一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置和方法

摘要

一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置，包括底框、支撑架、土样围框、截面拍摄装置、位移量测量装置和前护板；底框固定于地面上，支撑架固定安装在底框上，支撑架依次安装有多个卷扬机；土样围框是由一块前板和两块分别设置在前板两侧的侧板围成的一U形结构，各组土样围框由下至上依次套在土样外，各土样围框与各卷扬机相对应，在各根钢丝绳的两端均安装有一个拉力计，所述位移量测量装置包括固定在土样一旁的支架和固定在各侧板上的推板，在支架上由上至下依次安装有多块百分表，各块百分表表头抵靠在各推板上。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置和方法。

背景技术

干湿循环对库区的膨胀土的土体强度的影响较大，例如三峡库区的库水位在145m到175m之间循环变化，这种变化使得堤坝消落带岩土体在水库周期性循环变化作用下处于一种“风干—浸泡”交替状态，水库区的水文地质环境也随之发生了巨大的变化，这必然会影响堤坝的稳定性，堤坝的不稳定性容易导致堤坝在汛期时局部决口，所以需要在水库枯水季时对堤坝的进行横拉试验，检测堤坝能否在汛期抵抗住水流和潮浪冲击，获得各种工况下堤坝横拉值和决口时的瞬时横拉值，而目前并没有专门针对堤坝横拉试验的装置，因此开发一种堤坝边坡横拉试验装置是非常有必要的。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置和方法，可以在现场对堤坝进行横拉试验，获得堤坝各层土样横拉值和决堤时的瞬时横拉值。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案为：一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置，包括底框、支撑架、土样围框、截面拍摄装置、位移量测量装置和前护板；

底框通过多颗钢钎固定于堤坝一侧地面上，支撑架固定安装在底框上，在支撑架上由上到下依次安装有多个卷扬机，所述卷扬机具有两个收绳卷筒，卷扬机钢丝绳的两个端头分别连接在两个收绳卷筒上；

土样围框具有多组，所述土样围框是由一块前板和两块分别设置在前板两侧的侧板围成的一U形结构，侧板一端固设有多个钩块，所述钩块压在前板端面上，各组土样围框由下至上依次套在土样外，各土样围框与各卷扬机相对应，各卷扬机钢丝绳分别套在各土样围框外，在各根钢丝绳的两端均安装有一个拉力计，所述前护板设有在前板前方；

所述截面拍摄装置包括固定在土样一旁两块立板，在两边立板上安装有两根水平滑杆，在两根水平滑杆上安装有一竖直滑板，在滑板上设有导轨、滑块、丝杠和电机，电机驱动丝杠旋转，丝杠带着滑块在导轨上滑动，在滑块上安装有相机；

所述位移量测量装置包括固定在土样一旁的支架和固定在各侧板上的推板，在支架上由上至下依次安装有多块百分表，各块百分表表头抵靠在各推板上。

还包括固定在土样壁面上的挡土网，在挡土网一表面上分布有多根毛刺。

还包括两块分别设置在前护板两侧的挡水板，在各挡水板两侧均设有多根竖直插杆，插杆用于固定挡水板，当将前板取出后，由挡水板、前护板和挡土网围成一个透水空腔。

在所述其前板端面上固定有多个钢丝绳定位装置，所述定位装置包括固定在前板端面上的定位块，在定位块上开设有一三角形缺口，在定位块上通过螺丝连接有一块限位板，由限位板缺口围合成一个三角形通道，钢丝绳位于三角形通道内。

一种对水库堤坝边坡现场横拉方法，包括如下步骤，

第一步、在堤坝上挖出纵向缝和纵向缝两侧的横向缝，留出一个截面呈梯形的土样，在横向缝壁面上安装前护板；

第二步、在其中一个横向缝壁面上安装截面拍摄装置，利用相机记录土样未被横拉前截面影像；

第三步、先将各组土样围框安装到土样上，再将各卷扬机上的钢丝绳套入到土样围框外，并确保钢丝绳位于定位块三角形通道内，随后各卷扬机收绳，将钢丝绳预紧；

第四步、将位移量测量装置安装到另外一个横向缝壁面，将各百分表表头压在各块推板上，推板的位移量就为土样围框位移量；

第五步、由卷扬机拉动各土样围框位移，并记录位移量和横拉值；

第六步、拆除土样围框，由相机记录土样侧面影像。

在进行第三步前，可以将土样制备成半饱和土样，其操作方法为，将挡土网固定到土样朝向前护板的避面上，而后安装挡水板和插杆，两块侧板将土样两侧进行封闭，最后向透水空腔内灌水，由水透过挡土网向土样内渗透，以将土样制备成半饱和土样。

在进行第六步前，需要通过卷扬机将土样拉断，拉力计记录拉断土样时的瞬时横拉值。

本发明的有益效果为：由卷扬机拉动各土样围框位移，记录各个围框位移时的横拉值和位移量，得出各围框的横拉值和瞬时横拉值，以判定堤坝各层能否在汛期抵抗住水流和潮浪冲击，与此同时通过拍摄装置记录拉动前后截面的影像，通过影像与横拉值进行对比分析，判断出土样最易滑移层；另外可以将拉动前后影像存档，并与以往的截面影像进行对比分析，得出土样截面的变化情况和变化趋势；另一方面，在试验前可以通过向透水空腔灌水，将土样制备成半饱和土样，得出堤坝在半饱和状态时横拉值和决口时的瞬时横拉值，模拟堤坝在不同工况条件下的堤坝抗横拉情况。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明：

图1为本发明的主视结构示意图，

图2为本发明的俯视结构示意图，

图3为本发明局部俯视结构示意图，

图4为本发明的局部剖面结构示意图，

图5为本发明在对透水空腔灌水时的俯视结构示意图，

图6为本发明在对透水空腔灌水时的剖面结构示意图，

图7为本发明在将土样围框安装到土样上后的主视结构示意图，

图8为本发明关于截面拍摄装置的主视结构示意图，

图9为本发明关于土样围框的主视结构示意图，

图10为计算显示的拉力与位移量的曲线示意图。

图中：底框1、支撑架2、卷扬机3、土样围框4、前护板5、位移量测量装置6、截面拍摄装置7、土样8、挡土网9、挡水板10、钢丝绳31、拉力计32、收绳卷筒33、侧板41、前板42、钢丝绳定位装置43、推板44、支架61、百分表62、立板71、滑杆72、电机73、滑板74、滑块75、相机76、丝杠77、导轨78、横向缝81、纵向缝82、透水空腔83、毛刺91、插杆101、钩块411、定位块431、三角形通道432、限位板433。

具体实施方式

如图1到9所示，一种水库堤坝边坡现场横拉试验装置，包括底框1、支撑架2、土样围框4、截面拍摄装置7、位移量测量装置6和前护板5；

底框1通过多颗钢钎固定于堤坝一侧地面上，支撑架2固定安装在底框1上，在支撑架2上由上到下依次安装有多个卷扬机3，所述卷扬机3具有两个收绳卷筒33，卷扬机3钢丝绳31的两个端头分别连接在两个收绳卷筒33上，两个收绳卷筒33同步转动；

土样围框4具有多组，所述土样围框4是由一块前板42和两块分别设置在前板42两侧的侧板41围成的一U形结构，侧板41一端固设有多个钩块411，所述钩块411压在前板42端面上，各组土样围框4由下至上依次套在土样8外，各土样围框4与各卷扬机3相对应，各卷扬机3钢丝绳31分别套在各土样围框4外，在各根钢丝绳31的两端均安装有一个拉力计32，所述前护板5设有在前板42前方；前板42和侧板41护住土样8边壁，以让土样围框4整体向后移动，拉力计32可以选择吊秤；各卷扬机3与各层土样围框4等高，钢丝绳31绷直时，钢丝绳31为水平状，保证能够水平横向拉动土样围框4。

如图8所示，所述截面拍摄装置7包括固定在土样8一旁两块立板71，在两边立板71上安装有两根水平滑杆72，在两根水平滑杆72上安装有一竖直滑板74，在滑板74上设有导轨78、滑块75、丝杠77和电机73，电机73驱动丝杠77旋转，丝杠77带着滑块75在导轨78上滑动，在滑块75上安装有相机76；在对土样8侧面进行拍摄时，可以打开照相的全景模式，丝杠77驱动滑块75在导轨78上匀速向上或向下移动，利用相机76对土样8的第一局部进行扫描，扫描完成后，手持滑板74在滑杆72上向左或向右移动一段距离，再次利用相机76对土样8的第二局部进行扫描，如此循环，直到将土样8全部扫描完成，最后将相机76内存储的各局部土样8图像传输到电脑上，利用电脑将图像进行合成得到完整的土样8侧面影像；

如图3所示，所述位移量测量装置6包括固定在土样8一旁的支架61和固定在各侧板41上的推板44，在支架61上由上至下依次安装有多块百分表62，各块百分表62表头抵靠在各推板44上。由百分表62测量土样8的横向位移量。

如图3到5所示，还包括固定在土样8壁面上的挡土网9，在挡土网9一表面上分布有多根毛刺91。挡土网9为柔性塑料制成，在将挡土网9铺到土样8前端面上后，将毛刺91插入到土样8中，利用毛刺91对挡土网9进行固定，挡土网9的作用在于避免土样8受水浸泡时掉屑；

还包括两块分别设置在前护板5两侧的挡水板10，在各挡水板10两侧均设有多根竖直插杆101，插杆101用于固定挡水板10，当将前板42取出后，由挡水板10、前护板5和挡土网9围成一个透水空腔83。

如图4所示，在所述其前板42端面上固定有多个钢丝绳定位装置43，所述定位装置43包括固定在前板42端面上的定位块431，在定位块431上开设有一三角形缺口，在定位块431上通过螺丝连接有一块限位板433，由限位板433缺口围合成一个三角形通道432，钢丝绳31位于三角形通道432内。各定位块431固定在前板42端面中部，在钢丝绳31拉动土样围框4时，定位装置43能够防止钢丝绳31上下移动而导致前板42偏斜。另外要求各卷扬机3收绳卷筒33与各个定位装置43在同一水平面上，保证各层土样8能够水平位移。

一种对水库堤坝边坡现场横拉方法，包括如下步骤，

第一步、在堤坝上挖出纵向缝82和纵向缝82两侧的横向缝81，并且对堤坝上植被进行清理，留出一个规整的截面呈直角梯形的土样8，在横向缝81壁面上安装前护板5；例如：土样8底面长4米、宽2米，顶面长2米、宽2米，高4米。

第二步、在其中一个横向缝81壁面上安装截面拍摄装置7，利用相机76记录土样8未被横拉前的截面影像；将相机76记录的影像传输给电脑，电脑将其整个成完整的土样8侧面影像；

第三步、根据土样8的侧面影像来确定土样围框4高度，在将各组土样围框4安装到土样8上，再将各卷扬机3上的钢丝绳31套入到土样围框4外，并确保钢丝绳31位于定位块431三角形通道432内，随后各卷扬机3收绳，将钢丝绳31预紧；

第四步、将位移量测量装置6安装到另外一个横向缝81壁面，将各百分表62表头压在各块推板44上，推板44的位移量就为土样围框4位移量；

第五步、由卷扬机3拉动同步拉动各土样围框4位移，并记录各层土样的位移量和横拉值；通过位移量和横拉值计算出各土样围框4内土样8的横拉值，横拉值等于横拉值除以位移量，随后将各层横拉值与标准横拉值进行比较，如若横拉值大于标准横拉值则无需对堤坝进行加固；

第六步、拆除土样围框4，由相机76记录土样8侧面影像。

将各层土样8的同步横拉，记录逐级横拉和同步横拉时各层土样8的横拉值，根据各层横拉值以判断堤坝各层能否在汛期抵抗住水流和潮浪冲击。

另外在横拉土样8完成后，由相机76记录土样8侧面影像，与未被横拉之前进行对比，观察各土样8层的滑移情况，以确定是否对各层土样8进行了有效横拉。

还可以将拉动前后影像存档，并与以往的截面影像进行对比分析，得出土样8截面的变化情况和变化趋势。

在进行第三步前，可以将土样8制备成半饱和土样8，其操作方法为，将挡土网9固定到土样8朝向前护板5的壁面上，而后安装挡水板10和插杆101，两块侧板41将土样8两侧进行封闭，最后向透水空腔83内灌水，由水透过挡土网9向土样8内渗透，以将土样8制备成半饱和土样8。

堤坝长时间受水浸泡时，堤坝成为半饱和土样8，堤坝横拉值随之变化，因此需要求出堤坝在半饱和时的各层土样8的横拉值，如若某层土样8横拉值小于标准横拉值，则应当对堤坝进行加护。

在进行第六步前，需要通过卷扬机3将土样8拉断，拉力计32记录拉断土样8时的瞬时横拉值。由于土样8为梯形，土样8是由下到上逐渐薄弱，因此在使用卷扬机3拉断各层土样8时，土样8是由上到下依次被拉断；拉力计32和百分表62可以与计算机相连，由计算机绘制各层拉力与位移之间关系曲线，通过曲线得出堤坝各层在决口时的瞬时横拉值，瞬时横拉值为各层土样8拉力由最高值突然下降时的值，将瞬时横拉值与标准值进行比较，判断堤坝是否需要加固。