本发明专利技术公开了一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置，它由高压水发生装置、渗流装置和测量装置组成；其中，渗流装置由密封容器、过渡层、反滤层和心墙料层组成，心墙料层上预置有裂缝；高压水发生装置的出水口与密封容器上部连接，测量装置与密封容器下部的出水口连接。本发明专利技术的有益技术效果是：通过实验可得到心墙在不同颗粒级配、不同含水率、不同干密度、不同裂缝类型情况下的单位时间渗水量与水压力的关系，进而得到心墙裂缝自愈合的条件，为修建和加固水坝时的材料层选择及水库的运行管理提供依据。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种水库大坝建设、加固领域，尤其涉及一种土石坝心墙裂缝自愈合 的试验装置、方法。
技术介绍
在土石坝工程中，以土质心墙为主要防渗体的心墙坝占有相当大的比例，心墙的 完整性是大坝安全的保障。只有当心墙完全均质时，即心墙内部各点的孔隙比、渗透性都相 同，土石坝的心墙才可能不产生裂缝，但这在实际工程中是不可能的，所以裂缝存在于土石 坝心墙中是一个普遍的问题，既可能在大坝建设过程中产生，也可能在建成后的蓄水运行 中产生。大约30%的土石坝事故是由于渐进性的管涌和侵蚀引起的。对于土质心墙坝而 言，心墙内的渐进性管涌和侵蚀可能发展成为集中渗漏，而当心墙存在裂缝时，渐进性的管 涌和侵蚀甚至集中渗漏现象更加容易发生。心墙裂缝成为威胁大坝安全的重要因素之一， 因此，研究心墙裂缝能否自愈合对确保大坝安全无疑具有重大意义。有关研究表明，在一定条件下心墙裂缝也可能发生自愈合，进而遏制渐进性侵蚀 的发展，或减弱甚至阻止侵蚀的发展。比如有效应力的增大，土粒在裂缝内的再沉积作用充 填堵塞裂缝，近裂缝表面的土粒膨胀引起裂缝宽度减小，这些作用都可能使心墙裂缝发生 自愈合。我国现有水库8. 7万多座，大型水库的大坝71%是土石坝，中型水库的大坝拟％是 土石坝，而小型水库的大坝几乎都是土石坝。而我国目前约有24%的大、中型水库和30% -40%的小型水库是病险水库，土石坝的安全状况令人忧患。如果心墙裂缝在一定条件下发生 自愈合，那么对大坝的安全具有重要意义，同时也对心墙堆石坝工程的建设和病险坝的加 固处治具有重要的工程意义。由于问题的重要性和复杂性，一直以来国内外尚无很好的试验方法及试验装置用 于研究土石坝心墙裂缝自愈合的机理、自愈合发生所需的条件和影响因素等，导致对其认 识很有限。解决问题的关键在于不知道心墙裂缝在何时、何种条件下发生自愈合。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术提出了 一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置， 它由高压水发生装置、渗流装置和测量装置组成；其中，渗流装置由密封容器、过渡层、反滤 层和心墙料层组成，过渡层、反滤层和心墙料层在密封容器按如下顺序从上至下排列过渡 层-反滤层-心墙料层-反滤层-过渡层；心墙料层上预置有裂缝；高压水发生装置的出水 口与密封容器上部连接，测量装置与密封容器下部的出水口连接。本专利技术还提出了基于土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置的试验方法，试验步骤如 下1)设计心墙料层和反滤层的颗粒级配，将过渡层、反滤层和心墙料层分层压实；其中， 心墙料层上设置有裂缝；2)采用高压水发生装置从上部向渗流装置加高压水，逐级增加高压水的压力，在每级压力下，保持相同时间(半小时以上)；3)记录每级压力下，测量装置中来自渗流装置的渗出水量；4)计算每级压力下，单位时间内的渗出水流量；5)改变心墙料层和反滤层的颗粒级配、裂缝类型，心墙料层含水率，心墙料层干密度， 反滤层干密度，重复步骤1)至4)；6)将实验结果制作成压力、历时及流量关系表，以及流量-历时关系曲线，根据压力、 历时及流量关系表和流量-历时关系曲线对不同条件下的裂缝愈合条件进行分析。本专利技术的有益技术效果是通过实验可得到心墙在不同颗粒级配、不同含水率、不 同干密度、不同裂缝类型情况下的单位时间渗水量与水压力的关系，进而得到心墙裂缝自 愈合的条件，为修建和加固水坝时的材料层选择及水库的运行管理提供依据。附图说明图1、土石坝心墙裂缝自愈合原理示意图； 图2、本专利技术的实验装置的结构示意图3、土石坝结构剖面示意图； 图4、实施例1的反滤层颗粒级配曲线； 图5、实施例1的心墙颗粒级配曲线； 图6、实施例1的实验中的流量-历时关系图； 图7、实施例2的反滤层颗粒级配曲线； 图8、实施例2的心墙颗粒级配曲线； 图9、实施例2的实验中的流量-历时关系图； 图10、实施例3的反滤层颗粒级配曲线； 图11、实施例3的心墙颗粒级配曲线； 图12、实施例3的实验中的流量-历时关系图。具体实施例方式在实际工程中，不可能使心墙内部各点的孔隙比、渗透性都相同，因此裂缝3-5存 在于土石坝心墙中是一个普遍的问题。裂缝3-5可能在大坝建设过程中产生，也可能在建 成后的蓄水运行中产生。如果是在大坝建设过程中产生可见的裂缝3-5，还可以通过观察裂 缝3-5情况来进行有针对性的补救。如果裂缝3-5是在建成后的蓄水运行中产生的，由于 裂缝3-5无法观察，使处治方案存在很大的盲目性，这将给大坝的安全埋下隐患。 在水库蓄水运行中，裂缝3-5的存在使得裂缝3-5及其附近的渗流场复杂化，在渗 流作用下，心墙裂缝3-5可能因梯度水压力作用而发生扩展，即水力劈裂；其产生条件从力 学角度来讲，裂缝3-5的发生与扩展必然是由于土体受力变形的结果，也就是裂缝3-5两边 的土体向离开裂缝3-5的方向产生位移；要产生这种位移，该区域的土体内就需要有与位 移方向一致或近乎一致的力的作用，这种力就是与劈裂面垂直的水压力或渗流力。但仅仅 有水压力还不足以产生水力劈裂，还需要压力差或压力梯度，更准确地说是要有力作用于 土体使其产生不连续的变形。此外，心墙材料的低透水性也是发生水力劈裂的必要条件。心 墙材料的低透水性与心墙裂缝3-5的高透水性使得“水楔”作用容易形成，而“水楔”作用正是心墙发生水力劈裂的力学原因所在。如果我们能够在建造大坝时，选择合适颗粒级配 的材料，就有可能有效降低因心墙裂缝3-5而带来的大坝安全隐患，也能在大坝建成后的 蓄水运行中，有针对性的对裂缝3-5进行处置。现有的研究结果表明，在一定条件下心墙裂缝3-5也可能发生自愈合，进而遏制 渐进性侵蚀的发展，或减弱甚至阻止侵蚀的发展，如有效应力的增大，土粒在裂缝3-5内的 再沉积作用充填堵塞裂缝3-5，近裂缝3-5表面的土粒膨胀引起裂缝3-5宽度减小而发生充 填或闭合；由于水力劈裂和自愈合现象都是发生在土石坝心墙的内部，无法直接观察(参见 图3大坝结构)，只能通过其伴随的外部现象来间接观察；水力劈裂现象发生时，即心墙裂 缝3-5的长度和宽度增加，坝体所渗流出的水量是增大的；自愈合现象发生时，即心墙裂缝 3-5的长度和宽度减小，坝体所渗流出的水量是减少的，其基本原理可简化为图1所示的原 理图。图中的拐点a表示从心墙裂缝3-5中渗流出来的水的流量突然增大，说明裂缝3-5已 开始扩展，即裂缝3-5发生了水力劈裂现象；拐点b表示经过一段时间后，从心墙裂缝3-5 中渗流出来的水的流量突然减小，说明裂缝3-5开始自愈合。基于此理论，本专利技术提出了一 种用渗出水量来表征心墙裂缝3-5变化情况的试验方法，试验步骤如下1)设计心墙料层3-4和反滤层3-3的颗粒级配，将过渡层3-2、反滤层3-3和心墙料层 3-4分层压实；其中，心墙料层3-4上设置有裂缝3-5，2)采用高压水发生装置2从上部向渗流装置3加高压水，逐级增加高压水的压力，在每 级压力下，保持相同时间；3)记录每级压力下，测量装置4中来自渗流装置3的渗出水量；4)计算每级压力下，单位时间内的渗出水流量；5)改变心墙料层3-4和反滤层3-3的颗粒级配、裂缝3-5类型，心墙料层3_4含水率， 心墙料层3-4干密度，反滤层3-3干密度，重复步骤1)至4)；6)将实验结果制作成压力、历时及流量关系表，以及流量本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置，其特征在于：它由高压水发生装置（２）、渗流装置（３）和测量装置（４）组成；其中，渗流装置（３）由密封容器（３－１）、过渡层（３－２）、反滤层（３－３）和心墙料层（３－４）组成，过渡层（３－２）、反滤层（３－３）和心墙料层（３－４）在密封容器（３－１）按如下顺序从上至下排列：过渡层（３－２）－反滤层（３－３）－心墙料层（３－４）－反滤层（３－３）－过渡层（３－２）；心墙料层（３－４）上预置有裂缝（３－５）；高压水发生装置（２）的出水口与密封容器（３－１）上部连接，测量装置（４）与密封容器（３－１）下部的出水口连接。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王俊杰，张亮，陈野鹰，刘明维，
申请(专利权)人：重庆交通大学，
类型：发明
国别省市：85
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