一种用于研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置的制作方法

本实用新型涉及一种用于研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置，属于水利建筑低温试验装置技术领域。

背景技术：

在我国寒冷地区建设有许多混凝土坝，在冬季运行过程中，水库库水结冰并与大坝冻结。水结冰过程会产生体积膨胀，对建筑物产生推力，即冰推现象。在发电或者温度改变等因素影响下，水库水位发生上升或者下降，冰层受到水和重力等的影响，进而产生冰层对大坝的应力，即冰拔现象。现目前我国高寒地区兴建的大坝，为减少冻融循环对坝体表面的损伤，会在表面铺设保温层。而低温环境下，冰会与保温层直接作用，对保温层产生破坏，致使其提前老化或者脱落等，因此需要进行相关的防治措施研究。若直接在实际工程上进行实验研究，则耗费耗时巨大；而采用在实验室模拟天然的冰与建筑结构相互作用的条件，则进行定性定量的验证变得非常重要。现目前实验室研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置仍然很少。

技术实现要素：

为了满足以上所述的需求，本实用新型的目的在于提供一种研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置，本实用新型能够实现对冰层加压用以模拟冰拔现象，同时可以实时监测冰推现象，能够定量的针对冰推冰拔进行实验。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

本实用新型提出的一种研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置，其特征在于，包括增压水泵，和内设有试验筒的低温冰箱；所述试验筒具有双层侧壁，侧壁夹层内填充有保温材料，所述试验筒的内外侧壁上设有水管接口，试验筒通过该水管接口及水管与所述增压水泵连接；所述试验筒的内侧壁上对称设有贯穿于内侧壁且向试验筒内部延伸的两块肋板，两块肋板同时与一块用于模拟坝体的试验板可拆卸连接，且两块肋板与试验板间留有一定间隙，所述试验板的试验侧覆盖有待测试保温板，通过两块肋板和试验板将试验筒分隔为两个区域，当进行冰拔试验时，试验筒内两区域连通，当进行冰推试验时，在两块肋板与试验板间增设密封部件，使得试验筒内两区域不连通；在位于任一肋板附近的试验筒侧壁上镶嵌一透明刻度条，用于测量冰面厚度以及试验过程中试验板上保温层与冰面之间的错动位移；在试验板的试验侧布设有传感器，用于采集试验板上保温板的受力信息并通过有线或无线方式传输至信号接收器，该信号接收器将接受的信息传输至外部控制端进行后续的数据处理。

进一步地，所述试验筒的内外侧壁间距为10～70mm。

进一步地，所述传感器位于水面处附近，且试验过程中，保证该传感器与试验板上的保温板相接触。

进一步地，在向所述试验筒注水过程中，所述增压水泵不提供压力，待所述试验筒在水面处完全凝结形成冰层后，通过所述增压水泵向试验筒冰面以下的水体提供压力，间接向冰层提供压力，实现模拟冰拔或冰推现象。

本实用新型的特点及有益效果：

本试验装置通过对冰层加压用以模拟冰拔现象，此外，还可以模拟冰推现象，能够对试验中需要的物理量进行实时测量记录，如水压力、测试材料的应变、错动位移等。得到这些数据后，可以利用有限元及离散元软件建模，进行数据模拟，进一步研究相关的问题。以及，还可以利用本装置，检验测试材料的抗冰拔性能。采用本试验装置，可在实验室进行相关的实验，不需要到实际工程上进行实验，而在实际工程中冰拔冰推过程缓慢，不利于研究监测，采用本装置可大幅缩短耗时；另一方面，利用本试验装置在室内进行试验，排除了天气、场地等因素对试验的干扰，便于试验研究；且试验过程方便控制，便于多次重复试验。总体而言，本试验装置极大的方便了科研人员进行低温环境下冰与坝体的相互作用研究，且节省耗费。

附图说明

图1为本实用新型实施例的一种用于研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验系统示意图。

图2为图1所示试验筒的俯视图。

图3为图1所示试验板的结构示意图。

图中标号：

1—低温冰箱；2—增压水泵；3—试验筒；4—水管；5—水管接口；6—保温材料；7—透明刻度条；8—肋板；9—试验板；10—传感器；11—数据线；12—信号接收器。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步说明，但本实用新型并不局限于以下实施例。

如图1～3所示，本实用新型提出的一种用于研究低温环境下冰与坝体相互作用的试验装置，包括：增压水泵2，和内设有试验筒3的低温冰箱1；所述试验筒3为顶部敞口底部封闭的筒体，该筒体具有双层侧壁，侧壁夹层内填充有保温材料6，试验筒3的内外侧壁上设有水管接口5，试验筒3通过该水管接口及水管4与增压水泵2连接(水管4和水管接口5的连接方式优选为螺纹连接)；试验筒3的内侧壁上贯穿对称设有向试验筒内部延伸的两块肋板8，两块肋板8同时与一块用于模拟坝体的试验板9可拆卸连接，且两块肋板8与试验板9间留有一定间隙，试验板9的试验侧覆盖有待测试保温板(该保温板在图中未示意出)，通过两块肋板8和试验板9将试验筒3根据试验具体需求分隔为大小不同的两个区域，两块肋板8位于面积较小的区域内，当进行冰拔试验时，试验筒3内两区域连通(即两块肋板8与试验板9之间的间隙不进行密封处理)，当进行冰推试验时，在两块肋板8与试验板9间增设密封部件(该密封部件在图中未示意出)，使得试验筒3内两区域不连通；在位于任一肋板8附近的试验筒3侧壁上镶嵌一透明刻度条7，用于测量冰面厚度以及试验过程中试验板9上保温层与冰面之间的错动位移；在试验板9的试验侧布设传感器10，该传感器用于采集试验板9上保温板的受力信息并通过有线或无线方式传输至信号接收器12，该信号接收器将接受的信息传输至外部控制端进行后续的数据处理。

本实用新型实施例各组成部件的具体实现方式及功能说明如下：

本实施例的试验装置中，低温冰箱1，用于为试验提供低温环境(如可提供-30℃～-5℃的低温环境)，试验时将试验筒3置于低温冰箱1中，通过增压水泵2加水后降温，结冰后再进行后续试验。

试验筒3可采用满足抗压要求的钢、玻璃或塑料制成。试验筒3的尺寸与低温冰箱1的尺寸相匹配，使得试验筒3容纳于低温冰箱1内。试验筒3内外侧壁的间距为10～70mm，优选50mm，通过在试验筒3的侧壁内填充保温材料6，以避免试验过程中冰层以下的试验筒3内壁结冰，所述保温材料6包括发泡保温材料、气凝胶、聚氨酯泡沫、聚苯板或酚醛泡沫中的一种或多种，优选发泡保温材料。试验筒3上部开敞底部封闭，便于从敞口处向试验筒3内注水，或者可通过增压水泵2、水管4和水管接口5向试验筒3内注水(注水时，增压水泵不提供压力)。试验筒3的内侧壁上贯穿对称设置的两块肋板8，肋板8与试验筒3为一体成型结构，采用与试验筒3相同的材质制成；两肋板8向试验筒3内部延伸的长度均分别为50～100mm，两肋板8和试验板9的上沿均与试验筒3上沿齐平。试验板9用于模拟坝体，为采用与待模拟坝体相同材质制成的平板结构，在该平板结构的试验侧(本实施例中为试验板9左侧)覆盖有保温板；试验板9和两肋板8的相应处均布设有多个螺栓孔，利用螺栓将试验板9的两侧边与相应肋板8固定，实现试验板9和肋板8间的可拆卸连接。镶嵌在试验筒3侧壁上的透明刻度条7可以是有机玻璃条，设置有刻度，用于测量冰层厚度以及试验过程中试验板9上保温层与冰面之间的错动位移。模拟冰推时，试验板9两侧区域内的水不能连通，肋板8与试验板9连接后需要进行密封处理(例如可在试验板9和两肋板8间增设密封条进行密封)。模拟冰拔时，可拆卸试验板9两侧区域内的水连通，肋板8与试验板9连接后不需要进行密封处理。

增压水泵2，采用变频式增压水泵以便于调整试验时的水压，可设定水压大小与实际工程中冰面以下水压大小一致，使用水管将水泵与试验筒侧壁上水管接口连接并进行充水。待试验筒3在水面处完全凝结形成冰层后(主要用于保证加压时的密封性，防止泄露)通过增压水泵向试验筒3冰面以下的水体提供压力，间接向冰层提供压力，从而模拟冰拔或冰推现象。增压水泵2可以置于冰箱1内或冰箱1外，当增压水泵2置于冰箱1内时，应选择在低温环境下能正常工作的增压水泵。

传感器10，可根据实验目的选择不同的传感器类型，例如压力传感器，位移传感器，应变片(根据需要布设，用于采集压应变以及剪应变，监测压应力和剪应力)等。本实施例采用常规的压力传感器，通过在试验板9上(优选中部偏上位置)设置的一排通孔将传感器10安装于试验板9上，且传感器10位于水面处附近，试验过程中，保证传感器10与待测试保温板相接触。传感器10通过信号线11或通过无线传输方式将采集到的试验板9上保温板的受力信息传输至信号接收器12，信号接收器12可记录压力信息的实时变化，根据信号接收器的记录可得知极限荷载等信息。

利用本实施例实验装置进行冰拔破坏模拟试验的具体过程如下：

先将试验板9固定在两块肋板8上，且试验板9与两肋板8间具有一定间隙。向试验筒3中充水至合适高度，水体同时注入试验筒3的两个区域。利用低温冰箱1提供的低温环境使试验筒3中的水面结冰至合适厚度并确保冰层完全凝结完毕后通过记号笔对冰层位置进行标记。利用增压水泵2对冰层下方水体进行加压，压力大小以实际工程中测量的冰面下方水压为准。利用透明刻度条7测量冰面与标记之间的距离，即冰面与保温材料6之间的错动位移，以及冰层厚度，观测试验板9上保温板的破坏形态，通过传感器10和信号接收器测量并记录此时试验板9上保温板的压力大小。利用监测的压力数据，可以用数值模拟软件如abaqus等对冰拔过程进行建模，进一步对待研究的问题进行研究。

利用本实施例实验装置进行冰推模拟试验的具体过程如下：

先将试验板9固定在两块肋板8上并在间隙处进行密封处理；然后向试验筒3中试验板9的试验侧充水至合适高度，保证试验板9另一侧所在的试验筒区域内没有水。利用低温冰箱1提供的低温环境使试验筒3中的水面结冰至合适厚度并确保冰层完全凝结完毕后通过记号笔对冰层位置进行标记，利用增压水泵2对冰层下方水体进行加压，压力大小以实际工程中测量的冰面下方水压为准。利用透明刻度条7测量冰面与标记之间的距离，即冰面与保温材料6之间的错动位移，以及冰层厚度，观测试验板9上保温板的破坏形态，通过传感器10和信号接收器测量并记录此时试验板9上保温板的压力大小。

此外，还可利用本实用新型装置进行水位降低时的冰拔破坏模拟试验：待冰层在低温环境下达到合适厚度后，利用增压水泵2抽去冰层下方水体，在冰层上方放置质量块，以模拟水位降低时的冰拔破坏并进行相关的测量。其余实验操作与上述相同。

以上所述仅为本实用新型的部分实施例，不代表本实用新型的所有实施例，凡在本实用新型精神、原则以内进行的修改、替换、改进等，均应在本实用新型的保护范围内。