一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法与流程
本发明涉及水利工程中土工膜的检测领域，特别是一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法。
背景技术
土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低及施工速度快等优点，已广泛应用于大坝、库盘、蓄水池、垃圾填埋场等防渗工程。目前堆石坝土工膜防渗主要以坝面防渗为主，在坝面土工膜防渗结构中，膜下土石料垫层对土工膜的安全运行非常关键，设计时要避免刺破土工膜。垫层除对土工膜起支撑作用外，还必须具有良好的渗透性，以便及时有效地排水，提高防渗结构的稳定性。水压作用下，土工膜会顺着垫层中某些突出土石颗粒缝隙间发生局部水力顶破变形，当水压力过大或垫层表面较粗糙(局部凹凸度较大)时，土工膜除了可能发生水力顶破外，也可能被较尖锐的垫层颗粒刺破，从而破坏了防渗结构的完整性，对大坝安全造成隐患。因此，测试土工膜抵抗水力顶破和颗粒刺破的变形能力具有重要的科学研究意义和工程应用价值。
现有涉及土工膜胀破和顶破的规范试验主要包括mullen胀破试验、圆球顶破试验和cbr顶破试验，其中mullen胀破试验用于测试土工膜在无垫层条件下的胀破强度，圆球顶破试验和cbr顶破试验利用圆球或圆柱顶杆施加垂直于土工膜平面的集中荷载，使土工膜发生局部顶破或刺破，获得顶破或刺破强度。实际土工膜防渗工程运行时，土工膜一侧受水压力作用，另一侧受不同颗粒形状的土石料垫层的支撑作用。上述3个试验均无法真实模拟土工膜的工作状态。
另外，现有技术中还没有试验装置能够反映垫层上完整土工膜在水压作用下的变形发展过程，以及土工膜被顶破和刺破后出现的缺陷渗漏对下垫层造成的影响的全过程。
因此，为了真实反映实际工程中土工膜顶破和刺破特性，研究土工膜的顶破和刺破抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性，有必要研制一种模拟土工膜实际受力状态的土工膜水力顶破变形和刺破变形测试装置及测试方法。
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，提供一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，该土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置能真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和垫层土石颗粒对土工膜的刺破作用，详细记录水压力作用下土工膜表面凹凸变形和应变的发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，包括加压变形模拟装置和三维dic测量系统。
加压变形模拟装置包括加压系统和从下至上依次同轴设置的基座、垫层室、土工膜和压力室；垫层室顶部开口，垫层室内填充有土石料；土工膜铺设在土石料顶部，压力室底部开口，压力室顶部由透明材料制成；垫层室，土工膜和压力室之间为密封可拆卸连接，压力室与土工膜围合形成一个密封腔室；加压系统用于向压力室内提供压力水。
土工膜的上表面均匀喷洒有散斑，散斑在三维dic测量系统中记录的数字图像不低于3个像素。
三维dic测量系统包括卤素灯、计算机和两个均与计算机相连接的ccd相机；其中，卤素灯同轴设置在压力室的正上方，两个ccd相机对称设置在卤素灯的两侧，两个ccd相机的中心轴线相交夹角在30°到60°之间，两个ccd相机的中心轴线的相交点位于土工膜表面。
散斑在三维dic测量系统中记录的数字图像维持在3-6个像素。
两个ccd相机的中心轴线相交成45°。
压力室上设置有压力表。
垫层室侧壁底部设置有出水管，出水管上设置有流量计。
本发明还提供一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，该基于三维dic的土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法能真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和垫层土石颗粒对土工膜的刺破作用，详细记录水压力作用下土工膜表面凹凸变形和应变的发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性。
一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，包括如下步骤：
步骤1，土工膜上散斑喷洒：将裁剪好的土工膜单面均匀喷洒散斑，散斑要求在三维dic测量系统中记录的数字图像维持在3-6个像素。
步骤2，土石料填充：在垫层室内按设计要求填充土石料，用于模拟土工膜垫层。
步骤3，安装卤素灯和ccd相机：将卤素灯同轴安装在垫层室的正上方，卤素灯到垫层室顶部的距离大于膜上压力室的高度，两个ccd相机对称安装在卤素灯的两侧，两个ccd相机均与计算机电连。
步骤4，ccd相机的标定：标定时，将标定板放在土石料表面，标定板的特征面面向ccd相机，调整ccd相机与标定板之间的距离和放置角度，使标定板在三维dic测量系统中清晰呈像，标定过程多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，ccd相机同时对标定板的每个姿态进行成像，通过图像处理技术识别多个特征点，利用特征点间的空间关系求解相机的内外参数。
步骤5，土工膜放置：将土工膜平铺在步骤2填充的土石料表面，并将喷洒有散斑的一面朝上。
步骤6，压力室及加压系统安装：将压力室置于土工膜上方，并使垫层室，土工膜和压力室之间形成密封可拆卸连接；加压系统通过输水管与压力室相连接，并使压力室内注满水体。
步骤7，土工膜水力顶破和颗粒刺破变形试验：启动加压系统和三维dic测量系统，试验过程中加压系统按照设定的加压速率分级加压，记录加压过程，同时对压力室内的水压力进行监测；与此同时，三维dic测量系统中两个ccd相机按照设定采集速率，对土工膜表面上的散斑进行数字图像拍摄，并将拍摄的数字图像传输给计算机。
步骤8，土工膜变形和应变发展过程记录：计算机对拍摄的数字图像进行处理；具体处理方法为：先对同一时刻下两个ccd相机拍摄的散斑的左右两张数字图像进行立体匹配，计算得到左右两张数字图像中对应散斑点的视差，从各散斑点的视差数据和步骤4中已获得的标定后的相机内外参数，实现对土工膜表面三维形貌的重构；然后，对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配，结合时序匹配和立体匹配，可计算得到各散斑点在变形过程中的空间三维坐标，进一步计算变形前后土工膜表面各散斑点的三维坐标，从而获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，也即土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程。
步骤9，土工膜破裂后，土石料垫层水力特性研究：持续加压，当土工膜被水力顶破或被垫层土石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，三维dic测量系统停止工作，取出土工膜，测量记录垫层土石料冲刷坑的形状和大小。
步骤10，土工膜厚度选择：更换为不同厚度的土工膜，重复步骤1至步骤9，从而得到不同厚度土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程，获得不同厚度土工膜的水力顶破和刺破变形抵抗强度，以及不同厚度土工膜顶破刺破后土石料垫层的水力特性，根据实际工程设计，选择合适厚度的土工膜。
所述步骤4中的标定板为方格尺寸为23mm×23mm的黑白棋盘格。
步骤4中，ccd相机标定的过程中，采用优化迭代函数对相机的内外部参数做全局优化，将定位精度不低于0.05像素所对应的ccd相机内外参数作为所求解的相机内外参数，从而避免噪声影响和计算误差。
优化迭代函数为：
其中，n为ccd相机拍摄的标定板图像的数目，ml,j为左ccd相机拍摄的标定板图像特征点的数目，mr,j为左ccd相机拍摄的标定板图像特征点的数目，
步骤8中，对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配时，利用二维dic基本原理，跟踪某个散斑点在单个ccd相机数字图像中的位置变化，结合立体匹配，计算得到该散斑点在变形过程中的空间三维坐标，进一步计算变形前后土工膜表面各散斑点的三维坐标，获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，再对位移场进行局部最小二乘拟合，经过数值差分计算得到土工膜水力顶破和颗粒刺破变形过程中的应变场。
本发明具有如下有益效果：
1.上述土工膜铺设在压力室和垫层室之间，试验时垫层室内填充土石料，通过加压系统对膜上充满水的膜上压力室内施加压力，真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和土石料颗粒对土工膜的刺破作用。
2.在模拟土工膜水力顶破和颗粒刺破变形过程中，利用三维dic系统对喷有散斑的土工膜试样表面进行图像拍摄，实时进行数字化处理，全程记录水压作用下整个土工膜表面变形和应变发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度，为实际工程设计时选择合适厚度的土工膜提供依据。
3.能反映土工膜下垫层的水力特性，可以进一步研究土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏对下垫层产生的影响，评估土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏造成的危害程度，为实际工程中土工膜的修补与更换提供建议。
4.本发明采用非接触的方式测量颗粒垫层上整个土工膜的变形和应变，对测量装置的抗压性能与防水性能无特殊要求，测量结果准确，测试过程简单方便，这是位移计等传统接触式变形测量方法无法实现的。
附图说明
图1显示了本发明土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置的结构图。
图2显示了带散斑的土工膜的俯视图。
图3显示了不同旋转角度下标定板的拍摄图像。
图4显示了三维dic测量流程图。
图5显示了二维dic基本原理图。
图6显示了立体匹配原理图。
其中有：1、基座，2、垫层室，3、压力室，4、土工膜，5、压力表，6、螺栓，7、输水管，8、出水管，9、加压系统，10、土石料，11、三维dic测量系统，11-1、ccd相机，11-2、卤素灯，11-3、计算机，12、流量计。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，包括加压变形模拟装置和三维dic测量系统11。
加压变形模拟装置包括加压系统9和从下至上依次同轴设置的基座1、垫层室2、土工膜4和压力室3。
垫层室底部与基座固定连接，垫层室侧壁底部优选设置有出水管，出水管上优选设置有流量计12。这样，当土工膜破裂后，通过观察流量计的出水量等，能进一步研究土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏对下垫层产生的影响，评估土工膜顶破和刺破后缺陷渗漏造成的危害程度，为实际工程中土工膜的修补与更换提供建议。
垫层室顶部开口，垫层室优选由不锈钢材料制成。
垫层室内填充有土石料，土石料优选土料和各种粒径砂砾料的混合物，最大干密度为1.96g/cm3。其中，砂砾料的颗粒级配优选如表1所示。
表1垫层料各粒组质量百分比
土工膜铺设在土石料顶部，如图2所示，土工膜的上表面均匀喷洒有散斑，散斑在三维dic测量系统中记录的数字图像优选不低于3个像素，进一步优选为3-6个像素。
压力室底部开口，压力室顶部由透明材料制成，优选整体均为有机玻璃。压力室上优选设置有压力表。
垫层室，土工膜和压力室之间为密封可拆卸连接，优选垫层室的顶部设置有法兰盘，压力室的顶部和底部均优选设置有法兰盘，优选通过螺栓6将垫层室，土工膜和压力室进行密封连接。
压力室与土工膜围合形成一个密封腔室；加压系统优选通过输水管7与压力室的侧壁相连接，用于向压力室内提供压力水。
三维dic测量系统包括卤素灯11-2、计算机11-3和两个均与计算机相连接的ccd相机11-1。其中，卤素灯同轴设置在压力室的正上方，两个ccd相机对称设置在卤素灯的两侧，两个ccd相机的中心轴线相交夹角在30°到60°之间，优选成45°，两个ccd相机的中心轴线的相交点位于土工膜表面。
一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，包括如下步骤。
步骤1，土工膜上散斑喷洒：将裁剪好的土工膜单面均匀喷漆散斑，散斑要求在三维dic测量系统中记录的数字图像不低于3个像素，优选为3-6个像素。
步骤2，土石料填充：在垫层室内按设计要求填充土石料，用于模拟土工膜垫层。
步骤3，安装卤素灯和ccd相机：将卤素灯同轴安装在垫层室的正上方，卤素灯到垫层室顶部的距离大于膜上压力室的高度，两个ccd相机对称安装在卤素灯的两侧，两个ccd相机均与计算机电连。
步骤4，ccd相机的标定：标定时，将标定板放在土石料表面，标定板的特征面面向ccd相机，调整ccd相机与标定板之间的距离和放置角度，使标定板在三维dic测量系统中清晰呈像，标定过程多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，ccd相机同时对标定板的每个姿态进行成像，通过图像处理技术识别多个特征点，利用特征点间的空间关系求解相机的内外参数。
上述标定板优选为方格尺寸为23mm×23mm的黑白棋盘格，如图3中的(a)～(d)图。
通过标定板标定能够获得左右相机的内参矩阵al、ar和畸变系数矩阵kr、kl，以及系统的外参矩阵包括旋转矩阵r和平移向量t。标定时，使标定板特征面面相ccd相机，多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，ccd相机同时对标定板的每个姿态进行成像，共优选拍摄10组标定图片，通过图像处理技术识别黑白方格的角点，不同旋转角度下标定板的拍摄图片如图3所示，图中黑白方格各角点用数字排序，利用各角点之间的空间关系求解系统的内外部参数。
标定时由于噪声的影响和计算误差，求解的ccd双相机内外参数存在一定偏差，标定过程中需要采用优化迭代函数对相机的内外部参数做全局优化，将定位精度进一步提高，要求定位精度不低于0.05像素，最终定位精度优选为0.05像素，优化函数为：
其中，n为ccd相机拍摄的标定板图像的数目，ml,j为左ccd相机拍摄的标定板图像特征点的数目，mr,j为左ccd相机拍摄的标定板图像特征点的数目，
优化之后求解得到的系统内外部参数如下：
左相机内部参数：
右相机内部参数：
左相机畸变参数：
kl＝(-0.13660.8737)t
右相机畸变系数：
kr＝(-0.12610.9449)t
系统的外参矩阵：
t＝(-321.5869-0.105552.6802)t
步骤5，土工膜放置：将土工膜平铺在步骤2填充的土石料表面，并将喷洒有散斑的一面朝上。
步骤6，压力室及加压系统安装：将压力室置于土工膜上方，并使垫层室，土工膜和压力室之间形成密封可拆卸连接；加压系统通过输水管与压力室相连接，并使压力室内注满水体。
步骤7，土工膜水力顶破和颗粒刺破变形试验：启动加压系统和三维dic测量系统，试验过程中加压系统按照设定的加压速率(优选为2kpa/s)分级加压，记录加压过程，同时对压力室内的水压力进行监测；与此同时，三维dic测量系统中两个ccd相机按照设定采集速率(优选为帧/4s)，对土工膜表面上的散斑进行数字图像拍摄，并将拍摄的数字图像传输给计算机。
步骤8，土工膜变形和应变发展过程记录：计算机对拍摄的数字图像进行处理；具体处理方法包括如图4所示的两个步骤。
步骤一，立体匹配：同一时刻下，两个ccd相机形成45°拍摄角度，拍摄的散斑的左右两张数字图像进行立体匹配，计算得到左右两张数字图像中对应散斑点的视差，不同角度同时对土工膜表面散斑进行拍摄，获取左右两幅图像，计算得到左右两幅图中对应散斑点的视差，并通过系统标定获得左右相机的内参矩阵al、ar和畸变系数矩阵kr、kl，以及系统的外参矩阵包括旋转矩阵r和平移向量t，从各散斑点的视差数据和已经获得的标定的相机内外参数计算该时刻各散斑点的三维坐标，三维坐标的计算为现有技术，这里不再赘述，从而得到该时刻土工膜表面三维形貌。
步骤二，时序匹配：对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配，并结合立体匹配，计算得到散斑点在变形过程中的空间三维坐标，进一步计算变形前后土工膜表面各散斑点的三维坐标，从而获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，也即土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程。
步骤8中，对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配时，利用如图5所示的二维dic基本原理，跟踪土工膜表面某个散斑点在单个相机图像中的位置变化，即从土工膜变形前图像中以某个散斑点p(x0,y0)为中心，选取一个大小为(2m+1)×(2n+1)的矩形参考子区，用f(x0,y0)表示，再从土工膜变形过程中的图像中找到一个以点p*(x*,y*)为中心的变形子区g(x*,y*)，使变形子区与参考子区相关程度最大，则p*(x*,y*)就是原始散斑点p(x0,y0)变形后的位置。然后结合立体匹配，得到变形过程中该散斑点在z轴方向的坐标z*，立体匹配过程如图6所示，进一步得到该散斑点在变形过程中的空间三维坐标p*(x*,y*,z*)，通过计算该散斑点变形前后的坐标p(x0,y0,z0)与p*(x*,y*,z*)之差，得到土工膜表面该散斑点在x、y和z方向的位移u、v和w，采用相同方法，进一步计算变形过程中土工膜表面各散斑点的三维坐标，获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，再对位移场进行局部最小二乘拟合，经过数值差分计算得到土工膜水力顶破和颗粒刺破变形过程中的应变场。
上述变形目标子区与参考子区相关程度的评价由相关函数实现，相关函数利用变形目标子区与参考子区内部的灰度信息进行数学计算，获得一个量化的标量值，寻找使标量值出现极大值的目标子区作为最终的目标子区，相关函数的表达式为：
其中，u、v分别为散斑点在x和y方向的位移，f(x0,y0)为参考子区灰度值，g(x*,y*)为变形子区灰度值，fm、gm分别为参考子区与目标子区的灰度平均值。
步骤9，土工膜破裂后，土石料垫层水力特性研究：持续加压，当土工膜被水力顶破或被土石料中砂砾石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，优选为30min后，加压系统停止加压，三维dic测量系统停止工作，取出土工膜，测量记录土石料冲刷坑的形状和大小。
步骤10，土工膜厚度选择：更换为不同厚度的土工膜，如根据需要，步骤1中先选择1mm厚的土工膜，本步骤中依次选择1.5mm、2mm和2.5mm等厚度的土工膜，重复步骤1至步骤9，从而得到不同厚度土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程，获得不同厚度土工膜的水力顶破和刺破变形抵抗强度，以及不同厚度土工膜顶破刺破后土石料垫层的水力特性，根据实际工程设计，选择合适厚度的土工膜。
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。
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