模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置及试验方法与流程

本发明涉及一种水利工程用试验装置及试验方法，特别是一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置及试验方法。

背景技术：

混凝土水力劈裂是指在水压力的作用下裂缝出现并扩展。混凝土重力坝坝踵部位在施工过程中存在温度裂缝等损伤，在上游水压力作用下易出现拉应力，是坝体的薄弱区域，该位置处的水力批裂问题较为突出。现有的水力批裂研究方法主要可分为两类：一是采用机械压力模拟水压，该方法无法真实模拟高压水在裂缝中作用，因为机械力在试样中的传递方式与水压力不同，其作用方向亦不同；二是模拟水压力的作用，进行拉压应力条件下混凝土试件高压水力劈裂试验研究，但是该类试验应力条件简单，无法模拟坝踵处的应力状态。已有的这些试验方法均无法较好的模拟混凝土重力坝坝踵处的水力劈裂特性。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置，该模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置能客观模拟混凝土重力坝坝踵处在高水压作用下的水力劈裂过程，测量分析初始裂缝的发展过程，研究裂缝开展过程中缝内水压及裂缝宽度的变化规律，能广泛应用于水利工程中。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置，包括模具、钢片、测压导管、应变片、密封装置、弯矩施加装置、水压力供给装置和测量采集仪器。

模具用于混凝土试件的制作，混凝土试件具有预制裂缝。

模具包括底板和四个侧壁，四个侧壁与底板围合形成中心容腔，中心容腔的形状与混凝土试件的形状相同。

模具的两个位置相对应的侧壁顶部各设置有一条竖向开口；钢片能放置于两条竖向开口中并能从两条竖向开口中移除。

未设置有竖向开口的其中一个模具侧壁上设置有若干个孔洞；若干个孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于竖向开口的底部高度；每个孔洞内均设置有一根伸入模具中部的测压导管，每根测压导管内均设置有一根位置固定且能移除的钢棒。

应变片粘贴固定在混凝土试件上，用于测试混凝土试件的垂直裂缝方向应变。

密封装置，用于将粘贴有应变片的混凝土试件进行密封；密封装置顶部中心设置有进水孔，该进水孔能与混凝土试件的预制裂缝相连通。

弯矩施加装置包括万能试验机、上钢座和下钢座；上钢座与下钢座同轴设置，上钢座与万能试验机相连接，高度能够升降；下钢座能通过铰支座与设置有进水孔的密封装置端面相连接。

水压力供给装置包括电调压力泵、引水管、输入端水压传感器和若干个输出端水压传感器；引水管的一端伸入密封装置的进水孔内，引水管的另一端与电调压力泵相连接，输入端水压传感器设置在引水管中部，每个测压导管均连接一个输出端水压传感器。

输入端水压传感器、每个输出端水压传感器和应变片均与测量采集仪器相连接。

所述钢片一侧设置有打磨刃口。

所述模具内壁面以及钢片两侧面均涂布有脱模剂。

未设置有竖向开口的其中一个模具侧壁上设置有五个孔洞，五个孔洞均位于同一条竖直直线上，五个孔洞的孔间距相等。

五个孔洞的孔间距均为15mm，位置最高的孔洞与竖向开口底部之间的垂直距离为10mm。

本发明还提供一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验方法，该模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验方法能客观模拟混凝土重力坝坝踵处在高水压作用下的水力劈裂过程，测量分析初始裂缝的发展过程，研究裂缝开展过程中缝内水压及裂缝宽度的变化规律，能广泛应用于水利工程中。

一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，制模：准备一个无盖且中空的长方体模具，在长方体模具的两个位置相对应的侧壁顶部各设置一条竖向开口，在未设置有竖向开口的其中一个长方体模具侧壁上开设若干个孔洞；若干个孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于竖向开口的底部高度。

步骤2，混凝土试件浇筑：将钢片插入并放置在步骤1中的两条竖向开口中，每个孔洞内均埋置一根伸入长方体模具中部的测压导管，每根测压导管内均插入一根位置固定且能移除的钢棒。然后，搅拌混凝土，将搅拌均匀的混凝土浇入长方体模具的中空容腔内，并振捣密实，等待2-3小时后拔出钢片，形成混凝土试件的初始裂缝；在浇筑24小时后，将混凝土试件进行脱模与养护，拔出测压导管内的钢棒，进行养护。

步骤3，装样：在步骤2养护完成的混凝土试件侧壁上粘贴固定应变片，然后将粘贴有应变片的混凝土试件放置在密封装置内，使混凝土试件的初始裂缝与密封装置顶部的进水孔相连通；然后，将水压力供给装置中的引水管插入进水孔内，并密封固定；输出端水压传感器分别与对应的测压导管相连接；最后，将应变片、输入端水压传感器和每个输出端水压传感器依次与测量采集仪表相连接；水压力供给装置能施加垂直于预制裂缝表面的水平向压力。

步骤4，试验：将步骤3装样完成的密封装置倒置，使密封装置的进水孔朝下，然后，将倒置后的密封装置底部通过铰支座与下钢座相连接，将弯矩施加装置中的上钢座与万能试验机相连接，通过万能试验机施加轴压，轴压会通过上钢座和下钢座转化成弯矩；通过该弯矩与水平向压力的组合，即能实现重力坝坝踵应力状态的真实模拟；水压力供给装置提供水压，应变片、输入端水压传感器和输出端水压传感器依次实时测量混凝土试件的变形特征、电调压力泵的水压输出值以及混凝土试件内部的水压力；测量采集仪表将应变片、输入端水压传感器和输出端水压传感器的实时测量数据进行采集与记录。

步骤5，水力劈裂分析：通过改变水压力供给装置供给的水压和弯矩施加装置施加的轴压，进行若干次试验，直至混凝土试件被破坏；测量采集仪表将每次试验的实时测量数据均进行采集与记录，从而便于对重力坝坝踵处的水力劈裂机理进行分析。

所述步骤2中，钢片在插入两条竖向开口之前，钢片的一侧先进行打磨并涂布脱模剂。

所述步骤2中，搅拌均匀的混凝土在浇入长方体模具之前，长方体模具内壁均涂布有脱模剂。

所述步骤1中，长方体模具的长宽高分别为300*150*150mm，未设置有竖向开口的其中一个模具侧壁上设置有五个孔洞，五个孔洞均位于同一条竖直直线上，五个孔洞的孔间距相等且均为15mm，位置最高的孔洞与竖向开口底部之间的垂直距离为10mm。

所述步骤3中，在混凝土试件的两个相对应的侧壁上各粘贴固定四片应变片，混凝土试件同一侧壁上的四片应变片均沿初始裂缝的延伸方向呈一条直线布置，最顶部的一片应变片布置在初始裂缝的底部处，四片应变片之间的净距依次为5mm、8mm和10mm。

本发明采用上述结构及方法后，具有如下有益效果：

1.克服了通过提供机械力进行水力劈裂试验的缺陷，采用本发明所述试验装置与方法能模拟高水头作用，与实际工程更吻合。

2.通过理论力学原理，上述弯矩施加装置能将轴压力转化为裂缝位置处的弯矩，该弯矩属于四点支承弯矩，实现了混凝土试件内部应力状态由压至拉的变化，混凝土试件受弯矩作用，在中和轴以上部分受压，在中和轴以下部分受拉，从而更好的模拟重力坝坝踵处的应力状态。

3.试验输入水压可自由调节和控制，试样内部的应力状态可控。另外，能实时采集荷载、水压、应变等试验数据，方便对水力劈裂机理进行分析。

附图说明

图1是本发明一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置中模具的结构示意图。

图2为混凝土试件上应变片粘贴及测压导管布置示意图。

图3为密封装置的结构示意图。

图4为弯矩施加装置的结构示意图。

图5为模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置的试验过程示意图。

其中有：1、模具；2、钢片；3、测压导管；4、孔洞；5、竖向开口；6、钢棒；7、混凝土试件； 8、预制裂缝；9、应变片；10、密封装置；11、止水橡胶；12、进水孔；13、上钢座；14、下钢座；15、铰支座；16、支座定位插孔；17、电调压力泵；18、输入端水压传感器；19、输出端水压传感器；20、测量采集仪表。

另外，图2中标注的尺寸单位均为mm。

具体实施方式

下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1至图5所示，一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验装置，包括模具1、钢片2、测压导管3、应变片9、密封装置10、弯矩施加装置、水压力供给装置和测量采集仪器20。

模具用于混凝土试件7的制作，混凝土试件具有预制裂缝8。

模具包括底板和四个侧壁，四个侧壁与底板围合形成中心容腔，中心容腔的形状与混凝土试件的形状相同。模具优选为中空的长方体模具，长方体模具的长宽高分别优选为300*150*150mm，但也可以为其他形状。

模具的两个位置相对应的侧壁顶部各设置有一条竖向开口5；钢片能放置于两条竖向开口中并能从两条竖向开口中移除。 另外，钢片一侧优选设置有打磨刃口，用于引导裂缝展开方向。

进一步，上述模具内壁面以及钢片两侧面均优选涂布有脱模剂，便于后续混凝土试件的脱模。

未设置有竖向开口的其中一个模具侧壁上设置有若干个孔洞4；若干个孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于竖向开口的底部高度；每个孔洞内均设置有一根伸入模具中部的测压导管，每根测压导管内均设置有一根位置固定且能移除的钢棒6。

如图2所示，上述孔洞的数量优选为五个，五个孔洞均位于同一条竖直直线上，五个孔洞的孔间距相等，且均优选为15mm，位置最高的孔洞与竖向开口底部之间的垂直距离为10mm。

应变片9粘贴固定在混凝土试件上，用于测试混凝土试件的垂直裂缝方向应变。

密封装置10，用于将粘贴有应变片的混凝土试件进行密封；密封装置优选由若干块密封钢板围合形成，在拼接处以及缝隙处均填充有止水橡胶12。密封装置顶部中心设置有进水孔12，该进水孔能与混凝土试件的预制裂缝相连通。

弯矩施加装置包括万能试验机、上钢座13和下钢座14。上钢座与下钢座同轴设置，上钢座与万能试验机相连接，高度能够升降；下钢座能通过铰支座与设置有进水孔的密封装置端面相连接。

通过理论力学原理，上述弯矩施加装置能将轴压力转化为裂缝位置处的弯矩，该弯矩属于四点支承弯矩，实现了混凝土试件内部应力状态由压至拉的变化，混凝土试件受弯矩作用，在中和轴以上部分受压，在中和轴以下部分受拉，从而更好的模拟重力坝坝踵处的应力状态。

下钢座上优选设置有若干个支座定位插孔16，每个支座定位插孔均能与铰支座相配合。设置不同位置的支座定位插孔可以实现施加相同的弯矩值而混凝土试件内部的剪力不同。

水压力供给装置包括电调压力泵17、引水管、输入端水压传感器18和若干个输出端水压传感器19。引水管的一端伸入密封装置的进水孔内，引水管的另一端与电调压力泵相连接，输入端水压传感器设置在引水管中部，每个测压导管均连接一个输出端水压传感器。

水压力供给装置可根据试验需求提供可控上升速度的目标水压，并实时记录水压值。

输入端水压传感器、输出端水压传感器和应变片均与测量采集仪器相连接。

一种模拟混凝土重力坝坝踵水力劈裂的试验方法，包括如下步骤：

步骤1，制模：准备一个无盖且中空的长方体模具，在长方体模具的两个位置相对应的侧壁顶部各设置一条竖向开口，在未设置有竖向开口的其中一个长方体模具侧壁上开设若干个孔洞；若干个孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于竖向开口的底部高度。

上述长方体模具的长宽高分别优选为300*150*150mm，未设置有竖向开口的其中一个模具侧壁上优选设置有五个孔洞，五个孔洞均位于同一条竖直直线上，五个孔洞的孔间距相等且均为15mm，位置最高的孔洞与竖向开口底部之间的垂直距离为10mm。

步骤2，混凝土试件浇筑：先将钢片的一侧进行打磨并涂布脱模剂，长方体模具内壁也均涂布脱模剂，便于后续混凝土试件脱模。然后，将钢片插入并放置在步骤1中的两条竖向开口中，每个孔洞内均埋置一根伸入长方体模具中部的测压导管，每根测压导管内均插入一根位置固定且能移除的钢棒，以便形成水压传导通道。接着，搅拌混凝土，将搅拌均匀的混凝土浇入长方体模具的中空容腔内，并振捣密实，等待2-3小时后拔出钢片，形成混凝土试件的初始裂缝；在浇筑24小时后，将混凝土试件进行脱模，拔出测压导管内的钢棒，进行养护，养护时间优选为28天。

上述混凝土浇筑后振捣密实的判断方法为：表面范浆，不再有气泡冒出，在振捣过程中需在混凝土料下降后及时补充混凝土，振捣后抹平表面。

步骤3，装样：在步骤2养护完成的混凝土试件侧壁上粘贴固定应变片。应变片的粘贴方法优选为：在混凝土试件的两个相对应的侧壁上各粘贴固定四片应变片，混凝土试件同一侧壁上的四片应变片均沿初始裂缝的延伸方向呈一条直线布置，最顶部的一片应变片布置在初始裂缝的底部处，四片应变片之间的净距依次为5mm、8mm和10mm。

然后将粘贴有应变片的混凝土试件放置在密封装置内，垫好止水橡胶，使混凝土试件的初始裂缝与密封装置顶部的进水孔相连通。同时，密闭初始裂缝，贴合密实后拧紧螺栓，做好固定。接着，将水压力供给装置中的引水管插入进水孔内，拧紧密封，提供少许水量，排出混凝土试件内的气体。将输出端水压传感器分别与对应的测压导管相连接；最后，将应变片、输入端水压传感器和每个输出端水压传感器依次与测量采集仪表相连接；水压力供给装置能向混凝土试件提供水平向压力，高压水充满预制裂缝，水压垂直于裂缝表面的混凝土。

装样过程中，需注意高压水的密封，可在漏水部位缠裹止水胶带。

步骤4，试验：将步骤3装样完成的密封装置倒置，使密封装置的进水孔朝下，然后，将倒置后的密封装置底部通过铰支座与下钢座相连接，将弯矩施加装置中的上钢座与万能试验机相连接，通过万能试验机施加轴压，轴压会通过上钢座和下钢座转化成弯矩；通过该弯矩与水平向压力的组合，即能实现重力坝坝踵应力状态的真实模拟；水压力供给装置提供水压，应变片、输入端水压传感器和输出端水压传感器依次实时测量混凝土试件的变形特征、电调压力泵的水压输出值以及混凝土试件内部的水压力；测量采集仪表将应变片、输入端水压传感器和输出端水压传感器的实时测量数据进行采集与记录。

步骤5，水力劈裂分析：通过改变水压力供给装置供给的水压和弯矩施加装置施加的轴压，进行若干次试验，直至混凝土试件被破坏；测量采集仪表将每次试验的实时测量数据均进行采集与记录，从而便于对重力坝坝踵处的水力劈裂机理进行分析。

本发明实现了重力坝坝踵处这一薄弱区域水力劈裂情况的真实模拟。克服了传统劈裂试验中机械力无法模拟真实情况，模拟应力状态简单以及试验过程中水压、应变数据同步采集困难等缺陷。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。