一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置及方法与流程

本发明涉及一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置及方法，属于水利工程。

背景技术：

1、随着经济的持续快速发展，我国对能源的需求也越来越大，水电能源作为一种清洁能源，得到越来越多的开发和利用。水工压力隧洞作为水利水电工程中最常见的引水建筑物之一，它的安全合理运行意义重大。

2、采用钢筋混凝土衬砌是水工压力隧洞主要结构型式之一，埋入地下的水工隧洞需要结合围岩情况进行设计，充分发挥围岩承载力而减少钢筋混凝土衬砌受力，进一步控制混凝土衬砌结构的裂缝形成，确保工程长久运行。目前，钢筋混凝土衬砌结构的开裂研究，基本上都是基于仿真分析模拟，或采用预设裂缝研究，都不能准确的反应开裂过程，而衬砌开裂与围岩承载力、充水速度、时间、压力都有关系，另外，明确渗漏过程对于采用钢筋混凝土衬砌结构也至关重要。目前，尚无相关实验装置可以模拟围岩-混凝土联合受力结构下的钢筋混凝土衬砌结构开裂过程及渗漏情况。

技术实现思路

1、本发明提供了一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置及方法，能够解决现有试验装置无法准确模拟围岩-衬砌联合受力结构下的钢筋混凝土衬砌结构的开裂过程及渗漏情况的问题。

2、一方面，本发明提供了一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，所述装置包括：

3、试验箱，一侧具有开口；

4、试样模块，设在所述试验箱内，其包括模拟衬砌和用于密封模拟衬砌两端口的顶板和底板；所述顶板上设有进水口，所述底板上设有出水口；

5、供水模块，其进水管穿过所述试验箱顶壁与所述进水口连通，其出水管穿过所述试验箱底壁与所述出水口连通，用于向所述模拟衬砌内提供试验用水，所述试验用水中包含多种不同粒径的磁性颗粒；

6、支撑模块，呈筒状套设在所述模拟衬砌的外壁上，且其外壁面与所述试验箱顶壁和底壁均密封连接，用于支撑所述模拟衬砌；

7、感应模块，设置在所述模拟衬砌外侧的试验箱底壁上，且位于所述支撑模块的外壁面内侧，用于感应从所述模拟衬砌开裂的缝隙流出的磁性颗粒。

8、可选的，所述装置还包括：

9、施力模块，设置在所述支撑模块的外壁面上，用于向所述支撑模块施加径向支撑力。

10、可选的，所述施力模块包括多个传力件，多个传力件分布在所述支撑模块的外壁面一周，用于向所述支撑模块施加径向支撑力。

11、可选的，所述支撑模块包括多个截面尺寸不同的支撑筒，多个支撑筒按照截面尺寸从小到大依次套设在所述模拟衬砌外侧，且其两端分别连接在所述试验箱顶壁和底壁上；相邻支撑筒之间紧密贴合且卡接连接。

12、可选的，最外层支撑筒为不透水刚性结构；其余支撑筒为透水刚性结构。

13、可选的，每个支撑筒均由多个标准弧形板装配而成。

14、可选的，不同粒径的磁性颗粒上涂覆有不同的颜色。

15、可选的，所述试验箱底壁上设置有集水箱，所述集水箱通过集水管道与所述支撑模块内部连通；所述集水管道上设有加压设备；所述集水箱上设有流量监测设备。

16、可选的，所述模拟衬砌的内侧区域中设有第一重力感应器；所述试验箱底壁上对应支撑模块的位置设有第二重力感应器；所述集水箱底部设有第三重力感应器。

17、可选的，所述感应模块为感应磁圈。

18、可选的，所述支撑模块的内壁面涂覆有复合胶层。

19、可选的，所述试验箱顶壁和底壁上均穿设有可伸缩管，所述试验箱顶壁上的可伸缩管与所述进水口连通，所述试验箱底壁上的可伸缩管与所述出水口连通。

20、可选的，所述供水模块包括：

21、水箱，其内容置有试验用水；

22、进水管，一端连接在所述水箱出口，另一端通过连接件与所述试验箱顶壁上的可伸缩管连通；所述进水管上设有加压设备，所述加压设备用于向所述进水管内的水流加压；

23、出水管，一端连接在所述水箱进口，另一端通过连接件与所述试验箱底壁上的可伸缩管连通；所述出水管上设有卸压设备，所述卸压设备用于对所述出水管内的水流卸压。

24、另一方面，本发明提供一种基于上述任一种所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置的试验方法，所述方法包括：

25、s1、控制供水模块向试样模块内注入试验用水；

26、s2、打开感应模块，以感应从模拟衬砌开裂的缝隙流出的磁性颗粒，并获取第二重力感应器和第三重力感应器感应的重力值。

27、本发明能产生的有益效果包括：

28、本发明提供的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，通过供水模块和试样模块模拟水工隧洞在充水、运行和放水过程中开裂产生缝隙，并通过支撑模块模拟围岩对模拟衬砌进行支撑，最后通过感应模块感应的磁性颗粒粒径确定模拟衬砌的开裂情况。该装置可以循环重复利用，节省成本，且操作简单，同时考虑围岩承载力，及外水压力，能真实的模拟水工隧洞充水、运行、放水不同的过程，实用性高，推广价值大。由于该装置能够模拟不同地质环境下不同运行阶段下的混凝土结构裂缝扩展过程的影响，并直观的反映出不同影响因素下的裂缝宽度大小及渗漏情况。

技术特征：

1.一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，所述装置还包括：

3.根据权利要求2所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，所述施力模块包括多个传力件，多个传力件分布在所述支撑模块的外壁面一周，用于向所述支撑模块施加径向支撑力。

4.根据权利要求1所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，所述支撑模块包括多个截面尺寸不同的支撑筒，多个支撑筒按照截面尺寸从小到大依次套设在所述模拟衬砌外侧，且其两端分别连接在所述试验箱顶壁和底壁上；相邻支撑筒之间紧密贴合且卡接连接。

5.根据权利要求4所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，最外层支撑筒为不透水刚性结构；其余支撑筒为透水刚性结构。

6.根据权利要求4所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，每个支撑筒均由多个标准弧形板装配而成。

7.根据权利要求1所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，不同粒径的磁性颗粒上涂覆有不同的颜色。

8.根据权利要求1所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，所述试验箱底壁上设置有集水箱，所述集水箱通过集水管道与所述支撑模块内部连通；所述集水管道上设有加压设备；所述集水箱上设有流量监测设备。

9.根据权利要求8所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置，其特征在于，所述模拟衬砌的内侧区域中设有第一重力感应器；所述试验箱底壁上对应支撑模块的位置设有第二重力感应器；所述集水箱底部设有第三重力感应器。

10.一种基于权利要求1至9中任一项所述的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置的模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验方法，其特征在于，包括：

技术总结本发明公开了一种模拟围岩衬砌联合结构开裂过程的试验装置及方法，属于水利工程技术领域，能够解决现有试验装置无法准确模拟围岩‑衬砌联合受力结构下的钢筋混凝土衬砌结构的开裂过程及渗漏情况的问题。所述装置包括：试验箱，一侧具有开口；试样模块，设在试验箱内，其包括模拟衬砌和用于密封模拟衬砌两端口的顶板和底板；供水模块，用于向模拟衬砌内提供试验用水，试验用水中包含多种不同粒径的磁性颗粒；支撑模块，呈筒状套设在模拟衬砌的外壁上，用于支撑模拟衬砌；感应模块，设置在模拟衬砌外侧的试验箱底壁上，且位于支撑模块的外壁面内侧，用于感应从模拟衬砌开裂的缝隙流出的磁性颗粒。本发明用于围岩衬砌联合结构开裂过程的模拟试验。技术研发人员：刘静,冯璐,邵明磊,吕庆超,乔白受保护的技术使用者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/10/17