本發(fā)明涉及一種水利工程用試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法，特別是一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

混凝土水力劈裂是指在水壓力的作用下裂縫出現(xiàn)并擴(kuò)展?；炷林亓螇熙嗖课辉谑┕み^(guò)程中存在溫度裂縫等損傷，在上游水壓力作用下易出現(xiàn)拉應(yīng)力，是壩體的薄弱區(qū)域，該位置處的水力批裂問(wèn)題較為突出。現(xiàn)有的水力批裂研究方法主要可分為兩類：一是采用機(jī)械壓力模擬水壓，該方法無(wú)法真實(shí)模擬高壓水在裂縫中作用，因?yàn)闄C(jī)械力在試樣中的傳遞方式與水壓力不同，其作用方向亦不同；二是模擬水壓力的作用，進(jìn)行拉壓應(yīng)力條件下混凝土試件高壓水力劈裂試驗(yàn)研究，但是該類試驗(yàn)應(yīng)力條件簡(jiǎn)單，無(wú)法模擬壩踵處的應(yīng)力狀態(tài)。已有的這些試驗(yàn)方法均無(wú)法較好的模擬混凝土重力壩壩踵處的水力劈裂特性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置，該模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置能客觀模擬混凝土重力壩壩踵處在高水壓作用下的水力劈裂過(guò)程，測(cè)量分析初始裂縫的發(fā)展過(guò)程，研究裂縫開(kāi)展過(guò)程中縫內(nèi)水壓及裂縫寬度的變化規(guī)律，能廣泛應(yīng)用于水利工程中。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置，包括模具、鋼片、測(cè)壓導(dǎo)管、應(yīng)變片、密封裝置、彎矩施加裝置、水壓力供給裝置和測(cè)量采集儀器。

模具用于混凝土試件的制作，混凝土試件具有預(yù)制裂縫。

模具包括底板和四個(gè)側(cè)壁，四個(gè)側(cè)壁與底板圍合形成中心容腔，中心容腔的形狀與混凝土試件的形狀相同。

模具的兩個(gè)位置相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁頂部各設(shè)置有一條豎向開(kāi)口；鋼片能放置于兩條豎向開(kāi)口中并能從兩條豎向開(kāi)口中移除。

未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)模具側(cè)壁上設(shè)置有若干個(gè)孔洞；若干個(gè)孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于豎向開(kāi)口的底部高度；每個(gè)孔洞內(nèi)均設(shè)置有一根伸入模具中部的測(cè)壓導(dǎo)管，每根測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)均設(shè)置有一根位置固定且能移除的鋼棒。

應(yīng)變片粘貼固定在混凝土試件上，用于測(cè)試混凝土試件的垂直裂縫方向應(yīng)變。

密封裝置，用于將粘貼有應(yīng)變片的混凝土試件進(jìn)行密封；密封裝置頂部中心設(shè)置有進(jìn)水孔，該進(jìn)水孔能與混凝土試件的預(yù)制裂縫相連通。

彎矩施加裝置包括萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、上鋼座和下鋼座；上鋼座與下鋼座同軸設(shè)置，上鋼座與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相連接，高度能夠升降；下鋼座能通過(guò)鉸支座與設(shè)置有進(jìn)水孔的密封裝置端面相連接。

水壓力供給裝置包括電調(diào)壓力泵、引水管、輸入端水壓傳感器和若干個(gè)輸出端水壓傳感器；引水管的一端伸入密封裝置的進(jìn)水孔內(nèi)，引水管的另一端與電調(diào)壓力泵相連接，輸入端水壓傳感器設(shè)置在引水管中部，每個(gè)測(cè)壓導(dǎo)管均連接一個(gè)輸出端水壓傳感器。

輸入端水壓傳感器、每個(gè)輸出端水壓傳感器和應(yīng)變片均與測(cè)量采集儀器相連接。

所述鋼片一側(cè)設(shè)置有打磨刃口。

所述模具內(nèi)壁面以及鋼片兩側(cè)面均涂布有脫模劑。

未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)模具側(cè)壁上設(shè)置有五個(gè)孔洞，五個(gè)孔洞均位于同一條豎直直線上，五個(gè)孔洞的孔間距相等。

五個(gè)孔洞的孔間距均為15mm，位置最高的孔洞與豎向開(kāi)口底部之間的垂直距離為10mm。

本發(fā)明還提供一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)方法，該模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)方法能客觀模擬混凝土重力壩壩踵處在高水壓作用下的水力劈裂過(guò)程，測(cè)量分析初始裂縫的發(fā)展過(guò)程，研究裂縫開(kāi)展過(guò)程中縫內(nèi)水壓及裂縫寬度的變化規(guī)律，能廣泛應(yīng)用于水利工程中。

一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟1，制模：準(zhǔn)備一個(gè)無(wú)蓋且中空的長(zhǎng)方體模具，在長(zhǎng)方體模具的兩個(gè)位置相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁頂部各設(shè)置一條豎向開(kāi)口，在未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)長(zhǎng)方體模具側(cè)壁上開(kāi)設(shè)若干個(gè)孔洞；若干個(gè)孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于豎向開(kāi)口的底部高度。

步驟2，混凝土試件澆筑：將鋼片插入并放置在步驟1中的兩條豎向開(kāi)口中，每個(gè)孔洞內(nèi)均埋置一根伸入長(zhǎng)方體模具中部的測(cè)壓導(dǎo)管，每根測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)均插入一根位置固定且能移除的鋼棒。然后，攪拌混凝土，將攪拌均勻的混凝土澆入長(zhǎng)方體模具的中空容腔內(nèi)，并振搗密實(shí)，等待2-3小時(shí)后拔出鋼片，形成混凝土試件的初始裂縫；在澆筑24小時(shí)后，將混凝土試件進(jìn)行脫模與養(yǎng)護(hù)，拔出測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)的鋼棒，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

步驟3，裝樣：在步驟2養(yǎng)護(hù)完成的混凝土試件側(cè)壁上粘貼固定應(yīng)變片，然后將粘貼有應(yīng)變片的混凝土試件放置在密封裝置內(nèi)，使混凝土試件的初始裂縫與密封裝置頂部的進(jìn)水孔相連通；然后，將水壓力供給裝置中的引水管插入進(jìn)水孔內(nèi)，并密封固定；輸出端水壓傳感器分別與對(duì)應(yīng)的測(cè)壓導(dǎo)管相連接；最后，將應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和每個(gè)輸出端水壓傳感器依次與測(cè)量采集儀表相連接；水壓力供給裝置能施加垂直于預(yù)制裂縫表面的水平向壓力。

步驟4，試驗(yàn)：將步驟3裝樣完成的密封裝置倒置，使密封裝置的進(jìn)水孔朝下，然后，將倒置后的密封裝置底部通過(guò)鉸支座與下鋼座相連接，將彎矩施加裝置中的上鋼座與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相連接，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加軸壓，軸壓會(huì)通過(guò)上鋼座和下鋼座轉(zhuǎn)化成彎矩；通過(guò)該彎矩與水平向壓力的組合，即能實(shí)現(xiàn)重力壩壩踵應(yīng)力狀態(tài)的真實(shí)模擬；水壓力供給裝置提供水壓，應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和輸出端水壓傳感器依次實(shí)時(shí)測(cè)量混凝土試件的變形特征、電調(diào)壓力泵的水壓輸出值以及混凝土試件內(nèi)部的水壓力；測(cè)量采集儀表將應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和輸出端水壓傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與記錄。

步驟5，水力劈裂分析：通過(guò)改變水壓力供給裝置供給的水壓和彎矩施加裝置施加的軸壓，進(jìn)行若干次試驗(yàn)，直至混凝土試件被破壞；測(cè)量采集儀表將每次試驗(yàn)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)均進(jìn)行采集與記錄，從而便于對(duì)重力壩壩踵處的水力劈裂機(jī)理進(jìn)行分析。

所述步驟2中，鋼片在插入兩條豎向開(kāi)口之前，鋼片的一側(cè)先進(jìn)行打磨并涂布脫模劑。

所述步驟2中，攪拌均勻的混凝土在澆入長(zhǎng)方體模具之前，長(zhǎng)方體模具內(nèi)壁均涂布有脫模劑。

所述步驟1中，長(zhǎng)方體模具的長(zhǎng)寬高分別為300*150*150mm，未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)模具側(cè)壁上設(shè)置有五個(gè)孔洞，五個(gè)孔洞均位于同一條豎直直線上，五個(gè)孔洞的孔間距相等且均為15mm，位置最高的孔洞與豎向開(kāi)口底部之間的垂直距離為10mm。

所述步驟3中，在混凝土試件的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁上各粘貼固定四片應(yīng)變片，混凝土試件同一側(cè)壁上的四片應(yīng)變片均沿初始裂縫的延伸方向呈一條直線布置，最頂部的一片應(yīng)變片布置在初始裂縫的底部處，四片應(yīng)變片之間的凈距依次為5mm、8mm和10mm。

本發(fā)明采用上述結(jié)構(gòu)及方法后，具有如下有益效果：

1.克服了通過(guò)提供機(jī)械力進(jìn)行水力劈裂試驗(yàn)的缺陷，采用本發(fā)明所述試驗(yàn)裝置與方法能模擬高水頭作用，與實(shí)際工程更吻合。

2.通過(guò)理論力學(xué)原理，上述彎矩施加裝置能將軸壓力轉(zhuǎn)化為裂縫位置處的彎矩，該彎矩屬于四點(diǎn)支承彎矩，實(shí)現(xiàn)了混凝土試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)由壓至拉的變化，混凝土試件受彎矩作用，在中和軸以上部分受壓，在中和軸以下部分受拉，從而更好的模擬重力壩壩踵處的應(yīng)力狀態(tài)。

3.試驗(yàn)輸入水壓可自由調(diào)節(jié)和控制，試樣內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)可控。另外，能實(shí)時(shí)采集荷載、水壓、應(yīng)變等試驗(yàn)數(shù)據(jù)，方便對(duì)水力劈裂機(jī)理進(jìn)行分析。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置中模具的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為混凝土試件上應(yīng)變片粘貼及測(cè)壓導(dǎo)管布置示意圖。

圖3為密封裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為彎矩施加裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)過(guò)程示意圖。

其中有：1、模具；2、鋼片；3、測(cè)壓導(dǎo)管；4、孔洞；5、豎向開(kāi)口；6、鋼棒；7、混凝土試件； 8、預(yù)制裂縫；9、應(yīng)變片；10、密封裝置；11、止水橡膠；12、進(jìn)水孔；13、上鋼座；14、下鋼座；15、鉸支座；16、支座定位插孔；17、電調(diào)壓力泵；18、輸入端水壓傳感器；19、輸出端水壓傳感器；20、測(cè)量采集儀表。

另外，圖2中標(biāo)注的尺寸單位均為mm。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1至圖5所示，一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)裝置，包括模具1、鋼片2、測(cè)壓導(dǎo)管3、應(yīng)變片9、密封裝置10、彎矩施加裝置、水壓力供給裝置和測(cè)量采集儀器20。

模具用于混凝土試件7的制作，混凝土試件具有預(yù)制裂縫8。

模具包括底板和四個(gè)側(cè)壁，四個(gè)側(cè)壁與底板圍合形成中心容腔，中心容腔的形狀與混凝土試件的形狀相同。模具優(yōu)選為中空的長(zhǎng)方體模具，長(zhǎng)方體模具的長(zhǎng)寬高分別優(yōu)選為300*150*150mm，但也可以為其他形狀。

模具的兩個(gè)位置相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁頂部各設(shè)置有一條豎向開(kāi)口5；鋼片能放置于兩條豎向開(kāi)口中并能從兩條豎向開(kāi)口中移除。 另外，鋼片一側(cè)優(yōu)選設(shè)置有打磨刃口，用于引導(dǎo)裂縫展開(kāi)方向。

進(jìn)一步，上述模具內(nèi)壁面以及鋼片兩側(cè)面均優(yōu)選涂布有脫模劑，便于后續(xù)混凝土試件的脫模。

未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)模具側(cè)壁上設(shè)置有若干個(gè)孔洞4；若干個(gè)孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于豎向開(kāi)口的底部高度；每個(gè)孔洞內(nèi)均設(shè)置有一根伸入模具中部的測(cè)壓導(dǎo)管，每根測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)均設(shè)置有一根位置固定且能移除的鋼棒6。

如圖2所示，上述孔洞的數(shù)量?jī)?yōu)選為五個(gè)，五個(gè)孔洞均位于同一條豎直直線上，五個(gè)孔洞的孔間距相等，且均優(yōu)選為15mm，位置最高的孔洞與豎向開(kāi)口底部之間的垂直距離為10mm。

應(yīng)變片9粘貼固定在混凝土試件上，用于測(cè)試混凝土試件的垂直裂縫方向應(yīng)變。

密封裝置10，用于將粘貼有應(yīng)變片的混凝土試件進(jìn)行密封；密封裝置優(yōu)選由若干塊密封鋼板圍合形成，在拼接處以及縫隙處均填充有止水橡膠12。密封裝置頂部中心設(shè)置有進(jìn)水孔12，該進(jìn)水孔能與混凝土試件的預(yù)制裂縫相連通。

彎矩施加裝置包括萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)、上鋼座13和下鋼座14。上鋼座與下鋼座同軸設(shè)置，上鋼座與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相連接，高度能夠升降；下鋼座能通過(guò)鉸支座與設(shè)置有進(jìn)水孔的密封裝置端面相連接。

通過(guò)理論力學(xué)原理，上述彎矩施加裝置能將軸壓力轉(zhuǎn)化為裂縫位置處的彎矩，該彎矩屬于四點(diǎn)支承彎矩，實(shí)現(xiàn)了混凝土試件內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)由壓至拉的變化，混凝土試件受彎矩作用，在中和軸以上部分受壓，在中和軸以下部分受拉，從而更好的模擬重力壩壩踵處的應(yīng)力狀態(tài)。

下鋼座上優(yōu)選設(shè)置有若干個(gè)支座定位插孔16，每個(gè)支座定位插孔均能與鉸支座相配合。設(shè)置不同位置的支座定位插孔可以實(shí)現(xiàn)施加相同的彎矩值而混凝土試件內(nèi)部的剪力不同。

水壓力供給裝置包括電調(diào)壓力泵17、引水管、輸入端水壓傳感器18和若干個(gè)輸出端水壓傳感器19。引水管的一端伸入密封裝置的進(jìn)水孔內(nèi)，引水管的另一端與電調(diào)壓力泵相連接，輸入端水壓傳感器設(shè)置在引水管中部，每個(gè)測(cè)壓導(dǎo)管均連接一個(gè)輸出端水壓傳感器。

水壓力供給裝置可根據(jù)試驗(yàn)需求提供可控上升速度的目標(biāo)水壓，并實(shí)時(shí)記錄水壓值。

輸入端水壓傳感器、輸出端水壓傳感器和應(yīng)變片均與測(cè)量采集儀器相連接。

一種模擬混凝土重力壩壩踵水力劈裂的試驗(yàn)方法，包括如下步驟：

步驟1，制模：準(zhǔn)備一個(gè)無(wú)蓋且中空的長(zhǎng)方體模具，在長(zhǎng)方體模具的兩個(gè)位置相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁頂部各設(shè)置一條豎向開(kāi)口，在未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)長(zhǎng)方體模具側(cè)壁上開(kāi)設(shè)若干個(gè)孔洞；若干個(gè)孔洞的高度均不相等，位置最高的孔洞高度低于豎向開(kāi)口的底部高度。

上述長(zhǎng)方體模具的長(zhǎng)寬高分別優(yōu)選為300*150*150mm，未設(shè)置有豎向開(kāi)口的其中一個(gè)模具側(cè)壁上優(yōu)選設(shè)置有五個(gè)孔洞，五個(gè)孔洞均位于同一條豎直直線上，五個(gè)孔洞的孔間距相等且均為15mm，位置最高的孔洞與豎向開(kāi)口底部之間的垂直距離為10mm。

步驟2，混凝土試件澆筑：先將鋼片的一側(cè)進(jìn)行打磨并涂布脫模劑，長(zhǎng)方體模具內(nèi)壁也均涂布脫模劑，便于后續(xù)混凝土試件脫模。然后，將鋼片插入并放置在步驟1中的兩條豎向開(kāi)口中，每個(gè)孔洞內(nèi)均埋置一根伸入長(zhǎng)方體模具中部的測(cè)壓導(dǎo)管，每根測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)均插入一根位置固定且能移除的鋼棒，以便形成水壓傳導(dǎo)通道。接著，攪拌混凝土，將攪拌均勻的混凝土澆入長(zhǎng)方體模具的中空容腔內(nèi)，并振搗密實(shí)，等待2-3小時(shí)后拔出鋼片，形成混凝土試件的初始裂縫；在澆筑24小時(shí)后，將混凝土試件進(jìn)行脫模，拔出測(cè)壓導(dǎo)管內(nèi)的鋼棒，進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間優(yōu)選為28天。

上述混凝土澆筑后振搗密實(shí)的判斷方法為：表面范漿，不再有氣泡冒出，在振搗過(guò)程中需在混凝土料下降后及時(shí)補(bǔ)充混凝土，振搗后抹平表面。

步驟3，裝樣：在步驟2養(yǎng)護(hù)完成的混凝土試件側(cè)壁上粘貼固定應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼方法優(yōu)選為：在混凝土試件的兩個(gè)相對(duì)應(yīng)的側(cè)壁上各粘貼固定四片應(yīng)變片，混凝土試件同一側(cè)壁上的四片應(yīng)變片均沿初始裂縫的延伸方向呈一條直線布置，最頂部的一片應(yīng)變片布置在初始裂縫的底部處，四片應(yīng)變片之間的凈距依次為5mm、8mm和10mm。

然后將粘貼有應(yīng)變片的混凝土試件放置在密封裝置內(nèi)，墊好止水橡膠，使混凝土試件的初始裂縫與密封裝置頂部的進(jìn)水孔相連通。同時(shí)，密閉初始裂縫，貼合密實(shí)后擰緊螺栓，做好固定。接著，將水壓力供給裝置中的引水管插入進(jìn)水孔內(nèi)，擰緊密封，提供少許水量，排出混凝土試件內(nèi)的氣體。將輸出端水壓傳感器分別與對(duì)應(yīng)的測(cè)壓導(dǎo)管相連接；最后，將應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和每個(gè)輸出端水壓傳感器依次與測(cè)量采集儀表相連接；水壓力供給裝置能向混凝土試件提供水平向壓力，高壓水充滿預(yù)制裂縫，水壓垂直于裂縫表面的混凝土。

裝樣過(guò)程中，需注意高壓水的密封，可在漏水部位纏裹止水膠帶。

步驟4，試驗(yàn)：將步驟3裝樣完成的密封裝置倒置，使密封裝置的進(jìn)水孔朝下，然后，將倒置后的密封裝置底部通過(guò)鉸支座與下鋼座相連接，將彎矩施加裝置中的上鋼座與萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)相連接，通過(guò)萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加軸壓，軸壓會(huì)通過(guò)上鋼座和下鋼座轉(zhuǎn)化成彎矩；通過(guò)該彎矩與水平向壓力的組合，即能實(shí)現(xiàn)重力壩壩踵應(yīng)力狀態(tài)的真實(shí)模擬；水壓力供給裝置提供水壓，應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和輸出端水壓傳感器依次實(shí)時(shí)測(cè)量混凝土試件的變形特征、電調(diào)壓力泵的水壓輸出值以及混凝土試件內(nèi)部的水壓力；測(cè)量采集儀表將應(yīng)變片、輸入端水壓傳感器和輸出端水壓傳感器的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與記錄。

步驟5，水力劈裂分析：通過(guò)改變水壓力供給裝置供給的水壓和彎矩施加裝置施加的軸壓，進(jìn)行若干次試驗(yàn)，直至混凝土試件被破壞；測(cè)量采集儀表將每次試驗(yàn)的實(shí)時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)均進(jìn)行采集與記錄，從而便于對(duì)重力壩壩踵處的水力劈裂機(jī)理進(jìn)行分析。

本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了重力壩壩踵處這一薄弱區(qū)域水力劈裂情況的真實(shí)模擬。克服了傳統(tǒng)劈裂試驗(yàn)中機(jī)械力無(wú)法模擬真實(shí)情況，模擬應(yīng)力狀態(tài)簡(jiǎn)單以及試驗(yàn)過(guò)程中水壓、應(yīng)變數(shù)據(jù)同步采集困難等缺陷。

以上詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，但是，本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式中的具體細(xì)節(jié)，在本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行多種等同變換，這些等同變換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。