模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置及试验方法

本发明属于水利工程试验，具体涉及模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置及试验方法。

背景技术：

1、随着我国水利水电事业的发展，一大批水利工程拔地而起，为我国水力发电、生态建设、防洪排涝等作出了巨大贡献。其中混凝土重力坝作为一种常用坝型，广泛应用于水利工程中，如长江三峡大坝、新安江大坝等等。然而，混凝土重力坝素有“无坝不裂”之说，在混凝土浇筑过程中，由于温度、湿度等因素的影响，混凝土重力坝在建成后表面存在不同程度的开裂。混凝土重力坝中存在的裂缝将成为上游库区水渗流的潜在通道，对混凝土重力坝的安全稳定造成巨大的潜在隐患。

2、试验研究是获取重力坝受力破坏特性、研究其破坏规律机制的重要手段。对于上游库水压力的模拟往往采用等效荷载施加。然而，现有研究存在以下不足：(1)传统重力坝试验采用先浇筑，后定位、锚固、加载等操作，一是定位容易不准，导致重力坝受力特性与真实情况存在差异；二是后期锚固需要对重力坝试件进行破坏性锚栓，由此在加载过程导致锚固处应力集中，裂纹从该处扩展从而影响真实试验结果；三是锚固处与重力坝试件并不是一个整体，导致受力不均；(2)现有大型重力坝试件与小尺度规则试样不同，较难通过传统的预埋钢片法进行预制裂隙的制作，特别是不同方位不同角度的裂隙，这些不同方位特性的裂隙正也是实际重力坝中存在的真实情况，文献《非贯通裂隙混凝土损伤特性试验研究》中也提到混凝土强度、变形破坏及内部损伤等与裂隙倾角密切相关；(3)现有重力坝试件多采用单受力点加载模式(即加载位置位于正常蓄水位的1/3处)，在实验室进行重力坝试件的受力试验中，比如文献《重力坝与砂砾石坝变形模型试验对比分析》中没有考虑到重力坝的裂隙特征，如果要考虑重力坝的裂隙特征，当裂隙位于等效荷载的上方时，等效荷载对裂隙的受力无影响，然而实际水压力连续分布在重力坝试件的上游面，裂隙是受到裂隙的上方的水压力的弯矩作用及裂隙内水压作用，但是等效荷载作用下，考虑裂隙的位置在等效荷载受力点的上方，裂隙并不会因为等效荷载的加载而导致裂隙受到对应的水压力的弯矩作用；文献《重力坝水力劈裂破坏结构变形分析》中考虑到重力坝裂隙及荷载作用下，采用刚度较大的分配梁对重力坝施加作用力，能够实现重力坝裂隙扩展试验，但是荷载并不是根据实际水位等效的荷载；另外，由于重力坝中裂隙分布的随机性，裂隙分布不一定是水平的，存在一定的方位角，而该文献中的施加应力的方法不能实现对具有方位角的裂隙的受力试验，由于裂隙存在方位角，裂隙在重力坝的重力方向上存在跨度，而在裂隙的跨度之内，不能使用现有的分配梁施加应力；即使可以对分配梁的尺寸按照裂隙的不同特征参数进行适配，但是每一个不同特征参数的裂隙，都需要加工适配的分配梁，试验流程较为繁琐，试验成本较高，另外对裂隙施加内水压也存在技术难度，比如，对裂隙内水压的密封容易受到分配梁的影响；由于分配梁为定制所得，试验过程中分配梁的开孔位置需要与裂隙位置一致，存在对齐难度。

技术实现思路

1、针对现有技术不足，本发明的目的在于提供模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置；本发明的另一目的在于提供所述模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置的试验方法。

2、为达到以上目的，本发明采取以下技术方案：模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，包括用于浇筑混凝土制作重力坝试件的模具和用于对重力坝试件制作裂隙的裂隙制备装置，还包括多级应力加载装置和水压加载装置；所述模具包括模具底板，在所述模具底板的内壁上安装肋台；所述裂隙制备装置包括裂隙制作器和用于所述裂隙制作器移动定位的移动定位组件；所述移动定位组件包括移动框，设在所述移动框内部的伸缩杆，两个与所述伸缩杆的两端铰接的滑动铰，以及在移动框的内壁设有用于滑动铰滑动的移动框滑槽；所述裂隙制作器滑动安装在所述伸缩杆上。

3、采用上述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置的试验方法，包括如下步骤：

4、(1)向模具浇筑混凝土，制作重力坝试件；

5、(2)确定裂隙的特征参数值，特征参数为裂隙中心点的位置、裂隙长度及裂隙方位角；使用裂隙制作装置对重力坝试件制作裂隙；

6、(3)确定应力加载的加载点数量、各个加载点的位置以及各个加载点的荷载值；使用多级应力加载装置对重力坝试件按各个加载点进行施加荷载值，同时使用水压加载装置对裂隙施加内水压值；

7、(4)利用高速相机对重力坝试件的破坏过程进行记录，直到试验结束。

8、与现有技术相比，本发明的有益效果：

9、(1)原位试验装置设置肋台，可以实现原位现浇重力坝试件，解决了传统重力坝试件的定位问题，同时避免了使用锚栓，对重力坝试件的完整性破坏，本发明的锚固装置与重力坝试件是一个整体，受力均匀，能反映重力坝试件的真实受力性态；

10、(2)通过移动定位组件使裂隙制作器任意移动和定位，可以实现裂隙制作器与重力坝试件的受力面的每个位置进行对应，能够实现制作符合实际工况的任意特征参数的裂隙；

11、(3)采用多级应力加载装置以及多个加载点的荷载方式，解决了传统方法中不能实现对具有方位角的裂隙的重力坝受力试验的技术问题，解决了以往一个加载点无法模拟裂隙存在于该加载点的上方的受力，实现模拟真实重力坝受力破坏特性。

技术特征：

1.模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，包括用于浇筑混凝土制作重力坝试件的模具和用于对重力坝试件制作裂隙的裂隙制备装置，还包括多级应力加载装置和水压加载装置；所述模具包括模具底板，在所述模具底板的内壁上安装肋台；裂隙制备装置包括裂隙制作器和用于所述裂隙制作器移动定位的移动定位组件；所述移动定位组件包括移动框，设在所述移动框内部的伸缩杆，两个与所述伸缩杆的两端铰接的滑动铰，以及在移动框的内壁设有用于滑动铰滑动的移动框滑槽；所述裂隙制作器滑动安装在所述伸缩杆上。

2.根据权利要求1所述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，多个所述肋台呈阵列式排布；肋台由上部大直径圆柱体和下部小直径圆柱体组成。

3.根据权利要求1所述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，所述裂隙制作器的内部开设用于插入电机钻头制作裂隙的裂隙定位槽。

4.根据权利要求1所述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，所述移动框滑槽包括设置在移动框的边内壁的直线形滑槽和设置在移动框的角内壁的圆弧形滑槽。

5.根据权利要求1所述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，所述伸缩杆包括滑杆和滑杆槽，滑动铰在移动过程中，滑杆可沿滑杆槽移动使伸缩杆的长度伸长或收缩。

6.根据权利要求1所述的模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置，其特征在于，所述多级应力加载装置包括多个行位架，每一个行位架分别连接有液压杆，液压杆连接有传力器。

7.采用权利要求1～6任一项所述模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于，步骤(3)中，重力坝试件的高度h，裂隙的特征参数为中心点坐标(xp，yp)，裂隙的长度lf，裂隙的方位角β，裂隙的两个端点的a点坐标(xp+1/2lf·cosβ，yp+1/2lf·sinβ)，b点坐标(xp-1/2lf·cosβ，yp-1/2lf·sinβ)，β的范围为0°～180°，考虑水压加载装置的增加长度，水压加载装置最外围的修正的a点坐标为(xp+1/2lf·cosβ+he·cosβ，yp+1/2lf·sinβ+he·sinβ)，而修正后的b点坐标为(xp-1/2lf·cosβ-he·cosβ，yp-1/2lf·sinβ-he·sinβ)，其中，he为增加的水压加载装置的长度；当修正后a点的纵坐标小于一级荷载的等效荷载位置，即时，确定一级荷载，一级荷载的加载点的数量为1；当时，确定二级荷载、三级荷载或四级荷载。

9.根据权利要求8所述的试验方法，其特征在于，所述二级荷载的加载点的数量为2，所述二级荷载的确定方法为当时，且时，采用二级荷载；所述三级荷载的加载点的数量为3，所述三级荷载的确定方法为当时，且时，采用三级荷载；所述四级荷载的加载点的数量为4，所述四级荷载的确定方法为当yp+1/2lf·sinβ+he·sinβ＜h时，且时，采用四级荷载。

技术总结
本发明公开了模拟重力坝受力破坏特性的原位试验装置及试验方法，属于水利工程试验技术领域。本发明采用的技术方案为原位试验装置包括用于浇筑混凝土制作重力坝试件的模具和用于对重力坝试件制作裂隙的裂隙制备装置，还包括多级应力加载装置和水压加载装置。本发明采用多级应力加载装置以及多个加载点的荷载方式，解决了传统方法中不能实现对具有方位角的裂隙的重力坝受力试验的技术问题，解决了以往一个加载点无法模拟裂隙存在于该加载点的上方的受力，实现模拟真实重力坝受力破坏特性。

技术研发人员：郁舒阳,孙召花,高远,任旭华,张继勋
受保护的技术使用者：南通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16