CN113945464B - 一种水库岸坡消落带堆积体室内测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种水库岸坡消落带堆积体室内测试装置及测试方法，属于水库岸坡防治技术领域，包括底板、原位取土试验机构、竖向反力机构、内盆机构、横向反力机构、多个油压千斤顶、供压机构、微型触探仪、进水机构和颗粒流失收集机构。本发明能在室内完成力学试验，操作方便、简单易行、费用较低；考虑了堆积体试样受各项加压时变形引起的位移与设备的空间关系，避免加压时各方向相互干扰的情况；可以通过计算机控制的智能加压设备，控制三组油压千斤顶对试样施加压力，模拟岸坡堆积体所受竖向应力、侧向应力和水压力；能模拟在干湿交替下同时考虑竖向、侧向有压力时和无压力时消落带堆积体各组成颗粒含量变化和渗透变形特征。

Description

一种水库岸坡消落带堆积体室内测试装置及测试方法

技术领域

本发明涉及水库岸坡防治技术领域，具体是一种水库岸坡消落带堆积体室测试装置及测试方法。

背景技术

当前，我国建设了大量水能资源的水电站项目，这些大量的巨型水电站建成后形成了消落深度极大的水库水位消落带，在蓄水过程中消落带区域的堆积体在不同程度上都会发生变形和局部破坏，甚至产生局部滑坡，给库岸区域居住生活的民众带来安全隐患。

当前，需弄清水库运行期岸坡消落带内堆积体的变形破坏机制，为岸坡监测预警工程设置工作提供科学依据。弄清岸坡消落带内堆积体的变形破坏机制需对其进行相关试验并测出相关参数，由于现场试验受到很多客观条件的限制，耗资成本大，很难在现场实现该试验，且在现有的技术中又未有一种室内实验装置对消落带堆积体进行模拟水位变化、干湿交替和各项应力共同作用的环境下获得其颗粒流失量、变形模量、压缩模量、孔隙率、粘聚力、内摩擦角等参数值。

因此，需要采用一种能模拟现场的水库岸坡消落带堆积体室内大尺度物理实验装置来实现该试验，获取岸坡消落带堆积体颗粒流失量、变形模量、压缩模量、孔隙率、粘聚力、内摩擦角等参数值，揭露水库运行期岸坡消落带内堆积体的变形破坏机制，为岸坡监测预警工程设置工作提供科学依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种水库岸坡消落带堆积体室测试装置及测试方法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种水库岸坡消落带堆积体室测试装置及测试方法，包括：

底板；

原位取土试验机构，用于取土并对取出的试样进行试验；

竖向反力机构，套设在所述原位取土试验机构外部，所述竖向反力机构一端与底板相连，用于提供竖向反作用力；

内盆机构，安装在所述竖向反力机构外部；

横向反力机构，安装在所述内盆机构外部并与底板相连，用于提供水平反作用力；

多个油压千斤顶，分别设置在原位取土试验机构与竖向反力机构之间和横向反力机构与内盆机构之间；

供压机构，通过控制机构与所述油压千斤顶相连；

微型触探仪，用于读取并记录测试参数；

进水机构，用于向原位取土试验机构注入水来湿化；

颗粒流失收集机构，安装在所述底板上，用于收集湿化后的渗出水及渗流颗粒。

作为本发明的进一步技术方案，所述原位取土试验机构上安装有与其相配合的压块和挡板，当取土时，挡板安装在原位取土试验机构上，当试验时，压块安装在原位取土试验机构上。

作为本发明的更进一步技术方案，所述压块上设有触探仪探头孔和进水孔。

作为本发明的再进一步技术方案，所述油压千斤顶上设有用于获得试样体积的刻度尺。

作为本发明的再进一步技术方案，所述控制机构包括：

显示器；

电脑主机；

油管，一端与所述供压机构相连，另一端与所述油压千斤顶相连。

作为本发明的再进一步技术方案，所述进水机构包括：

进水管，一端与供水器相连，另一端与所述进水孔相连。

作为本发明的再进一步技术方案，所述微型触探仪上安装有触探头，所述触探头通过传感连接线和端头连接器与微型触探仪相连。

作为本发明的再进一步技术方案，所述触探头包括：

锥端；

内导力杆，一端通过应力片与所述锥端相连，另一端通过应力片与传感器相连；

固定卡，固定安装在所述传感器远离应力片的一端；

外导力杆，固定安装在所述固定卡远离传感器的一端，用于直接读出触探头插入堆积体的深度值，以便进行相关参数的换算。

作为本发明的再进一步技术方案，所述颗粒流失收集机构上安装有控制阀，所述颗粒流失收集机构远离原位取土试验机构的一侧安装有小型地磅称，所述小型地磅秤通过仪表连接杆与供压机构相连。

一种水库岸坡消落带堆积体室测试方法，所述测试方法使用如上述所述的水库岸坡消落带堆积体室测试装置，所述测试方法包括以下步骤：

S1：将原位取土试验机构整体拆卸后，将挡板安装到原位取土试验机构上形成原位取土器，并到现场进行原位取土，原位土取回后将挡板取下并将原位取土试验机构安装在底板的卡槽上；

S2：将5个压块安装好，使其紧靠原位取土试验机构；

S3：调整好5个油压千斤顶的位置，使其分别对准压块的中心位置；

S4：将颗粒流失收集装置安装在底板上；

S5：把微型触探仪的触探头安装在触探仪探头孔中；

S6：将供水器的喷水端口接入到进水孔中，根据试验要求选择开启或关闭；

S7：根据试样所处的应力状态在供压机构的控制软件中设定压力值，启动加压设备，施加的压力由油压千斤顶提供，压力通过压块传递给试样，最终实现对试样的压力施加；

S8：通过微型触探仪读取并记录相关参数值；

S9：通过进水孔向原位取土试验机构中注入水，使堆积体试样充分湿化，试样浸水达到湿化时间(湿化时间为模拟水位变动带内堆积体浸水的时间；湿化时间需通过预备试验确定，湿化时间在本试验步骤中属于已知条件)后本次湿化过程结束；

S10：通过微型触探仪读取并记录相关参数值，与步骤记录的相关参数值进行对比分析；

S11：湿化阶段结束后，打开颗粒流失收集机构底部的控制阀，排出并收集浸泡液；

S12：还原试验准备时初始状态并将电源关闭，通过有关干燥措施把试样风干，至此本次干燥阶段结束；

S13：试样在设定的应力状态下重复S7-S12，模拟试样真实状态下的干湿循环，且在干湿状态下微型触探仪和显示器分别读取并记录相关参数值、收集流失颗粒和浸泡液，并进行相关测试分析。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、目前这方面的试验常采用大尺度力学试验仪器，且都在野外进行，操作难、费用较高，该装置能在室内完成力学试验，操作方便、简单易行、费用较低；

2、考虑了堆积体试样受各项加压时变形引起的位移与设备的空间关系，避免加压时各方向相互干扰的情况；

3、可以通过计算机控制的智能加压设备，控制三组油压千斤顶对试样施加压力，模拟岸坡堆积体所受竖向应力、侧向应力和水压力；能模拟在干湿交替下同时考虑竖向、侧向有压力时和无压力时消落带堆积体各组成颗粒含量变化和渗透变形特征；

4、设计了一种原位取土装置，该装置可用于原位取土兼试验，可以整体拆卸与安装，拆卸到现场采取原状土后安装在卡槽上进行原位样品试验；

5、设计了一种集收经过湿化后的渗出水及渗流颗粒的装置；

6、在模拟现场环境条件下通过设计与嵌套在该装置中的微型触探仪和小型地磅称，能直接获取堆积体试样体积、质量、颗粒流失量、变形模量、压缩模量、孔隙率、粘聚力、内摩擦角等参数。

附图说明

图1为水库岸坡消落带堆积体室测试装置的结构示意图；

图2为水库岸坡消落带堆积体室测试装置的主视图；

图3为水库岸坡消落带堆积体室测试装置的局部结构示意图；

图4为水库岸坡消落带堆积体室测试装置的局部俯视图；

图5为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中原位取土试验机构的结构示意图；

图6为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中挡板的结构示意图；

图7为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中原位取土试验机构取土时的结构示意图；

图8为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中原位取土试验机构的爆炸图；

图9为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中触探头的剖视图；

图10为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中外导力杆的局部结构示意图；

图11为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中油压千斤顶的结构示意图；

图12为水库岸坡消落带堆积体室测试装置中刻度尺的局部结构示意图。

图中：1-原位取土试验机构、2-油压千斤顶、201-刻度尺、3-横向反力机构、4-压块、5-竖向反力机构、6-微型触探仪、7-显示器、8-电脑主机、9-供压机构、10-螺栓、11-控制阀、12-油管、13-触探仪探头孔、14-进水孔、15-底板、16-挡板、17-颗粒流失收集机构、18-颗粒流失孔、19-触探头、191-锥端、192-内导力杆、193-应力片、194-固定卡、195-外导力杆、196-传感器、20-内盆机构、21-取土端刀面、22-小型地磅称、23-仪表连接杆、24-传感连接线、25-端头连接器。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明实施例是这样实现的，如图1、图2、图11和图12所示的水库岸坡消落带堆积体室测试装置，包括:

底板15；

原位取土试验机构1，用于取土并对取出的试样进行试验；

竖向反力机构5，套设在所述原位取土试验机构1外部，所述竖向反力机构5一端与底板15相连，用于提供竖向反作用力；

内盆机构20，安装在所述竖向反力机构5外部；

横向反力机构3，安装在所述内盆机构20外部并与底板15相连，用于提供水平反作用力；

多个油压千斤顶2，分别设置在原位取土试验机构1与竖向反力机构5之间和横向反力机构3与内盆机构20之间；

供压机构9，通过控制机构与所述油压千斤顶2相连；

微型触探仪6，用于读取并记录测试参数；

进水机构，用于向原位取土试验机构1注入水来湿化；

颗粒流失收集机构17，安装在所述底板15上，用于收集湿化后的渗出水及渗流颗粒。

本发明在实际应用时，通过原位取土试验机构1先进行取土，将取出试样连同原位取土试验机构1一起放入底板15上，此时通过供压机构9与控制机构配合对多个油压千斤顶2施力，优选的，油压千斤顶2设置有5个，横向4个，竖向1个；为与横向四个油压千斤顶2配合，横向反力机构3设置有四个，分布在水平四周，相邻的横向反力机构3两端通过螺栓10连接固定；每个油压千斤顶2都包含了刻度尺201，作用在于能直接读取油压千斤顶2推进的深度值，最终获取试样在试验过程中的体积；油压千斤顶2提供不同的压力，用于模拟水库岸坡消落带堆积体所处的三向应力状态：第一主应力状态、第二主应力状态、第三主应力状态；模拟完成后，通过进水机构注入水，配合微型触探仪6来获取堆积体试样干湿循环状态下的粘聚力c值、内摩擦角

值以及相关试验参数，并进行相关测试分析；湿化后，通过颗粒流失收集机构17收集湿化后的渗出水及渗流颗粒，为方便收集，在底板15上开设用于颗粒流失通过的颗粒流失孔18。

如图3至图8所示，作为本发明一个优选的实施例，所述原位取土试验机构1上安装有与其相配合的压块4和挡板16，当取土时，挡板16安装在原位取土试验机构1上，为方便取土，在挡板16上设置取土端刀面21，取土更加容易；当试验时，压块4安装在原位取土试验机构1上；所述压块4上设有触探仪探头孔13和进水孔14。

在本实施例的一种情况中，通过挡板16与原位取土试验机构1配合用于取土，挡板16和原位取土试验机构1可拆卸连接，取出完成后将挡板16拆下，然后再装上压块4，压块4与原位取土试验机构1可拆卸连接，安装后通过压块4上的触探仪探头孔13和进水孔14配合来进行后续的试验。

微型触探仪6中触探头19后置端被固定支架固定，试验时进行自动化升降以控制精度，后置端通过传感连接线24和端头连接器25与微型触探仪6相连，所述触探头19包含了锥端191、内导力杆192、应力片193、固定卡194、带刻度的外导力杆195以及传感器196，带刻度的外导力杆195其作用可以直接读出探头插入堆积体的深度值以便进行相关参数的换算；触探头19的锥端191通过竖向压块上预留的触探仪探头孔13插入取土兼试验装置中来获取堆积体试样粘聚力c值、内摩擦角

值以及相关试验参数；粘聚力、内摩擦角用到理论公式如下：

σ_n＝γ_nh_n

式中：

σ_n：堆积体不同深度竖向总应力，堆积体为松散体，不考虑构造应力；

h_n：触探头插入堆积体的深度；

γ_n：不同状态时堆积体重度；

τ_u：抗剪强度；

q_c：探测锥阻力；

N_k：圆锥系数，取7～16之间,平均值为11，其值大小和锥尖对周围扰动有关；

c：碎石土粘聚力；

碎石土内摩擦角。

本测试装置在试验过程中一方面可通过带刻度的千斤顶获取堆积体试样体积，另一方面通过小型地磅称获得堆积体试验不同试验阶段质量，堆积体孔隙率可通过体积和质量进行换算，用到公式如下：

v_v＝m_ω/ρ_ω

m_ω＝m-m_s

n＝v_v/v…

式中：

n:堆积体孔隙率；

v：堆积体体总体积；

v_v：堆积体孔隙总体积；

m_ω：水的质量；

ρ_ω：水的密度；

m：饱和堆积体的质量；

m_s：堆积体颗粒的质量。

如图1至图3所示，作为本发明另一个优选的实施例，所述控制机构包括：

显示器7；

电脑主机8；

油管12，一端与所述供压机构9相连，另一端与所述油压千斤顶2相连。

在本实施例的一种情况中，通过电脑主机8和显示器7配合，通过油管12对油压千斤顶2的输出压力进行控制，从而满足不同的侧视需求，控制更加精准方便。

如图3所示，作为本发明另一个优选的实施例，所述进水机构包括：

进水管，一端与供水器相连，另一端与所述进水孔14相连。

在本实施例的一种情况中，通过供水器向进水孔14供水，从而根据试验要求选择开启或关闭进水管。

如图1、图9、图10所示，作为本发明另一个优选的实施例，所述微型触探仪6上安装有触探头19，所述触探头19通过传感连接线24和端头连接器25与微型触探仪6相连；所述触探头19包括：

锥端191；

内导力杆192，一端通过应力片193与所述锥端191相连，另一端通过应力片193与传感器196相连；

固定卡194，固定安装在所述传感器196远离应力片193的一端；

外导力杆195，固定安装在所述固定卡194远离传感器196的一端，用于直接读出触探头19插入堆积体的深度值，以便进行相关参数的换算。

在本实施例的一种情况中，通过微型触探仪6读取并记录相关参数值，使用时将触探头19放入触探仪探头孔13内即可，操作方便，读数准确。

如图1所示，作为本发明另一个优选的实施例，所述颗粒流失收集机构17上安装有控制阀11，所述颗粒流失收集机构17远离原位取土试验机构1的一侧安装有小型地磅称，所述小型地磅秤22通过仪表连接杆23与供压机构9相连。

在本实施例的一种情况中，湿化阶段结束后，打开颗粒流失收集机构17底部的控制阀11，排出并收集浸泡液，然后通过小型地磅秤22直接获得浸泡液的质量，操作方便，提高了测试效率。

一种水库岸坡消落带堆积体室测试方法，使用如上述实施例所述的水库岸坡消落带堆积体室测试装置，所述测试方法包括以下步骤：

S1：将原位取土试验机构1整体拆卸后，将挡板16安装到原位取土试验机构1上形成原位取土器，并到现场进行原位取土，原位土取回后将挡板16取下并将原位取土试验机构1安装在底板15的卡槽上；

S2：将5个压块4安装好，使其紧靠原位取土试验机构1；

S3：调整好5个油压千斤顶2的位置，使其分别对准压块4的中心位置；

S4：将颗粒流失收集装置安装在底板15上；

S5：把微型触探仪6的触探头19安装在触探仪探头孔13中；

S6：将供水器的喷水端口接入到进水孔14中，根据试验要求选择开启或关闭；

S7：根据试样所处的应力状态在供压机构9的控制软件中设定压力值，启动加压设备，施加的压力由油压千斤顶2提供，压力通过压块4传递给试样，最终实现对试样的压力施加；

S8：通过微型触探仪6读取并记录相关参数值；

S9：通过进水孔14向原位取土试验机构1中注入水，使堆积体试样充分湿化，试样浸水达到湿化时间(湿化时间为模拟水位变动带内堆积体浸水的时间；湿化时间需通过预备试验确定，湿化时间在本试验步骤中属于已知条件)后本次湿化过程结束；

S10：通过微型触探仪6读取并记录相关参数值，与步骤记录的相关参数值进行对比分析；

S11：湿化阶段结束后，打开颗粒流失收集机构17底部的控制阀11，排出并收集浸泡液；

S12：还原试验准备时初始状态并将电源关闭，通过有关干燥措施把试样风干，至此本次干燥阶段结束；

S13：试样在设定的应力状态下重复S7-S12，模拟试样真实状态下的干湿循环，且在干湿状态下微型触探仪6和显示器7分别读取并记录相关参数值、收集流失颗粒和浸泡液，并进行相关测试分析。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种水库岸坡消落带堆积体室内测试装置，其特征在于，包括：

底板；

原位取土试验机构，用于取土并对取出的试样进行试验；

竖向反力机构，套设在所述原位取土试验机构外部，所述竖向反力机构一端与底板相连，用于提供竖向反作用力；

内盆机构，安装在所述竖向反力机构外部；

横向反力机构，安装在所述内盆机构外部并与底板相连，用于提供水平反作用力；

多个油压千斤顶，分别设置在原位取土试验机构与竖向反力机构之间和横向反力机构与内盆机构之间；

供压机构，通过控制机构与所述油压千斤顶相连；

微型触探仪，用于读取并记录测试参数，所述微型触探仪上安装有触探头，所述触探头通过传感连接线和端头连接器与微型触探仪相连，所述触探头包括：

锥端；

内导力杆，一端通过应力片与所述锥端相连，另一端通过应力片与传感器相连；

固定卡，固定安装在所述传感器远离应力片的一端；

外导力杆，固定安装在所述固定卡远离传感器的一端，用于直接读出触探头插入堆积体的深度值，以便进行相关参数的换算；

进水机构，用于向原位取土试验机构注入水来湿化，所述进水机构包括：

进水管，一端与供水器相连，另一端与进水孔相连；

颗粒流失收集机构，安装在所述底板上，用于收集湿化后的渗出水及渗流颗粒，所述颗粒流失收集机构上安装有控制阀，所述颗粒流失收集机构远离原位取土试验机构的一侧安装有小型地磅称，所述小型地磅秤通过仪表连接杆与供压机构相连；

所述原位取土试验机构上安装有与其相配合的压块和挡板，当取土时，挡板安装在原位取土试验机构上，当试验时，压块安装在原位取土试验机构上；

所述压块上设有触探仪探头孔和进水孔。

2.根据权利要求1所述的水库岸坡消落带堆积体室内测试装置，其特征在于，所述油压千斤顶上设有用于获得试样体积的刻度尺。

3.根据权利要求1所述的水库岸坡消落带堆积体室内测试装置，其特征在于，所述控制机构包括：

显示器；

电脑主机；

油管，一端与所述供压机构相连，另一端与所述油压千斤顶相连。

4.一种水库岸坡消落带堆积体室内测试方法，其特征在于，所述测试方法使用如权利要求1-3任一所述的水库岸坡消落带堆积体室内测试装置，所述测试方法包括以下步骤：

S1：将原位取土试验机构整体拆卸后，将挡板安装到原位取土试验机构上形成原位取土器，并到现场进行原位取土，原位土取回后将挡板取下并将原位取土试验机构安装在底板的卡槽上；

S2：将5个压块安装好，使其紧靠原位取土试验机构；

S3：调整好5个油压千斤顶的位置，使其分别对准压块的中心位置；

S4：将颗粒流失收集装置安装在底板上；

S5：把微型触探仪的触探头安装在触探仪探头孔中；

S6：将供水器的喷水端口接入到进水孔中，根据试验要求选择开启或关闭；

S7：根据试样所处的应力状态在供压机构的控制软件中设定压力值，启动加压设备，施加的压力由油压千斤顶提供，压力通过压块传递给试样，最终实现对试样的压力施加；

S8：通过微型触探仪读取并记录相关参数值；

S9：通过进水孔向原位取土试验机构中注入水，使堆积体试样充分湿化，试样浸水达到湿化时间后本次湿化过程结束，湿化时间为模拟水位变动带内堆积体浸水的时间；湿化时间需通过预备试验确定，湿化时间在本试验步骤中属于已知条件；

S10：通过微型触探仪读取并记录相关参数值，与步骤记录的相关参数值进行对比分析；

S11：湿化阶段结束后，打开颗粒流失收集机构底部的控制阀，排出并收集浸泡液；

S12：还原试验准备时初始状态并将电源关闭，通过有关干燥措施把试样风干，至此本次干燥阶段结束；

S13：试样在设定的应力状态下重复S7-S12，模拟试样真实状态下的干湿循环，且在干湿状态下微型触探仪和显示器分别读取并记录相关参数值、收集流失颗粒和浸泡液，并进行相关测试分析。

Images