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制造方法及图纸

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A test device and test method for Hydraulic Breakdown and particle piercing deformation of Geomembrane

The invention discloses a testing device and testing method for hydraulic jacking and particle puncture deformation of geomembrane, including a compression deformation simulation device and a three-dimensional DIC measuring system; a compression deformation simulation device includes a compression system and a base, cushion chamber, geomembrane and pressure chamber; cushion chamber is filled with earth and stone materials; geomembrane is laid on soil. At the top of the stone, the pressure chamber is enclosed with the geomembrane to form a sealed chamber; the pressure system is used to supply pressure water to the pressure chamber; the surface of the geomembrane is evenly sprayed with speckles; and the three-dimensional DIC measurement system includes halogen lamp, computer and two CCD cameras connected with the computer. The invention can truly simulate the hydraulic breaking of geomembrane and the puncture of cushion soil and stone particles on geomembrane in practical engineering, record the development process of concave and convex deformation and strain on the surface of geomembrane under the action of water pressure in detail, and obtain the resistance strength of hydraulic breaking and puncture deformation of geomembrane and the hydraulic characteristics of the underlying layer of geomembrane.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术采用的技术方案是：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。散斑在三维DIC测量系统中记录的数字图像维持在3-6个像素。两个CCD相机的中心轴线相交成45°。压力室上设置有压力表。垫层室侧壁底部设置有出水管，出水管上设置有流量计。本专利技术还提供一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，该基于三维DIC的土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法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。一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，包括如下步骤：步骤1，土工膜上散斑喷洒：将裁剪好的土工膜单面均匀喷洒散斑，散斑要求在三维DIC测量系统中记录的数字图像维持在3-6个像素。步骤2，土石料填充：在垫层室内按设计要求填充土石料，用于模拟土工膜垫层。步骤3，安装卤素灯和CCD相机：将卤素灯同轴安装在垫层室的正上方，卤素灯到垫层室顶部的距离大于膜上压力室的高度，两个CCD相机对称安装在卤素灯的两侧，两个CCD相机均与计算机电连。步骤4，CCD相机的标定：标定时，将标定板放在土石料表面，标定板的特征面面向CCD相机，调整CCD相机与标定板之间的距离和放置角度，使标定板在三维DIC测量系统中清晰呈像，标定过程多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，CCD相机同时对标定板的每个姿态进行成像，通过图像处理技术识别多个特征点，利用特征点间的空间关系求解相机的内外参数。步骤5，土工膜放置：将土工膜平铺在步骤2填充的土石料表面，并将喷洒有散斑的一面朝上。步骤6，压力室及加压系统安装：将压力室置于土工膜上方，并使垫层室，土工膜和压力室之间形成密封可拆卸连接；加压系统通过输水管与压力室相连接，并使压力室内注满水体。步骤7，土工膜水力顶破和颗粒刺破变形试验：启动加压系统和三维DIC测量系统，试验过程中加压系统按照设定的加压速率分级加压，记录加压过程，同时对压力室内的水压力进行监测；与此同时，三维DIC测量系统中两个CCD相机按照设定采集速率，对土工膜表面上的散斑进行数字图像拍摄，并将拍摄的数字图像传输给计算机。步骤8，土工膜变形和应变发展过程记录：计算机对拍摄的数字图像进行处理；具体处理方法为：先对同一时刻下两个CCD相机拍摄的散斑的左右两张数字图像进行立体匹配，计算得到左右两张数字图像中对应散斑点的视差，从各散斑点的视差数据和步骤4中已获得的标定后的相机内外参数，实现对土工膜表面三维形貌的重构；然后，对单个相机拍摄的一系列土工膜表面散斑变形的数字图像进行时序匹配，结合时序匹配和立体匹配，可计算得到各散斑点在变形过程中的空间三维坐标，进一步计算变形前后土工膜表面各散斑点的三维坐标，从而获得土工膜水力顶破和颗粒刺破变形的位移分布，也即土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程。步骤9，土工膜破裂后，土石料垫层水力特性研究：持续加压，当土工膜被水力顶破或被垫层土石颗粒刺破时，加压系统自动记录土工膜破坏时压力值且持续稳压，利用出水管上的流量计实时观察记录出水流量，并观察出水是否浑浊；出水至设定时间后，加压系统停止加压，三维DIC测量系统停止工作，取出土工膜，测量记录垫层土石料冲刷坑的形状和大小。步骤10，土工膜厚度选择：更换为不同厚度的土工膜，重复步骤1至步骤9，从而得到不同厚度土工膜在上方水压和下方土石料的顶托作用下的变形和应变发展过程，获得不同厚度土工膜的水力顶破和刺破变形抵抗强度，以及不同厚度土工膜顶破刺破后土石料垫层的水力特性，根据实际工程设计，选择合适厚度的土工膜。所述步骤4中的标定板为方格尺寸为23mm×23mm的黑白棋盘格。步骤4中，CCD相机标定的过程中，采用优化迭代函数对相机的内外部参数做全局优化，将定位精度不低于0.05像素所对应的CCD相机内外参数作为所求解的相机内外参数，从而避免噪声影响和计算误差。优化迭代函数为：其中，n为CCD相机拍摄的标定板图像的数目本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：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，在三维DIC测量系统中记录的数字图像上散斑大小不低于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。

【技术特征摘要】
1.一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：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，在三维DIC测量系统中记录的数字图像上散斑大小不低于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。2.根据权利要求1所述的一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：要求在三维DIC测量系统中记录的数字图像上散斑大小维持在3-6个像素。3.根据权利要求1所述的一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：两个CCD相机的中心轴线相交成45°。4.根据权利要求1所述的一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：压力室上设置有压力表。5.根据权利要求1所述的一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试装置，其特征在于：垫层室侧壁底部设置有出水管，出水管上设置有流量计。6.一种土工膜水力顶破和颗粒刺破变形测试方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，土工膜上散斑喷洒：将裁剪好的土工膜单面均匀喷洒散斑，要求在三维DIC测量系统中记录的数字图像上散斑大小维持在3-6个像素；步骤2，土石料填充：在垫层室内按设计要求填充土石料，用于模拟土工膜垫层；步骤3，安装卤素灯和CCD相机：将卤素灯同轴安装在垫层室的正上方，卤素灯到垫层室顶部的距离大于膜上压力室的高度，两个CCD相机对称安装在卤素灯的两侧，两个CCD相机均与计算机电连；步骤4，CCD相机的标定：标定时，将标定板放在土石料表面，标定板的特征面面向CCD相机，调整CCD相机与标定板之间的距离和放置角度，使标定板在三维DIC测量系统中清晰呈像，标定过程多次变换其空间姿态使标定板上的特征图案具有不同的空间位置，CCD相机同时对标定板的每个姿态进行成像，通过图像处理技术识别多个特征点，利用特征点间的空间关系求解相机的内外参数；步骤5，土工膜放置：将土工膜平铺在步骤2填充的土石料表面，并将喷洒有散斑的一面朝上；步骤6，压力室及加压系统安装：将压力室置于土工膜上方，并使垫层室，土工膜和压力室之间形成密封可拆卸连接；加压系统通过输水管与压力室相连接，并使压力室内注满水体；步骤7，土工膜水力顶破和颗粒刺破变形试验：启动加压系统和三维DIC测量系统，试验过程中加压系统按照设定的加压速率分级加压，记录加压过程，同时对压力室内的水压力进行监测；与此同时，三维DIC测量系统中两个CCD相机按照设定采集速率，对土工膜表面上的散斑进行数字图像拍摄，并将拍摄的数字图像实时传输给计算机；步骤8，土工...

【专利技术属性】
技术研发人员：岑威钧，都旭煌，陈司宁，李邓军，罗佳瑞，王辉，耿利彦，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32