CN114894691B - 用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法，系统包括试验桶、N块分隔板、流量测量装置和压力测量装置；N块分隔板通过试验桶的桶壁插入至试验桶内，并与试验桶可拆卸连接，N块分隔板将试验桶沿其轴线方向分为N+1个试验单元；每个试验单元的桶壁上均设置有流量测量装置和压力测量装置；流量测量装置和压力测量装置分别用于测量试验单元内坝料的渗出水量及承受的压力值。本发明分隔板与试验桶的桶壁为可拆卸连接方式，可以在逐一设置分隔板的情况下，测量每个试验单元内坝料的渗透系数；然后可以抽掉分隔板，测量所有坝料堆叠在一起的综合等效渗透系数，本发明装置大幅缩短了试验时间、减小了试验误差。

Description

用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法

技术领域

本发明公开了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法，属于水利水电工程参数试验方法技术领域。

背景技术

坝料渗透系数是评价均质坝坝体稳定性及沉降特性的重要指标，其测量的准确性直接关系到坝坡的安全与否。

现有技术中，测量渗透系数的系统仅能测试一种坝料的渗透系数。而坝体在堆叠的过程中，通常会涉及到多种类型的坝料，如若单独获取每种坝料的渗透系数后再进行整合，则由于每次测试环境的不同，将会导致整合后的坝体渗透系数并不准确，影响均质坝坝体的安全运行。

发明内容

本申请的目的在于，提供一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法，以解决现有技术中难以准确确定多种坝料的综合等效渗透系数的技术问题。

本发明的第一方面提供了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统，包括试验桶、N块分隔板、流量测量装置和压力测量装置；

N块所述分隔板通过所述试验桶的桶壁插入至所述试验桶内，并与所述试验桶可拆卸连接，N块所述分隔板将所述试验桶沿其轴线方向分为N+1个试验单元；

每个所述试验单元的桶壁上均设置有流量测量装置和压力测量装置；

所述流量测量装置用于测量所述试验单元内坝料的渗出水量；

所述压力测量装置用于测量所述试验单元内坝料承受的压力值。

优选地，所述测试系统还包括第一连接件；

所述试验桶的桶壁上开设有插入口，所述插入口的延伸方向垂直于所述试验桶的轴线方向，所述插入口两端的直线距离大于或者等于所述分隔板相对两端的直线距离；

所述试验桶的内桶壁上开设有M个第一凹槽，M个所述第一凹槽与所述插入口在同一水平面上；

所述第一连接件与所述插入口匹配，且所述第一连接件上开设有多个第二凹槽；

所述分隔板的边缘设置有与所述第一凹槽和所述第二凹槽匹配的凸起。

优选地，所述测试系统还包括多个第二连接件；

所述第二连接件用于将所述第一连接件固定于所述试验桶上。

优选地，所述第二连接件的厚度小于所述试验桶的桶壁的厚度，所述第二连接件包括连接部分和固定部分；

所述连接部分的宽度为所述插入口宽度的1/2，所述固定部分嵌入至所述插入口两端的试验桶的桶壁内；

所述第一连接件的两端设置挡片，所述挡片与所述固定部分靠近所述试验桶内壁的一侧连接，所述挡片与所述固定部分连接后的厚度等于所述试验桶的桶壁的厚度。

优选地，还包括气压发生装置；

所述气压发生装置与所述试验桶连接，用于为所述试验桶施加设定的气压。

优选地，所述气压发生装置包括高压气罐、连接管、气压表和减压阀；

所述高压气罐通过所述连接管与所述试验桶连接，用于为所述试验桶施加气压；

所述气压表设置于所述连接管上，用于显示所述试验桶内的压力值；

所述减压阀设置于所述连接管上，用于降低所述试验桶内的压力值。

优选地，所述流量测量装置包括流量计和出水管；

所述出水管与所述试验单元内试验桶桶壁上的出水口连接；

所述流量计设置于所述出水管上，用于测量所述试验单元内坝料的渗出水量。

优选地，所述压力测量装置为测压管。

本发明的第二方面提供了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，包括：

步骤1、在所述试验桶内加入坝料；

步骤2、向所述试验桶内注水，施压，获取所述坝料的渗出水量和承受的压力值，并计算所述坝料的渗透系数；

步骤3、在所述试验桶上插入一块分隔板，在所述分隔板上加入坝料，重复步骤2，直至插入了所有分隔板或者直至没有待测坝料，得到每个试验单元内的坝料的渗透系数；

步骤4、抽出所有分隔板，再向所述试验桶内注水、施压，获取试验桶内所有坝料的渗出水量和承受的压力值，计算所有坝料的综合等效渗透系数。

优选地，所述渗透系数的计算方法如第一公式，所述第一公式为：

式中，q为渗出水量，P为压力值，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水位与出水口之间的垂直高度，L为坝料的高度，A为坝料垂直水流向的横截面的面积。

本发明的一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统及方法，相较于现有技术，具有如下有益效果：

本发明的测试系统及方法，可以在逐一设置分隔板的情况下，测量每个试验单元内坝料的渗透系数；在测量到每种坝料的渗透系数后，可以抽掉分隔板，测量所有坝料堆叠在一起的综合等效渗透系数，所得坝体的综合等效渗透系数更为准确。本发明的系统可以得到每种坝料的渗透系数以及多坝料组合在一起的综合等效渗透系数，相较于现有技术中的仅能测量一种坝料渗透系数的系统，大幅缩短了试验时间、减小了试验误差，且装置简单、成本低。

附图说明

图1为本发明实施例中用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中试验桶、分隔板及第一连接件的爆炸图；

图3为本发明实施例中图1的A-A剖面示意图；

图4为本发明实施例中第二连接件的结构示意图；

图5为本发明实施例中第一连接件、第二连接件与试验桶连接时连接处的放大图。

图中1为试验桶；11为注水口；12为插入口，13为第一凹槽；2为分隔板；3为流量测量装置；31为流量计；32为出水管；4为压力测量装置；5为气压发生装置；51为高压气罐；52为连接管；53为气压表；54为减压阀；6为土工膜；7为第一连接件；71为第二凹槽；72、挡片；8为第二连接件；81为连接部分；82为固定部分。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

本发明的第一方面提供了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试系统，如图1-5所示，包括试验桶1、N块分隔板2(N≥1)、流量测量装置3和压力测量装置4。

其中N块分隔板2通过试验桶1的桶壁插入至试验桶1内，并与试验桶1可拆卸连接，N块分隔板2将试验桶1沿其轴线方向分为N+1个试验单元，每个试验单元用于测量其内坝料的渗透系数。本发明实施例中，每个试验单元内的坝料可为同种类型的坝料，也可为不同类型的坝料；每块分隔板2的表面均为光滑平面，便于插入试验桶1内。

本发明的每个试验单元的桶壁上均设置有流量测量装置3和压力测量装置4；其中，流量测量装置3用于测量试验单元内坝料的渗出水量；压力测量装置4用于测量试验单元内坝料承受的压力值。

为防止坝料受高压破坏，影响试验结果，本发明实施例还在坝料上设置有土工膜6。

本发明设置了N块分隔板2，并且分隔板2与试验桶1的桶壁为可拆卸连接的方式。该装置可以在逐一设置分隔板2的情况，测量每个试验单元内坝料的渗透系数；在测量到每种坝料的渗透系数后，可以抽掉分隔板2，测量所有坝料堆叠在一起的综合等效渗透系数，所得坝体的综合等效渗透系数更为准确。本发明的系统可以得到每种坝料的渗透系数以及多坝料组合在一起的综合等效渗透系数，相较于现有技术中的仅能测量一种坝料渗透系数的系统，大幅缩短了试验时间、减小了试验误差，且装置简单、成本低。

为进一步保证分隔板2的稳固性，本发明实施例的测试系统还包括第一连接件7，第一连接件7与试验桶1的连接方式如图2和图3所示。

试验桶1的桶壁上开设有插入口12，插入口12的延伸方向垂直于试验桶1的轴线方向，插入口12两端的直线距离大于或者等于分隔板2相对两端的直线距离，该种设置可以在保证分隔板2可插入试验桶1的同时，使得试验桶1的结构稳定。

试验桶1的内桶壁上开设有M个第一凹槽13，M个第一凹槽13与插入口12在同一水平面上。本发明实施例第一凹槽13的作用为卡接分隔板2，使其能够承载放置其上的坝料。

进一步地，第一连接件7与插入口12匹配，且第一连接件7上开设有多个第二凹槽71；分隔板2的边缘设置有与第一凹槽13和第二凹槽71匹配的凸起。其中第一连接件7与插入口12的接触位置设有密封条，以保证连接处的密封性。

本发明实施例使用第一连接件7固定分隔板2，使得分隔板2与试验桶1可拆卸连接，且可保证整体结构的稳定性。

为更进一步增加分隔板2的稳固性，本发明实施例的测试系统还设置了多个第二连接件8；

第二连接件8用于将第一连接件7固定于试验桶1上。

本发明实施例的第二连接件8，可以为设置于试验桶1外部的弹性压片、固定片或者可以嵌入至试验桶1的桶壁内部的结构。

具体地，当第二连接件8为弹性压片时，弹性压片的一端与试验桶1通过螺栓连接，另一端可旋转至第一连接件7上，对第一连接件7施加向试验桶1桶内的压力，保证第一连接件7与试验桶1的紧密连接。

当第二连接件8为固定片时，固定片的两端都与试验桶1通过螺栓连接，且固定片的片体具有凸起，凸起顶住第一连接件7，对第一连接件7施加向试验桶1桶内的压力，保证第一连接件7与试验桶1的紧密连接。

当第二连接件8为可以嵌入至试验桶1的桶壁内部的结构时，第二连接片8的结构如图4所示，第二连接件8的厚度小于试验桶1的桶壁的厚度且第二连接件8包括连接部分81和固定部分82；

其中连接部分81的宽度为插入口12宽度的一半，固定部分82嵌入至插入口12两端的试验桶1的桶壁内；

相应的，第一连接件7的两端设置挡片72，挡片72与固定部分82靠近试验桶1内壁的一侧连接，挡片72与固定部分82连接后的厚度等于试验桶1的桶壁的厚度。为进一步保证连接强度，本发明实施例在插入口12的一端设置两个第二连接件8，两个第二连接件8并排设置，使得两个连接部分组合在一起的宽度等于插入口12的宽度，且两个固定部分在同一条线上，第一连接件7和第二连接件8连接方式如图5所示。

本发明实施例使用第二连接件8挡住第一连接件7，使其不能脱离试验桶1，保证了整体结构的稳定性。

本发明实施例中的试验桶1、分隔板2、第一连接件7、第二连接件8、弹性压片及固定片的材质均为钢材。

随着水电开发的不断深入，高坝工程在我国越来越多，而高坝往往都具有几百米的水头，岩体承受较高的压力，其渗透系数对设计防渗措施尤为重要。而现有的确定坝料渗透系数的测试系统属于低压压水测试系统，试验压力值偏低(通常为0.3、0.6或者1.0MPa)，而高坝正常蓄水后，坝基岩体将承受近300m左右水头的高压，压力值基本在3MPa左右，常规试验结果难以反映坝体在真实高压水头压力下的渗透特性。

本发明实施例为确定高坝条件下的坝料渗透系数，在测试系统中还包括了气压发生装置5。气压发生装置5与试验桶1连接，用于为试验桶1施加设定的气压。

其中气压发生装置5包括高压气罐51、连接管52、气压表53和减压阀54；高压气罐51通过连接管52与试验桶1连接，用于为试验桶1施加气压；气压表53设置于连接管52上，用于显示试验桶1内的压力值；减压阀54设置于连接管52上，用于降低试验桶1内的压力值。其中高压气罐51内的气体为无害气体，优选氦气。

本发明实施例利用气压发生装置5产生的高气压，模拟高坝条件下的水压。其装置简单、便于操作。

更进一步地，本发明的流量测量装置3包括流量计31和出水管32，出水管32与试验单元内试验桶1桶壁上的出水口连接；流量计31设置于出水管32上，用于测量试验单元内坝料的渗出水量，具体为测量试验中出水口单位时间流量q的大小。

本发明实施例的压力测量装置4为测压管。

上述测压管和出水管32均通过牛筋接头与试验桶1连接。

本发明设置了N块分隔板，并且分隔板与试验桶的桶壁为可拆卸连接的方式，使得该装置可以在逐一设置分隔板的情况，测量每个试验单元内坝料的渗透系数；在测量到每种坝料的渗透系数后，可以抽掉分隔板，测量所有坝料堆叠在一起的综合等效渗透系数，所得坝体的综合等效渗透系数更为准确。本发明的系统可以得到每种坝料的渗透系数以及多坝料组合在一起的综合等效渗透系数，相较于现有技术中的仅能测量一种坝料渗透系数的系统，大幅缩短了试验时间、减小了试验误差，且装置简单、成本低。

本发明在试验桶的侧壁开设了插入口，在插入口中插入分隔板，然后使用第一连接件将分隔板固定于试验桶内，整个装置简单、便于可拆卸，且结构稳定。

本发明还设置了第二连接件，用于将第一连接件紧密固定在试验桶1上，进一步增加了整体结构的稳定性，使得本发明的系统可在高压及低压环境下进行测量。

由于本发明装置的结构稳定性，故其可在高压环境下进行测量，从而模拟高坝的环境，进而测量得到坝体在真实高压水头压力下的渗透特性，故本发明的系统还设置了气压发生装置，用以模拟真实的高坝条件。

本发明的流量测量装置使用流量计测量流量，可直接获取测量试验中出水口单位时间流量的大小，结构简单。

本发明使用测压管作为压力测量装置，降低整个装置的成本。

本发明的第二方面提供了一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，包括：

步骤1、在试验桶1内表面均匀涂抹凡士林，然后在试验桶1的最底层加入坝料；

步骤2、向试验桶1内通过注水口11注水，确保水漫过坝料设定高度，停止注水；然后使用橡皮塞密封注水口11，打开高压气罐51开关，向试验桶1施压，获取坝料的渗出水量、承受的压力值、水位与出水口之间的垂直高度及坝料的高度及横截面积，计算坝料的渗透系数；

步骤3、在试验桶1上靠近桶底的位置插入一块分隔板2，在分隔板2上加入坝料，重复步骤2，直至插入了所有分隔板2或者直至没有待测坝料，得到每个试验单元内的坝料的渗透系数；

步骤4、抽出所有分隔板，再向试验桶1内注水，确保水漫过坝料设定高度，停止注水；然后使用橡皮塞密封注水口11，打开高压气罐51开关，向试验桶1施压，获取试验桶1内所有坝料的渗出水量、承受的压力值、水位与出水口之间的垂直高度及坝料的高度及横截面积，计算所有坝料的综合等效渗透系数。

本发明实施例中渗透系数的计算方法如第一公式，第一公式为：

式中，q为渗出水量，P为压力值，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水位与出水口之间的垂直高度，L为坝料的高度，A为坝料垂直水流向的横截面的面积。

本发明的系统及方法，既可以反映出高、低水头压力下的坝体渗透特性，也可同时进行多层坝料渗透试验得到综合的等效渗透系数，大幅降低了试验误差，极大缩短了试验时间。

以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (9)

1.一种用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述测试方法使用的测试系统包括试验桶、N块分隔板、流量测量装置和压力测量装置；

N块所述分隔板通过所述试验桶的桶壁插入至所述试验桶内，并与所述试验桶可拆卸连接，N块所述分隔板将所述试验桶沿其轴线方向分为N+1个试验单元；

每个所述试验单元的桶壁上均设置有流量测量装置和压力测量装置；

所述流量测量装置用于测量所述试验单元内坝料的渗出水量；

所述压力测量装置用于测量所述试验单元内坝料承受的压力值；

所述测试方法包括：

步骤1、在所述试验桶内加入坝料；

步骤2、向所述试验桶内注水，施压，获取所述坝料的渗出水量和承受的压力值，并计算所述坝料的渗透系数；

步骤3、在所述试验桶上插入一块分隔板，在所述分隔板上加入坝料，重复步骤2，直至插入了所有分隔板或者直至没有待测坝料，得到每个试验单元内的坝料的渗透系数；

步骤4、抽出所有分隔板，再向所述试验桶内注水、施压，获取试验桶内所有坝料的渗出水量和承受的压力值，计算所有坝料的综合等效渗透系数。

2.根据权利要求1所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述测试系统还包括第一连接件；

所述试验桶的桶壁上开设有插入口，所述插入口的延伸方向垂直于所述试验桶的轴线方向，所述插入口两端的直线距离大于或者等于所述分隔板相对两端的直线距离；

所述试验桶的内桶壁上开设有M个第一凹槽，M个所述第一凹槽与所述插入口在同一水平面上；

所述第一连接件与所述插入口匹配，且所述第一连接件上开设有多个第二凹槽；

所述分隔板的边缘设置有与所述第一凹槽和所述第二凹槽匹配的凸起。

3.根据权利要求2所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述测试系统还包括多个第二连接件；

所述第二连接件用于将所述第一连接件固定于所述试验桶上。

4.根据权利要求3所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述第二连接件的厚度小于所述试验桶的桶壁的厚度，所述第二连接件包括连接部分和固定部分；

所述连接部分的宽度为所述插入口宽度的1/2，所述固定部分嵌入至所述插入口两端的试验桶的桶壁内；

所述第一连接件的两端设置挡片，所述挡片与所述固定部分靠近所述试验桶内壁的一侧连接，所述挡片与所述固定部分连接后的厚度等于所述试验桶的桶壁的厚度。

5.根据权利要求1-4任一项所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，还包括气压发生装置；

所述气压发生装置与所述试验桶连接，用于为所述试验桶施加设定的气压。

6.根据权利要求5所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述气压发生装置包括高压气罐、连接管、气压表和减压阀；

所述高压气罐通过所述连接管与所述试验桶连接，用于为所述试验桶施加气压；

所述气压表设置于所述连接管上，用于显示所述试验桶内的压力值；

所述减压阀设置于所述连接管上，用于降低所述试验桶内的压力值。

7.根据权利要求1所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述流量测量装置包括流量计和出水管；

所述出水管与所述试验单元内试验桶桶壁上的出水口连接；

所述流量计设置于所述出水管上，用于测量所述试验单元内坝料的渗出水量。

8.根据权利要求1所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述压力测量装置为测压管。

9.根据权利要求1所述的用于确定均质坝坝料渗透系数的测试方法，其特征在于，所述渗透系数的计算方法如第一公式，所述第一公式为：

式中，q为渗出水量，P为压力值，ρ为水的密度，g为重力加速度，h为水位与出水口之间的垂直高度，L为坝料的高度，A为坝料垂直水流向的横截面的面积。

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