连接，所述大测量筒41和小测量筒42底部分别通过排水管40与沉淀池5连接，其中大测量筒41与沉淀池5连接的排水管40上设置有大测量筒排水阀46，小测量筒42与沉淀池5连接的排水管40上设置有小测量筒排水阀45，所述量筒出水口37为两个，其中两个量筒出水口37分别设置于大测量筒41和小测量筒42正上方；当渗水量小于100ml/s时，采用磁翻板远传液位计43配合小测量筒42进行测量；当渗水量小于200ml/s时，采用磁翻板远传液位计43配合大测量筒41和小测量筒42进行测量；当渗水量大于200ml/s时，采用电磁流量计35进行测量。
所述进水管34包括前端进水管和后端进水管，前端进水管输入端通过第一法兰接头与渗透仪3的垂直渗透试验出水口21-1垂直渗透试验出水口21-2连接，所述前端进水管输出端通过两个第二法兰接头与电磁流量计35连接，其中一个第二法兰接头设置于电磁流量计35输入端，另一个第二法兰接头设置于电磁流量计35输出端，所述后端进水管输入端与设置于电磁流量计35输出端的第二法兰接头连接，后端进水管输出端连接量筒出水口37，所述前端进水管随着靠近电磁流量计35的方向其内径逐渐减小，并且前端进水管的内径大于后端进水管的内径。将前端进水管设置成靠近渗透试验出水口直径大，靠近后端进水管直径小的形式，这样设置可有效保证电磁流量计35的测量精度。
优选的，如图2、5所示，所述大测量筒41和小测量筒42之间通过两个连通管39连通，其中一个连通管39设置于大测量筒41和小测量筒42下侧，另一个连通管39设置于大测量筒41和小测量筒42上侧，所述两个连通管39相互平行，并且两个连通管39上均设置有开关阀38，并且两个连通管39分别与测量筒基座44平行。
优选的，所述大测量筒41和小测量筒42的高度相同，并且大测量筒41的直径大于小测量筒42的直径。
优选的，所述磁翻板远传液位计43包括液位浮球、磁翻板、测量管柱和磁翻板远传液位计控制组件，其中测量管柱与小测量筒42连通，液位浮球设置于测量管柱内，所述测量管柱一侧设置有由多个磁翻板排列组成的磁翻板柱，其中磁翻板柱的高度与测量管柱的高度相同，所述磁翻板远传液位计控制组件设置于测量管柱顶部，其中磁翻板远传液位计控制组件分别与多个磁翻板电连接，并且磁翻板远传液位计控制组件与控制组件6电连接，所述磁翻板柱一侧设置有刻度，用于随时观察磁翻板的翻动位置。
所述磁翻板远传液位计控制组件将磁翻板的翻转信号传递给全自动数据采集模块，能实现该功能的设备均可使用，全自动数据采集模块为现有技术。
实施例5
优选的，如图1、2所示，所述步骤6中水头供水加压装置2包括水泵组合单元9、压力变送器10、电动调节阀11、二次减压阀12、耐压无缝钢管13、渗透仪入水口阀门14和水头供水控制组件15，所述蓄水箱1的输出端通过连接水管8连接水泵组合单元9，水泵组合单元9的输出端通过耐压无缝钢管13连接渗透仪入水口阀门14，渗透仪入水口阀门14的输出端连接渗透仪3，所述水泵组合单元9和渗透仪入水口阀门14之间的耐压无缝钢管13上设置有压力变送器10，所述水泵组合单元9的输出端还连接电动调节阀11，电动调节阀11的输出端连接二次减压阀12，二次减压阀12的输出端连接蓄水箱1的输入端，所述水泵组合单元9、压力变送器10和电动调节阀11分别与水头供水控制组件15电连接，水头供水控制组件15与控制组件6电连接。
优选的，如图1所示，所述水泵组合单元9由六套单泵加压组件并联组成，分别为第一套单泵加压组件、第二套单泵加压组件、第三套单泵加压组件、第四套单泵加压组件、第五套单泵加压组件和第六套单泵加压组件，每套单泵加压组件均由进水阀门16、水泵17和止回阀18依次通过水压管道连接组装；所述第一套单泵加压组件由第一进水阀门16-1、第一水泵17-1和第一止回阀18-1依次连接组装；第二套单泵加压组件由第二进水阀门16-2、第二水泵17-2和第二止回阀18-2依次连接组装；第三套单泵加压组件由第三进水阀门16-3、第三水泵17-3和第三止回阀18-3依次连接组装；第四套单泵加压组件由第四进水阀门16-4、第四水泵17-4和第四止回阀18-4依次连接组装；第五套单泵加压组件由第五进水阀门16-5、第五水泵17-5和第五止回阀18-5依次连接组装；第六套单泵加压组件由第六进水阀门16-6、第六水泵17-6和第六止回阀18-6依次连接组装，所述各水泵和止回阀分别与水头供水控制组件15电连接，各止回阀分别与耐压无缝钢管13采用法兰机械连接；所述水泵组合单元9采取多级泵梯级配置，其中第一水泵17-1的水头扬程为1.5~61m，第二水泵17-2的水头扬程为61~101m，第三水泵17-3的水头扬程为101~162m，第四水泵17-4的水头扬程为162~203m，第五水泵17-5和第六水泵17-6的水头扬程203~350m，所述水泵组合单元9通过控制组件6的控制提供0~150m区间内连续稳定的加压水头，各水泵的额定流量为0~42m3/h，多泵联合控制最高供水流量120m3/h，水泵从启动到达到预定工作频率时长设置为3s，水泵从关闭到停止工作时长设置为15s。
所述单泵加压组件的套数可以根据所需的加压水头进行调整。
优选的，所述当试验所需加压水头小于第一水泵17-1的起始工作加压水头时，开启第一水泵17-1后调整电动调节阀11的开度，控制回流水量达到稳定输出试验所需加压水头。
当加压水头小于1.5m时候，利用水泵控制水压稳定性差，本发明采用第一水泵17-1持续供给1.5m的水头值，然后通过控制电动调节阀11的开度，调节供压水头，电动调节阀11开度越大，供压水头越小。
实施例6
优选的，如图2所示，所述步骤6中控制组件6包括PLC柜6-1、计算机6-2、信号电缆6-3和基于FLC软件开发的操作系统，其中基于FLC软件开发的操作系统安装于计算机6-2中，PLC柜6-1中设置有变频器和数显压力变送器，其中变频器和数显压力变送器分别与基于FLC软件开发的操作系统连接，所述变频器和数显压力变送器通过信号电缆6-3与水头供水加压装置2、多用途渗透仪3和渗水量量测装置4连接，控制组件6用于控制水头供水加压装置2提供试验所需的水头压力，并且采集填筑料测试断面的水头压力以及渗水量。
所述基于FLC软件开发的操作系统由试验压力控制模块、试验数据采集模块、试验数据处理模块、试验数据保存模块和设备控制模块组成，其中试验数据采集模块、试验数据处理模块和试验数据保存模块依次连接，试验压力控制模块与设备控制模块连接，通过输入试验水压数据、自动采集渗透仪不同观测点水头压力、渗流量数据，然后输出渗透特征曲线和渗透特征参数数据，例如：所述控制组件6通过采集压力变送器10的数据，采用变频器调节水泵组合单元9的功率和电动调节阀11的开度，自动调节供水压力的大小。
实施例7
优选的，所述步骤7中垂直渗透特性试验的填筑料最大粒径设定为200mm，水头压力值设定不大于150m，渗透仪3的设置高度不小于1m且不大于5m；根据控制组件6采集的数据进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算，并根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程，所述渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算公式如下：
Q=1/4πd2△h/T
k=v/（100i）
式中：
i-渗透坡降；
ΔH-水头压力测试断面的水头差，m；
ΔL-水头压力测试断面之间的填筑料长度，m；
v-流速，m/s；
Q-渗出水流量，m3/s；
A-多用途渗透仪断面面积，m2；
d-测量筒直径，m；
△h-液面升高增量，m；
T-采集时长，s；
k-渗透系数。
实施例8
某砂砾石填筑料垫层料垂直渗透特性试验，对砂砾石填筑料垫层料进行垂直渗透特性试验演变过程研究，试验水头为0~100m，试样级配见图6、制样标准见表1，试样有效渗径1m。
表1填筑料原级配垫层料渗透特性试验制样标准
| 填筑料类别 | 制样干密度（g/cm<sup>3</sup>） | 相对密度（Dr） |
| 垫层料 | 2.32 | 0.95 |
试验步骤：
步骤1：采用本发明试验方法对填筑料垫层料进行原级配填筑料渗透变形试验研究，其级配曲线如图6，制样控制标准如表1，本发明为直径100cm的渗透仪要求试样的D85不大于200mm，该原级配垫层料D85最大粒径均小于100mm，故该渗透仪满足规程中渗透特性试验的要求，该试验水头压力要求最大值为100m，本发明试验方法水压值水头设定不大于150m，满足实例要求。试样有效渗径要求1m，一节试样容器即可满足要求；试验要求上游透水板24对试样加载荷载不小于1200KN；
步骤2：对渗透仪3内壁进行处理；对渗透仪3内部边壁涂刷底涂粘结剂层47和遇水膨胀材料橡胶腻子层48，减少试样与渗透仪箱体钢板直接接触缝隙，降低边壁绕流作用；
步骤3：根据渗透试验要求对填筑料进行制样，由于垫层料的最大粒径70mm，确定分层制样厚度为150mm；为达到试验要求的制样密度，试样制备采用非标准变频表面振动器，分层振动击实，过程中预埋测压延伸管29，测量试样内部试验水头值；
步骤4：在上游透水板24上铺设10cm厚缓冲料层；缓冲料层由粒径5~20mm的圆砾铺设而成，上述缓冲料层上铺设孔径为2mm×2mm的钢丝网；接着安装液压千斤顶26，将渗透仪3紧固；
步骤5：根据试验要求采用液压千斤顶26对试样施加荷载；根据步骤1确定的试样施加荷载1200KN，采用自动加压电动油泵控制液压千斤顶26，自动加压电动油泵与控制组件6电连接，保障试验过程中加载压力的稳定；
对试样从渗透仪底部饱和孔滴水饱和，此时将测压孔28打开，用于排气；控制试样饱和速率1mm/min，待试样饱和至相对高度的测压孔28处时，关闭测压孔28的阀门，直至试样饱和至上盖出水口25有水流出；
步骤6：将渗透仪3输入端与水头供水加压装置2连接，渗透仪3输出端与渗水量量测装置4连接，渗水量量测装置4输出端与沉淀池5连接，沉淀池5输出端与蓄水箱1输入端连接，蓄水箱1输出端连接水头供水加压装置2，将水头供水加压装置2、渗透仪3和渗水量量测装置4分别与控制组件6电连接，在测压延伸管29外侧安装调试压力传感器，排出压力传感器内部的空气，并对磁翻板远传液位计43进行基准面调零；
步骤7：进行垂直渗透特性试验，开启水头供水加压装置2，逐步提升试验水头至设计水头压力值，由控制组件6记录和采集填筑料垂直渗透特性试验过程参数，进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速参数的分析，根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程。
试验成果如下：
通过对试验过程中各压力传感器读数进行分析，绘制lgi～lgυ关系曲线，如图7。依据规程规范方法对渗透变形试验的临界坡降、破坏坡降参数进行判定，试验成果见表2。
表2 垫层料垂直渗透变形试验成果表
| 试验类型 | 渗透系数k<sub>20</sub>（cm/s） | 临界坡降i<sub>k</sub> | 破坏坡降i<sub>f</sub> |
| 过渡料垂直渗透变形试验 | 1.14×10<sup>-3</sup> | 1.76 | 11.25 |
如图7所示，根据各压力传感器读数对试验动态演变过程进行分析，加压水头3.00m时，沿着试样的水流方向，各观测断面测压传感器水头值读数整体呈递减分布；随着水头的提升，试样内部逐渐发生颗粒调整，渗透lgi-lgv曲线向右平移；继续提升试验水头，试样逐步破坏，测压传感器读数逐步相同，但紧靠下游透水板处测压传感器水头值几乎不增加，使得最后两测压断面试样段水头差不断增大，该试样段坡降值不断升高；继续提高试验水头，渗透lgi-lgv曲线出现多次转折，直至试验水头为100.5m时，整体试样渗透lgi-lgv曲线仍呈现折叠上升趋势。
如表2所示，所述渗透系数通过lgi-lgv关系曲线开始一段时间的线性直线段（临界坡降之前的直线段）确定，得到渗透系数为1.14×10-3cm/s；临界坡降通过lgi-lgv关系曲线向右平移的转折段确定，得到临界坡降为1.76；破坏坡降通过lgi-lgv关系曲线明显多次转折开始处确定，得到破坏坡降为11.25。
本发明得到的渗透系数、临界坡降和破坏坡降的数据，更接近真实值，因为在试验过程中避免了各种造成误差的可能，因此渗透试验成果更精准、可靠。
本发明的工作原理如下：
本发明包括蓄水箱1、水头供水加压装置2、渗透仪3、渗水量量测装置4、沉淀池5和控制组件6，供水管7与蓄水箱1进水口相连，蓄水箱1出水口经连接水管8与水头供水加压装置2连接，水头供水加压装置2经信号电缆与控制组件6连接，水头供水加压装置2经耐压无缝钢管13与渗透仪3的进水口20连接，试样容器23侧面从上至下依次设置有多个测压孔28，测压孔28用于预埋测压延伸管29，预埋测压延伸管29连接压力传感器，上盖出水口25经进水管34与渗水量量测装置4连接，渗水量量测装置4与沉淀池5连接，沉淀池5经连接水管8与蓄水箱1相连形成循环用水系统，水头供水加压装置2经、压力传感器和渗水量量测装置4经信号电缆与控制组件6相连反馈试验数据，控制组件6采集的数据进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算，并根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程。
本发明利用渗透仪对原级配筑坝料进行大型垂直渗透特性试验，可避免颗粒级配缩尺效应对筑坝料渗透特性的影响，利用水头供水加压装置模拟实际坝体挡水工作水头，在维持原有填筑料级配的基础上，模拟水电站大坝填筑料在实际水头压力作用下的渗透特性，并且配以高精度的控制组件，能实现填筑料在不同条件下原级配渗透特性试验，测出土石坝砂砾石填筑料渗透特性参数，记录并分析填筑料渗透特性演变过程，为高面板坝坝体渗透稳定性分析及评价提供更为准确、可靠、真实的技术参数，经济效益显著；本发明满足超高土石坝填筑料最大粒径小于200mm时原级配垂直渗透试验要求，填补国内该粒径粗粒土室内试验研究领域的空白。
本发明利用水头供水加压装置和控制组件可持续对填筑料进行垂直渗透稳定性试验，对高水头长时间作用下的原级配填筑料试样的渗透可靠性验证，也可进行150m以下水头压力值条件下，对原级配填筑料填筑料渗透演变特性进行试验，可以分析渗透特性演变规律。
本发明控制组件实现了大型粗粒土渗透变形试验在高水头压力范围和大流量区间内，水头压力和对应流量的多通道实时自动采集，保证了在同一时刻各断面水头压力数据采集和渗透流量采集时刻的一致性，避免了人工采集各断面压力数据和渗透流量的时间差异和读数误差，解决了常规测压管无法进行高水头压力量测，以及量筒无法进行大流量渗透流量测量的难题，也提高了采集数据准确性和高效性。
本发明渗透仪的试样容器的断面尺寸加大，内径为100cm，可满足最大粒径为200mm原级配填筑料的渗透特性试验，且制样标准可控性强，制样操作方便快捷，避免缩尺效应，能够精准的反应实际情况；本发明渗透仪采用支撑柱支撑下游透水板，提升了渗透仪的强度刚度，并利用液压千斤顶和带孔传力柱给填筑料施加荷载，液压千斤顶采用电动油泵自动稳压控制，液压千斤顶加压不小于试验水压，避免试验水压造成填筑料移位，最大限度的模拟实际情况。
本发明渗透仪的试样容器内壁依次涂覆有底涂粘结剂层和遇水膨胀材料橡胶腻子层，底涂粘结剂层对试样容器内壁和遇水膨胀材料橡胶腻子层均具有具有粘结力，当试样饱和过程中，遇水膨胀材料橡胶腻子层在遇水后产生膨胀变形，并充满本发明试样容器内壁与试样接触面的所有不规则表面、空穴及间隙，同时产生较大接触压力，从而降低渗透试验过程中边壁渗流，使渗透试验更符合实际情况，渗透试验成果更精准、可靠。
本发明渗水量量测装置通过磁翻板远传液位计与电磁流量计组合使用的方式，在满足渗水量测量精度和准确度的前提下，扩大了流量测量范围，当渗水量较小时，采用磁翻板远传液位计进行单筒法测量，当渗水量较大时，采用磁翻板远传液位计进行双筒法测量，当渗水量继续增大时，采用电磁流量计测量，满足大尺寸渗透仪不同试验水头作用下渗水量的测量要求，并且在磁翻板远传液位计测量流量时，还设置了单筒法测量与双筒法测量两种模式，扩大了磁翻板远传液位计适用量程范围，同时保证具有足够的精度，测量精度和自动化程度高、适用范围广；渗水量量测装置可更改测量模式的全自动数据采集模块，自动化程度高，操作方便，即提高了渗透变形试验渗水量测量的准确度又提高了测试效率，同时减少人力，降低试验成本。
本发明水头供水加压装置的水泵组合单元可提供0~150m区间内连续稳定的试验水头，尾水减压组件包括电动调节阀和二次减压阀，确保尾水低压力排入蓄水箱，本发明通过多级水泵梯级配置组合方式，能提供0~150m区间内从低压到高压水头渗透特性试验水头，供水压力稳定，压力范围广，压力控制精准高，自动化程度高，解决了高水头室内渗透试验供水供压问题。
本发明提出了一种新型室内测定土石坝砂砾石原级配填筑料高水头垂直渗透特性试验方法，配以高精度的量测采集及控制组件，能实现填筑料在不同条件下原级配渗透特性试验，分析原级配填筑料高水头垂直渗透特性试验的演变过程，形成科学可行的原级配填筑料高水头垂直渗透试验方法。
上面对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (10)
1.一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：根据试验要求确定渗透仪（3）的尺寸、渗透仪（3）的加载荷载以及水头供水加压装置（2）的最大水头压力；
步骤2：在渗透仪（3）内壁进行边壁绕流处理；
步骤3：根据渗透试验要求对填筑料进行制样，制样时在渗透仪（3）的测压孔（28）中预埋测压延伸管（29）；
步骤4：完成制样后，安装渗透仪（3）的上游透水板（24），在上游透水板（24）上铺设缓冲料，接着安装液压千斤顶（26），将渗透仪（3）紧固；
步骤5：根据试验要求采用液压千斤顶（26）对填筑料施加荷载，然后对填筑料从渗透仪（3）底部自下而上滴水饱和；
步骤6：将渗透仪（3）输入端与水头供水加压装置（2）连接，渗透仪（3）输出端与渗水量量测装置（4）连接，渗水量量测装置（4）输出端与沉淀池（5）连接，沉淀池（5）输出端与蓄水箱（1）输入端连接，蓄水箱（1）输出端连接水头供水加压装置（2），将水头供水加压装置（2）、渗透仪（3）和渗水量量测装置（4）分别与控制组件（6）电连接；
步骤7：进行垂直渗透特性试验，开启水头供水加压装置（2），逐步提升试验水头至设计水头压力值，由控制组件（6）记录和采集填筑料垂直渗透特性试验过程参数，进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速参数的分析，根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程。
2.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤1中渗透仪（3）包括排砂孔（19）、进水口（20）、下游透水板（21）、支撑柱（22）、试样容器（23）、上游透水板（24）、上盖出水口（25）、液压千斤顶（26）、带孔传力柱（27）、测压孔（28）、测压延伸管（29）、饱和孔（30）、支撑基座（31）、试样容器上盖（32）和试样容器下盖（33），试样容器下盖（33）安装于支撑基座（31）上端面，其中试样容器下盖（33）下端面设置有排砂孔（19），试样容器下盖（33）左右端面分别设置有进水口（20）和饱和孔（30），试样容器下盖（33）内部竖直设置有支撑柱（22），所述试样容器下盖（33）与试样容器（23）下端通过连接法兰连接，其中试样容器下盖（33）与试样容器（23）连接处设置有下游透水板（21），其中支撑柱（22）与下游透水板（21）垂直相接，所述试样容器（23）上端与试样容器上盖（32）通过连接法兰连接，其中试样容器（23）与试样容器上盖（32）连接处设置有上游透水板（24），上游透水板（24）上侧设置有带孔传力柱（27），带孔传力柱（27）上侧设置有液压千斤顶（26），液压千斤顶（26）上端面接触试样容器上盖（32）内侧顶部，所述试样容器上盖（32）右端面设置有上盖出水口（25），所述试样容器（23）侧面从上至下依次设置有多个测压孔（28），测压孔（28）用于预埋测压延伸管（29），测压延伸管（29）外接压力传感器，液压千斤顶（26）和压力传感器与控制组件（6）电连接，用于采集测试断面水头压力。
3.根据权利要求2所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述渗透仪（3）的试样容器（23）为多个，多个试样容器（23）采用连接法兰连接，试样容器（23）的内径为100cm，试样容器（23）的有效高度为1m，所述上游透水板（24）和带孔传力柱（27）之间铺设有缓冲料层，缓冲料层的厚度为8~15cm，缓冲料层由粒径5~20mm的圆砾铺设而成，所述缓冲料层上还铺设孔径为2mm×2mm的钢丝网。
4.根据权利要求3所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤2中在渗透仪（3）内壁进行边壁绕流处理，具体为：将底涂粘结剂均匀涂覆于试样容器（23）内壁形成底涂粘结剂层（47），将遇水膨胀材料橡胶腻子均匀涂覆于底涂粘结剂层（47）形成遇水膨胀材料橡胶腻子层（48），所述底涂粘结剂层（47）的涂覆厚度为0.3~0.8mm，底涂粘结剂选自HYT环氧底涂剂，所述遇水膨胀材料橡胶腻子层（48）的涂覆厚度为2~4mm。
5.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤3中根据渗透试验要求对填筑料进行制样具体为：对填筑料进行分层制样，根据填筑料最大粒径确定分层制样的厚度，最大粒径小于50mm时，分层层厚为10cm，最大粒径介于50mm~100mm时，分层层厚为15cm，最大粒径介于100mm~200mm时，分层层厚为25cm，层间毛面处理深度为1.5cm；制样时采用变频振动电机表面振动器进行夯实，变频振动电机表面振动器采用功率2×0.8KW电机，激振力为10kN，可变频为0~50Hz。
6.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤6中渗水量量测装置（4）包括进水管（34）、电磁流量计（35）、出水口阀门（36）、量筒出水口（37）、开关阀（38）、连通管（39）、排水管（40）、大测量筒（41）、小测量筒（42）、磁翻板远传液位计（43）、测量筒基座（44）、小测量筒排水阀（45）和大测量筒排水阀（46），进水管（34）一端连接出水端腔体（21），进水管（34）另一端连接量筒出水口（37），所述进水管（34）和量筒出水口（37）之间的管路上设置有电磁流量计（35）和出水口阀门（36），所述大测量筒（41）和小测量筒（42）分别竖直固定于测量筒基座（44）上，所述大测量筒（41）和小测量筒（42）之间通过连通管（39）连通，连通管（39）上设置有开关阀（38），所述小测量筒（42）与磁翻板远传液位计（43）连接，磁翻板远传液位计（43）和电磁流量计（35）分别与控制组件（6）电连接，所述大测量筒（41）和小测量筒（42）底部分别通过排水管（40）与沉淀池（5）连接，其中大测量筒（41）与沉淀池（5）连接的排水管（40）上设置有大测量筒排水阀（46），小测量筒（42）与沉淀池（5）连接的排水管（40）上设置有小测量筒排水阀（45），所述量筒出水口（37）为两个，其中两个量筒出水口（37）分别设置于大测量筒（41）和小测量筒（42）正上方；当渗水量小于100ml/s时，采用磁翻板远传液位计（43）配合小测量筒（42）进行测量；当渗水量小于200ml/s时，采用磁翻板远传液位计（43）配合大测量筒（41）和小测量筒（42）进行测量；当渗水量大于200ml/s时，采用电磁流量计（35）进行测量。
7.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤6中水头供水加压装置（2）包括水泵组合单元（9）、压力变送器（10）、电动调节阀（11）、二次减压阀（12）、耐压无缝钢管（13）、渗透仪入水口阀门（14）和水头供水控制组件（15），所述蓄水箱（1）的输出端通过连接水管（8）连接水泵组合单元（9），水泵组合单元（9）的输出端通过耐压无缝钢管（13）连接渗透仪入水口阀门（14），渗透仪入水口阀门（14）的输出端连接渗透仪（3），所述水泵组合单元（9）和渗透仪入水口阀门（14）之间的耐压无缝钢管（13）上设置有压力变送器（10），所述水泵组合单元（9）的输出端还连接电动调节阀（11），电动调节阀（11）的输出端连接二次减压阀（12），二次减压阀（12）的输出端连接蓄水箱（1）的输入端，所述水泵组合单元（9）、压力变送器（10）和电动调节阀（11）分别与水头供水控制组件（15）电连接，水头供水控制组件（15）与控制组件（6）电连接。
8.根据权利要求7所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述水泵组合单元（9）由六套单泵加压组件并联组成，分别为第一套单泵加压组件、第二套单泵加压组件、第三套单泵加压组件、第四套单泵加压组件、第五套单泵加压组件和第六套单泵加压组件，每套单泵加压组件均由进水阀门（16）、水泵（17）和止回阀（18）依次通过水压管道连接组装；所述第一套单泵加压组件由第一进水阀门（16-1）、第一水泵（17-1）和第一止回阀（18-1）依次连接组装；第二套单泵加压组件由第二进水阀门（16-2）、第二水泵（17-2）和第二止回阀（18-2）依次连接组装；第三套单泵加压组件由第三进水阀门（16-3）、第三水泵（17-3）和第三止回阀（18-3）依次连接组装；第四套单泵加压组件由第四进水阀门（16-4）、第四水泵（17-4）和第四止回阀（18-4）依次连接组装；第五套单泵加压组件由第五进水阀门（16-5）、第五水泵（17-5）和第五止回阀（18-5）依次连接组装；第六套单泵加压组件由第六进水阀门（16-6）、第六水泵（17-6）和第六止回阀（18-6）依次连接组装，所述各水泵和止回阀分别与水头供水控制组件（15）电连接，各止回阀分别与耐压无缝钢管（13）采用法兰机械连接；所述水泵组合单元（9）采取多级泵梯级配置，其中第一水泵（17-1）的水头扬程为1.5~61m，第二水泵（17-2）的水头扬程为61~101m，第三水泵（17-3）的水头扬程为101~162m，第四水泵（17-4）的水头扬程为162~203m，第五水泵（17-5）和第六水泵（17-6）的水头扬程203~350m，所述水泵组合单元（9）通过控制组件（6）的控制提供0~150m区间内连续稳定的加压水头，各水泵的额定流量为0~42m3/h，多泵联合控制最高供水流量120m3/h，水泵从启动到达到预定工作频率时长设置为3s，水泵从关闭到停止工作时长设置为15s。
9.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤6中控制组件（6）包括PLC柜（6-1）、计算机（6-2）、信号电缆（6-3）和基于FLC软件开发的操作系统，其中基于FLC软件开发的操作系统安装于计算机（6-2）中，PLC柜（6-1）中设置有变频器和数显压力变送器，其中变频器和数显压力变送器分别与基于FLC软件开发的操作系统连接，所述变频器和数显压力变送器通过信号电缆（6-3）与水头供水加压装置（2）、多用途渗透仪（3）和渗水量量测装置（4）连接，控制组件（6）用于控制水头供水加压装置（2）提供试验所需的水头压力，并且采集填筑料测试断面的水头压力以及渗水量。
10.根据权利要求1所述的一种土石坝砂砾石筑坝料垂直渗透特性试验方法，其特征在于：所述步骤7中垂直渗透特性试验的填筑料最大粒径设定为200mm，水头压力值设定不大于150m，渗透仪（3）的设置高度不小于1m且不大于5m；根据控制组件（6）采集的数据进行渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算，并根据渗透坡降和渗透流速绘制lgi-lgv曲线，用于观察垂直渗透试验的动态演变过程，所述渗透系数、渗透坡降和渗透流速的计算公式如下：
Q=1/4πd2△h/T
k=v/（100i）
式中：
i-渗透坡降；
ΔH-水头压力测试断面的水头差，m；
ΔL-水头压力测试断面之间的填筑料长度，m；
v-流速，m/s；
Q-渗出水流量，m3/s；
A-多用途渗透仪断面面积，m2；
d-测量筒直径，m；
△h-液面升高增量，m；
采集时长，s；
k-渗透系数，cm/s。
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