专利名称：土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置、方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
针对背景技术中的问题，本发明提出了 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。本发明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。本发明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。


图1、土石坝心墙裂缝自愈合原理示意图； 图2、本发明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，本发明提出了一 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-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3-5愈合条件进行分析。其实验方案为
1)通过室内土力学实验，测试试验土料的物理、力学指标，确定液限，塑限，击实曲线， 抗剪强度指标等等；
2)根据土石坝有关规范和试验研究需要，设计心墙料和反滤料的颗粒级配；
3)多取几组不同的土样组合，不同的颗粒级配，不同的裂缝3-5类型等等，进行正交试 验方案设计，列出试验方案正交表；
4)连接试验装置；
5)制备试样模拟心墙土石坝，人为制备裂缝3-5；
6)通过高压水发生装置2，自上而下将水压入模拟心墙土石坝的试样中；
7)通过测量装置4，每隔一段时间读取从试样底部渗出水的体积，并计算每段时间内渗 流出来的水流量，得出渗出水流量与时间的关系8)根据设计的试验方案正交表，按照4)-7)步骤，重复试验；
9)利用同一坐标轴分析相关数据，得出结论。参见图2，本发明的试验装置为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。实施例1
试样由3种土料分5层制备，从下至上，分别是过渡层3-2、反滤层3-3、心墙料层3-4、 反滤层3-3和过渡层3-2。其中，过渡层3-2采用粗砂，其参数为0.5 2111111的土料，土质量111=20(^，含水率 w=4%，击实后的厚度h=2. 00cm。反滤层3-3的反滤料参数为土质量m=200g，含水率w=4%，干密度P d=l. 80g/cm3, 击实后的厚度h=2. OOcm ；其颗粒级配曲线如图4所示，反滤料的颗粒级配表如下
权利要求
1.一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。
2.一种基于土石坝心墙裂缝自愈合的试验装置的试验方法，其特征在于试验步骤如 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-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(3-5)愈合条件进行分析。
全文摘要
本发明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。
文档编号G01N15/08GK102087196SQ201010576968
公开日2011年6月8日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者刘明维, 张亮, 王俊杰, 陈野鹰 申请人:重庆交通大学