本发明涉及水工结构试验技术研究领域，特别涉及一种防渗墙-心墙大变形相互作用测试装置和方法。
背景技术：
水电是技术成熟、运行灵活的清洁低碳可再生能源。我国西部地区水能资源丰富，占全国储量的80％以上，但开发程度较低。为缓解我国不断增长的电力需求压力并促进西部地区的经济发展，在西部修建调节性能好的高坝大库已成为国家重大战略需求。然而，我国西部地区地质条件复杂，大多数河流的河床存在覆盖层，这已是大坝建设难以避让的问题。直接在覆盖层上修筑大坝无疑会大大节约工程投资，缩短工期并有利于环保。但覆盖层通常为砂砾石或细颗粒砂土等变形能力较强的土体，会引起大坝产生较大变形从而给大坝安全构成巨大威胁。已有资料表明，处于规划中的一些坝址存在超100m深的覆盖层，某控制性工程的覆盖层深度甚至达500m。深覆盖层上大坝的变形安全问题备受社会高度关注。
土石坝可就地取材、施工速度快且对复杂地基适应性强，在国内外的水电开发中被广泛采用。其中，土质心墙坝的施工水平较为成熟，我国在建的双江口土质心墙坝将成为世界第一高坝，但国内外在修筑深覆盖层上土质心墙坝的设计与施工方面的经验仍较为缺乏。对于深覆盖层上的土质心墙坝，确保大坝防渗安全是首要任务。直接在覆盖层中浇筑混凝土防渗墙是控制坝基渗漏最常用的方法，且需在心墙底部设置连接防渗墙与心墙的防渗接头以确保大坝防渗体系的完整性和连续性。在坝体重力作用下，材料特性差异悬殊的防渗墙与心墙在接头部位出现较大的不均匀沉降，引起强烈的土-结构相互作用，使接头部位处于不利的应力状态，从而对大坝安全构成威胁。因此，准确、合理地描述接头部位防渗墙-心墙大变形相互作用特性至关重要，亟需提出一种防渗墙-心墙大变形相互作用测试装置及使用方法，以期为深覆盖层上土质心墙坝的设计与施工提供参考依据。
技术实现要素：
本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的不足和问题，提供了一种防渗墙-心墙大变形相互作用测试方法，其技术方案如下：
防渗墙-心墙大变形相互作用的测试方法，包括：
步骤1，准备测试装置
测试装置包括顶部开口的透明的模型箱及其外设置的工业相机，模型箱的一侧箱壁通过弹簧连接有与所述一侧箱壁平行的非完全侧限板，非完全侧限板和模型箱之间还设有测量非完全侧限板的平移量的位移传感器，非完全侧限板与其余侧箱壁围成模型空腔，模型空腔内设有在中央立设的混凝土防渗墙、填筑在混凝土防渗墙下段的覆盖层填土以及填筑并埋没混凝土防渗墙上段的心墙填土，混凝土防渗墙的墙面预设有分布式光纤传感器，心墙填土和混凝土防渗墙的接头处设置有土压力盒，土压力盒、分布式光纤传感器和工业相机过数据线与数据采集控制器相连接；
步骤2，从心墙填土的上方加载竖向载荷，直至土体破坏为止。
优选地，所述弹簧和位移传感器的安装方法是：
首先，将非完全侧限板与模型箱的侧墙间利用实心板填充，并在模型空腔中填筑混凝土防渗墙、覆盖层填土和心墙填土；
然后，抽出非完全侧限板后，安装弹簧和位移传感器。
本发明的另一目的在于提供一种专用于上述防渗墙-心墙大变形相互作用测试方法的防渗墙-心墙大变形相互作用测试装置，其技术方案如下：
防渗墙-心墙大变形相互作用的测试装置，包括顶部开口的透明的模型箱及其外设置的工业相机，模型箱的一侧箱壁通过弹簧连接有与所述一侧箱壁平行的非完全侧限板，非完全侧限板和模型箱之间还设有测量非完全侧限板的平移量的位移传感器，非完全侧限板与其余侧箱壁围成模型空腔，模型空腔内设有在中央立设的混凝土防渗墙、填筑在混凝土防渗墙下段的覆盖层填土以及填筑并埋没混凝土防渗墙上段的心墙填土，混凝土防渗墙的墙面预设有分布式光纤传感器，心墙填土和混凝土防渗墙的接头处设置有土压力盒，土压力盒、分布式光纤传感器和工业相机过数据线与数据采集控制器相连接。
优选地，在心墙填土上方设置有加载部，加载部包括立设固定在模型箱周围的螺杆，螺杆上连接有位于模型箱上方且空套在螺杆外周上的横梁以及分别抵顶在横梁上下两面的两个螺母，横梁上固定有输出直线动力的液压伺服加载器，液压伺服加载器输出端连接有竖向设置的传力杆，传力杆下端通过压力传感器连接有导向架，导向架下端连接有平铺在心墙填土顶面上的承压板。
优选地，承压板的边沿开设有上下贯通的矩形凹槽，矩形凹槽内抽插连接有可相对上下滑动和水平抽插的凸齿，矩形凹槽的槽壁上开设有位于壁面上的控制槽、位于底面上且与承压板边沿相通的补偿槽以及连通在补偿槽和控制槽之间的导向缺口，导向缺口在补偿槽和控制槽之间形成缩颈喉部，控制槽内安装有沿开口方向抽插连接并抵顶在所述凸齿侧面的控制键齿、弹性抵顶在控制键齿远离凸齿的一端的第一弹簧、以及抵顶在控制键齿远离承压板边沿的一侧的控制触头，控制触头底部连接有从导向缺口内穿过并沿长度方向导向滑动在导向缺口中的连接部，连接部的下端连接有抽插连接在补偿槽内且可从承压板边沿伸出的补偿板，补偿板的远离承压板边沿的一端抵顶连接有第二弹簧。
本发明的有益效果：
本发明实现了对大变形程度的控制，实现了大变形过程中防渗墙-心墙应力与变形的实时动态测量，实现了大变形过程土体应力与应变的动态成像，该装置制作简单，成本低，操作方便。
附图说明
图1是本发明测试装置的示意图；
图2是图1中承压板和非完全侧限板的连接结构示意图；
图3是图2中矩形凹槽的槽壁示意图；
图4是图2中矩形凹槽的槽壁横截面示意图。
具体实施方式
参见图1至图4，本实施例以测试200kn竖向荷载，35毫米自由长100毫米的侧限变形下，防渗墙4-心墙相互作用为例。该防渗墙4-心墙大变形相互作用测试装置主要由加载部、数据采集处理部和模型箱9部构成。加载部包括载物台6、螺杆7、螺钉10、承压板8、横梁12、螺帽13、液压伺服加载器14、压力传感器11、导向架21和传力杆22，数据采集处理部由分布式光纤传感器5、工业相机17、三脚架16、土压力盒18、位移传感器19、数据处理工作站20和数据采集控制器24，模型箱9部包括非完全侧限板1、覆盖层填土2、心墙填土3、防渗墙4、模型箱9和第三弹簧15。通过液压伺服加载器14提供竖向荷载，利用非完全侧限板1和第三弹簧15模拟土体的大变形，将分布式光纤传感器5、土压力盒18、位移传感器19、工业相机17与数据处理工作站20和数据采集控制器24通过数据线23连在一起。
螺杆7、螺帽13、载物台6和横梁12构成反力架，液压伺服加载器14固定在横梁12上。液压伺服加载器14和压力传感器11通过数据线23与数据采集控制器24相连接，数据采集控制器24又通过数据线23数据处理工作站20相连。压力传感器11置于传力杆22下端与导向架21之间，且压力传感器11固定在传力杆22下端，导向架21上部为与传力杆22等尺寸的不锈钢杆，下部呈“爪状”，两边支爪与承压板8紧密接触，且通过螺钉10使承压板8与导向架21固定在一起。模型箱9置于载物台6上，模型箱9左右两侧均设有非完全限位板，且其中一非完全限位板与模型箱9侧壁间上下均匀交叉布置有三个第三弹簧15和三个位移传感器19。分布式光纤传感器5共两个，均按放在防渗墙4表面。土压力盒18置于心墙填土3与防渗墙4接头处，共四个。工业相机17为定制的高清相机，固定在三家架上，通过数据线23与数据采集控制器24相连接。覆盖层填土2为砂石混合料，心墙填土3为粘土，等厚度铺在模型箱9内，防渗墙4厚度高于覆盖层填土2厚度。
承压板8的边沿开设有上下贯通的矩形凹槽32，矩形凹槽32内抽插连接有可相对上下滑动和水平抽插的凸齿25，矩形凹槽32的槽壁26上开设有位于壁面上的控制槽、位于底面上且与承压板8边沿相通的补偿槽以及连通在补偿槽和控制槽之间的导向缺口，导向缺口在补偿槽和控制槽之间形成缩颈喉部，控制槽内安装有沿开口方向抽插连接并抵顶在所述凸齿25侧面的控制键齿27、弹性抵顶在控制键齿27远离凸齿25的一端的第一弹簧28、以及抵顶在控制键齿27远离承压板8边沿的一侧的控制触头29，控制触头29底部连接有从导向缺口内穿过并沿长度方向导向滑动在导向缺口中的连接部30，连接部30的下端连接有抽插连接在补偿槽内且可从承压板8边沿伸出的补偿板31，补偿板31的远离承压板8边沿的一端抵顶连接有第二弹簧32。控制键齿27有多个、并并排分布在控制槽中，优选的可在相邻控制键齿之间设置分隔壁而保证各个控制键齿27的抽插滑动不会相互干扰。
该测试装置的使用方法如下：
步骤1:首先，将取预制好的混凝土防渗墙4，在其表面布置个分布式光纤传感器5，然后竖直放置在模型箱9正中央，将非完全侧限板1与模型箱9侧墙间利用实心板填充后，在防渗墙4两侧回填覆盖层填土2，并分层压实，且与分布式光纤传感器5接触位置要轻轻压实避免损毁传感器；
步骤2:在覆盖层上继续分层压实填筑心墙填土3，待填土高度与防渗墙4齐平时，在心墙填土3与防渗墙4接头处布置土压力盒18，然后继续填筑分层压实心墙土到设定高度；
步骤3:将导向架21与承压板8通过螺钉10固定在一起，放置在土体上，调节液压伺服加载器14，使传力杆22下部的压力传感器11与导向架21接触；
步骤4:轻轻抽出非完全侧限板1与模型箱9侧墙间利用实心板，在其中一侧按放第三弹簧15和位移传感器19，架设好工业相机17调节三脚架16到既定高度，将传感器及工业相机17数据线23连接到数据采集控制器24上；
步骤5:通过数据处理工作站20调试各传感器及相机后，对液压伺服加载器14设置kn竖向荷载开始试验，直至土体完全破坏为止。
步骤6:重复上述步骤，调节不同的竖向压力及不同规格的第三弹簧15进行试验，便可得到不同竖向荷载及不同侧限变形情况下，防渗墙4-心墙相互作用机理。
以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在发明的保护范围内。
1.防渗墙-心墙大变形相互作用的测试方法，其特征在于，包括：
步骤1，准备测试装置
测试装置包括顶部开口的透明的模型箱及其外设置的工业相机，模型箱的一侧箱壁通过弹簧连接有与所述一侧箱壁平行的非完全侧限板，非完全侧限板和模型箱之间还设有测量非完全侧限板的平移量的位移传感器，非完全侧限板与其余侧箱壁围成模型空腔，模型空腔内设有在中央立设的混凝土防渗墙、填筑在混凝土防渗墙下段的覆盖层填土以及填筑并埋没混凝土防渗墙上段的心墙填土，混凝土防渗墙的墙面预设有分布式光纤传感器，心墙填土和混凝土防渗墙的接头处设置有土压力盒，土压力盒、分布式光纤传感器和工业相机过数据线与数据采集控制器相连接；
步骤2，从心墙填土的上方加载竖向载荷，直至土体破坏为止。
2.根据权利要求1所述的测试方法，其特征在于，所述弹簧和位移传感器的安装方法是：
首先，将非完全侧限板与模型箱的侧墙间利用实心板填充，并在模型空腔中填筑混凝土防渗墙、覆盖层填土和心墙填土；
然后，抽出非完全侧限板后，安装弹簧和位移传感器。
3.专用于实施如权利要求1所述的测试方法的防渗墙-心墙大变形相互作用的测试装置，其特征在于，包括顶部开口的透明的模型箱及其外设置的工业相机，模型箱的一侧箱壁通过弹簧连接有与所述一侧箱壁平行的非完全侧限板，非完全侧限板和模型箱之间还设有测量非完全侧限板的平移量的位移传感器，非完全侧限板与其余侧箱壁围成模型空腔，模型空腔内设有在中央立设的混凝土防渗墙、填筑在混凝土防渗墙下段的覆盖层填土以及填筑并埋没混凝土防渗墙上段的心墙填土，混凝土防渗墙的墙面预设有分布式光纤传感器，心墙填土和混凝土防渗墙的接头处设置有土压力盒，土压力盒、分布式光纤传感器和工业相机过数据线与数据采集控制器相连接。
4.根据权利要求3所述的测试装置，其特征在于，在心墙填土上方设置有加载部，加载部包括立设固定在模型箱周围的螺杆，螺杆上连接有位于模型箱上方且空套在螺杆外周上的横梁以及分别抵顶在横梁上下两面的两个螺母，横梁上固定有输出直线动力的液压伺服加载器，液压伺服加载器输出端连接有竖向设置的传力杆，传力杆下端通过压力传感器连接有导向架，导向架下端连接有平铺在心墙填土顶面上的承压板。
5.根据权利要求4所述的测试装置，其特征在于，承压板的边沿开设有上下贯通的矩形凹槽，矩形凹槽内抽插连接有可相对上下滑动和水平抽插的凸齿，矩形凹槽的槽壁上开设有位于壁面上的控制槽、位于底面上且与承压板边沿相通的补偿槽以及连通在补偿槽和控制槽之间的导向缺口，导向缺口在补偿槽和控制槽之间形成缩颈喉部，控制槽内安装有沿开口方向抽插连接并抵顶在所述凸齿侧面的控制键齿、弹性抵顶在控制键齿远离凸齿的一端的第一弹簧、以及抵顶在控制键齿远离承压板边沿的一侧的控制触头，控制触头底部连接有从导向缺口内穿过并沿长度方向导向滑动在导向缺口中的连接部，连接部的下端连接有抽插连接在补偿槽内且可从承压板边沿伸出的补偿板，补偿板的远离承压板边沿的一端抵顶连接有第二弹簧。
技术总结