CN211477994U - 一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型要解决的技术问题是提供一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪及其试验方法，包括动态水压系统，渗漏试验系统和监测分析系统，所述动态水压系统通过伺服增压泵和压力水舱模拟土工膜上覆水头的动态变化；所述渗漏试验系统通过带缺陷土工膜实现渗漏过程的模拟；所述监测分析系统通过电子压力计和电子流量计实现模拟水头和渗漏流量的动态联测及分析。本实用新型实现了一种土工膜缺陷渗漏的物理模型试验仪，避免了理论计算和数值模拟中过多假设而偏离实际的不足，可基于防渗工程的实际特点，开展多种工况下的渗漏模拟和分析。

Description

一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪

技术领域

本实用新型涉及土木工程试验技术领域，具体属于一种动水头作用下土工膜缺陷的渗漏模拟试验装置及其试验方法，主要用于开展动水头环境下土工膜缺陷的渗漏模拟及参数计算。

背景技术

土工膜是一种柔性合成材料，具有良好的变形性能和防渗性能，广泛运用于堤防、围堰、大坝、水库和垃圾填埋场等防渗工程。然而，在实际防渗工程中，由于制造工艺和施工条件等的影响，土工膜不可避免地遭到不同程度的破坏，形成不同形状的缺陷。土工膜的缺陷会破坏其整体防渗性能，缺陷处易形成集中渗漏并造成多种后果，例如：抽水蓄能电站的库水较为珍贵，集中渗漏将导致库水不可逆性损失，影响抽水蓄能电站的效率；垃圾填埋场内部的渗滤液含有大量有毒有害物质，集中渗漏将会对周边的地质环境造成严重的破坏。目前，对于土工膜缺陷渗漏的科学研究，已严重滞后于相关防渗措施的工程实践。

近年来，有部分学者采用理论计算和数值模拟的方法，对土工膜缺陷渗漏开展了相关研究，但受限于较多的假设前提，致使其研究结果与工程实际的匹配程度较低。实际工程中土工膜的缺陷渗漏，主要取决于以下3个方面：1.土工膜缺陷的形态；2.土工膜上覆水头及其变化规律；3.土工膜下垫层材料的特性。理论计算和数值模拟，很难充分考虑上述3项因素的综合影响。

综上所述，物理模型试验是现阶段开展土工膜缺陷渗漏研究唯一可行的手段，然而目前尚未有成熟的土工膜缺陷渗漏模拟试验装置可用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，主要用于开展动水头环境下土工膜缺陷的渗漏模拟及参数计算。

本实用新型解决上述技术问题所首先采用的技术方案是：提供一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，包括动态水压系统，渗漏试验系统和监测分析系统，所述动态水压系统通过伺服增压泵和压力水舱模拟土工膜上覆水头的动态变化；所述渗漏试验系统通过带缺陷土工膜实现渗漏过程的模拟；所述监测分析系统通过电子压力计和电子流量计实现模拟水头和渗漏流量的动态联测及分析。

在采用上述技术方案的同时，本实用新型还可以采用或者组合采用以下进一步的技术方案：

所述动态水压系统包括伺服增压泵、压力管线、三通阀和压力水舱，所述伺服增压泵通过所述压力管线为试验提供可控的动态水压；所述压力管线两端分别与伺服增压泵联通和三通阀联通；所述三通阀与压力水舱相连通；所述压力水舱为下端开口的中空薄壁圆筒状物件，用于开展土工膜上覆动态水头的模拟，所述三通阀的另一个接口和电子压力计连接。

所述渗漏试验系统包括紧固夹板、底座顶板、试验基台、止水凹槽、止水凸出、紧固螺栓、紧固螺母和带孔试验基台底板，所述紧固夹板沿所述压力水舱外侧壁面均匀布设，并固连于所述压力水舱外侧壁；所述底座顶板沿所述试验基台外侧壁面均匀布设，并固连于所述试验基台外侧壁，所述紧固夹板和所述底座顶板开设有一一对应螺栓孔；所述试验基台为上端开口的中空薄壁圆筒状物件，尺寸与所述压力水舱相匹配，用于填装所述填筑物并开展渗漏试验；所述止水凸出的尺寸与所述止水凹槽相匹配，并在它们之间能够夹固带缺陷土工膜的周边，并防止压力水舱内水外渗，起到密闭试验环境的功能。

所述渗漏试验系统包括紧固夹板、底座顶板、试验基台、止水凹槽、止水凸出、紧固螺栓、紧固螺母和带孔试验基台底板，所述紧固夹板沿所述压力水舱外侧壁面均匀布设，并固连于所述压力水舱外侧壁；所述底座顶板沿所述试验基台外侧壁面均匀布设，并固连于所述试验基台外侧壁，所述紧固夹板和所述底座顶板开设有一一对应螺栓孔；所述试验基台为上端开口的中空薄壁圆筒状物件，尺寸与所述压力水舱相匹配，用于填装所述填筑物并开展渗漏试验；所述止水凸出的尺寸与所述止水凹槽相匹配，并在它们之间能够夹固带缺陷土工膜的周边，并防止压力水舱内水外渗，起到密闭试验环境的功能。

所述止水凹槽为所述压力水舱底部开口处壁面内的环槽型构造；所述止水凸出为所述试验基台顶部开口处壁面上的环形凸出构造；所述紧固螺栓与所述紧固螺母配套使用，从而使所述动态水压系统和所述渗漏试验系统紧密相连，在所述止水凹槽和所述止水凸出的共同作用下，使得所述动态水压系统和所述渗漏试验系统处于相对密闭的试验环境中。

所述带缺陷土工膜为根据试验需求人为制造特定形态缺陷的土工膜；所述填筑物为实际工程中采用的土工膜下垫层材料；所述透水石布设于所述试验基台的底部，即带孔试验基台底板之上，防止试验过程中所述填筑物发生渗透破坏；所述带孔试验基台底板上开设有均匀分布的穿透性小孔，便于试验过程中渗漏水的排出。

所述监测分析系统包括底座立板、底座底板、电子压力计、集水漏斗、电子流量计，所述底座立板固连于所述底座底板上，构成的立体框架结构为所述监测分析系统提供工作空间；所述电子压力计与所述动态水压系统的与压力水舱相通的三通阀相连，用于动态测量并记录试验过程中压力水舱内部的动态水压；所述集水漏斗固连于所述带孔试验基台底板之下，用于收集试验过程中的渗漏水；所述电子流量计安装于所述集水漏斗底部，用于动态测量并记录试验过程中所述渗漏试验系统的渗漏流量。

本实用新型的有益效果是：

1、实现了一种土工膜缺陷渗漏的物理模型试验仪，避免了理论计算和数值模拟中过多假设而偏离实际的不足，可基于防渗工程的实际特点，开展多种工况下的渗漏模拟和分析；

2、采用动态水压系统实现土工膜上覆水头的动态调整，充分考虑了水头压力对缺陷渗漏的影响，从而使试验过程符合抽蓄水库、海岸堤防等变水头防渗工程的运行特点；

3、采用试验基台填筑实际防渗工程中采用的填筑材料，充分还原了土工膜的实际铺设条件，充分考虑了土工膜下垫层材料对缺陷渗漏的影响；

4、采用止水凹槽构造和止水凸出构造，实现了土工膜的夹紧固定，并解决了压力水舱内水外渗的问题，起到了密闭试验环境的功能。

附图说明

图1是一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪的侧视图。

图2是一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪的俯视图。

图3是图2的A-A’剖面图。

图4是一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪的立体图。

图中标号：1：三通阀；2：压力水舱联通卡口；3：电子压力计；4：压力水舱；5：紧固夹板；6：紧固螺栓；7：紧固螺母；8：止水凹槽；9：止水凸出； 10：带缺陷土工膜；11：试验基台；12：填筑物；13：透水石；14：带孔试验基台底板；15：集水漏斗；16：电子流量计；17：底座顶板；18：底座立板；19：底座底板；20：伺服增压泵；21：伺服增压泵联通卡口；22：压力管线。

具体实施方式

参照附图。本实用新型提供的一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，包括动态水压系统，渗漏试验系统和监测分析系统，所述动态水压系统通过伺服增压泵20和压力水舱4模拟土工膜上覆水头的动态变化；所述渗漏试验系统通过带缺陷土工膜10实现渗漏过程的模拟；所述监测分析系统通过电子压力计3 和电子流量计16实现模拟水头和渗漏流量的动态联测及分析。

所述动态水压系统包括伺服增压泵20、伺服增压泵联通卡口21、压力管线 22、三通阀1、压力水舱联通卡口2和压力水舱4，所述伺服增压泵20通过所述压力管线22为试验提供可控的动态水压；所述压力管线22两端分别连接于伺服增压泵联通卡口21和三通阀1；所述三通阀1通过压力水舱联通卡口2与压力水舱4相连通；所述压力水舱4为下端开口的中空薄壁圆筒状物件，用于开展土工膜上覆动态水头的模拟。

所述渗漏试验系统包括紧固夹板5、底座顶板17、试验基台11、止水凹槽8、止水凸出9、紧固螺栓6、紧固螺母7、带缺陷土工膜10、填筑物12、透水石13 和带孔试验基台底板14，所述紧固夹板5沿所述压力水舱4外侧壁面均匀布设，并固连于所述压力水舱4外侧壁；所述底座顶板17沿所述试验基台11外侧壁面均匀布设，并固连于所述试验基台11外侧壁，所述紧固夹板5和所述底座顶板 17开设有一一对应螺栓孔；所述试验基台11为上端开口的中空薄壁圆筒状物件，尺寸与所述压力水舱4相匹配，用于填装所述填筑物12并开展渗漏试验；所述止水凹槽8为所述压力水舱4底部开口处壁面内的环槽型构造；所述止水凸9 出为所述试验基台11顶部开口处壁面上的环形凸出构造，尺寸与所述止水凹槽 8相匹配，在试验过程中用于夹紧固定所述带缺陷土工膜10，并防止压力水舱4 内水外渗，起到密闭试验环境的功能；所述紧固螺栓6与所述紧固螺母7配套使用，试验时所述紧固螺栓6从下往上依次穿过所述底座顶板17开设的螺栓孔和所述紧固夹板5开设的螺栓孔，所述紧固螺母7从所述紧固夹板5顶部旋入所述紧固螺栓6，从而使所述动态水压系统和所述渗漏试验系统紧密相连，在所述止水凹槽8和所述止水凸出9的共同作用下，使得所述动态水压系统和所述渗漏试验系统处于相对密闭的试验环境中；所述带缺陷土工膜10为根据试验需求人为制造特定形态缺陷的土工膜；所述填筑物12为实际工程中采用的土工膜下垫层材料；所述透水石13布设于所述试验基台11的底部，即所述带孔试验基台底板 14之上，防止试验过程中所述填筑物12发生渗透破坏；所述带孔试验基台底板 14上开设有均匀分布的穿透性小孔，便于试验过程中渗漏水的排出。

所述监测分析系统包括底座立板18、底座底板19、电子压力计3、集水漏斗15和电子流量计16，所述底座立板18固连于所述底座底板19上，构成的立体框架结构为所述监测分析系统提供工作空间；所述电子压力计3与所述动态水压系统的所述三通阀1相连，用于动态测量并记录试验过程中压力水舱4内部的动态水压；所述集水漏斗15固连于所述带孔试验基台底板14之下，用于收集试验过程中的渗漏水；所述电子流量计16安装于所述集水漏斗15底部，用于动态测量并记录试验过程中所述渗漏试验系统的渗漏流量。

采用本实用新型开展考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验的具体步骤如下：

(1)缺陷制造：根据实际土工膜的制造工艺和防渗工程的施工条件，选定具有代表性的缺陷形态，采用人为手段在土工膜上制造具有代表性形态的缺陷，形成带缺陷土工膜10；所述代表性缺陷可以是：圆孔状穿透孔、条带状焊接缝及其他形状的孔洞。

(2)材料填筑：将透水石13水平放置于试验基台11的带孔试验基台底板 14之上，选取实际防渗工程中土工膜膜下的填筑材料作为填筑物12，根据实际填筑材料的工程特性，将填筑材料分层填入试验基台11内部的空腔中，填筑至试验基台11上部开口齐平；

(3)土工膜铺设：将带缺陷土工膜10水平铺设于填筑物12之上，确保土工膜缺陷位于中央位置，将动态水压系统安装于渗漏试验系统之上；安装过程中保持土工膜一定的张拉力，并使紧固夹板5的螺栓孔与底座顶板17的螺栓孔对齐；将紧固螺栓6从下往上依次穿过底座顶板17开设的螺栓孔和紧固夹板5开设的螺栓孔，将紧固螺母7从紧固夹板5顶部旋入紧固螺栓6，从而使动态水压系统和渗漏试验系统紧密相连，在止水凹槽8和止水凸出9的共同作用下，使得动态水压系统和渗漏试验系统形成相对密闭的试验环境；

(4)设备仪表连接：将压力管线22两端分别与伺服增压泵20和三通阀1 连接，将三通阀1一端与压力水舱联通卡口2连接；将电子压力计3通过三通阀 1与动态水压系统连接；将电子流量计16通过集水漏斗15与渗漏试验系统连接；将伺服增压泵20、电子压力计3和电子流量计16的数据初始化；

(5)初始蓄水模拟：通过伺服增压泵20缓慢向压力水舱4供水，注满压力水舱4后，维持压力水舱4内部水压恒定，直至集水漏斗15下侧有稳定渗漏水流出为止；

(6)动态渗漏试验：根据实际防渗工程土工膜上覆水头的变化规律，动态调整压力水舱4内部的水压，直至完成一个周期的动态水压渗漏试验(例如日调节的抽水蓄能电站水库的水头动态周期为1自然日)；

(7)数据收集：一定的时间间隔，采用电子压力3计监测记录试验过程中的动态水压p(t)；以同样的时间间隔，采用电子流量计16监测记录试验过程中的渗漏流量q(t)；

(8)分析计算：以动态水压p(t)作为横坐标，以渗漏流量q(t)为纵坐标建立水压-流量直角坐标系，在水压-流量直角坐标系中绘制监测记录的数据对，采用式1确定动态水压p(t)和渗漏流量q(t)的关系：

q(t)＝a·p(t)+b 式1

其中，a和b为待定系数，由试验结果拟合确定。

当防渗工程处于稳定水位运行工况时，采用式2估算该防渗工程稳定运行期内的总渗漏量：

Q₁＝(a·ρ·g·H+b)·n·Δt 式2

其中，ρ为水的密度；g为重力加速度值；H为该防渗工程的稳定水头；n 为该防渗工程中土工膜缺陷数量的统计估算值；Δt为稳定运行时间。

当防渗工程处于动态调蓄运行工况时，采用式3估算该防渗工程一个调蓄周期内的总渗漏量：

其中，t₀为一个调蓄周期的时间。

以上所述者，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用来限定本实用新型的实施范围，即凡依本实用新型所作的均等变化与修饰，皆为本实用新型权利要求范围所涵盖，这里不再一一举例。

Claims (5)

1.一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，其特征在于：包括动态水压系统，渗漏试验系统和监测分析系统，所述动态水压系统通过伺服增压泵和压力水舱模拟土工膜上覆水头的动态变化；所述渗漏试验系统通过带缺陷土工膜实现渗漏过程的模拟；所述监测分析系统通过电子压力计和电子流量计实现模拟水头和渗漏流量的动态联测及分析。

2.如权利要求1所述的一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，其特征在于：所述动态水压系统包括伺服增压泵、压力管线、三通阀和压力水舱，所述伺服增压泵通过所述压力管线为试验提供可控的动态水压；所述压力管线两端分别与伺服增压泵联通和三通阀联通；所述三通阀与压力水舱相连通；所述压力水舱为下端开口的中空薄壁圆筒状物件，用于开展土工膜上覆动态水头的模拟，所述三通阀的另一个接口和电子压力计连接。

3.如权利要求1所述的一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，其特征在于：所述渗漏试验系统包括紧固夹板、底座顶板、试验基台、止水凹槽、止水凸出、紧固螺栓、紧固螺母和带孔试验基台底板，所述紧固夹板沿所述压力水舱外侧壁面均匀布设，并固连于所述压力水舱外侧壁；所述底座顶板沿所述试验基台外侧壁面均匀布设，并固连于所述试验基台外侧壁，所述紧固夹板和所述底座顶板开设有一一对应螺栓孔；所述试验基台为上端开口的中空薄壁圆筒状物件，尺寸与所述压力水舱相匹配，用于填装填筑物并开展渗漏试验；所述止水凸出的尺寸与所述止水凹槽相匹配，并在它们之间能够夹固带缺陷土工膜的周边，并防止压力水舱内水外渗，起到密闭试验环境的功能。

4.如权利要求3所述的一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，其特征在于：所述止水凹槽为所述压力水舱底部开口处壁面内的环槽型构造；所述止水凸出为所述试验基台顶部开口处壁面上的环形凸出构造；所述紧固螺栓与所述紧固螺母配套使用，从而使所述动态水压系统和所述渗漏试验系统紧密相连，在所述止水凹槽和所述止水凸出的共同作用下，使得所述动态水压系统和所述渗漏试验系统处于相对密闭的试验环境中。

5.如权利要求3所述的一种考虑动态水压的土工膜渗漏模拟试验仪，其特征在于：所述监测分析系统包括底座立板、底座底板、电子压力计、集水漏斗、电子流量计，所述底座立板固连于所述底座底板上，构成的立体框架结构为所述监测分析系统提供工作空间；所述电子压力计与所述动态水压系统的与压力水舱相通的三通阀相连，用于动态测量并记录试验过程中压力水舱内部的动态水压；所述集水漏斗固连于所述带孔试验基台底板之下，用于收集试验过程中的渗漏水；所述电子流量计安装于所述集水漏斗底部，用于动态测量并记录试验过程中所述渗漏试验系统的渗漏流量。

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