伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种堆石料湿化变形试验装置，尤其是涉及一种伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置及方法，属于土石坝工程技术领域。

背景技术

随着我国土石坝工程快速发展，堆石料作为一种重要的筑坝材料在工程界得到了广泛认可和推广，然而，堆石坝在填筑过程中受降雨作用易发生湿化变形，坝体填筑完成后初次蓄水以及运行阶段，堆石填筑体又会因库水入渗产生湿化变形。堆石填筑体的湿化变形会对工程带来显著的影响，其中对于心墙堆石坝往往会导致坝顶产生湿陷裂缝，重者会造成坝肩等重要部位产生深度裂缝，威胁坝体安全；对于面板堆石坝，湿化变形会造成面板开裂，导致防渗设施失效。

目前，堆石料湿化变形试验主要针对蓄水引起的湿化变形规律进行研究，固结压缩仪由主机、液压源、电液加载装置、固结试验模具、供水装置及微机测控系统组成。液压源通过管路与主机和电液加载装置连接，用于对主机加载油缸和电液加载装置充油，也可控制主机加载油缸空载升降，电液加载装置可对液压系统加压，从而达到对固结试验模具长时间、高精度力值的加载；微机测控系统分别与主机、液压源及电液加载装置相连，用于接收并处理来自传感器采集的数据；固结试验模具安装于主机内部轻轨上，包括水槽、底板、下透水板、浮环垫、浮环、上透水板，试验时下透水板置于底板上，依次安装浮环垫及浮环，在浮环内制好试样后去除浮环垫，将底板及整体置于水槽底部，并在试样上安装上透水板；供水装置主要由管路、支架及水箱组成，利用具有一定高度的支架上的水箱为堆石料湿化变形试验提供水源，水箱与放置试样的容器底部通过安装有阀门的管路连接。该装置在湿化过程中，水从试样底部进入试样内，主要可用来模拟蓄水引起的湿化过程，与实际的降雨过程不符，试样最后的状态为浸水饱和状态，不能较好地模拟降雨引起的非饱和入渗状态；试验水头不能准确控制，影响对试验结果的精确分析；设备操作复杂，需要人工加水，费时费力。

发明内容

为了克服现有降雨的堆石料湿化变形试验存在的上述不足，本发明提供一种伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置及方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置，包括供水系统、控制系统、固结压缩装置、流量检测系统，固结压缩装置的试验模具中的水槽内部设置有浮环，试样放置在浮环内，浮环的上、下两端分别安装有上透水板、下透水板。

所述供水系统的伺服控制机构控制向固结压缩装置提供进水。

所述试验模具的上透水板上方设置有顶盖；所述顶盖内固定安装有降雨发生装置。

所述流量检测系统包括流量计Ⅰ、流量计Ⅱ，所述流量计Ⅰ安装在试验模具的进水管路上，所述流量计Ⅱ安装在试验模具的出水管路上。

所述控制系统的数据采集器通过数据线与伺服控制机构、流量计Ⅰ、流量计Ⅱ、固结压缩装置的数据采集装置联通，并将采集的数据传输至计算机；所述计算机与降雨发生装置的电磁阀联通的数据线设置有电磁阀控制器。

所述顶盖设置有进水孔。

所述降雨发生装置包括电磁阀、雾化喷嘴、水管，雾化喷嘴通过水管与顶盖的进水孔联通，电磁阀安装在水管上靠近雾化喷嘴的端部。

所述降雨发生装置有2个或2个以上雾化喷嘴，每个雾化喷嘴与顶盖中心点的距离相等。

由所述供水系统供水进入雾化喷嘴之后喷洒在上透水板上，经上透水板向下渗入试样内部，经试样向下渗出的水经水槽的出水口流出。

进一步，所述顶盖中心设置有垂直的支撑柱。

进一步，所述雾化喷嘴的数量为3个，每个雾化喷嘴之间的距离相等。

进一步，所述雾化喷嘴的角度可任意调整。

一种所述伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置的试验方法，其步骤如下：

A、制备试样

在固结压缩装置的试验模具内按照试验设计的干密度制备试样；

B、固结压缩试验

在所述控制系统计算机端设定固结压缩试验程控参数，程控参数包括竖向应力、加载速率、测沉降时间序列及稳定标准；

所述竖向应力用于对试样进行固结压缩，设定多个级别的竖向应力、加载速率；

所述测沉降时间序列为测定试样沉降的时间；

所述稳定标准为试样在某设定时间段内最大变形量不超过设定值，

若试样在某级竖向应力下最大变形量在设定时间段内小于稳定标准，则该级竖向应力自动跳转下一级竖向应力，直至试样在最大竖向应力下变形稳定，保持此竖向应力不变；

C、降雨湿化试验

当试样在最大竖向应力下变形稳定之后进行湿化试验，

C1、在控制系统计算机端设定湿化试验程控，包括进水速率、进水历时、进水-停水-进水、测沉降时间序列及稳定标准；

进水速率用于模拟降雨强度，进水历时用于模拟降雨时间，进水-停水-进水用于模拟反复降雨；

所述湿化试验程控设定完毕，开始降雨湿化；

C2、由控制程序的计算机端向供水系统的伺服控制机构下达指令，伺服控制机构根据设定值调节供水量的大小以及是否供水；

控制程序实时获取流量计Ⅰ反馈的进水量数据信息、竖向荷载及湿化变形测值，自动绘制湿化变形~历时、湿化变形~进水量、进水量~时间、载荷~时间以及变形~时间等关系曲线；

当试样变形到达设定的稳定标准时自动停止试验。

本发明的有益效果是，试验装置结构设计合理，操作简单，效率高；降雨发生器采用可任意调整角度的电磁阀式雾化喷嘴，供水装置采用伺服控制器，降雨发生器喷洒范围不受供水压力影响，保证降雨强度的稳定、准确；可以开展精确模拟包括降雨强度、降雨时间以及反复降雨特征的堆石料湿化变形试验研究。

附图说明

图1是本发明伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置的结构示意图。

图2是本发明的固结压缩装置结构示意图。

图3是本发明的降雨发生装置结构示意图。

图中：1.伺服控制机构，2.进水管线，3.供水系统，4.降雨发生装置，5.控制系统，6.固结压缩装置，7.数据采集器，8.流量检测系统，9.试验模具，10.电液加载装置，11.雾化喷嘴，12.水管，13.进水孔，14.支撑柱，15.电磁阀，16.流量计Ⅰ，17.流量计Ⅱ，18.电磁阀控制器，19.液压系统，20.浮环，21.顶盖，22.试样，23.上透水板，24.下透水板，25.水槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参见附图1。本发明一种伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置，包括供水系统3、控制系统5、固结压缩装置6、流量检测系统8，固结压缩装置6的液压系统19向电液加载装置10充油，电液加载装置10向固结压缩装置6提供动力。固结压缩装置6的试验模具9中的水槽25内部设置有浮环20，试样22放置在浮环20内，浮环20的上、下两端分别安装有上透水板23、下透水板24。

所述供水系统3由伺服控制机构1控制向固结压缩装置6提供进水，主要是依据控制系统5的计算机端指令调节供水量的大小以及是否供水。

所述试验模具9的上透水板23上方设置有顶盖21，顶盖21内固定安装有降雨发生装置4。

所述流量检测系统8包括流量计Ⅰ16、流量计Ⅱ17，所述流量计Ⅰ16安装在试验模具9的进水管路上，所述流量计Ⅱ17安装在试验模具9的出水管路上。

所述控制系统5的数据采集器7通过数据线与伺服控制机构1、流量计Ⅰ16、流量计Ⅱ17、固结压缩装置6的数据采集装置联通，并将采集的数据传输至计算机；其中，固结压缩装置6中的数据采集装置包括液压系统19、电液加载装置10的数据采集。

所述计算机与降雨发生装置4的电磁阀15联通的数据线上设置有电磁阀控制器18。

参见附图2。所述试验模具9中的水槽25的底板上设置有浮环20，在浮环20内由下至上依次设置有下透水板24、试样22、上透水板23、顶盖21，顶盖21设置有进水孔13，供水系统3通过进水管线2经进水孔13向降雨发生装置4提供进水。

参见附图3。所述降雨发生装置4包括电磁阀15、雾化喷嘴11、水管12，雾化喷嘴11通过水管12与顶盖21的进水孔13联通，电磁阀15安装在水管12上靠近雾化喷嘴11的端部。优选的，雾化喷嘴11采用电磁阀式微型雾化喷嘴。

所述降雨发生装置4的雾化喷嘴11数量为2个或2个以上，每个雾化喷嘴11与顶盖21中心点的距离相等；优选的，所述雾化喷嘴11的数量为3个，3个雾化喷嘴11之间的距离相等。所述雾化喷嘴11可任意调整角度，可以模拟多种降雨模式。

由所述供水系统3的供水进入雾化喷嘴11之后喷洒在上透水板23上，经上透水板23向下渗入试样22内部，经试样22向下渗出的水经水槽25底部的出水口流出。

所述顶盖21中心设置有垂直的支撑柱14，固结压缩装置6的竖向应力能够很好的传递至试样22。

优选的，所述顶盖21、水管12的材质为不锈钢。

一种所述伺服控制模拟降雨入渗的堆石料湿化变形试验装置的试验方法，其步骤如下：

A、制备试样22

在固结压缩装置6的试验模具9内按照试验设计的干密度制备试样；

B、固结压缩试验

在所述控制系统5计算机端设定固结压缩试验程控参数，程控参数包括多级竖向应力、加载速率、测沉降时间序列及稳定标准；

所述竖向应力用于对试样进行固结压缩，可以设定多个级别的竖向应力、加载速率；

所述测沉降时间序列为测定试样沉降的时间；

所述稳定标准为试样在某设定时间段内最大变形量不超过设定值，

若试样在某级竖向应力下最大变形量在设定时间段内小于稳定标准，则该级竖向应力自动跳转下一级竖向应力，直至试样在最大竖向应力下变形稳定，保持此竖向应力不变；

C、降雨湿化试验

当试样在最大竖向应力下变形稳定之后进行湿化试验，

C1、在控制系统计算机端设定湿化试验程控，包括进水速率、进水历时、进水-停水-进水、测沉降时间序列及稳定标准；

进水速率用于模拟降雨强度，进水历时用于模拟降雨时间，进水-停水-进水用于模拟反复降雨；

所述湿化试验程控设定完毕，开始降雨湿化；

C2、由控制程序5的计算机端向供水系统3的伺服控制机构1下达指令，伺服控制机构1根据设定值调节供水量的大小以及是否供水；

控制程序实时获取流量计Ⅰ16反馈的进水量数据信息、竖向荷载及湿化变形测值，自动绘制湿化变形~历时、湿化变形~进水量、进水量~时间、载荷~时间以及变形~时间等关系曲线；

当试样变形到达设定的稳定标准时自动停止试验。

本发明的供水系统由伺服控制机构按照控制系统设定的降雨强度提供堆石料湿化变形所需雨水，湿化试验开始时，由控制程序向伺服控制机构自动下达指令，伺服控制机构根据设定值调节供水量的大小以及是否供水等，供水后降雨发生装置可通过电磁阀是否开合及开合程度控制降雨范围，雾化喷嘴可以任意调整角度降低降雨重叠区域，提高降雨均匀性；流量计Ⅰ实时检测、采集降雨发生装置管路流量数据并反馈给控制系统；流量计Ⅱ实时检测、采集固结压缩装置出水管路流量数据并反馈给微机控制系统。微机控制系统采集分析试验数据并自动绘制湿化变形~历时、湿化变形~进水量、进水量~时间、载荷~时间以及变形~时间等关系曲线。

采用上述装置及方法的优点在于：

（1）模拟降雨装置供水采用伺服控制机构，降雨质量不受供水压力的影响，可以精确模拟降雨强度、降雨时间及反复降雨入渗特征，可得到堆石料湿化变形随降雨强度、降雨时间及反复降雨等的变化的规律。

（2）降雨发生装置为可任意调整角度的电磁阀式微型雾化喷嘴，其降雨范围可调整，且降雨均匀性高；可研究降雨条件下的堆石料非饱和入渗过程，为堆石料在降雨条件下的湿化变形研究提供参考。

应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。