一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置。

背景技术：

由于东北、华北、华东以及华南等地区水能资源较少，多数业已开发，故水电建设的重点正逐步移至水资源丰富的西部和西南部地区。开发西部和西南部地区水能资源，建设水电站，经常遇到河谷中沉积着深厚砂砾石覆盖层问题，厚度一般为40～70m，有的甚至在100m以上。

针对深覆盖层上建坝的日益常态化，深厚覆盖层地基的防渗处理措施是大坝工程设计和安全运行的关键所在。由于混凝土防渗墙对各种地层和坝型适应性好，造价较低防渗性能和效果可靠，大坝防渗措施一般采用下接防渗墙的结构。

伴随着水利水电建设的迅速发展，通过实践，防渗墙施工技术经过大胆的改进、提高和创新，胜利地完成了很多地质条件复杂、施工难度大的覆盖层地基防渗处理工程。但随之而来的，我们应该注意到，防渗墙属于地基的隐蔽工程，而针对防渗墙的监测设备深埋于水下，工作环境复杂，监测设性很难得到保障，防渗墙的安全隐患不宜及时发现，潜在地影响着工程的长效安全运行。因此，开展混凝土防渗墙工作性态的研究具有重要的理论和实践意义。

研究混凝土防渗墙工作性态和安全性，要从防渗墙在服役过程中的特点入手。无疑，在服役环境下防渗墙承受着高渗透梯度水荷载作用。而目前，人们在这方面积累的知识和经验都很少。为此，开发相应的试验设备，开展高渗透梯度压力条件下混凝土渗透、力学特性研究是非常必要的。

技术实现要素：

本实用新型解决的技术问题是提供一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置，能够对真实服役环境下混凝土防渗墙的渗透系数进行测定，并对其渗透出的CaO溶出量进行测定，去估算防渗墙的安全运行寿命，以解决目前高渗透梯度装置研制少，且成本高、设备昂贵、实际试验中可操作性不强的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型的技术方案为：一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置，环套、端盖、底座、活塞、千斤顶、水箱、真空泵、压力传感器、水泵；

环套用于密封混凝土试样边壁的环套；

端盖通过多颗螺丝将环套压紧在底座上，在环套与端盖之间和环套与底座之间设有密封件；

底座内具有一个与环套相连通的空腔，活塞安装在空腔中，活塞将空腔分隔成上腔和下腔，千斤顶安放在下腔中，千斤顶升降端与连接在活塞上，上腔通过抽气管与真空泵连接，上腔通过进水管与水箱连通，水泵安装在进水管上；压力传感器用于监测上腔内的水压。

所述环套包括两块弧形板，在各弧形板两端沿着水平方向分别延伸出一段耳板，在各耳板上设有多个通孔，在弧形板内壁面和耳板上覆盖有一块橡胶板，各弧形板两端的耳板分别通过多组紧固件相连接；在将弧形板两端耳板连接后，两块弧形板将两块橡胶板压紧在混凝土试样边壁外。

在端盖内设有吸水件，所述吸水件包括采用无纺布制作的布袋，在布袋内装填有高吸水树脂、无纺布或者棉布。

所述端盖包括端法兰，在端法兰上连接盖帽，端法兰通过多颗螺丝将环套压紧在底座上，在盖帽开设有用于放入和取出吸水件的通孔，一块盖板盖在通孔上，用于将通孔进行封闭。

本实用新型的有益效果为：利用千斤顶顶压上腔中的水，保持上腔中水压恒定，制造可以模拟混凝土防渗墙服役环境下的真实水力梯度，而后通过吸水件收集渗出的水，利用渗水量计算真实水力梯度下混凝土的渗透系数；并用EDTA滴定法对渗出水中的CaO含量进行测试，估算防渗墙的安全运行寿命。

附图说明

下面结合附图对本实用新型做进一步的说明：

图1为本实用新型的主视剖面结构示意图，

图2为图1中A-A处的剖面结构示意图。

图中：底座1、水箱2、环套3、端盖4、混凝土试样5、真空泵6、千斤顶7、水泵8、压力传感器9、上腔11、下腔12、耳板31、橡胶板32、弧形板33、端法兰41、盖帽42、抽气管61、活塞71、进水管81、单向阀82。

具体实施方式

如图1和2所示，一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置，环套3、端盖4、底座1、活塞71、千斤顶7、水箱2、真空泵6、压力传感器9、水泵8；

环套3用于密封混凝土试样5边壁的环套3；

端盖4通过多颗螺丝将环套3压紧在底座1上，在环套3与端盖4之间和环套3与底座1之间设有密封件14，密封件14为橡胶圈或者铜垫；

底座1内具有一个与环套3相连通的空腔，活塞71安装在空腔中，活塞71将空腔分隔成上腔11和下腔12，千斤顶7安放在下腔12中，千斤顶7活塞杆与固定连接在活塞71上，千斤顶7为液压千斤顶7，活塞71随着千斤顶7活塞杆伸缩在上腔11中上下移动，在底座1一侧开设有一个用插入液压油管的开口13；

上腔11通过抽气管61与真空泵6连接，上腔11通过进水管81与水箱2连通，在进水管81上安装有单向阀82，水泵8安装在进水管81上；压力传感器9用于监测上腔11内的水压。

所述环套3包括两块弧形板33，在各弧形板33两端沿着水平方向分别延伸出一段耳板31，在各耳板31上设有多个通孔，在弧形板33内壁面和耳板31上覆盖有一块橡胶板，各弧形板33两端的耳板31分别通过多组紧固件相连接；在将弧形板33两端耳板31连接后，两块弧形板33将两块橡胶板压紧在混凝土试样5边壁外。

在端盖4内设有吸水件，所述吸水件包括采用无纺布制作的布袋，在布袋内装填有高吸水树脂、无纺布或者棉布。吸水件(图中未画出)用来测量混凝土试样5的渗水量，在使用时，将吸水件放置在混凝土试样5表面，间隔1到2小时后，取出吸水件称重，前后两侧质量差即为该时段的渗水量。

所述端盖4包括端法兰41，在端法兰41上连接盖帽42，端法兰41通过多颗螺丝将环套3压紧在底座1上，在盖帽42上开设有用于放入和取出吸水件的通孔，一块盖板(盖板图中未画出)盖在通孔上，用于将通孔进行封闭。盖板用于防止吸水件中的水分挥发。

一种用于模拟混凝土防渗墙服役环境下性能演化的试验装置操作方法，具体步骤如下：

1)将待测混凝土试样放置到环套3中，利用弧形板33和橡胶板32对混凝土试样5边壁进行密封；

2)先将环套3放置在端盖4和底座1之间，再将连接端盖4和底座1的螺丝旋靠；

3)开启真空泵6将上腔11中的空气抽出一部分；

4)水由进水管81进去到上腔11中，当水漫过抽气管61时真空泵6停止、水泵8开启，当上腔11中的水从环套3与底座1之间的缝隙挤压出时，将连接端盖4和底座1的螺丝旋紧，将环套3进行密封，同时关闭水泵8；

5)制造设计的水力梯度：运行液压千斤顶7，对上腔11进行加压，到压力传感器9显示试验所需压力后维持千斤顶7压力；

水力梯度计算公式为：

式中：H试验水压力，以水柱高度表示，cm，

J为设计水力梯度，

L为混凝土试件的渗水高度(试件高)，cm。

差压计与H的关系为：1m的水头等于0.01mpa，差压计可以把所测到的压力值，转化为水头值，比如差压计测得压力值为0.2mpa，则会输出为20m的水头；

例如：若混凝土试验需模拟的服役环境为：大坝的防渗墙厚度为1m，大坝水位高200m，则大坝实际水力坡降则设计混凝土试件为15cm立方体试块，试验所需的渗透坡降(水力梯度)为200，则需试验水头H＝J·L＝200×15＝3000cm＝30m，则差压计到显示的压力值为0.3mpa时，维持压力值，进行试验。

6)首先，用吸水件测量的渗水量计算混凝土的渗透系数；

混凝土渗透系数计算公式为：

式中：k_T水温度T℃时试件的渗透系数cm/s，

Q时间t秒内的渗透流量，cm³，

L试件的渗水高度(试件高)，cm，

H试验水压力，以水柱高度表示，cm，

t间隔时间，s，

A试件平均截面面积，cm²，

k₂₀标准温度20℃时试件的渗透系数，cm/s，

η_T、η₂₀分别为T℃和20℃时水的动力粘滞系数，kPa.s，

其次用吸水件收集的渗水量测混凝土防渗墙的耐久性；

对防渗墙而言，其耐久性的评价指标是长期防渗效果，而影响长期防渗效果的主要因素是墙体材料的密实性，混凝土的密实性主要决定于是否产生渗漏和溶蚀。当混凝土中CaO溶出量达25％时，混凝土的强度将降低50％，目前在评估指标上，均将CaO溶出量达25％作为极限指标，并由此来估算防渗墙的安全运行寿命。

混凝土防渗墙的耐久性(安全使用寿命)按我国学者舒士懋提出的计算公式为：

式中：T为防渗墙的安全使用年限，a，

V为防渗墙迎水面每平方米对应的墙体材料体积，其数值等于墙厚，m³，

C每立方米防渗墙材料中的水泥用量，kg/m³，

Q为每平方米防渗墙一年内的渗漏量，m³/(m².a)，

M为防渗墙渗出水(吸收件收集的渗出水)的CaO浓度，kg/m³，

M为地下水(试验用水)的CaO浓度，kg/m³，

α为水泥中的CaO含量，kg/m³。

其中：CaO含量的测试用EDTA滴定法。

7)试验结束后，关闭液压千斤顶7，对上腔11进行降压，到压力传感器9显示压力值为0为止；

8)取出混凝土试样5，完成试验。