CN116429657A - 考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法 - Google Patents

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CN116429657A CN202310271033.9A CN202310271033A CN116429657A CN 116429657 A CN116429657 A CN 116429657A CN 202310271033 A CN202310271033 A CN 202310271033A CN 116429657 A CN116429657 A CN 116429657A
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李子阳
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Hohai University HHU
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Kunming University of Science and Technology
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Nanjing Hydraulic Research Institute of National Energy Administration Ministry of Transport Ministry of Water Resources
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Abstract

本发明公开了考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法，包括水头施加系统、垫层渗流安全设计试验系统和渗流数据采集系统；垫层渗流安全设计试验系统包括带缺陷土工膜、垫层室、倾角调节装置和试验台；渗流数据采集系统包括颗粒收集器、流量计和计算机。本发明结合实际工程背景，设置坝坡比、压力水头值和土工膜缺陷大小，模拟坝面土工膜缺陷集中渗漏导致的膜下垫层颗粒运移过程，根据垫层颗粒运移量及流失量、垫层级配变化和缺陷渗漏量判定垫层渗流安全，得到垫层安全厚度与相对密度的关系曲线，进而得到确保垫层渗流安全的最小垫层厚度或最小相对密度，为坝面土工膜防渗土石坝工程中膜下颗粒垫层安全运行的设计参数选择提供理论依据。

Description

考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法
技术领域
本发明涉及土工膜防渗领域，特别是一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法。
背景技术
土工膜是一种柔性防渗薄膜材料，常作为防渗体广泛应用于土石坝、堤防和围堰等防渗工程。由于土工膜很薄(工程常用厚度0.5～2.0mm)，在制造、运输和施工等过程中，易遭到不同形式的顶破、刺破和拉裂等破坏而形成缺陷，蓄水后引起缺陷集中渗漏。对于土石坝工程，坝面防渗土工膜缺陷集中渗漏使膜下颗粒垫层受到渗透水流冲刷，在渗透水压作用下引起垫层颗粒运移和颗粒流失，使垫层级配、相对密度和渗透系数等发生改变，进而导致垫层渗透稳定性降低，可能造成垫层渗透破坏，危害工程防渗安全。
现有模拟土工膜缺陷渗漏的相关试验装置主要研究不同水头下缺陷渗漏量，未对土工膜缺陷集中渗漏导致的膜下垫层颗粒运移情况进行系统研究，未涉及影响垫层内部结构稳定性的垫层颗粒运移量、流失量和级配变化等，且已有试验装置不能考虑土工膜所处坝坡的坡比，无法模拟不同坝坡比下坝面土工膜的实际防渗运行状态。
因此，有必要提出一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法。
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，而提供一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法，该考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置及方法通过结合实际工程背景，设置坝坡比、压力水头值和土工膜缺陷大小，模拟坝面土工膜缺陷集中渗漏导致的膜下垫层颗粒运移过程，根据垫层颗粒运移量及流失量、垫层级配变化和缺陷渗漏量判定垫层渗流安全，得到垫层安全厚度与相对密度的关系曲线，进而得到确保垫层渗流安全的最小垫层厚度或最小相对密度，为坝面土工膜防渗土石坝工程中膜下颗粒垫层安全运行的设计参数选择提供理论依据。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置，包括水头施加系统、垫层渗流安全设计试验系统和渗流数据采集系统。
垫层渗流安全设计试验系统包括土工膜、垫层室、倾角调节装置和试验台。
垫层室设置在试验台上，垫层室具有垫层填充腔，垫层填充腔内填筑有颗粒垫层料；垫层填充腔底部具有筛板。
土工膜的中心具有破损缺陷。
倾角调节装置用于调整垫层室的倾斜角度，进而调节土工膜的倾斜角度，从而模拟不同坝坡比下坝面土工膜的实际防渗运行状态。
水头施加系统用于向土工膜顶部施加设定水头的水压力。
渗流数据采集系统包括颗粒收集器、流量计和计算机。
颗粒收集器用于收集被渗透水流从垫层室底部携带出的垫层料颗粒。
流量计用于监测从垫层室底部渗透水流的流量。
颗粒收集器、流量计、倾角调节装置和水头施加系统均与计算机相连接。
倾角调节装置包括基座底板、圆筒架和弧形伸缩杆。
圆筒架同轴设置在基座底板顶部。
基座底板底部一端与试验台相铰接，基座底板底部另一端和基座底板侧壁均通过弧形伸缩杆与试验台相连接；每根弧形伸缩杆的长度均能够伸缩。
垫层渗流安全设计试验系统还包括高度调节装置，高度调节装置用于调节垫层填充腔的高度，进而调节颗粒垫层料的填筑高度。
一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，包括如下步骤。
步骤1、制备垫层料：垫层料为砂砾石垫层料，砂砾石垫层料具有7种不同粒径的砂砾石颗粒，其级配不均匀系数Cu≥15且曲率系数Cc∈[1,3]；其中，7种不同粒径砂砾石颗粒的粒径从小至大分别为：d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7。
步骤2、安装垫层室：垫层室水平放置，通过高度调节装置将垫层填充腔调节至初始高度h0。
步骤3、分层填筑垫层料：将垫层填充腔平均分n层，编号从下至上分别为第1层、第2层、……、第i层、……、第n层；每层垫层依次填筑并压实步骤1制备的垫层料；其中，每层垫层料厚度均为h0/n，每层垫层料相对密度均为Dr，压实完成后将垫层表面整平。
步骤4、放置土工膜和安装水头施加系统：将土工膜平铺在步骤3的垫层表面，且土工膜的中心具有等效孔径为r的破损缺陷；接着，在垫层室和土工膜上方密封安装水头施加系统。
步骤5、调节土工膜倾斜角度：根据待模拟的坝坡比，通过倾角调节装置，将土工膜倾斜角度调节为θ。
步骤6、土工膜缺陷集中渗漏试验：通过水头施加系统，向土工膜施加压力水头H；压力水经过土工膜的破损缺陷向下渗漏，进入垫层室中，引起垫层室中的垫层料向下运移，并从垫层填充腔底部的筛板向下流失。
步骤7、渗流数据采集，包括如下步骤：
步骤7-1、渗漏过程渗流数据采集：在筛板底部设置颗粒收集器和流量计；其中，颗粒收集器用于收集从垫层室底部流失的垫层料颗粒；流量计用于监测从垫层室底部渗漏出的压力水流量，并实时上传给计算机；计算机绘制压力水渗漏量随时间变化曲线。
步骤7-2、采集垫层颗粒总流失量：当步骤7-1中所监测的流量处于稳定状态，关闭水头施加系统；将颗粒收集器收集的垫层料颗粒进行烘干和称重，得到垫层颗粒总流失量m0。
步骤7-3、绘制每层垫层料级配曲线：通过倾角调节装置，将土工膜调节至水平位置，卸下水头施加系统；分层取出垫层室中垫层料，并对每层垫层料分别进行烘干、称重和筛分，从而得到每层垫层料的级配曲线；并计算每层垫层料级配不均匀系数Cu′、曲率系数Cc′以及7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量；其中，第i层垫层料中7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量分别为：
Figure BDA0004134644390000031
和/>
Figure BDA0004134644390000032
1≤i≤n。
步骤8、判定垫层渗流安全：根据步骤7采集的渗流数据，进行如下4个垫层渗流安全判定条件的判断：
条件①：
Figure BDA0004134644390000033
和/>
Figure BDA0004134644390000034
均小于α1，/>
Figure BDA0004134644390000035
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Figure BDA0004134644390000036
均小于α2，/>
Figure BDA0004134644390000037
和/>
Figure BDA0004134644390000038
均小于α3；其中α1、α2和α3分别为小粒径、中粒径和大粒径垫层颗粒的质量变化限度，取值范围分别为：2％～4％、5％～8％和4％～6％；当i＝1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最大值；当i＝n时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最小值；当i＝2～n-1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的中间值，且相邻两层垫层料中的上层取值大于下层取值。
条件②：m0≤0.05M；其中，M为垫层室中垫层料总质量。
条件③：每层垫层料的级配不均匀系数Cu′均不小于初始值Cu的95％且曲率系数Cc′∈[1,3]。
条件④：渗漏量随时间变化曲线平滑，无明显拐点，无渗漏量异常突增现象。
步骤9、获取垫层安全厚度：当步骤7中采集的渗流数据，同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，则垫层处于渗流安全状态，垫层安全厚度h安＝h0；否则，增大垫层填充腔高度至h1，重复步骤2～步骤9，直至同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，则此时对应的垫层填充腔高度，即为垫层安全厚度h安；其中，h1＞h0。
还包括步骤10、不同垫层料相对密度下的垫层渗流安全试验：改变步骤3中垫层料相对密度Dr，重复步骤2～步骤9，得到水头H、土工膜倾角θ和土工膜缺陷等效孔径r下不同垫层料相对密度Dr时的垫层安全厚度h安，并绘制垫层安全厚度h安与相对密度Dr的关系曲线。
垫层安全参数设计：根据步骤10中的垫层安全厚度h安与相对密度Dr关系曲线，选定保证垫层渗流安全的设计参数：垫层设计厚度h设时的最小相对密度Drmin，或垫层设计相对密度Dr设时的最小垫层厚度hmin。
步骤5中，待模拟的坝坡比为1:m，则θ与m的关系式为：m＝arctanθ，且m取1.4～2.0。
步骤6中的压力水头H，根据当前已建土工膜防渗土石坝的设计坝高，取值为10m～80m。
步骤4中的土工膜破损缺陷的等效孔径r，根据实际工程中土工膜破坏形式和土工膜缺陷统计获得，取值为1mm～20mm。
步骤1中，d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7的取值范围分别为：d1≤0.075mm、0.075mm<d2≤0.5mm、0.5mm<d3≤1mm、1mm<d4≤2mm、2mm<d5≤5mm、5mm<d6≤10mm和10mm<d7≤20mm。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明模拟了坝面土工膜缺陷引起的集中渗漏和冲刷导致膜下垫层出现颗粒运移的现象，通过试验前后分层垫层料位置变化和级配对比，以及收集到的流失的小粒径垫层料，得到垫层颗粒运移量、流失量和级配变化情况，进而定量评价了土工膜缺陷集中渗漏导致的颗粒垫层的渗流安全性。
2、本发明采用高度可调节的垫层室设置不同垫层厚度，通过不同垫层相对密度下的垫层渗流安全设计试验，建立了不同水头、土工膜倾角和缺陷大小下，保证垫层渗流安全的垫层安全厚度与相对密度关系曲线，为坝面土工膜防渗土石坝工程中膜下颗粒垫层安全运行的设计参数选择提供了理论依据。
3、本发明通过改变基座底板和试验台夹角，使土工膜实现实际工程中不同坝坡比下的倾斜状态，并考虑了实际工程中常见的压力水头范围及土工膜缺陷等效孔径大小，真实反映了实际坝面土工膜在倾斜坝坡下，受缺陷集中渗漏作用的颗粒垫层运行条件。
附图说明
图1为本发明一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的膜下垫层设计试验装置的结构示意图。
图2为本发明装置中试验台和基座的俯视图。
图3为实施例中垫层料试验前后的级配曲线对比示意图；
图4为实施例中缺陷渗漏量随时间变化曲线示意图；其中，(a)正常变化的流量曲线；(b)异常变化的流量曲线。
图5为实施例中垫层安全厚度与相对密度关系曲线示意图；
图6为实施例中土工膜缺陷示意图。
其中有：1、垫层室；2、水压室；3、土工膜；4、液压箱；5、筛板；6、支撑杆；7、颗粒收集器；8、流量计；9、基座；9a、基座底板；9b、圆筒架；10、倾角调节装置；11、试验台；12、计算机。
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所示，一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置，包括水头施加系统、垫层渗流安全设计试验系统和渗流数据采集系统。
垫层渗流安全设计试验系统包括土工膜3、垫层室1、倾角调节装置10、高度调节装置和试验台。
垫层室设置在试验台11上，垫层室具有垫层填充腔，垫层填充腔内填筑有颗粒垫层料；垫层填充腔底部具有筛板5。筛板优选为网状结构，网孔直径优选小于垫层料平均粒径d0，确保仅流失的粒径较小垫层料和渗透水流通过。
土工膜的中心具有破损缺陷。
倾角调节装置用于调整垫层室的倾斜角度，进而调节土工膜的倾斜角度，从而模拟不同坝坡比下坝面土工膜的实际防渗运行状态。
倾角调节装置优选包括基座9和弧形伸缩杆。
如图2所示，基座优选包括基座底板9a和圆筒架9b。圆筒架同轴设置在基座底板顶部。基座底板底部一端优选与试验台相铰接，基座底板底部另一端和基座底板侧壁均优选通过弧形伸缩杆与试验台相连接；每根弧形伸缩杆的长度均能够在对应的伸缩驱动装置的作用下进行伸缩。伸缩驱动装置为现有技术，如驱动电机或驱动气缸等。
高度调节装置用于调节垫层填充腔的高度，进而调节颗粒垫层料的填筑高度。
高度调节装置优选包括升降驱动装置和设置在筛板和基座底板之间的若干根支撑杆6，所有支撑杆均能在升降驱动装置的作用下进行高度升降。升降驱动装置为现有技术，如驱动电机或驱动气缸等。
水头施加系统用于向土工膜顶部施加设定水头的水压力。水头施加系统优选包括水压室2和液压箱4。水压力同轴密封安装在土工膜的顶部外缘，优选与圆筒架顶部密封可拆卸连接。液压箱能向水压室输送压力水，并控制水头压力。
渗流数据采集系统包括颗粒收集器7、流量计8和计算机12。
颗粒收集器优选设置在筛板下方，用于收集被渗透水流从垫层室底部携带出的垫层料颗粒。
流量计也优选设置在筛板下方，用于监测从垫层室底部渗透水流的流量。
上述颗粒收集器、流量计、倾角调节装置中的伸缩驱动装置、高度调节装置中的升降驱动装置和水头施加系统中的液压箱均优选与计算机相连接。
一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，包括如下步骤。
步骤1、制备垫层料：垫层料为砂砾石垫层料，砂砾石垫层料具有7种不同粒径的砂砾石颗粒，其级配不均匀系数Cu≥15且曲率系数Cc∈[1,3]；其中，7种不同粒径砂砾石颗粒的粒径从小至大分别为：d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7；d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7的砂砾石颗粒质量占比分别为Ω1％、Ω2％、Ω3％、Ω4％、Ω5％、Ω6％和Ω7％。
本实施例中，垫层料级配不均匀系数Cu优选为20，曲率系数Cc优选为2.5，d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7的取值范围分别为：d1≤0.075mm、0.075mm<d2≤0.5mm、0.5mm<d3≤1mm、1mm<d4≤2mm、2mm<d5≤5mm、5mm<d6≤10mm和10mm<d7≤20mm；各粒径垫层料质量占比优选为Ω1＝8、Ω2＝7、Ω3＝15、Ω4＝18、Ω5＝25、Ω6＝20和Ω7＝7。
步骤2、安装垫层室：垫层室水平放置在基座基板上，通过高度调节装置将垫层填充腔调节至初始高度h0。本实施例中，优选h0为30cm。
步骤3、分层填筑垫层料：将垫层填充腔平均分n层，编号从下至上分别为第1层、第2层、……、第i层、……、第n层；每层垫层依次填筑并压实步骤1制备的垫层料；其中，每层垫层料厚度均为h0/n，每层垫层料相对密度均为Dr，压实完成后将垫层表面整平。
本实施例中，优选垫层料分n＝5层填筑，每层厚度为h0/n＝6cm，垫层料相对密度Dr优选为0.82。
步骤4、放置土工膜和安装水头施加系统：将土工膜平铺在垫层表面，且土工膜的中心具有等效孔径为r的破损缺陷，并与垫层表面紧密贴合；接着，在垫层室和土工膜上方密封安装水头施加系统。本实施例中，土工膜优选为厚1mm的HDPE土工膜。
上述土工膜破损缺陷的等效孔径r，根据实际工程中土工膜破坏形式和土工膜缺陷统计获得，取值为1mm～20mm。本实施例中，优选r为5mm，土工膜缺陷示意图见图6。
步骤5、调节土工膜倾斜角度：根据待模拟的坝坡比，通过倾角调节装置，将土工膜倾斜角度调节为θ。
设待模拟的坝坡比为1:m，则θ与m的关系式为：m＝arctanθ，且m取1.4～2.0。本实施例中，优选m为1.8，则对应的基座底板与试验台之间夹角θ为29°。
步骤6、土工膜缺陷集中渗漏试验：通过水头施加系统，向土工膜施加压力水头H；压力水经过土工膜的破损缺陷向下渗漏，进入垫层室中，引起垫层室中的垫层料向下运移，并从垫层填充腔底部的筛板向下流失。
上述压力水头H，根据当前已建土工膜防渗土石坝的设计坝面高度，取值为10m～80m。本实施例中，优选H为20m。
步骤7、渗流数据采集，包括如下步骤：
步骤7-1、渗漏过程渗流数据采集：在筛板底部设置颗粒收集器和流量计；其中，颗粒收集器用于收集从垫层室底部流失的垫层料颗粒；流量计用于监测从垫层室底部渗漏出的压力水流量，并实时上传给计算机；计算机绘制压力水渗漏量随时间变化曲线。
步骤7-2、采集垫层颗粒总流失量：当步骤7-1中所监测的流量处于稳定状态(通常超过24h)，关闭水头施加系统；将颗粒收集器收集的垫层料颗粒进行烘干和称重，得到垫层颗粒总流失量m0
步骤7-3、绘制每层垫层料级配曲线：通过倾角调节装置，将土工膜调节至水平位置，卸下水头施加系统；分层取出垫层室中垫层料，并对每层垫层料分别进行烘干、称重和筛分，从而得到每层垫层料的级配曲线；并计算每层垫层料级配不均匀系数Cu′、曲率系数Cc′以及7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量；其中，第i层垫层料中7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量分别为：
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和/>
Figure BDA0004134644390000082
1≤i≤n。
本实施例中，试验前后第3层垫层区域内垫层料级配曲线对比见图3，渗漏量随时间变化的平滑曲线和有异常曲线分别见图4(a)和(b)。
步骤8、判定垫层渗流安全：根据步骤7采集的渗流数据，进行如下4个垫层渗流安全判定条件的判断：
条件①：
Figure BDA0004134644390000083
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Figure BDA0004134644390000084
均小于α1，/>
Figure BDA0004134644390000085
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均小于α2，/>
Figure BDA0004134644390000087
和/>
Figure BDA0004134644390000088
均小于α3；其中α1、α2和α3分别为小粒径、中粒径和大粒径垫层颗粒的质量变化限度，取值范围分别为：2％～4％、5％～8％和4％～6％；当i＝1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最大值；当i＝n时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最小值；当i＝2～n-1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的中间值，且相邻两层垫层料中的上层取值大于下层取值。
本实施例中，α1、α2和α3的优选取值，分别如下：
当i＝1时，α1、α2和α3分别取4、8和6。
当i＝2时，α1、α2和α3分别取3.5、7.5和5.5。
当i＝3时，α1、α2和α3分别取3、7和5。
当i＝4时，α1、α2和α3分别取2.5、6和4.5。
当i＝5时，α1、α2和α3分别取2、5和4。
条件②：m0≤0.05M；其中，M为垫层室中垫层料总质量。
条件③：每层垫层料的级配不均匀系数Cu′均不小于初始值Cu的95％且曲率系数Cc′∈[1,3]。
条件④：渗漏量随时间变化曲线平滑，无明显拐点，无渗漏量异常突增现象。
步骤9、获取垫层安全厚度
当步骤7中采集的渗流数据，同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，说明在施加水头H、相对密度Dr、土工膜倾角θ的条件下，当垫层厚度设置为h0时，土工膜缺陷集中渗漏引起的垫层颗粒运移限定在合理范围内，颗粒流失量很少，级配能够保持良好，垫层处于渗流安全状态，由此得到垫层安全厚度h安＝h0；否则，说明在施加水头H、相对密度Dr、土工膜倾角θ的条件下，当垫层厚度设置为h0时，土工膜缺陷集中渗漏导致垫层处于非渗流安全状态。此时，需增大垫层填充腔高度至h1，重复步骤2～步骤9，直至同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，则此时对应的垫层填充腔高度，即为垫层安全厚度h安；其中，h1＞h0。
步骤10、不同垫层料相对密度下的垫层渗流安全试验：改变步骤3中垫层料相对密度Dr，重复步骤2～步骤9，得到水头H、土工膜倾角θ和土工膜缺陷等效孔径r下不同垫层料相对密度Dr时的垫层安全厚度h安。
整合试验结果，由计算机绘制在施加水头H、土工膜倾角θ和土工膜缺陷等效孔径r下，垫层处于渗流安全状态时的垫层安全厚度h安与相对密度Dr关系曲线，供垫层参数设计选择。
本实施例中，垫层安全厚度h安与相对密度Dr的关系曲线见图5。
根据施加水头H、土工膜倾角θ和土工膜缺陷等效孔径r下的垫层安全厚度h安与相对密度Dr关系曲线，选定保证垫层渗流安全的设计参数：垫层设计厚度h设时的最小相对密度Drmin，或垫层设计相对密度Dr设时的最小垫层厚度hmin。
本实施例中，根据施加水头20m、土工膜倾角29°和缺陷等效孔径5mm下的垫层安全厚度h安与相对密度Dr关系曲线，选择设计垫层参数，获得h设时的最小相对密度Drmin或Dr设时的hmin。
本发明通过结合实际工程背景，设置坝坡比、压力水头值和土工膜缺陷大小，模拟坝面土工膜缺陷集中渗漏导致的膜下垫层颗粒运移过程，根据垫层颗粒运移量及流失量、垫层级配变化和缺陷渗漏量判定垫层渗流安全，得到垫层安全厚度与相对密度的关系曲线，进而得到确保垫层渗流安全的最小垫层厚度或最小相对密度，为坝面土工膜防渗土石坝工程中膜下颗粒垫层安全运行的设计参数选择提供理论依据
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 (10)

1.一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置，其特征在于：包括水头施加系统、垫层渗流安全设计试验系统和渗流数据采集系统；
垫层渗流安全设计试验系统包括土工膜、垫层室、倾角调节装置和试验台；
垫层室设置在试验台上，垫层室具有垫层填充腔，垫层填充腔内填筑有颗粒垫层料；垫层填充腔底部具有筛板；
土工膜的中心具有破损缺陷；
倾角调节装置用于调整垫层室的倾斜角度，进而调节土工膜的倾斜角度，从而模拟不同坝坡比下坝面土工膜的实际防渗运行状态；
水头施加系统用于向土工膜顶部施加设定水头的水压力；
渗流数据采集系统包括颗粒收集器、流量计和计算机；
颗粒收集器用于收集被渗透水流从垫层室底部携带出的垫层料颗粒；
流量计用于监测从垫层室底部渗透水流的流量；
颗粒收集器、流量计、倾角调节装置和水头施加系统均与计算机相连接。
2.根据权利要求1所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置，其特征在于：倾角调节装置包括基座底板、圆筒架和弧形伸缩杆；
圆筒架同轴设置在基座底板顶部；
基座底板底部一端与试验台相铰接，基座底板底部另一端和基座底板侧壁均通过弧形伸缩杆与试验台相连接；每根弧形伸缩杆的长度均能够伸缩。
3.根据权利要求1或2所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验装置，其特征在于：垫层渗流安全设计试验系统还包括高度调节装置，高度调节装置用于调节垫层填充腔的高度，进而调节颗粒垫层料的填筑高度。
4.一种考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、制备垫层料：垫层料为砂砾石垫层料，砂砾石垫层料具有7种不同粒径的砂砾石颗粒，其级配不均匀系数Cu≥15且曲率系数Cc∈[1,3]；其中，7种不同粒径砂砾石颗粒的粒径从小至大分别为：d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7；
步骤2、安装垫层室：垫层室水平放置，通过高度调节装置将垫层填充腔调节至初始高度h0；
步骤3、分层填筑垫层料：将垫层填充腔平均分n层，编号从下至上分别为第1层、第2层、……、第i层、……、第n层；每层垫层依次填筑并压实步骤1制备的垫层料；其中，每层垫层料厚度均为h0/n，每层垫层料相对密度均为Dr，压实完成后将垫层表面整平；
步骤4、放置土工膜和安装水头施加系统：将土工膜平铺在步骤3的垫层表面，且土工膜的中心具有等效孔径为r的破损缺陷；接着，在垫层室和土工膜上方密封安装水头施加系统；
步骤5、调节土工膜倾斜角度：根据待模拟的坝坡比，通过倾角调节装置，将土工膜倾斜角度调节为θ；
步骤6、土工膜缺陷集中渗漏试验：通过水头施加系统，向土工膜施加压力水头H；压力水经过土工膜的破损缺陷向下渗漏，进入垫层室中，引起垫层室中的垫层料向下运移，并从垫层填充腔底部的筛板向下流失；
步骤7、渗流数据采集，包括如下步骤：
步骤7-1、渗漏过程渗流数据采集：在筛板底部设置颗粒收集器和流量计；其中，颗粒收集器用于收集从垫层室底部流失的垫层料颗粒；流量计用于监测从垫层室底部渗漏出的水流量，并实时上传给计算机；计算机绘制压力水渗漏量随时间变化曲线；
步骤7-2、采集垫层颗粒总流失量：当步骤7-1中所监测的流量处于稳定状态，关闭水头施加系统；将颗粒收集器收集的垫层料颗粒进行烘干和称重，得到垫层颗粒总流失量m0；
步骤7-3、绘制每层垫层料级配曲线：通过倾角调节装置，将土工膜调节至水平位置，卸下水头施加系统；分层取出垫层室中垫层料，并对每层垫层料分别进行烘干、称重和筛分，从而得到每层垫层料的级配曲线；并计算每层垫层料级配不均匀系数Cu′、曲率系数Cc′以及7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量；其中，第i层垫层料中7种不同粒径砂砾石颗粒的质量占比变化量分别为：
Figure FDA0004134644380000021
和/>
Figure FDA0004134644380000022
1≤i≤n；
步骤8、判定垫层渗流安全：根据步骤7采集的渗流数据，进行如下4个垫层渗流安全判定条件的判断：
条件①：
Figure FDA0004134644380000023
和/>
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均小于α1，/>
Figure FDA0004134644380000025
和/>
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均小于α2，/>
Figure FDA0004134644380000027
和/>
Figure FDA0004134644380000028
均小于α3；其中α1、α2和α3分别为小粒径、中粒径和大粒径垫层颗粒的质量变化限度，取值范围分别为：2％～4％、5％～8％和4％～6％；当i＝1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最大值；当i＝n时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的最小值；当i＝2～n-1时，α1、α2和α3分别取各自取值范围中的中间值，且相邻两层垫层料中的上层取值大于下层取值；
条件②：m0≤0.05M；其中，M为垫层室中垫层料总质量；
条件③：每层垫层料的级配不均匀系数Cu′均不小于初始值Cu的95％且曲率系数Cc′∈[1,3]；条件④：渗漏量随时间变化曲线平滑，无明显拐点，无渗漏量异常突增现象；
步骤9、获取垫层安全厚度：当步骤7中采集的渗流数据，同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，则垫层处于渗流安全状态，垫层安全厚度h安＝h0；否则，增大垫层填充腔高度至h1，重复步骤2～步骤9，直至同时满足步骤8中的4个垫层渗流安全判定条件，则此时对应的垫层填充腔高度，即为垫层安全厚度h安；其中，h1＞h0。
5.根据权利要求4所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：还包括步骤10、不同垫层料相对密度下的垫层渗流安全试验：改变步骤3中垫层料相对密度Dr，重复步骤2～步骤9，得到水头H、土工膜倾角θ和土工膜缺陷等效孔径r下不同垫层料相对密度Dr时的垫层安全厚度h安，并绘制垫层安全厚度h安与相对密度Dr的关系曲线。
6.根据权利要求5所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：垫层渗流安全参数设计：根据步骤10中的垫层安全厚度h安与相对密度Dr关系曲线，选定保证垫层渗流安全的设计参数：垫层设计厚度h设时的最小相对密度Drmin，或垫层设计相对密度Dr设时的最小垫层厚度hmin。
7.根据权利要求4所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：步骤5中，待模拟的坝坡比为1:m，则θ与m的关系式为：m＝arctanθ，且m取1.4～2.0。
8.根据权利要求4所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：步骤6中的压力水头H，根据当前已建土工膜防渗土石坝的设计坝高，取值为10m～80m。
9.根据权利要求4所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：步骤4中的土工膜破损缺陷的等效孔径r，根据实际工程中土工膜破坏形式和土工膜缺陷统计获得，取值为1mm～20mm。
10.根据权利要求4所述的考虑坝面土工膜缺陷渗漏的颗粒垫层设计试验方法，其特征在于：步骤1中，d1、d2、d3、d4、d5、d6和d7的取值范围分别为：d1≤0.075mm、0.075mm<d2≤0.5mm、0.5mm<d3≤1mm、1mm<d4≤2mm、2mm<d5≤5mm、5mm<d6≤10mm和10mm<d7≤20mm。
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