CN108007762A - 用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，包括结构箱、锚固装置、加载装置和观测装置，所述结构箱内填充有堆石体，堆石体上覆盖不同垫层，垫层之上有土工膜试样，土工膜试样通过锚固装置固定在结构箱上，在结构箱上设有压板，压板上设有加压装置，压力提供设备通过压力控制装置与加压装置连接；所述结构箱的侧面设有有机玻璃观察条，在观察条外设有内窥镜阵列。本发明可模拟面膜堆石坝周边锚固处防渗土工膜在不同垫层、不同锚固形式下、不同水压力下被拉伸不同距离直至破坏全过程，能够在不破坏试样且不改变土工膜与垫层界面特性的情况下，通过观察窗与内窥镜阵列互相配合实时观测试样状态。

Description

用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪及试验方法

技术领域

本发明涉及用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪及试验方法，属于高面膜堆石坝膜防渗结构技术领域。

背景技术

面膜堆石坝是一种在堆石坝体上游面铺设土工膜防渗的新型土石坝。土工膜周边锚固在基岩混凝土趾板或其他混凝土结构上，在一定库水压力下，坝面土工膜与垫层间的潜在静摩擦力大于土工膜的抗拉强度，所以当水库蓄水后一定水深下的坝面土工膜随坝体同步位移，而周边混凝土结构锚固端则几乎不变形，两者之间细小区域内的土工膜将产生较大变形，应变量甚至超过土工膜的极限拉伸应变量，锚固区域土工膜极易发生破坏，这就是夹具效应。由于土工膜极限应变量可达250％以上，远大于面板混凝土或心墙黏土等传统防渗材料，所以人们容易忽视土工膜的夹具效应产生的后果。因此，需要研制一种试验仪器，通过试验可揭示夹具效应机理、验证解决方案效果，指导工程设计。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪及试验方法，可模拟面膜堆石坝周边锚固处防渗土工膜在不同垫层、不同锚固形式下、不同水压力下被拉伸不同距离直至破坏全过程，能够在不破坏试样且不改变土工膜与垫层界面特性的情况下，通过观察窗与内窥镜阵列互相配合实时观测试样状态。

技术方案：为实现上述目的，本发明的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，包括结构箱，所述结构箱内填充有堆石体，堆石体上覆盖有土工膜试样，土工膜试样通过锚固装置固定在结构箱上。

作为优选，所述结构箱上内设有底板，底板将结构箱分为上箱体和下箱体，堆石***于上箱体内，在结构箱上设有压板，压板上设有气缸，气压机通过气压控制装置与气缸连接，同时压板上还设有上油缸，在下箱体内设有下油缸，上油缸和下油缸分别与油压机连接。

作为优选，所述锚固装置为方形框，在方形框的底面向侧面延伸有连接板，通过连接板将土工膜试样固定在结构箱上，压板位于方形框内。

作为优选，所述结构箱的侧面设有缺口，在缺口处安装有有机玻璃刻度观察窗。所述结构箱的侧面设有有机玻璃观察条，在观察条外设有内窥镜阵列。

一种上述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪的试验方法，包括以下步骤：

(1)、确定试验需要的水压力、锚固形式、压缩位移量，对土工膜试样以固定的间隔做标记，标记布满整个土工膜试样，在结构箱中装填试验所需的堆石体及垫层料，按照需要的锚固形式对土工膜试样进行锚固，铺设保护层；

(2)、打开内窥镜阵列，记录下内窥镜初始图像，为后期分析提供基准；

(3)、对试样进行微小压力加压，使试样整理到位，根据试验所需的压力，选择加载装置，开始对试验进行加压，在试验过程中保持压力不变；

(4)、打开油压控制装置，减小下油缸压力，当上下压力相近时，开始缓慢减小下油缸压力，当上下压力相同时，底板开始下降，到达指定位移量后，关闭油压控制装置，底板则停止移动，若仍需增加位移量，开启油压控制装置继续减小下油缸压力，直至最大试验位移；

(5)、试验结束，卸去上油缸压力，底板上升，去除箱体中材料，取下土工膜试样，仪器恢复原样；

(6)、内窥镜拍摄视频图像导入计算机，图像按照阵列顺序进行拼接，拼接完成后可以看到土工膜试样完整断面，通过比对拉伸后土工膜试样标记间隔与初始标记间隔，可以计算出拉伸后土工膜试样各处的长度，进而计算出不同区域的土工膜试样的应变。

在本发明中，试样箱(承压装置)及锚固***由加载板、底板、试验箱、锚固装置组成，通过在底板、试验箱之间填入不同的垫层料、堆石体，可以模拟不同的工程实际，同时针对夹具效应提出独创性解决方案：(1)在锚固装置设计之初预留多种锚固接口，试验中采用上弯折“└”形和下弯折“┌”形的锚固形式，可在拉伸变形不变的情况下，提供比“─”形锚固更长的初始拉伸长度，增加初始拉伸长度来降低应变。(2)通过与常规的夹具效应冗余设计方案的对比，分析“└”形和“┌”形的锚固相对于常规冗余设计方案的优劣。(3)锚固装置提供双边锚固的固定方式，以模拟实际工程中土工膜双边被锚固在基岩混凝土趾板或其他混凝土结构上的状况。

在本发明中，加压***由空气压缩机、气压控制装置、气缸、油压机及油压控制装置、上油缸组成。针对常规试验中机械提供压力不足以覆盖高面膜坝坝身承受模拟水压范围。本发明通过气压缸及油压缸的联合运用，小压力使用气压机，大压力使用油压机，可实现加载压力模拟从0m到150m的水压力作用。气压缸与油压缸在试验过程中由于自身特性，其压力保持不变，不随试样移动而改变。

在本发明中，位移***由下油缸及油压控制装置组成。常规试验中由于没有位移***，试验开始后只能一次性压缩到底，无法充分模拟不同水压力和不同压缩变形量的组合；采用本发明位移***后，通过改变加载***的压力和改变下油缸的位移量。同时配合不同的锚固形式，可以实现不同水压力、锚固形式、位移量的组合试验。同时在一组试验中改变压缩位移量来观测工程不同区域的土工膜应变情况，大大提升试验成果与工程实际的吻合程度。具有原创性。

在本发明中，观测***由有机玻璃刻度观察窗、有机玻璃观察条、内窥镜观测阵列等组成。据已有工程资料显示，夹具效应发生的小尺度区域具有高压力、大变形等特征。本发明所涉及的有机玻璃刻度观察窗和有机玻璃观察缝、内窥镜观测阵列，可实现基于光学原理的无接触式测量，其优点在于能够在不破坏试样且不改变土工膜与垫层界面特性的情况下，通过观察窗实时观测试样状态；通过多个内窥镜视频的拼接可以得到整个试验过程中试样完整的拉伸过程，实现全试样定量测量。内窥镜观测阵列布置需满足以下要求：1、相邻两个摄像头拍摄图像应存在少量重叠区域，便于后期图像拼接，计算全试样应变。2、摄像头阵列拍摄图像长度应超过夹具试验最大压缩变形位移量。内窥镜观测阵列原理如下：在土工膜试样上以固定的间隔做标记，安装好内窥镜后，内窥镜与土工膜试样之间的距离确定。通过对比试验后图像与初始视频图像，以土工膜试样初始标记间隔为基准长度，可以计算出标记拉伸后间隔的长度。从而计算土工膜全试样的应变。进行高水压力的压力试验时，可使用钢板替换有机玻璃板，观察缝尺寸对整体试验箱结构强度影响不大，此时试验的观察全部通过内窥镜阵列进行。从而实现了高水压力下的试验。具有原创性。

有益效果：本发明的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，实现了加载压力和土工膜位移量之间的任意组合。为揭示夹具效应机理、验证解决方案效果而设计的锚固***，可以实现多种锚固形式的对比，为工程提供最佳解决方案。观测***采用了观察窗和内窥镜阵列的方式，在土工膜承受高压力、小尺度内产生大变形区域里，在不干扰土工膜试样界面特性的情况下，通过视频及计量仪观测和数据采集分析的方式实现对夹具效应影响因素及其内在机理的揭示以及对夹具效应的评价。

附图说明

图1为本发明的***组成示意图。

图2为结构箱的结构示意图。

图3为一种锚固方式的示意图。

图4为另一种锚固方式的示意图。

图5为第三种锚固方式的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，包括结构箱1和气压机9，所述结构箱1内填充有堆石体和垫层，垫层上覆盖有土工膜试样15，土工膜试样15通过锚固装置3固定在结构箱1上，在结构箱1上设有压板7，压板7上设有气缸11，气压机9通过气压控制装置10与气缸11连接；所述结构箱1的侧面设有有机玻璃观察条5，在观察条外设有内窥镜阵列6。

在本发明中，所述结构箱1上内设有底板8，底板8将结构箱1分为上箱体和下箱体，堆石体和垫层位于上箱体内，在压板7上设有上油缸12，在下箱体内设有下油缸13，上油缸12和下油缸13分别与油压机14连接。所述锚固装置3为方形框，土工膜试样15通过锚固螺栓4固定，如图2所示，在方形框的底面向侧面延伸有连接板，通过连接板将土工膜试样15固定在垫层上，压板7位于方形框内，所述结构箱1的侧面设有缺口，在缺口处安装有有机玻璃刻度观察窗2。

如图3至图5所示，锚固方式可以设计成多种，(1)在锚固装置3设计之初预留多种锚固接口，试验中采用上弯折“└”形和下弯折“┌”形的锚固形式，可在拉伸变形不变的情况下，提供比“─”形锚固更长的初始拉伸长度，增加初始拉伸长度来降低应变。(2)通过与常规的夹具效应冗余设计方案的对比，分析“└”形和“┌”形的锚固相对于常规冗余设计方案的优劣。(3)锚固装置3提供双边锚固的固定方式，以模拟实际工程中土工膜双边被锚固在基岩混凝土趾板或其他混凝土结构上的状况。

一种上述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪的试验方法，包括以下步骤：

(1)、确定试验需要的堆石体和垫层、水压力、锚固形式、压缩位移量，对土工膜试样15以固定的间隔做标记，标记布满整个土工膜试样15，在结构箱1中装填试验所需的堆石体及垫层料，按照需要的锚固形式对土工膜试样15进行锚固，铺设保护层；

(2)、打开内窥镜阵列6，记录下内窥镜初始图像，为后期分析提供基准；

(3)、对试样进行微小压力加压，使试样整理到位，根据试验所需的压力，选择加载装置，开始对试验进行加压，在试验过程中保持压力不变；

(4)、打开油压控制装置，减小下油缸13压力，当上下压力相近时，开始缓慢减小下油缸13压力，当上下压力相同时，底板8开始下降，到达指定位移量后，关闭油压控制装置，底板8则停止移动，若仍需增加位移量，开启油压控制装置继续减小下油缸13压力，直至最大试验位移；

(5)、试验结束，卸去上油缸12压力，底板8上升，去除箱体中材料，取下土工膜试样15，仪器恢复原样；

(6)、内窥镜拍摄视频图像导入计算机，图像按照阵列顺序进行拼接，拼接完成后可以看到土工膜试样15完整断面，通过比对拉伸后土工膜试样15标记间隔与初始标记间隔，可以计算出拉伸后土工膜试样15各处的长度，进而计算出不同区域的土工膜试样15的应变。

Claims (5)

1.一种用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，其特征在于：包括结构箱和气压机，所述结构箱内填充有堆石体和垫层，在垫层上覆盖有土工膜试样，土工膜试样通过锚固装置固定在结构箱上，结构箱上设有压板，压板上设有气缸，气缸通过压力控制装置与气压机连接；所述结构箱的侧面设有有机玻璃观察条，在观察条外设有内窥镜阵列。

2.根据权利要求1所述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，其特征在于：所述结构箱上内设有底板，底板将结构箱分为上箱体和下箱体，堆石体和垫层位于上箱体内，在压板上设有上油缸，在下箱体内设有下油缸，上油缸和下油缸分别与油压机连接。

3.根据权利要求2所述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，其特征在于：所述锚固装置为方形框，在方形框的底面向侧面延伸有连接板，通过连接板将土工膜试样固定在结构箱上，压板位于方形框内。

4.根据权利要求2所述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪，其特征在于：所述结构箱的侧面设有缺口，在缺口处安装有有机玻璃刻度观察窗。

5.一种如权利要求2至4任一项所述的用于高堆石坝面膜夹具效应的多功能试验仪的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、确定试验需要的水压力、锚固形式、压缩位移量，对土工膜试样以固定的间隔做标记，标记布满整个土工膜试样，在结构箱中装填试验所需的堆石体及垫层料，按照需要的锚固形式对土工膜试样进行锚固，铺设保护层；

(2)、打开内窥镜阵列，记录下内窥镜初始图像；

(3)、对试样进行微小压力加压，使试样整理到位，根据试验所需的压力，选择加载装置，开始对试验进行加压，在试验过程中保持压力不变；

(4)、打开油压控制装置，减小下油缸压力，当上下压力相近时，开始缓慢减小下油缸压力，当上下压力相同时，底板开始下降，到达指定位移量后，关闭油压控制装置，底板则停止移动，若仍需增加位移量，开启油压控制装置继续减小下油缸压力，直至最大试验位移；

(5)、试验结束，卸去上油缸压力，底板上升，去除箱体中材料，取下土工膜试样，仪器恢复原样；

(6)、内窥镜拍摄视频图像导入计算机，图像按照阵列顺序进行拼接，拼接完成后可以看到土工膜试样完整断面，通过比对拉伸后土工膜试样标记间隔与初始标记间隔，可以计算出拉伸后土工膜试样各处的长度，进而计算出不同区域的土工膜试样的应变。