一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，该平台由模型箱、反力架、加载系统、水压力模拟装置、挠曲变形模拟装置和测试系统组成。模型箱置于反力架内部，挠曲变形模拟装置位于模型箱底部以模拟防渗结构底部挠曲变形位移边界条件，加载系统通过反力架施加竖直向下的压力，并经水压力模拟装置将柔性压力荷载传递到防渗结构模型顶部表面，布置于结构模型内部的土压力传感器、应变计、位移计和数据采集仪及模型箱侧面的高清数码摄像机等一起构成测试系统对结构性态进行实时监测。本试验平台可用于开展深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构在表面水压力荷载和底部发生较大挠曲变形条件下受力变形特性和破坏机理的模型试验研究。
【专利说明】一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于水工结构工程【技术领域】的模型试验装置，特别是涉及一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台。
【背景技术】
[0002]对于建在深覆盖层上的堆石坝，由于覆盖层坝基及坝体的变形较大，坝面会产生较大挠曲变形。而对于堆石坝面土工膜防渗结构(简称面膜防渗结构)，过大的挠曲将会导致土工膜垫层和保护层产生开裂甚至错动而破坏，进而危及土工膜在水压力作用下的安全。面膜防渗结构一般由垫层、防渗膜和保护层等多层材料组成，且各层材料力学特性差异较大，所以防渗结构的受力变形特性、破坏模式、各层之间的相互作用及机理都较为复杂。为深入揭示堆石坝面膜防渗体在复杂条件下的受力变形规律及破坏机理，准确评价防渗结构安全性，并提出经济、有效的安全保证措施，需要针对不同荷载和位移边界条件下单位宽度内(沿坝轴线方向)面膜防渗结构开展大比尺的模型试验研究，从而为工程设计和数值计算提供验证和科学依据。
[0003]在本发明之前，一般土石坝防渗结构受力变形特性模型试验常采用离心机模型试验方法，离心模型试验需要满足力学相似原理，通过比尺换算可得到原型结构的受力变形性状；但对于土工膜上游面堆石坝，尤其是深覆盖层上土工膜上游面防渗堆石坝，采用离心模型试验方法，其效果不够理想，其主要原因如下:
(I)如果采用大比尺离心模型试验，由于堆石坝体积较大，再加上深覆盖层，即使大型的离心机也无法容纳整个模型；如果将比尺进一步缩小，相对于整个坝基及坝体，面膜防渗结构尺寸太小(土工膜厚度原型尺寸不到2mm)，其材料特性和结构型式在离心模型中均无法模拟；
(2)由于整体模型中的防渗结构尺寸太小，测试仪器的选型、布置和埋设也很困难；
(3)如果采用局部离心模型试验，局部结构模型不同部分的边界条件很难确定，也无法在离心机中准确模拟；
(4 )离心模型试验成本也相对较高,所以该试验方法的经济性较差。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服上述现有堆石坝面膜防渗结构模型试验技术的不足，提供了一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，使其能够模拟堆石坝面膜防渗结构的真实水压力荷载和挠曲位移边界条件，揭示其受力变形规律及破坏机理，为工程设计和安全评价提供科学依据。
[0005]本发明采用以下技术方案实现:
一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，包括模型箱、反力架、加载系统、水压力模拟装置、挠曲变形模拟装置和测试系统。其主要技术特征在于:模型箱置于反力架内部，挠曲变形模拟装置位于模型箱底部以模拟防渗结构底部挠曲变形位移边界条件，试验所用的防渗结构模型放在挠曲变形模拟装置之上，加载系统通过反力架施加竖直向下的压力，并经水压力模拟装置将柔性均布的压力荷载传递到防渗结构模型顶部表面，布置于结构模型内部的土压力传感器、应变计、位移计和数据采集仪及模型箱侧面的高清数码摄像机一起构成测试系统对结构性态进行实时监测。
[0006]所述的模型箱由钢制框架、底板、可视窗口和侧板组成；可视窗口位于模型箱正前侧面，为加厚的透明有机玻璃板，其他三个侧板和底板均为钢板；箱体内壁粘贴聚四氟乙烯薄膜，保证侧壁足够光滑以减小内壁摩擦阻力带来的影响，背面侧板上预设两排小孔，以便测试数据线从模型箱内引出，模型箱置于反力架的底座上。
[0007]所述的反力架由型钢焊接制成，是由两个龙门、斜撑和底座构成的框架结构，后方侧面设置斜撑以增加整体刚度。
[0008]所述的加载系统由同步液压千斤顶、液压控制装置、传力底座和橡胶垫块组成。千斤顶为一拖二 (或三、四)式同步液压千斤顶，可根据结构尺寸和荷载大小选取型号，并通过改造在千斤顶的顶部和底部设置两块方形钢制的传力板，一方面可传递荷载，同时可增加侧向稳定性；液压控制装置由手动油泵、活塞泵、压力表和输油管组成，手动泵和活塞泵进行并联，二者组合控制可以对荷载进行粗调和微调。传力底座为“斗”型钢制结构，主要起到传递、分散压力荷载以及增加侧向稳定性的作用。
[0009]所述的水压力模拟装置由刚性加载板和软胶充填袋组成，充填袋采用高强防水布制作，采用工业缝纫机按照设计尺寸制成“枕头”形袋体，只要防水布和缝制时所采用线的强度足够大，充填袋就能提供足够压力，袋内充填流塑态的软胶物质，该软胶具有一定流动性既可以随袋体变形在袋体内流动；同时又具有较强的黏性，不会因袋体有微小缝隙而大量泄漏，可以保持袋内压力保持稳定。液压加载系统施加的压力通过加载板和软胶充填袋传递到结构模型表面，从而实现大面积的柔性荷载的施加，袋体制作工艺简单，软胶可重复利用，成本较低。
[0010]所述的挠曲变形模拟装置由刚性底座和压缩层组成，刚性底座采用混凝土浇筑成不同挠度的弧形结构，压缩层为弹性较好的橡胶粒子层。通过弧形底座的顶托和橡胶粒子层的压缩变形可对上部的结构模型施加不同挠度的挠曲变形位移边界条件。
[0011]所述的测试系统由计算机及软件系统、数据采集仪、数据线、传感器以及高清数码摄像机组成，传感器包括土压力计、应变计、位移计等，根据试验需要选型和布设。通过传感器和数据采集仪可测试结构模型内部的应力和变形性态，高清数码摄像机放置在模型箱侧面的支架上，通过透明有机玻璃观测试验过程中结构整体和局部关键部位的变形规律和破坏模式。
[0012]本发明的优点和效果在于:
(1)模型箱尺寸大(长1.2mX宽0.4mX高0.6m)，对于堆石坝面土膜防渗结构(保护层、垫层及土工膜总厚度一般不超过0.5m)，可进行1:2甚至1:1的大比尺模型试验，试验模型更加接近实际材料和结构型式，尺寸效应和边界效应的影响较小；
(2)刚性加载板配合软胶充填袋能够模拟柔性均布水荷载压力，在给结构施加荷载的同时不限制其变形，且该柔性荷载施加装置施加荷载大(可到2Mpa)，压力稳定，可重复利用，制作成本较低；
(3)模型箱底部设置挠曲变形模拟装置能够实现单位长度内不同挠度的挠曲变形位移边界条件，真实模拟实际工程中面膜防渗结构底部堆石坝体表层的挠曲变形位移边界条件;
(4)模型箱侧面采用高强透明有机玻璃，使试验具有良好的可视性，采用模型内部小型传感器测试和外部高清图像测试相结合的综合测试方法，不仅能测试结构内部各层材料的受力变形性态的变化过程，同时通过侧面有机玻璃观测整体结构的变形规律、破坏模式以及不同结构层之间的变形协调性和相互作用模式，两种方法测试结果可相互验证；
(5)采用活塞泵配合手动油泵来控制液压同步千斤顶加载，不仅可模拟水库分期蓄水进行分级加载，加载点数量和加载位置可调，可进行不同位置及和大小的组合加载，且荷载控制精度高，不需专门的伺服或其他复杂加载系统，成本较低。
[0013]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。本发明的保护范围并不以【具体实施方式】为限，而是由权利要求加以限定。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】进行详细描述。本发明的保护范围并不以【具体实施方式】为限，而是由权利要求加以限定。
[0015]图1为结构模型试验平台正面示意图；
图2为结构模型试验平台侧面示意图。
[0016]图中:1、钢制框架，2、底板，3、可视窗口，4、侧板，5、小孔，6、龙门，7、斜撑，8、底座，
9、千斤顶，10、液压控制装置，11、传力底座，12、橡胶垫块，13、传力板，14、手动油泵，15、活塞泵，16、压力表，17、输油管，18、刚性加载板，19、软胶充填袋，20、刚性底座，21、压缩层，22、计算机及软件系统，23、数据采集仪，24、数据线，25、高清数码摄像机，26、土压力计，27、应变计，28、位移计，29、支架。
【具体实施方式】
[0017]如图1、图2所示，一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，包括模型箱、反力架、加载系统、水压力模拟装置、挠曲变形模拟装置和测试系统。模型箱由长方形的钢制框架1、底板2和侧板4组成；模型箱长边正前方侧板中间采用透明有机玻璃板形成可视窗口 3，其他三个侧板4及底板2均为钢板；模型箱侧面内壁粘贴聚四氟乙烯薄膜使内壁足够光滑，可消除侧壁摩擦阻力的影响，背面侧板2上设置两排小孔5，以便测试数据线24从模型箱内引出。模型箱置于反力架内部，反力架由型钢焊接制成，是由两个龙门6、斜撑7和底座8构成的框架结构，后方侧面设置斜撑7以增加整体刚度。模型箱底部设置有挠曲变形模拟装置，包括刚性底座20和压缩层21，刚性底座20可采用混凝土根据试验需要浇筑成不挠度的弧形结构，压缩层21为弹性较好的橡胶粒子层，通过刚性底座20的顶托和压缩层21橡胶粒子的变形可对上部的结构模型底部施加不同挠度的挠曲变形位移边界条件。加载系统位于模型箱顶部与反力架龙门6之间，包括同步液压千斤顶9、液压控制装置10、传力底座11和橡胶垫块12组成。千斤顶9为一拖二 (或三、四)式同步液压千斤顶，可根据结构尺寸和荷载大小选取型号，并通过改造在千斤顶9的顶部和底部安装两块方形钢制的传力板13，一方面可传递荷载，同时可增加侧向稳定性；液压控制装置10由手动油泵14、活塞泵15、压力表16和输油管17组成，手动泵15和活塞泵16以并联的方式连接，通过组合控制可以对荷载进行粗调和微调。传力底座11为“斗”型钢制结构，主要起到传递、分散压力荷载以及增加侧向稳定性的作用。加载系统施加的压力通过水压力模拟装置传递到模型箱内部的结构模型表面，水压力模拟装置由刚性加载板18和软胶充填袋19组成，充填袋采用高强防水布制作成长方形的“枕头”状，边缘采用高强尼龙线缝制，袋内充填流塑态的软胶物质，例如用于清理电脑键盘灰尘的清洁软胶。当软胶充填袋19承受压力时，袋内软胶可以随袋体变形在袋体内流动；同时该胶体又具有较强的黏性，不会因袋体有微小缝隙而大量泄漏，可以保持袋内压力保持稳定，从而在结构模型表面施加一种柔性的压力荷载。在刚性加载板18表面中心位置安装位移计28以实时监测结构模型的沉降位移，在防渗结构模型表面以及内部不同材料层间埋设土压力计26和应变计27分别监测结构模型的法向压力和变形，位移计28、土压力计26和应变计27等传感器的数据线24均通过模型箱背面侧板2上的预留小孔5引出，并连接到数据采集仪23上，数据采集仪23与计算机及软件系统22相连，这样构成一个测试系统可在试验中进行控制和数据实时监测显示。
[0018]实施实例:现以一个深覆盖层上高堆石坝面土工膜防渗结构受力变形特性及破坏机理试验为例来说明本模型试验平台的使用方法。
[0019](I)试验前，根据试验中坝面可能发生的挠曲变形，用高强混凝土在模型箱底部浇筑一定曲率的弧形刚性底座20,并养护至一定强度。
[0020](2)在模型箱内刚性底座上部填筑橡胶粒子到设计高度形成压缩层21，表面用柔软的高强无纺土工织物覆盖隔离；
(3)在隔离后的压缩层21上部制作试验需要的土工膜防渗结构模型，包括粗粒料过渡层碾压填筑、聚氨酯透水混凝土垫层浇筑、复合土工膜铺设以及保护层安装；
(4)在模型制作和安装过程中，同时进行各类传感器的埋设和安装，例如在聚氨酯透水混凝土垫层表面粘贴应变计27，在预制好的混凝土保护层侧面以及粘接在底部土工膜表面上粘贴应变计27，在保护层便面安装土压力计26，并将所有传感器的数据线24接好后进行固定，并在传感器表面进行覆盖等保护处理；
(5)模型制作和安装完毕后，在模型表层的保护层上部放置制作好的软胶充填袋19，再在其上部放置刚性加载板18。
[0021](6)在刚性加载板18表面从下至上依次安装橡胶垫块12、传力底座11、橡胶垫块12和同步液压千斤顶9，通过调橡胶垫块12厚度使千斤顶9的顶部正好与龙门6相接触。
[0022](7)将位移计28安装在刚性加载20板表面中心位置，试验中可实时监测结构表面的沉降位移。
[0023](8)将手动油泵14和活塞泵15进行并联组成液压控制装置10，并通过输油管17链接到同步液压千斤顶9上，并接上压力表16以显示施加的压力荷载。
[0024](9)对所有传感器进行电阻检测，确认完好无损后进行编号并用数据线24连接到数据采集23和计算机及软件系统22上；
(11)在模型箱正前方侧面架设支架29并安装高清数码摄像机25，根据可视窗口位置调试高清数码摄像机25的位置和高度，以便试验中实时观测和记录结构模型变形过程和破坏现象；
(12)整个模型制备和安装完成后，开始加载，加载时首先采用手动油泵14粗调，将荷载调节至所需要施加荷载值附近，然后关闭手动油泵14，采用活塞泵15进行微调，使荷载精确达到预设试验荷载值。
[0025](13)加载后，通过计算机及软件系统22和外部高清数码摄像机25同时监测结构模型内部受力变形性态。
【权利要求】
1.一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，包括模型箱、反力架、加载系统、水压力模拟装置、挠曲变形模拟装置和测试系统，其特征在于:模型箱置于反力架内部，挠曲变形模拟装置位于模型箱底部，加载系统通过反力架施加竖直向下的压力，并经水压力模拟装置将柔性压力荷载传递到防渗结构模型顶部表面，布置于结构模型内部的土压力传感器、应变计、位移计和数据采集仪及模型箱侧面的高清数码摄像机一起构成测试系统； 所述的模型箱由钢制框架、底板、可视窗口和侧板组成；可视窗口位于模型箱正前侧面，为加厚的透明有机玻璃板，其他三个侧板和底板均为钢板；箱体内壁粘贴聚四氟乙烯薄膜，背面侧板上预设两排小孔，模型箱置于反力架的底座上； 所述的反力架由型钢焊接制成，是由两个龙门、斜撑和底座构成的框架结构； 所述的加载系统由同步液压千斤顶、液压控制装置、传力底座和橡胶垫块组成；千斤顶为一拖二 (或三、四)式同步液压千斤顶；液压控制装置由手动油泵、活塞泵、压力表和输油管组成，手动泵和活塞泵进行并联，二者组合控制对荷载进行粗调和微调； 所述的水压力模拟装置由刚性加载板和软胶充填袋组成；软胶充填袋采用高强防水布制作成长方形的“枕头”状，边缘采用高强尼龙线缝制；软胶充填袋袋内充填流塑态的软胶物质； 所述的挠曲变形模拟装置由刚性底座和压缩层组成；刚性底座采用混凝土浇筑成不同挠度的弧形结构；压缩层为弹性较好的橡胶粒子层。
【文档编号】G01M99/00GK103604617SQ201310549894
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年11月8日 优先权日:2013年11月8日
【发明者】吴海民, 束一鸣, 张宪雷, 满晓磊, 刘欣欣 申请人:河海大学