[發明專利]一種模擬心墻壩水力劈裂的可視化試驗裝置及試驗方法

有效

• 申請號: 202010026502.7
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111175139B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 甘磊;陳官運;馬洪影;吳健;馬澤鍇;徐超群
• 申請（專利權）人: 河海大學
• 主分類號: G01N3/12
• 分類號: G01N3/12;G01N3/06;G01N1/36
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 石艷紅

1.一種模擬心墻壩水力劈裂的可視化試驗裝置，其特征在于：包括壓力室殼體、圍壓施壓機構、軸壓施加機構、試樣裂縫破壞機構和監測機構；

壓力室殼體包括底座、壓力室頂蓋和連接底座和壓力室頂蓋的四塊側板，其中兩塊相對設置的側板為鋼板，另外兩塊相對設置的側板為透明板；

心墻試樣放置在壓力室的中部，心墻試樣朝向透明板的兩側面與透明板內壁面相接觸，心墻試樣朝向鋼板的兩側面均設置有砂層，且砂層與對應的鋼板之間均具有間隙，并形成兩個圍壓腔；其中一個圍壓腔為進水圍壓腔，另一個圍壓腔為出水圍壓腔；與進水圍壓腔相接觸的砂層稱為進水砂層，與出水圍壓腔相接觸的砂層稱為出水砂層；

心墻試樣具有垂直于透明板且水平貫穿的初始裂縫；初始裂縫鄰近進水砂層設置，且內部填充有示蹤砂層，示蹤砂層為預埋有彩色示蹤劑的砂層；

圍壓施壓機構包括水體、圍壓進孔、圍壓出孔和圍壓溢出管；水體通過圍壓進孔向進水圍壓腔施加圍壓，圍壓出孔和圍壓溢出管均與出水圍壓腔相連通；

軸壓施加機構位于心墻試樣頂部，用于向心墻試樣施加軸向壓力；

試樣裂縫破壞機構包括水體、水壓進孔和水壓出孔；水體通過水壓進孔向進水砂層施加初始裂縫破壞水壓；水壓出孔設置在位于出水砂層底部的底座中；

監測機構包括圍壓傳感器、水壓傳感器、軸壓傳感器、電磁流量計和孔壓傳感器；圍壓傳感器設置在圍壓進孔中，水壓傳感器設置在水壓進孔中，軸壓傳感器設置在軸壓施加機構中，電磁流量計設置在水壓出孔中；

孔壓傳感器設置在孔壓引水管上，孔壓引水管按設定間距埋置在心墻試樣中；孔壓引水管具有5根，均布設在初始裂縫與出水砂層之間，5根孔壓引水管與初始裂縫之間的距離分別為1mm、10mm、20mm、35mm、55mm；孔壓引水管插入心墻試樣中部且位于初始裂縫截面以下20mm，每根孔壓引水管上均布設進水孔，且外周均包裹有透水土工布，孔壓引水管頂端連接孔壓傳感器；

通過孔壓傳感器的測值，能夠監控到裂縫擴展過程；出水量的監測能夠用來反映裂縫擴展的情況，定量表征裂縫開度的變化。

2.根據權利要求1所述的模擬心墻壩水力劈裂的可視化試驗裝置，其特征在于：透明板為高強鋼化玻璃，能承擔不低于10MPa的圍壓。

3.一種模擬心墻壩水力劈裂的可視化試驗方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1，制作試樣模具：制作一個與心墻試樣尺寸相匹配的試樣模具；

步驟2，制備心墻試樣，具體制備方法，包括如下步驟：

步驟21，安裝試樣模具：將試樣模具安裝在底座上，在試樣模具內表面設置一層透明膜；

步驟22，試樣填筑：在試樣模具內分層填筑進水砂層、出水砂層及粘土心墻；

步驟23，埋置孔壓引水管：當試樣填筑到距離心墻試樣中部截面以下20mm處，將包裹有透水土工布的孔壓引水管按設定間距擺放并固定，繼續試樣填筑；

步驟24，制作初始裂縫：當試樣填筑至中部截面時，在鄰近進水砂層處布設貫穿心墻前后側面的示蹤砂層，示蹤砂層中的砂石中預埋有彩色示蹤劑；

步驟25，完成試樣制作：繼續填筑試樣至設定高度，將試樣壓蓋壓在試樣頂部，拆除試樣模具；

步驟3，安裝壓力室殼體：在制備的心墻試樣外側安裝壓力室殼體，壓力室殼體與進水砂層及出水砂層之間均具有圍壓腔，與初始裂縫相接觸的壓力室殼體為透明板；

步驟4，加載圍壓：打開圍壓溢出管的閘閥，通過圍壓進孔向圍壓腔內輸水，直至圍壓溢出管有水流出，關閉圍壓溢出管的閘閥，繼續向圍壓腔內輸水；此時，圍壓傳感器實時監測圍壓進孔內的輸水壓力，當達到設定的輸入壓力時，停止向圍壓進孔輸水；

步驟5，加載軸向壓力：軸壓施加機構向下移動，從而向心墻試樣施加軸壓，此時，軸壓傳感器實時監測所施加的軸壓，當達到設定的軸壓時，軸壓施加機構停止下移；

步驟6，加載試樣裂縫破壞壓力：通過水壓進孔向進水砂層中輸水，直至心墻試樣完全破壞；

步驟7，破壞過程的可視化監測：在加載試樣裂縫破壞壓力的同時，透過透明板觀察初始裂縫的發展，通過觀測彩色示蹤劑的運動，能直觀地觀測到初始裂縫內水流的流向和初始裂縫的發展過程。