[发明专利]一种用于模拟水位升降过程坝体土变形的试验系统及方法

说明书

本发明公开了一种用于模拟水位升降过程坝体土变形的试验系统及方法，主要包括杠杆加载装置、试验系统、高精度水压装置；试验系统安装在杠杆加载装置上，在试验系统一侧设有高精度水压装置；其中杠杆加载装置由承台、基座、平衡锤、杠杆、砝码、立柱和滑轨组成；试验系统包括千分表、有孔铜制传压盖、铜制导环、透水石、钢制压缩环刀和压力室；高精度水压装置由高精度水压表和水压试验机组成。采用本发明公开的模拟坝体土水位升降过程变形试验系统，通过独立施加上覆土压力和孔隙水压力，可实现不同深度荷载和任意水压力的精准组合，模拟水位升降作用下不同深度坝体土真实性状及全过程变形。

技术领域

本发明涉及一种水利科学研究领域，具体为一种用于模拟水位升降过程坝体土变形的试验系统及方法。

背景技术

我国共有水库大坝9.8万余座，其中90％以上为土石坝，主要建设于上世纪50～70年代，在防洪、灌溉、供水、发电等方面发挥了巨大的社会效益、经济效益和生态效益。特殊的历史时期和经济技术条件导致这些大坝存在先天不足，且超设计使用年限运行的现象较为普遍，随着运行年限的增加，土石坝的病险问题日益突出。因此，病险土石坝的加固和处理已成为我国水利工程建设与管理的一项长期而艰巨的任务。

近年来，在加固后的安全鉴定工作中发现有相当数量的防渗墙加固土石坝在运行多年后出现了坝顶裂缝问题。由于对加固坝体变形规律及内在机制的认识不足，导致对坝体变形稳定趋势、裂缝危害程度等涉及大坝安全的关键问题缺乏科学判断。当前，加固坝体的变形分析已成为推进大坝结构安全评价的关键技术瓶颈。

传统土体变形试验方法(如三轴压缩试验、固结试验等)主要适用于新建土石坝施工期或蓄水运行初期的变形分析，此时的坝体土自重荷载、水位荷载、湿化和固结等因素作用较为明显。针对已经运行几十年的老坝，库水位反复升降引起的坝体土变形已成为运行期大坝总体变形的主要贡献因素，此时，传统土体变形试验方法已不能满足。因此，准确模拟库水位升降作用下的坝体土变形是破解加固坝体变形难题的关键，发明相应的试验系统及方法十分迫切和必要。

坝体土受力主要分为竖直方向的上覆土压力与孔隙水压力。本试验由杠杆加载装置提供稳定的轴向压力，杠杆加载装置由承台、基座、平衡锤、杠杆及砝码组成，通过杠杆加压原理，增加砝码重量的方式向传力杆提供轴向压力，轴向压力通过传力杆施加到压力室内的试件上，传力杆一端在铜制有孔传压盖顶端，另一端外延伸出压力室，连接处采用橡胶止水隔绝渗水，传力杆、有孔铜制传压盖、铜制导环的组合向试件传递，该轴压施加系统可以较好地模拟土体自重应力。本试验由高精度水压装置向压力室内注水，高精度水压装置由高精度水压表、水压试验机组成，通过高精度水压表读取水压力值，采用水压试验机调节水压力值至目标值，进而实现水压力值的精确调控。孔隙水压力透过透水石、有孔铜制传压盖向试件稳定传递。稳定的轴向压力可以模拟坝体土的上覆土压力进行固结，而不同深度的孔隙水压力可以通过控制压力室内水压力大小来实现。

一般的强度试验方法(侧向荷载通过围压实现，如三轴压缩)，用橡胶套固定土样试件，不限制土体的侧向变形，土体会同时发生竖向和侧向变形，随着主应力差的增大土体发生变形破坏，主要研究的是土体的剪切破坏作用。本发明采用钢制压缩环刀实现土样侧向约束，独立施加竖向荷载，只产生竖向变形，不产生侧向变形和剪切变形，模拟坝体土真实应力状态；

传统三轴试验设备土体试件并不时刻与水接触，而是通过向橡胶套筒施加水压的方式，向土体试件施加围压，并不能模拟土体试件在侧向约束条件下不同孔隙水压力作用的变形过程。本发明的铜制传压盖、铜制导环，其作用是为了传递轴压，并且在此基础上对铜制传压盖进行了打孔处理，其目的是为了将水与土体试件充分接触，从而使得孔隙水压力更好地传递到土体内部。

发明内容

本发明的目的是为了模拟坝体土水位升降过程变形的试验，维持轴向压力限制试样侧向变形，模拟不同稳定孔隙水压力作用下坝体土某一点处的竖向变形；提供一种利用钢制压缩环刀实现侧向约束的变孔隙水压力条件下土体变形试验方法，系一种用于模拟水位升降过程坝体土变形的试验系统及方法。