[发明专利]一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法

说明书

本发明公开了一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法，包括加压变形模拟装置和三维DIC测量系统；加压变形模拟装置包括加压系统和基座、垫层室、土工膜和压力室；垫层室内填充有土石料；土工膜铺设在土石料顶部，压力室与土工膜围合形成密封腔室；加压系统用于向压力室内提供压力水；土工膜的上表面均匀喷洒有散斑；三维DIC测量系统包括卤素灯、计算机和两个均与计算机相连接的CCD相机。本发明能真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和垫层土石颗粒对土工膜的刺破作用，详细记录水压力作用下土工膜表面凹凸变形和应变的发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性。

技术领域

本发明涉及水利工程中土工膜的检测领域，特别是一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置及测试方法。

背景技术

土工膜因具有防渗性能好、适应变形能力强、工程造价低及施工速度快等优点，已广泛应用于大坝、库盘、蓄水池、垃圾填埋场等防渗工程。目前堆石坝土工膜防渗主要以坝面防渗为主，在坝面土工膜防渗结构中，膜下土石料垫层对土工膜的安全运行非常关键，设计时要避免刺破土工膜。垫层除对土工膜起支撑作用外，还必须具有良好的渗透性，以便及时有效地排水，提高防渗结构的稳定性。水压作用下，土工膜会顺着垫层中某些突出土石颗粒缝隙间发生局部水力顶破变形，当水压力过大或垫层表面较粗糙(局部凹凸度较大)时，土工膜除了可能发生水力顶破外，也可能被较尖锐的垫层颗粒刺破，从而破坏了防渗结构的完整性，对大坝安全造成隐患。因此，测试土工膜抵抗水力顶破和颗粒刺破的变形能力具有重要的科学研究意义和工程应用价值。

现有涉及土工膜胀破和顶破的规范试验主要包括Mullen胀破试验、圆球顶破试验和CBR顶破试验，其中Mullen胀破试验用于测试土工膜在无垫层条件下的胀破强度，圆球顶破试验和CBR顶破试验利用圆球或圆柱顶杆施加垂直于土工膜平面的集中荷载，使土工膜发生局部顶破或刺破，获得顶破或刺破强度。实际土工膜防渗工程运行时，土工膜一侧受水压力作用，另一侧受不同颗粒形状的土石料垫层的支撑作用。上述3个试验均无法真实模拟土工膜的工作状态。

另外，现有技术中还没有试验装置能够反映垫层上完整土工膜在水压作用下的变形发展过程，以及土工膜被顶破和刺破后出现的缺陷渗漏对下垫层造成的影响的全过程。

因此，为了真实反映实际工程中土工膜顶破和刺破特性，研究土工膜的顶破和刺破抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性，有必要研制一种模拟土工膜实际受力状态的土工膜水力顶破变形和刺破变形测试装置及测试方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，该土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置能真实模拟实际工程中土工膜水力顶破作用和垫层土石颗粒对土工膜的刺破作用，详细记录水压力作用下土工膜表面凹凸变形和应变的发展过程，获得土工膜水力顶破和刺破变形抵抗强度以及土工膜下垫层的水力特性。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，包括加压变形模拟装置和三维DIC测量系统。

加压变形模拟装置包括加压系统和从下至上依次同轴设置的基座、垫层室、土工膜和压力室；垫层室顶部开口，垫层室内填充有土石料；土工膜铺设在土石料顶部，压力室底部开口，压力室顶部由透明材料制成；垫层室，土工膜和压力室之间为密封可拆卸连接，压力室与土工膜围合形成一个密封腔室；加压系统用于向压力室内提供压力水。

土工膜的上表面均匀喷洒有散斑，散斑在三维DIC测量系统中记录的数字图像不低于3个像素。

三维DIC测量系统包括卤素灯、计算机和两个均与计算机相连接的CCD相机；其中，卤素灯同轴设置在压力室的正上方，两个CCD相机对称设置在卤素灯的两侧，两个CCD相机的中心轴线相交夹角在30°到60°之间，两个CCD相机的中心轴线的相交点位于土工膜表面。