一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀及試驗方法
【專利摘要】本發明針對高堆石壩面膜或面板防滲結構蓄水運行后一定深度以下壩體上游面周邊防滲膜常規錨固方式的部位或面板周邊縫接縫柔性止水易產生的破壞現象，公開了一種模擬現場在上下不同接觸材料條件下的變形破壞的柔性防滲接縫結構水力動態試驗儀及試驗方法。柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀主要由高壓容器（壓力室）及進出水（氣）管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統組成。通過試驗可揭示高面膜堆石壩一定水深防滲體周邊錨固接縫處破壞的機理。
【專利說明】一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀器及其試驗方法，屬于高面膜堆石壩膜防滲結構【技術領域】。
【背景技術】
[0002]水資源開發利用中的水庫大壩采用土石材料筑壩的占了大部分比例，雖然其中大部分屬于中低壩，但世界上最高的壩為土石壩。高堆石壩中的防滲體主要采用黏性土心墻或鋼筋混凝土面板，而對于壩址地基為較深覆蓋層時，只能采用黏土心墻(或斜心墻)連接地基混凝土防滲墻的型式。高黏土心墻堆石壩需在壩址附近采集黏土，不僅征地代價高，而且造成地表植被破壞，影響生態環境。采用高分子聚合物膜成的柔性防滲體可取代黏性土，不完全統計，至2010年全球至少有167座土石壩采用膜防滲。對于較高的面膜堆石壩，壩體受到自重和水壓力作用后堆石材料將產生最大相對于壩高0.59Tl%的位移變形，鋪設在壩面上的膜將隨壩體一起位移，而膜的周邊錨固在幾乎不變形的巖體或混凝土體上，變形的壩體與幾乎不變形的巖體之間相對于一條接縫，使膜在巖體或混凝土體與土石壩體的交界處很小的尺度內產生相對較大的拉伸變形，由于膜上下接觸材料界面的約束，膜自身具有的很大延伸性也難以發揮作用，在壩面與巖體的接縫部位極易發生破壞，此處簡稱“接縫處破壞”。
[0003]“接縫處破壞”與該處承受水頭、該處壩體變形量、膜與上下接觸材料的界面特性以及膜自身物理力學特性有關，且隨著水庫初蓄水時水頭的增加，膜的拉伸變形是一個動態過程。如何揭示“接縫處破壞”的機理并應用于工程實踐，需要研制一種能將所考察接縫處的承受水頭、該處壩體變形量、膜與上下接觸材料的界面特性以及膜自身物理力學特性作為變量且能模擬動態過程的試驗儀器，同時開發相應的試驗方法。本發明“一種柔性防滲體接縫水力動態試驗儀及試驗方法”將使實現上述命題成為可能。
【發明內容】
[0004]本發明針對高面膜堆石壩周邊接縫結構極易破壞但缺乏分析手段及方法提出一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀及試驗方法。
[0005]一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，包括壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統，其特征在于上述壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統三個系統通過傳感器、芯片和軟件形成試驗過程自行控制的整體系統；
所述的壓力室及進出水(氣)管閥系統由上、下兩個壓力容器，進出水管路及控制閥構成，上、下壓力容器通過法蘭盤連接；
所述的試樣安裝平臺及規矩系統由帶有4條軌道的浮筒、下壓力室內壁垂直對稱的4條豎直浮筒軌槽構成，浮筒通過軌道與下壓力室內壁軌槽契合只能作上下直線移動；試樣安裝平臺設置在浮筒頂部呈圓盤形，圓盤內放置墊層和防滲膜試樣，防滲膜由法蘭盤實現周邊固定。
[0006]所述的位移和壓力量測反饋控制系統由位移及壓力傳感器、反饋控制器構成。
[0007]所述的上、下壓力容器內徑均為500mm，設計壓力2.2MPa，上壓力室內高250mm，下壓力室內高6500mm。
[0008]所述的浮筒外徑499mm,高度300mm,浮筒頂部平臺邊緣設置壁厚2mm高度60mm的圈環，浮筒外壁設置垂直對稱的4條豎直軌道，寬度9_，中心點凸出高度3mm ;下壓力室內壁軌槽為寬度10_，中心點深度3_，與浮筒外壁軌道匹配。
[0009]所述的監視系統由水下攝像裝置構成。
[0010]所述的柔性防滲體接縫結構水力動態儀的試驗方法，主要步驟為:
(1)下壓力室充一些水，將頂部安裝墊層、柔性防滲體及保護層的浮筒放入下壓力室，調整水位，使柔性防滲體處于下壓力室法蘭盤的平面；
(2)安裝帶有上法蘭盤的上壓力室，柔性防滲體錨固在法蘭盤內；
(3)給上下壓力室充水加壓，且上壓力室的壓力始終稍稍大于下壓力室，直至上壓力室的壓力達到試驗設計值停止加壓；
(4)待壓力值穩定一段時間后，下壓力室徐徐降壓，而上壓力室同時加壓，通過自動控制協調浮筒下降速率和上壓力室加壓速率，使浮筒平臺下降過程中始終保持上壓力室的壓力處于試驗設計壓力值的正負5%以內；
(5)位移量測系統實時量測并記錄浮筒平臺的下降量，攝像系統實時顯示并記錄柔性防滲體隨浮筒下降發生變形以及墊層的情況(柔性防滲體與墊層之間是否發生相對位移)，直至柔性防滲體破壞。
[0011]技術效果
柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀可完全模擬面膜堆石壩的柔性防滲體周邊錨固接縫處在壩體位移過程中防滲體的變形過程與狀態，其突出優越性為:
(1)通過位移和壓力量測反饋控制系統在上壓力室水壓力始終保持試驗設計值的正負5%以內的條件下由上、下壓力室的壓力差驅使浮筒試樣安裝平臺向下移動，完全模擬了水庫蓄水到某一水位時的壩體位移方式；
(2)在試樣上施加水壓力，克服了現有模型箱試驗通過液壓加壓板在試樣上施加壓力不能模擬水壓力在試樣與透水保護層之間不產生摩阻力的技術難題，使試驗成果與工程實際吻合度產生質的提升；
(3)不僅能自動采集試驗數據，而且可通過水下監視系統觀察壓力容器內試樣變形直至破壞的全過程。
[0012](4)柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀及其試驗方法該研究領域的空白，具有原創性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是柔性防滲體接縫結構動態試驗儀示意圖。
[0014]圖中1.試驗儀支架2.下壓力室3.下壓力室頂部法蘭盤4.下壓力室內壁4條對稱的豎向軌槽5.下壓力室進水管6.下壓力室進水管控制閥(自控或手動)7.下壓力室進水管壓力傳感器(或壓力表)8.下壓力室出水管9.下壓力室出水管控制閥(自控或手動)10.下壓力室出水管壓力傳感器(或壓力表)11.下壓力室頂部排氣管12.下壓力室排氣管控制閥(自控或手動)13.浮筒及頂部平臺固定墊層裝置14.浮筒外壁的4條對稱豎向軌道15.上壓力室16.上壓力室底部法蘭盤17.上壓力室進水管18.上壓力室進水管控制閥(自控或手動)19.上壓力室進水管壓力傳感器(或壓力表)20.上壓力室進水管流量計21.上壓力室出水管22.上壓力室出水管控制閥(自控或手動)23.上壓力室出水管壓力傳感器(或壓力表)24.上壓力室頂部排氣管25上壓力室排氣管控制閥26.上下壓力室壓力控制調節儀27.浮筒位移量測系統28.水下攝像系統29.控制電腦
【具體實施方式】
[0015]一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，包括壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統，其特征在于上述壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統四個系統通過傳感器、芯片和軟件形成試驗過程自行控制的整體系統；壓力室及進出水(氣)管閥系統由上、下兩個壓力容器15和4，進出水(氣)管路17、22、24、5、8和11及控制閥18、22、18、25、6、9、12和26構成，上、下壓力容器15和4通過法蘭盤16和3連接；試樣安裝平臺及規矩系統由帶有4條軌道14的浮筒13、下壓力室內壁垂直對稱的4條豎直浮筒軌槽4構成，浮筒13通過軌道14與下壓力室內壁軌槽4契合只能作上下直線移動；試樣安裝平臺設置13在浮筒頂部呈圓盤形，圓盤內放置墊層和防滲膜試樣，防滲膜由法蘭盤16和3實現周邊固定。位移和壓力量測反饋控制系統由位移27及壓力傳感器19、20、23、7和10、反饋控制器26和29構成。上、下壓力容器15和4內徑均為500mm，設計壓力2.2MPa,上壓力室內高250mm,下壓力室內高6500mm。浮筒13外徑499mm,高度300mm,浮筒13頂部平臺邊緣設置壁厚2_高度60_的圈環，浮筒13外壁設置垂直對稱的4條豎直軌道14，寬度9mm，中心點凸出高度3mm ;下壓力室內壁軌槽4為寬度10mm，中心點深度3mm，與浮筒外壁軌道14匹配。
[0016]浮筒及頂部圓盤13和14與下壓力室內壁軌槽4構成試樣安裝平臺及規矩系統，由于只能上下直線移動的浮筒13與壓力室15和4內徑僅相差1_、浮筒軌道14寬度與下壓力室內壁軌槽4寬度也近差1mm，所以均需需精密加工；由壓力傳感器19、20、23、7和10、進水控制閥18和6、數據采集儀、控制芯片26及軟件組成位移27和壓力量測反饋控制系統，這是試驗儀最核心的系統；水下照明、水下攝像及監視器28組成實時水下監視系統。
[0017]上述柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀的試驗方法:
將試驗設計的柔性防滲體(外緣區域畫有不同顏色、半徑的同心圓)及其上下面墊層安裝到圖1中13.浮筒及頂部平臺固定墊層裝置，然后將14.浮筒4條對稱豎向軌道對準4.下壓力室4條對稱豎向軌槽放入2.下壓力室；關閉9.下壓力室出水管控制閥，打開6.下壓力室進水管控制閥，向2.下壓力室內充水；當浮筒頂部的柔性防滲體與3.下壓力室頂部法蘭盤頂部齊平時，停止充水；將柔性防滲體鋪設在3.下壓力室頂部法蘭盤上，將15.上壓力室蓋上，再將上下法蘭盤閉合擰緊；打開24.上壓力室頂部排氣管和18.上壓力室進水管控制閥，關閉22.上壓力室出水管控制閥，向上壓力室內充水，同時根據20.上壓力室進水管流量計得到單位時間內的進水量向下壓力室充水(此時打開11.下壓力室頂部排氣管，排氣完畢即關閉)以抵消上壓力室增加的水重，使柔性防滲體處于水平狀態；上下壓力室同步充水，保持上壓力室的壓力稍稍大于下壓力室，使柔性防滲體不至于上抬，保持稍有微凹的水平狀態，直至壓力值達到試驗設計值；徐徐打開9.下壓力室出水管控制閥，使下壓力室壓力徐徐下降，同時上壓力室繼續充水，通過自動控制協調浮筒下降速率和上壓力室加壓速率，使浮筒平臺下降過程中始終保持上壓力室的壓力處于試驗設計壓力值的正負5%以內；此時，支撐浮筒逐漸下沉，柔性防滲體在上下墊層的約束下邊緣處發生拉伸變形，變形增大直至破壞；在浮筒下沉過程中，由26.浮筒位移量測系統量測浮筒的下沉量，由27.水下攝像系統顯示柔性防滲體的變形過程與上下墊層的性態；通過觀察柔性防滲體外緣區域的同心圓分析墊層界面的約束作用，通過浮筒下沉量的量測值確定對應承受水頭的柔性防滲體的拉伸極限伸長量。
[0018]當采用較小試驗水壓力值時，墊層對于柔性防滲體的約束很小或者尚未產生，此時，即使筒同樣達到上述高壓力值時的下沉量，柔性防滲體則不一定發生破壞。通過試驗可以確定這個使某種墊層之間的某種柔性防滲體在試驗儀中發生破壞的臨界水壓力值。
【權利要求】
1.一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，包括壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統，其特征在于上述壓力室及進出水(氣)管閥系統、試樣安裝平臺及規矩系統、位移和壓力量測反饋控制系統及監視系統四個系統通過傳感器、芯片和軟件形成試驗過程自行控制的整體系統； 所述的壓力室及進出水(氣)管閥系統由上、下兩個壓力容器，進出水管路及控制閥構成，上、下壓力容器通過法蘭盤連接； 所述的試樣安裝平臺及規矩系統由帶有4條軌道的浮筒、下壓力室內壁垂直對稱的4條豎直浮筒軌槽構成，浮筒通過軌道與下壓力室內壁軌槽契合只能作上下直線移動；試樣安裝平臺設置在浮筒頂部呈圓盤形，圓盤內放置墊層和防滲膜試樣，防滲膜由法蘭盤實現周邊固定； 所述的位移和壓力量測反饋控制系統由位移及壓力傳感器、反饋控制器構成。
2.根據權利要求1所述的柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，其特征在于上、下壓力容器內徑均為500mm，設計壓力2.2MPa，上壓力室內高250mm，下壓力室內高6500mm。
3.根據權利要求1所述的柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，其特征在于所述的浮筒外徑499mm,高度300mm,浮筒頂部平臺邊緣設置壁厚2mm高度60mm的圈環,浮筒外壁設置垂直對稱的4條豎直軌道，寬度9_，中心點凸出高度3_ ;下壓力室內壁軌槽為寬度1mm,中心點深度3mm，與浮筒外壁軌道匹配。
4.根據權利要求1所述的柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀，其特征在于所述的監視系統由水下攝像裝置構成。
5.根據權利要求1所述的一種柔性防滲體接縫結構水力動態試驗儀的試驗方法，主要步驟為: (1)下壓力室充一些水，將頂部安裝墊層、柔性防滲體及保護層的浮筒放入下壓力室，調整水位，使柔性防滲體處于下壓力室法蘭盤的平面； (2)安裝帶有上法蘭盤的上壓力室，柔性防滲體錨固在法蘭盤內； (3)給上下壓力室充水加壓，且上壓力室的壓力始終稍稍大于下壓力室，直至上壓力室的壓力達到試驗設計值停止加壓； (4)待壓力值穩定一段時間后，下壓力室徐徐降壓，而上壓力室同時加壓，通過自動控制協調浮筒下降速率和上壓力室加壓速率，使浮筒平臺下降過程中始終保持上壓力室的壓力處于試驗設計壓力值的正負5%以內； (5)位移量測系統實時量測并記錄浮筒平臺的下降量，攝像系統實時顯示并記錄柔性防滲體隨浮筒下降發生變形以及墊層的情況，直至柔性防滲體破壞。
【文檔編號】G01N3/12GK104390863SQ201410687172
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月25日 優先權日:2014年11月25日
【發明者】束一鳴, 吳海民, 姜曉楨, 張憲雷, 顧克 , 劉云峰 申請人:河海大學