[发明专利]一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置及试验方法

权利要求书

1.一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，其特征在于：包括压力室壳体、围压施压机构、轴压施加机构、试样裂缝破坏机构和监测机构；

压力室壳体包括底座、压力室顶盖和连接底座和压力室顶盖的四块侧板，其中两块相对设置的侧板为钢板，另外两块相对设置的侧板为透明板；

心墙试样放置在压力室的中部，心墙试样朝向透明板的两侧面与透明板内壁面相接触，心墙试样朝向钢板的两侧面均设置有砂层，且砂层与对应的钢板之间均具有间隙，并形成两个围压腔；其中一个围压腔为进水围压腔，另一个围压腔为出水围压腔；与进水围压腔相接触的砂层称为进水砂层，与出水围压腔相接触的砂层称为出水砂层；

心墙试样具有垂直于透明板且水平贯穿的初始裂缝；初始裂缝邻近进水砂层设置，且内部填充有示踪砂层，示踪砂层为预埋有彩色示踪剂的砂层；

围压施压机构包括水体、围压进孔、围压出孔和围压溢出管；水体通过围压进孔向进水围压腔施加围压，围压出孔和围压溢出管均与出水围压腔相连通；

轴压施加机构位于心墙试样顶部，用于向心墙试样施加轴向压力；

试样裂缝破坏机构包括水体、水压进孔和水压出孔；水体通过水压进孔向进水砂层施加初始裂缝破坏水压；水压出孔设置在位于出水砂层底部的底座中；

监测机构包括围压传感器、水压传感器、轴压传感器、电磁流量计和孔压传感器；围压传感器设置在围压进孔中，水压传感器设置在水压进孔中，轴压传感器设置在轴压施加机构中，电磁流量计设置在水压出孔中；

孔压传感器设置在孔压引水管上，孔压引水管按设定间距埋置在心墙试样中；孔压引水管具有5根，均布设在初始裂缝与出水砂层之间，5根孔压引水管与初始裂缝之间的距离分别为1mm、10mm、20mm、35mm、55mm；孔压引水管插入心墙试样中部且位于初始裂缝截面以下20mm，每根孔压引水管上均布设进水孔，且外周均包裹有透水土工布，孔压引水管顶端连接孔压传感器；

通过孔压传感器的测值，能够监控到裂缝扩展过程；出水量的监测能够用来反映裂缝扩展的情况，定量表征裂缝开度的变化。

2.根据权利要求1所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验装置，其特征在于：透明板为高强钢化玻璃，能承担不低于10MPa的围压。

3.一种模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，制作试样模具：制作一个与心墙试样尺寸相匹配的试样模具；

步骤2，制备心墙试样，具体制备方法，包括如下步骤：

步骤21，安装试样模具：将试样模具安装在底座上，在试样模具内表面设置一层透明膜；

步骤22，试样填筑：在试样模具内分层填筑进水砂层、出水砂层及粘土心墙；

步骤23，埋置孔压引水管：当试样填筑到距离心墙试样中部截面以下20mm处，将包裹有透水土工布的孔压引水管按设定间距摆放并固定，继续试样填筑；

步骤24，制作初始裂缝：当试样填筑至中部截面时，在邻近进水砂层处布设贯穿心墙前后侧面的示踪砂层，示踪砂层中的砂石中预埋有彩色示踪剂；

步骤25，完成试样制作：继续填筑试样至设定高度，将试样压盖压在试样顶部，拆除试样模具；

步骤3，安装压力室壳体：在制备的心墙试样外侧安装压力室壳体，压力室壳体与进水砂层及出水砂层之间均具有围压腔，与初始裂缝相接触的压力室壳体为透明板；

步骤4，加载围压：打开围压溢出管的闸阀，通过围压进孔向围压腔内输水，直至围压溢出管有水流出，关闭围压溢出管的闸阀，继续向围压腔内输水；此时，围压传感器实时监测围压进孔内的输水压力，当达到设定的输入压力时，停止向围压进孔输水；

步骤5，加载轴向压力：轴压施加机构向下移动，从而向心墙试样施加轴压，此时，轴压传感器实时监测所施加的轴压，当达到设定的轴压时，轴压施加机构停止下移；

步骤6，加载试样裂缝破坏压力：通过水压进孔向进水砂层中输水，直至心墙试样完全破坏；

步骤7，破坏过程的可视化监测：在加载试样裂缝破坏压力的同时，透过透明板观察初始裂缝的发展，通过观测彩色示踪剂的运动，能直观地观测到初始裂缝内水流的流向和初始裂缝的发展过程。