模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置及方法

技术领域

本发明涉及水利工程土工试验技术研究领域，特别涉及一种模拟超厚覆盖层坝基与防渗墙间泥皮形成过程的试验装置及使用方法。

背景技术

在我国西部地区高山河流纵横拥有丰富的水电资源，然而，开发水电不可避免要修建高坝大库，但在西部地区大多数河流河床上存在超厚覆盖层，换填造价过高，而直接在覆盖层上筑建大坝坝基的防渗和稳定性尤为重要。目前，常用的设计方法是在覆盖层坝基上设置心墙-防渗墙，而防渗墙一般为混凝土防渗墙，在荷载作用下防渗墙与周围覆盖层土体的界面特性对大坝的设计和安全评估尤为重要，特别是受泥浆浸染后含泥皮的界面。由于覆盖层通常为砂砾石或细颗粒砂土等，土质疏松在高水压的做用下极易被泥浆浸染，从而在覆盖层土体与防渗墙界面形成泥皮，进而影响界面特性，使界面部位处于不利的应力状态，对大坝安全构成威胁。因此，充分、合理考虑实际工程情况，对含泥皮超厚覆盖层坝基土与混凝土界面特性进行研究至关重要，亟需提出一种模拟超厚覆盖层坝基与防渗墙间泥皮形成过程的试验装置及使用方法，为研究超厚覆盖层坝基混凝土防渗墙的界面特性提供基础保障。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置及使用方法，其可模拟超厚覆盖层坝基与防渗墙间泥皮形成过程。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置，包括气泵、泥浆桶、观测筒和储水罐，所述观测筒由底座、固定在底座上的透明的套筒和固定在套筒上的上盖构成，所述底座内设有与套筒内部连通的进水孔，进水孔的进口处设有进水阀，进水阀通过气插接头连接有进水管，进水管与储水罐的底部相连，上盖上设有进浆口和排气口，进浆口处设有泥浆控制阀，泥浆控制阀通过气插接头连接有进泥管，排气口处安装有排气阀，所述泥浆桶的顶端设有泥浆桶进气口和泥浆桶出浆口，所述进泥管与泥浆桶出浆口相连接，泥浆桶内设有与泥浆桶出浆口相连接的抽浆管，抽浆管的底端伸入至泥浆桶的底部，进泥管的外壁与泥浆桶出浆口密封相接，泥浆桶进气口设有调压阀，调压阀上安装有压力表和气插接头，气插接头上连接有进气管，进气管与气泵相连，观测筒一侧设有摄像机。

所述套筒为有机玻璃套筒，套筒的内径和高度均为500mm，套筒的壁厚为10mm，底座和上盖的厚度均为20mm，套筒内由下之上依次放置有透水石、滤纸、土体和泥浆。

所述底座、套筒和上盖通过螺杆和螺帽固定在一起，其中螺杆一端固定在底座上，上盖上开设有与螺杆相对应的穿孔，螺杆另一端穿过穿孔后紧固螺帽进而将底座、套筒和上盖固定在一起。

所述螺杆、螺帽、底座和上盖均为不锈钢制成。

所述底座和上盖上均设有与套筒配合的凹槽，凹槽内放置有橡胶密封圈。

所述气泵的出气口上安装有气泵阀门，气泵阀门通过气插接头与进气管连接。

所述储水罐为上端开口的罐体，储水罐的一侧壁上设有溢水口，溢水口处设有排水阀。

所述进水管、进泥管和进气管均为耐压软管。

模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置的使用方法，包括以下步骤：

(a)、对所用土体进行烘干，取适量烘干后土体进行比重G

利用电子天平称量所需质量土体备用；

(b)、先利用水龙头对底座的进水孔进行冲洗保证进水畅通，将透水石浸泡在水中然后取出置于底座上，在透水石上面放置一张与套筒内周等大的滤纸，在透水石边沿套上橡胶密封圈；

(c)、取有机玻璃套筒，首先在套筒内部涂一层透明润滑油，然后将套筒放置在底座上，将称量好的土体分三层均匀布在有机玻璃套筒内击实，在上盖的凹槽内垫上橡胶密封圈，利用螺杆和螺帽将观测筒固紧；

(d)、关闭各阀门，利用气插接头和进气管将气泵和泥浆桶连接，利用气插接头和进泥管将泥浆桶和观测筒连接，利用气插接头和进水管将观测筒和储水罐连接在一起，并将储水罐放置比泥浆和土体界面稍高20cm处，接通气泵电源，调整调压阀使压力表读数为5kPa，在观测筒旁按置摄像机并调制好焦距进行录像，打开进水阀对土体进行饱和，饱和完成后将储水罐调至液面与泥浆和土体界面等高处，关闭进水阀和储水罐的排水阀；

(e)、依次打开气泵阀门、调压阀、泥浆控制阀和排气阀，待排气阀有泥浆冒出时关闭排气阀和泥浆控制阀，调节调压阀至注射压力为设定值，然后打开泥浆控制阀、进水阀和储水罐的排水阀；

(f)、试验过程中，采用摄像机对整个渗透过程进行录像采集，并且每8小时记录套筒的桶周不同位置处泥皮、桥塞区以及侵染区的厚度；

(g)、待泥浆全部浸染土体后停止试验，通过录像分析泥皮桥塞区和浸染区变化，以此来研究泥皮形成和泥浆浸染过程，改变压力或土体孔隙比重复上述步骤，便可得到不同压力差和孔隙比条件下，泥浆在土体中的浸染和泥皮的形成规律。

所述土体为砂土或砂砾石，砂土的孔隙比选取0.50或0.5或0.60，砂砾石的孔隙比选取0.30或0.35或0.40。

本发明通过观测筒、泥浆桶、储水罐及气泵可对超厚覆盖层坝基与防渗墙间泥皮形成过程进行模拟，实现了对饱和超厚覆盖层坝基土泥浆浸染过程及表面泥皮形成过程的实时动态观测和试样制备，而且整体装置结构简单，成本低，操作方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明泥皮形成示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例1

如图1、图2所示，一种模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置，包括气泵1、泥浆桶7、观测筒和储水罐25，观测筒由底座11、固定在底座上的透明的套筒14和固定在套筒上的上盖18构成，底座11内设有与套筒内部连通的进水孔，进水孔的进口处设有进水阀15，进水阀15通过气插接头连接有进水管28，进水管28为耐压软管，进水管28与储水罐25底部相连，上盖18上设有进浆口和排气口，进浆口处设有泥浆控制阀20，泥浆控制阀20 通过气插接头连接有进泥管29，进泥管29为耐压软管，排气口处安装有排气阀21。泥浆桶的顶端设有泥浆桶进气口和与泥浆桶出浆口，进泥管与泥浆桶出浆口相连接，泥浆桶内设有与泥浆桶出浆口相连接的抽浆管8，抽浆管8的底端伸入至泥浆桶的底部，进泥管的外壁与泥浆桶出浆口密封相接，泥浆桶进气口设有调压阀6，调压阀6上安装有压力表5和气插接头4，调压阀用于控制泥浆注入到观测筒的压力，以此来模拟实际工程中的压力差，气插接头4上连接有进气管3，进气管3与气泵1相连，观测筒一侧设有摄像机22，制样过程中利用摄像机进行记录观测，用于观测泥浆浸染过程及土体表面泥皮形成过程。

套筒14为有机玻璃套筒，套筒的内径和高度均为500mm，套筒的壁厚为 10mm，底座和上盖的厚度均为20mm，套筒内由下之上依次放置有透水石12、滤纸13、土体16和泥浆17，透水石和滤纸可防治泥浆堵塞底座内的进水孔。

底座、套筒和上盖通过螺杆9和螺帽19固定在一起，其中螺杆9一端固定在底座11上，上盖18上开设有与螺杆9相对应的穿孔，螺杆9另一端穿过穿孔后紧固螺帽19进而将底座、套筒和上盖固定在一起，底座和上盖上均设有与套筒配合的凹槽，凹槽内放置有橡胶密封圈10，利用螺杆和螺帽固紧，保证观测筒的密闭性。

螺杆、螺帽、底座和上盖均为不锈钢制成，保证试验时试样不被铁锈污染，也增加该装置的使用寿命。

气泵的出气口上安装有气泵阀门2，气泵阀门2通过气插接头与进气管3 连接。

储水罐25为上端开口的罐体，储水罐的一侧壁上设有溢水口23，溢水口处设有排水阀24，储水罐高度可调，用于饱和土体观测筒下部的覆盖层土体。

实施例2

土体为砂土或砂砾石，砂土的孔隙比选取0.50或0.5或0.60，砂砾石的孔隙比选取0.30或0.35或0.40，由于覆盖层砂砾石颗粒尺寸较大，根据《土工试验规程》(SL237-1999)将砂砾石级配缩尺至本试验设备满足的最大粒径 50mm。压力差可以为50kPa-600kPa，本试验研究时根据已有工程经验选取 100kPa、200kPa、300kPa、400kPa，以考虑不同深度位置的情况，最大渗透时间设定为72小时。

本实施例以100kPa压力差，孔隙比0.6的砂土为例，压力差是泥浆压力与地层压力的差值。本试验所用泥浆采用新型防渗墙正电胶泥浆，制作过程中对其充分搅拌，并放置24小时使其充分水化溶胀；使用前对泥浆的密度、马氏漏斗粘度等性能进行测试，使其满足《水利水电工程混凝土防渗墙施工技术规范》(SL174-2014)的要求。

模拟超厚覆盖层与防渗墙间泥皮形成过程的装置的使用方法，包括以下步骤：

(a)、对所用砂土进行烘干，取适量烘干后砂土进行比重G

利用电子天平称量所需质量砂土备用；

(b)、先利用水龙头对底座11的进水孔进行冲洗保证进水畅通，将透水石12 浸泡在水中然后取出置于底座11上，在透水石12上面放置一张与套筒内周等大的滤纸13，在透水石12边沿套上橡胶密封圈10；

(c)、取有机玻璃套筒，首先在套筒内部涂一层透明润滑油，然后将套筒14 放置在底座上，将称量好的土体16分三层均匀布在套筒内击实，填筑土体至套筒250mm高度，在上盖的凹槽内垫上橡胶密封圈，利用螺杆9和螺帽19将套筒14与底座11和上盖18固紧；

(d)、关闭各阀门，利用气插接头和进气管3将气泵1和泥浆桶7连接，利用气插接头和进泥管29将泥浆桶7和观测筒连接，利用气插接头和进水管28 将观测筒和储水罐25连接在一起，并将储水罐25放置比泥浆和土体界面稍高20cm处，接通气泵电源，调整调压阀6使压力表读数为5kPa，在观测筒旁按置摄像机22并调制好焦距进行录像，打开进水阀15对土体进行饱和，饱和完成后将储水罐25调至液面与泥浆和土体界面等高处，关闭进水阀15 和储水罐的排水阀24；

(e)、依次打开气泵阀门2、调压阀6、泥浆控制阀20和排气阀21，待排气阀21有泥浆冒出时关闭排气阀21和泥浆控制阀20，调节调压阀6至注射压力为100kPa，然后打开泥浆控制阀20、进水阀15和储水罐的排水阀24；

(f)、试验过程中，采用摄像机22对整个渗透过程进行录像采集，并且每8 小时记录套筒的筒周不同位置处泥皮、桥塞区以及侵染区的厚度；

(g)、待泥浆全部浸染土体后停止试验，通过录像分析泥皮桥塞区27和浸染区26变化，以此来研究泥皮形成和泥浆浸染过程，将上部泥浆以及土体中饱和水抽出，卸下上盖，可进行分层、分片研究泥浆在填土内部的渗透情况，并与表面所测结果进行对比分析。根据实际情况，可以调整最大渗透时间，重点研究泥浆在填土内部的扩散规律。通过以上系列工况的分析与研究，准确把握泥浆渗透过程中泥皮的形成规律，为力学特性试验中泥皮生成所需的压力差与渗透时间提供参考。