一种蜗壳垫层材料渗透性能试验装置及试验方法与流程

本发明属于渗透率测试，特别涉及一种蜗壳垫层材料渗透性能试验装置及试验方法。

背景技术：

1、目前，国内外已建、在建和设计中的大中型、高水头水电站钢蜗壳多数采用在钢蜗壳上部一定范围内铺设垫层后浇筑外围混凝土的结构设计形式。这种结构形式是在蜗壳的上半圆铺设垫层，使内水压力由钢蜗壳独自承担，当内水压力达到一定值后，蜗壳产生膨胀，垫层被压缩，并将与此压缩量相应的应力传递到混凝土中。这种形式的优点在于，通过铺设垫层可以减少钢蜗壳向外围钢筋混凝土结构传递的内水压力，充分发挥钢衬的承载力，改善蜗壳外围混凝土的应力状态，提高其抗裂安全性。采用这种结构，只要钢蜗壳和垫层的材料选择合适，工艺及措施得当，蜗壳的安全就有保障。在此结构设计设计方案中，垫层材料会受到钢蜗壳内部向外的冷凝水渗透以及外围混凝土中部分裂隙水的渗透，因此测试获取蜗壳垫层材料的渗透性能指标对结构设计尤为重要。

2、材料的渗透性能是指气体或液体在材料中的透过性，即物质通过材料的速率。材料的渗透性能对于防护、包装、分离等应用领域具有重要意义。由于垫层材料具有高压缩性以及其应用场景的特殊性，目前还没有一个适宜的试验规程或试验装置可用来对其渗透性能进行试验检测，当采用现有的试验装置时均存在一些相应的问题：

3、采用现有的混凝土抗渗仪、砂浆抗渗仪或土工膜水平和垂直渗透试验仪、土工膜耐静水压力渗透试验仪均不能较好的对蜗壳垫层材料封闭，容易因试样在水压下产生大变形从侧面渗水导致试验失败；现有试验装置在试样底部及顶部未设置多孔隙介质垫层作用装置，试验时在法向荷载作用下在试样相邻颗粒料之间易发生局部凹陷而呈现拉伸变形，局部拉伸变形属于多向拉伸，较小的位移将会引起较大的伸长率，较大伸长率状态下蜗壳垫层材料的防渗性能存在一定程度的衰减，导致试验结果失真；工程实际中蜗壳垫层材料一侧与钢蜗壳贴紧，一侧同混凝土贴紧，现有试验装置测试过程中试样在水压力下产生的向外侧变形较大，与工程实际差别较大，对实际工程的指导意义不大。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的是提供一种蜗壳垫层材料渗透性能试验装置及试验方法，该试验装置小巧轻便，能够结合现有的混凝土抗渗仪或砂浆抗渗仪进行使用，试验装置通过多层透水压板实现了垫层材料在试验过程中不向外起拱变形以及试验水压的稳定性，通过多个密封止水组件实现了在不使用其他外加密封材料的情况下试验样品的快速拆装并保证了密封性能，通过试验装置上的渗透量测量筒可以实时记录试验过程中的渗水量。该试验装置能准确检测出蜗壳垫层材料的渗透性能。

2、本发明的技术方案在于：一种蜗壳垫层材料渗透性能试验装置，包括主试验筒，所述主试验筒外侧底部套设有第一辅助环，所述第一辅助环外侧套设有第二辅助环，所述主试验筒内部为空心圆柱形状，所述主试验筒内部底部设有第一透水板，所述第一透水板与所述主试验筒内壁之间设有第一密封环；所述第一透水板底部中央位置设有进水孔，所述主试验筒内部上部设有第二透水板，所述第二透水板与所述主试验筒内壁之间设有第二密封环，所述第一透水板和第二透水板之间设有蜗壳垫层材料试样，所述第二透水板上方设有紧固防水板，所述紧固防水板上方设有渗透量测量筒。

3、所述蜗壳垫层材料试样外侧设有试样密封环套，所述试样密封环套为变截面圆环形状，其侧面内部为钢制环套，钢制环套内外两侧均设有橡胶止水带，所述橡胶止水带与钢制环套硫化粘接。

4、所述主试验筒内部侧壁通体设有螺纹，所述主试验筒采用不锈钢材质，所述第一密封环为变截面圆环形状，采用不锈钢材质制成，所述第一密封环外侧通体设有螺纹，第一密封环通过螺纹与主试验筒内侧螺纹相连；所述第一密封环内侧通体粘接有硫化橡胶止水带，用于紧固第一透水板；所述第一密封环顶部靠近主试验筒内侧位置设有两处对应的凸起，用于采用扳手或卡钳来紧固第一密封环与第一透水板，所述第一透水板为变截面圆饼形状，采用金刚砂基质的透水石制成，与第一密封环紧固安装在主试验筒底部。

5、所述第二密封环为变截面圆环形状，采用不锈钢材质制成，所述第二密封环外侧通体设有螺纹，所述第二密封环通过螺纹与主试验筒内侧螺纹相连；所述第二密封环内侧通体粘接有硫化橡胶止水带，用于紧固第二透水板；所述第二密封环顶部靠近主试验筒内侧位置设有两处对应的凸起，用于采用扳手或卡钳来紧固第二密封环与第二透水板，所述第二透水板为变截面圆饼形状，采用金刚砂基质的透水石制成，与第二密封环紧固安装在蜗壳垫层材料试样顶部。

6、所述第一辅助环为圆环形状，所述第一辅助环内侧与主试验筒外侧底部焊接相连，所述第一辅助环底部靠近主试验筒部位设有半圆形凹槽，所述凹槽内设有密封止水环，所述第一辅助环上有多个第二螺孔，所述第二螺孔内设有第二紧固螺栓，所述第一辅助环采用不锈钢材质。

7、所述第二辅助环为变截面圆环形状，内侧与所述第一辅助环第二螺孔位置相对应位置开设有第一螺孔，同时靠近第二辅助环外侧开设有多个第三螺孔，底部靠近第二辅助环外侧第三螺孔部位设有半圆形凹槽，所述凹槽内设有密封止水环，所述第三螺孔内设有第一紧固螺栓，通过第二辅助环第一螺孔将第二辅助环与第一辅助环、主试验筒连接，通过第二辅助环第三螺孔将试验装置与混凝土抗渗试验仪相连接。

8、所述紧固防水板为变截面圆饼形状，采用不锈钢材质制成，所述紧固防水板顶部中间位置有圆环状凸起，所述紧固防水板顶部中央圆环内侧通体设有螺纹，与渗透量测量筒底部螺纹相连；所述紧固防水板中间位置设有通孔；所述紧固防水板顶部靠近主试验筒内侧位置设有两处对应的凸起，用于采用扳手或卡钳来将紧固防水板紧固在主试验筒上，所述渗透量测量筒为变截面圆柱形状，采用透明有机硅玻璃制成，所述渗透量测量筒侧面标识有相对应的试验渗透水量刻度线，试验人员可通过刻度线直接读取试验渗透量。

9、一种蜗壳垫层材料渗透性能试验方法，使用如上所述一种蜗壳垫层材料渗透性能试验装置，包括以下步骤：

10、步骤一：制备符合试验尺寸的蜗壳垫层材料试样；

11、步骤二：将试验装置安装在混凝土/砂浆抗渗仪上，当使用混凝土抗渗仪进行试验时，第一辅助环与第二辅助环紧固连接，第二辅助环紧固连接混凝土抗渗仪；当使用砂浆抗渗仪进行试验时，第一辅助环紧固连接在砂浆抗渗仪上；

12、步骤三：将第一透水板放置于主试验筒内底部，将第一密封环通过主试验筒内部螺纹由上向下旋紧，最终与第一透水板紧密连接，使第一透水板稳固在试验装置内底部；将待测蜗壳垫层材料试样放入试样密封环套中，连同试样密封环套一起放在主试验筒内第一透水板上方；

13、步骤四：将第二透水板放置于蜗壳垫层材料试样上方，将第二密封环通过主试验筒内部螺纹由上向下旋紧，最终与第二透水板紧密连接，此时第二透水板与第一透水板以及试样密封环套将待测蜗壳垫层材料试样夹持在中间，能够有效防止试验过程从试样侧面漏水，在第二透水板上方设置紧固防水板，在紧固防水板上方设置渗透量测量筒；

14、步骤五：根据设计要求及工程现场实际情况确定本次试验的渗水压力指标；

15、步骤六：启动抗渗仪，开始试验，记录渗水压力、时间及渗透量测量筒中的渗水量，通过试验过程中采集的试验数据来计算试样的渗透性能，得出试验结果。

16、当进行蜗壳垫层材料耐静水压的测定时，所述步骤六中，具体步骤如下：

17、步骤六一：启动抗渗仪，开始试验，使测蜗壳垫层材料试样下方与第一透水板接触位置水压上升至0.05mpa，如果能估计出试样耐静水压的大致范围，也可直接将水压加到该范围的下限开始测试；

18、步骤六二：保持步骤六一中试验水压3h，观察渗透量测量筒内是否有水渗出；

19、步骤六三：如未发现渗水，以0.05mpa的级差逐级加压，每级均保持至少3h，直至有水渗出时，表明试样有渗水孔或已经破裂，记录当前试验水压w0，同时w0减去0.05mpa即为该试样的耐静水压值w，精确至0.01mpa；如果单独判断测蜗壳垫层材料试样是否能够达到某一规定的耐静水压值，可以直接加压到此压力值并保持至少6h，如没有水渗出，则判定试样的耐静水压大于等于此值。

20、当进行蜗壳垫层材料渗透系数的测定时，所述步骤一中，制备符合试验尺寸的蜗壳垫层材料试样，测量蜗壳垫层材料试样的高度h及有效试验面积a；所述步骤二中将蜗壳垫层材料试样及第一透水板、第二透水板浸在水中，使之充分湿润，一般浸水时间应在12h以上；所述步骤六中，具体步骤如下：

21、步骤六一：启动抗渗仪，开始试验，使蜗壳垫层材料试样下方与第一透水板接触位置水压上升至大于蜗壳垫层材料试样的耐静水压值0.05mpa~0.20mpa，此压力值记为p；

22、步骤六二：当试验水压达到后，开始计时，同时每间隔t时间，t取5min~20min，记录一次渗透量测量筒内的渗流量；

23、步骤六三：当渗流量基本稳定，连续三次记录值的变化率在3%以内，则停止试验，以最后三次渗流量的平均值作为该试样的渗流量，记为v；同时记录试验水温t；根据以下公式计算每个试样的渗透系数，并以5个试样的平均值作为该材料的检测结果；

24、                       （1）

25、上式中：k表示渗透系数，单位为cm/s；v表示时间t内的渗流量，单位为cm3；h表示试样的厚度，单位为cm；η表示水的粘滞系数比，η=ηt/η20，ηt表示试验水温t时水的粘滞系数，η20表示20℃水温时水的粘滞系数；t表示试验测定时间，单位为s；a表示试样的有效试验面积，单位为cm2；p表示试验水压，以水柱高度表示，单位为cm，1kpa水压力的水柱高度表示为10cm。

26、本发明的技术效果在于：1.本发明通过多层透水压板实现了垫层材料在试验过程中不向外起拱变形以及试验水压的稳定性；2.本发明通过多个密封止水组件实现了在不使用其他外加密封材料的情况下试验样品的快速拆装并保证了密封性能；3.本发明通过试验装置上的渗透量测量筒可以实时记录试验过程中的渗水量；4.本发明试验装置小巧轻便，能够结合现有的混凝土抗渗仪或砂浆抗渗仪进行使用，可精确测试蜗壳垫层材料渗透性能。

27、以下将结合附图进行进一步的说明。