[发明专利]一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台

说明书

技术领域

   本发明涉及一种用于水工结构工程技术领域的模型试验装置，特别是涉及一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台。

背景技术

   对于建在深覆盖层上的堆石坝，由于覆盖层坝基及坝体的变形较大，坝面会产生较大挠曲变形。而对于堆石坝面土工膜防渗结构（简称面膜防渗结构），过大的挠曲将会导致土工膜垫层和保护层产生开裂甚至错动而破坏，进而危及土工膜在水压力作用下的安全。面膜防渗结构一般由垫层、防渗膜和保护层等多层材料组成，且各层材料力学特性差异较大，所以防渗结构的受力变形特性、破坏模式、各层之间的相互作用及机理都较为复杂。为深入揭示堆石坝面膜防渗体在复杂条件下的受力变形规律及破坏机理，准确评价防渗结构安全性，并提出经济、有效的安全保证措施，需要针对不同荷载和位移边界条件下单位宽度内（沿坝轴线方向）面膜防渗结构开展大比尺的模型试验研究，从而为工程设计和数值计算提供验证和科学依据。

   在本发明之前，一般土石坝防渗结构受力变形特性模型试验常采用离心机模型试验方法，离心模型试验需要满足力学相似原理，通过比尺换算可得到原型结构的受力变形性状；但对于土工膜上游面堆石坝，尤其是深覆盖层上土工膜上游面防渗堆石坝，采用离心模型试验方法，其效果不够理想，其主要原因如下：

   （1）如果采用大比尺离心模型试验，由于堆石坝体积较大，再加上深覆盖层，即使大型的离心机也无法容纳整个模型；如果将比尺进一步缩小，相对于整个坝基及坝体，面膜防渗结构尺寸太小（土工膜厚度原型尺寸不到2mm），其材料特性和结构型式在离心模型中均无法模拟；

   （2）由于整体模型中的防渗结构尺寸太小，测试仪器的选型、布置和埋设也很困难；

   （3）如果采用局部离心模型试验，局部结构模型不同部分的边界条件很难确定，也无法在离心机中准确模拟；

   （4）离心模型试验成本也相对较高，所以该试验方法的经济性较差。

发明内容

   本发明的目的在于克服上述现有堆石坝面膜防渗结构模型试验技术的不足，提供了一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，使其能够模拟堆石坝面膜防渗结构的真实水压力荷载和挠曲位移边界条件，揭示其受力变形规律及破坏机理，为工程设计和安全评价提供科学依据。

   本发明采用以下技术方案实现：

  一种深覆盖层上堆石坝面膜防渗结构模型试验平台，包括模型箱、反力架、加载系统、水压力模拟装置、挠曲变形模拟装置和测试系统。其主要技术特征在于：模型箱置于反力架内部，挠曲变形模拟装置位于模型箱底部以模拟防渗结构底部挠曲变形位移边界条件，试验所用的防渗结构模型放在挠曲变形模拟装置之上，加载系统通过反力架施加竖直向下的压力，并经水压力模拟装置将柔性均布的压力荷载传递到防渗结构模型顶部表面，布置于结构模型内部的土压力传感器、应变计、位移计和数据采集仪及模型箱侧面的高清数码摄像机一起构成测试系统对结构性态进行实时监测。

   所述的模型箱由钢制框架、底板、可视窗口和侧板组成；可视窗口位于模型箱正前侧面，为加厚的透明有机玻璃板，其他三个侧板和底板均为钢板；箱体内壁粘贴聚四氟乙烯薄膜，保证侧壁足够光滑以减小内壁摩擦阻力带来的影响，背面侧板上预设两排小孔，以便测试数据线从模型箱内引出，模型箱置于反力架的底座上。

   所述的反力架由型钢焊接制成，是由两个龙门、斜撑和底座构成的框架结构，后方侧面设置斜撑以增加整体刚度。

   所述的加载系统由同步液压千斤顶、液压控制装置、传力底座和橡胶垫块组成。千斤顶为一拖二（或三、四）式同步液压千斤顶，可根据结构尺寸和荷载大小选取型号，并通过改造在千斤顶的顶部和底部设置两块方形钢制的传力板，一方面可传递荷载，同时可增加侧向稳定性；液压控制装置由手动油泵、活塞泵、压力表和输油管组成，手动泵和活塞泵进行并联，二者组合控制可以对荷载进行粗调和微调。传力底座为“斗”型钢制结构，主要起到传递、分散压力荷载以及增加侧向稳定性的作用。

   所述的水压力模拟装置由刚性加载板和软胶充填袋组成，充填袋采用高强防水布制作，采用工业缝纫机按照设计尺寸制成“枕头”形袋体，只要防水布和缝制时所采用线的强度足够大，充填袋就能提供足够压力，袋内充填流塑态的软胶物质，该软胶具有一定流动性既可以随袋体变形在袋体内流动；同时又具有较强的黏性，不会因袋体有微小缝隙而大量泄漏，可以保持袋内压力保持稳定。液压加载系统施加的压力通过加载板和软胶充填袋传递到结构模型表面，从而实现大面积的柔性荷载的施加，袋体制作工艺简单，软胶可重复利用，成本较低。