一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪及试验方法
【专利摘要】本发明针对高堆石坝面膜或面板防渗结构蓄水运行后一定深度以下坝体上游面周边防渗膜常规锚固方式的部位或面板周边缝接缝柔性止水易产生的破坏现象，公开了一种模拟现场在上下不同接触材料条件下的变形破坏的柔性防渗接缝结构机械动态试验仪及试验方法。柔性防渗接缝结构机械动态试验仪组主要由高压容器（压力室）及进出水（气）管阀系统、机械动力与试样安装平台系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统组成。通过试验可揭示高面膜堆石坝一定水深防渗体周边锚固接缝处破坏的机理。
【专利说明】一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪及试验方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪器及其试验方法，属于高面膜堆石坝膜防渗结构【技术领域】。
【背景技术】
[0002]水资源开发利用中的水库大坝采用土石材料筑坝的占了大部分比例，虽然其中大部分属于中低坝，但世界上最高的坝为土石坝。高堆石坝中的防渗体主要采用黏性土心墙或钢筋混凝土面板，而对于坝址地基为较深覆盖层时，只能采用黏土心墙(或斜心墙)连接地基混凝土防渗墙的型式。高黏土心墙堆石坝需在坝址附近采集黏土，不仅征地代价高，而且造成地表植被破坏，影响生态环境。采用高分子聚合物膜成的柔性防渗体可取代黏性土，不完全统计，至2010年全球至少有167座土石坝采用膜防渗。对于较高的面膜堆石坝，坝体受到自重和水压力作用后堆石材料将产生最大相对于坝高0.59Tl%的位移变形，铺设在坝面上的膜将随坝体一起位移，而膜的周边锚固在几乎不变形的岩体或混凝土体上，变形的坝体与几乎不变形的岩体之间相对于一条接缝，使膜在岩体或混凝土体与土石坝体的交界处很小的尺度内产生相对较大的拉伸变形，由于膜上下接触材料界面的约束，膜自身具有的很大延伸性也难以发挥作用，在坝面与岩体的接缝部位极易发生破坏，此处简称“接缝处破坏”。
[0003]“接缝处破坏”与该处承受水头、该处坝体变形量、膜与上下接触材料的界面特性以及膜自身物理力学特性有关，且随着水库初蓄水时水头的增加，膜的拉伸变形是一个动态过程。如何揭示“接缝处破坏”的机理并应用于工程实践，需要研制一种能将所考察接缝处的承受水头、该处坝体变形量、膜与上下接触材料的界面特性以及膜自身物理力学特性作为变量且能模拟动态过程的试验仪器，同时开发相应的试验方法。本发明“一种柔性防渗体接缝机械动态试验仪及试验方法”将使实现上述命题成为可能。
【发明内容】
[0004]本发明针对高面膜堆石坝周边接缝结构极易破坏但缺乏分析手段及方法提出一种柔性防渗体接缝机械动态试验仪及试验方法。
[0005]一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，包括压力室及进出水(气)管阀系统、机械动力与试样安装平台系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统，其特征在于上述压力室及进出水(气)管阀系统、机械动力与试样安装平台系统、位移和压力量测反馈控制系统三个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统；
所述的压力室及进出水(气)管阀系统由上、下两个压力容器、进出水管路及控制阀构成，上、下压力容器通过法兰盘连接；
所述的机械动力与试样安装平台系统由下压力室底部的伺服电机、丝杠、试样安装平台构成，试样安装平台与伺服电机之间通过丝杠连接，控制速率上下移动；试样安装平台呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样，防渗膜由法兰盘实现周边固定； 所述的位移和压力量测反馈控制系统由位移及压力传感器、反馈控制器构成。
[0006]所述的上、下压力容器内径均为500臟，设计压力2.2腿^，上压力容器内高250臟，下压力容器内高5500111111。
[0007]所述的试样安装平台外径499臟，平台边缘设置壁厚2111111高度6()111111的圈环。
[0008]所述的监视系统由水下摄像装置构成。
[0009]
所述的柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪的试验方法，主要步骤为:
(1)先将试样安装平台调整到起始位置，将垫层材料装入试样安装平台圆盘内，再将柔性防渗体及其保护层安装在垫层上面，防渗体的边缘与下压力室的法兰盘的边缘齐平；将上压力室罩的法兰盘在下容器的法兰盘上，拧紧法兰盘。
[0010](2)开启上压力室顶部的出气孔和进水管，使水充满上容器，并逐渐达到试验设计水压力值。
[0011](3)待压力值稳定一段时间后，启动位移和压力量测反馈控制系统，使试样安装平台徐徐下降，同时开启上压力室进水管持续施加水压力，通过自动控制协调平台下降与上压力室充水加压的速率，使水压力始终保持试验设计值的正负5%以内。
[0012](4)平台下降过程中，实时自动量测并记录平台下降的位移量；水下摄像装置实时显示并记录柔性防渗体随平台下降发生变形以及垫层的情况(柔性防渗体与垫层之间是否发生相对位移),直至柔性防渗体破坏，上压力室内水压力迅速下降，所有系统关闭，试验结束。
[0013]技术效果:
柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪可完全模拟面膜堆石坝的柔性防渗体周边锚固接缝处在坝体位移过程中防渗体的变形过程与状态，其突出优越性为:
(1)通过位移和压力量测反馈控制系统在水压力始终保持试验设计值的正负5%以内的条件下由伺服电机与丝杠驱动试样安装平台向下移动，完全模拟了水库蓄水到某一水位时的坝体位移方式；
(2)在试样上施加水压力，克服了现有模型箱试验通过液压加压板在试样上施加压力不能模拟水压力在试样与透水保护层之间不产生摩阻力的技术难题，使试验成果与工程实际吻合度产生质的提升；
(3 )不仅能自动采集试验数据，而且可通过水下监视系统观察压力容器内试样变形直至破坏的全过程。
[0014](4)柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪及其试验方法该研究领域的空白，具有原创性。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1是柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪示意图。
[0016]图中1.下压力室2.下压力室顶部法兰盘3.密封的丝杠驱动动力装置4.螺旋丝杠及护套5.试样安装平台(圆盘)6.平台运行控制系统(包括上压力室水压力反馈)7.上压力室8.上压力室底部法兰盘9.上压力室进水管10.上压力室进水管控制阀(自控或手动)11.上压力室进水管压力传感器(或压力表)12.上压力室进水管流量计13.上压力室出水管14.上压力室出水管控制阀(自控或手动)15.上压力室出水管压力传感器(或压力表)16.上压力室顶部排气管17.上压力室排气管控制阀18.平台位移量测系统19.水下照明摄像装置20.下压力室排气及排水管21.下压力室排气及排水管控制阀22.支架23.控制电脑。
【具体实施方式】
[0017]一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，包括压力室7和I及进出水(气)管9、13、16和20阀10、14、17和21系统、机械动力3与试样安装平台5系统、位移18和压力量测11和15反馈控制系统23及监视系统19，其特征在于上述压力室7和I及进出水(气)管
9、13、16和20阀10、14、17和21系统、机械动力3与试样安装平台5系统、位移18和压力量测11和15反馈控制系统6和23三个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统；压力室7和I及进出水(气)管9、13、16和20阀10、14、17和21系统由上7、下I两个压力容器、进出水管路9、13、16和20及控制阀10、14、17和21构成，上、下压力容器7和I通过法兰盘8和2连接；机械动力与试样安装平台系统由下压力室I底部的伺服电机3、丝杠4、试样安装平台5构成,试样安装平台5与伺服电机3之间通过丝杠4连接，控制速率上下移动；试样安装平台5呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样，防渗膜由法兰盘8和2实现周边固定；位移和压力量测反馈控制系统由位移及压力传感器18、11和15、反馈控制器6和23构成。上、下压力容器7和I内径均为500mm，设计压力2.2MPa，上压力容器7内高250mm，下压力容器I内高5500mm。
[0018]试样安装平台5外径499mm,平台边缘设置壁厚2mm高度60mm的圈环。
[0019]上部连接螺旋丝杠4的密封伺服电机(动力装置)3安装在下压力室I底部，丝杠4中下部外侧设有防水护套，均可防止试样破坏时漏水侵入装置内部；丝杠4上部连接试样安装平台5，因可运动的安装平台5的外径与下压力室I内径仅相差1_，所以需精密安装；由位移18、压力11和15传感器、进水控制阀10和、数据采集仪6、伺服电机3及丝杠4、控制芯片及软件组成位移和压力量测反馈控制系统，这是试验仪最核心的系统；水下照明、水下摄像及监视器19组成实时水下监视系统。
[0020]上述柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪的试验方法:
将试验设计的柔性防渗体(外缘区域画有不同颜色、半径的同心圆)及其上下面垫层安装到图1中5.平台圆盘上；启动3.丝杠动力装置和6.平台运行控制系统，使圆盘顶部的柔性防渗体与2.下压力室法兰盘顶部齐平时停止；将柔性防渗体铺设在2.下压力室顶部法兰盘上，将7.上压力室盖上，再将上下法兰盘闭合拧紧；打开16.上压力室顶部排气管和
10.上压力室进水管控制阀，关闭14.上压力室出水管控制阀，向上压力室内徐徐充水，直至压力值达到试验设计值；打开21.下压力置室排气排水管控制阀；启动6.平台运行控制系统，使平台在保持上压力室水压力基本稳定的条件下徐徐下降，随着平台徐徐下降，柔性防渗体在上下垫层的约束下边缘处发生拉伸变形，变形增大直至破坏；柔性防渗体破坏后的上压力室的水通过20.排气排水管排出；在平台下降过程中，由18.平台位移量测系统量测平台的下沉量，由19.水下摄像系统显示柔性防渗体的变形过程与上下垫层的性态；通过观察柔性防渗体外缘区域的同心圆分析垫层界面的约束作用；通过平台下沉量的量测值确定对应承受水头的柔性防渗体的拉伸极限伸长量。
[0021]当采用较小试验水压力值时，垫层对于柔性防渗体的约束很小或者尚未产生，此时，即使平台同样达到上述高压力值时的下沉量，柔性防渗体则不一定发生破坏。通过试验可以确定这个使某种垫层之间的某种柔性防渗体在试验仪中发生破坏的临界水压力值。
【权利要求】
1.一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，包括压力室及进出水(气)管阀系统、机械动力与试样安装平台系统、位移和压力量测反馈控制系统及监视系统，其特征在于上述压力室及进出水(气)管阀系统、机械动力与试样安装平台系统、位移和压力量测反馈控制系统三个系统通过传感器、芯片和软件形成试验过程自行控制的整体系统； 所述的压力室及进出水(气)管阀系统由上、下两个压力容器、进出水管路及控制阀构成，上、下压力容器通过法兰盘连接； 所述的机械动力与试样安装平台系统由下压力室底部的伺服电机、丝杠、试样安装平台构成，试样安装平台与伺服电机之间通过丝杠连接，控制速率上下移动；试样安装平台呈圆盘形，圆盘内放置垫层和防渗膜试样，防渗膜由法兰盘实现周边固定； 所述的位移和压力量测反馈控制系统由位移及压力传感器、反馈控制器构成。
2.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，其特征在于所述的上、下压力容器内径均为500mm，设计压力2.2MPa，上压力容器内高250mm，下压力容器内高5500mmo
3.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，其特征在于所述的试样安装平台外径499mm,平台边缘设置壁厚2_高度60_的圈环。
4.根据权利要求1所述的柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪，其特征在于所述的监视系统由水下摄像装置构成。
5.根据权利要求1所述的一种柔性防渗体接缝结构机械动态试验仪的试验方法，主要步骤为: (1)先将试样安装平台调整到起始位置，将垫层材料装入试样安装平台圆盘内，再将柔性防渗体及其保护层安装在垫层上面，防渗体的边缘与下压力室的法兰盘的边缘齐平；将上压力室罩的法兰盘在下容器的法兰盘上，拧紧法兰盘； (2)开启上压力室顶部的出气孔和进水管，使水充满上容器，并逐渐达到 试验设计水压力值； (3)待压力值稳定一段时间后，启动位移和压力量测反馈控制系统，使试 样安装平台徐徐下降，同时开启上压力室进水管持续施加水压力，通过自动控制协调平台下降与上压力室充水加压的速率，使水压力始终保持试验设计值的正负5%以内； (4)平台下降过程中，实时量测并记录平台下降的位移量；水下摄像装置 实时显示并记录柔性防渗体随平台下降发生变形以及垫层的情况，直至柔性防渗体破坏。
【文档编号】G01N3/12GK104374645SQ201410687174
【公开日】2015年2月25日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】束一鸣, 吴海民, 姜晓桢, 刁慧贤, 周天娥, 杨帆 申请人:河海大学