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。
4.根据权利要求3所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法,其特征在于:步骤7中,通过孔压传感器实时监测破坏过程中孔压的变化情况,通过连接在水压出孔上的电磁流量计监测出水量。
5.根据权利要求3或4所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法,其特征在于:还包括步骤8,不同工况下的可视化试验:改变加载条件,重复步骤1至步骤7,进行不同工况下的可视化试验。
6.根据权利要求5所述的模拟心墙坝水力劈裂的可视化试验方法,其特征在于:还包括步骤9,水力劈裂机理分析:通过对比分析多组试验成果,总结得出水力劈裂的发生条件以及影响因素。