一种用于防汛抢险演练的均质黏性土坝漫顶溃决模型制造技术

本发明专利技术公开了一种用于防汛抢险演练的均质黏性土坝漫顶溃决模型。包括由粘性土填筑而成的土坝本体，所述土坝本体包括上游坝肩、坝顶和下游坝肩，在模型上游设有用于对水位进行调节的控制闸门；在土坝本体的下游坝肩底部设有空腔层，空腔层内填充粉砂层。本发明专利技术一种用于防汛抢险演练的均质黏性土坝漫顶溃决模型，特别适用于漫顶水流作用下黏性土坝溃决机理的揭示及溃坝过程中水土耦合作用的展示，同时还具备对防汛机动抢险专业队伍开展溃坝灾害培训的功能。

A model of overtopping failure of homogeneous viscous earth dam for flood control and emergency drilling

The invention discloses a uniform cohesive Earth Dam Overtopping failure model for flood control and emergency drilling. Including an earth dam body filled with cohesive soil, the earth dam body includes upstream abutment, dam top and downstream abutment, and a control gate for adjusting water level is installed upstream of the model; a cavity layer is arranged at the bottom of the lower abutment of the earth dam body, and silt layer is filled in the cavity layer. The present invention is used for overtopping failure model of homogeneous clay earth dam in flood control emergency drill. It is especially suitable for revealing the overtopping failure mechanism of clay earth dam under the action of overtopping flow and displaying the coupling effect of water and soil in the process of dam breaking. It also has the function of training the professional team of flood control and mobile emergency rescue for dam breaking disaster.

【技术实现步骤摘要】
一种用于防汛抢险演练的均质黏性土坝漫顶溃决模型
本专利技术涉及一种用于防汛抢险演练的均质黏性土坝漫顶溃决模型，属于土坝试验理论

技术介绍
第一次全国水利普查数据显示，我国已建成水库大坝近10万座，其中均质土坝9万座以上，且我国水库工程大多兴建于20世纪50～70年代，受当时经济技术条件限制，大坝建设标准低、质量差。加上管理经费长期投入不足，维修养护不到位，工程老化失修严重，“先天不足、后天失调”导致我国病险水库大量存在。据我国水利部大坝安全管理中心普查资料统计，自1954年至今，我国有3500多座水库大坝发生溃决，且溃决大坝中95％以上是均质坝。因此有必要揭示均质土坝的漫顶溃决机理，为防灾减灾提供有效的技术手段。目前国内外已开展大量的溃坝模型试验，但存在以下主要问题：(1)模型试验材料一般采用砂土替代黏性土。由于均质坝一般由黏性土组成，而黏性土的抗冲蚀性能较强，其启动流速一般在2m/s左右，小比尺模型试验很难具备使其溃决的水力条件，目前的模型试验多采用启动流速约为黏性土1/100的砂土替代，但砂土坝溃决形式表现为剪切破坏，而黏性土坝溃决形式表现为倾倒破坏，二者的溃决机理完全不同。(2)模型比尺较大，试验成本较高。大比尺实体坝溃坝试验可较好地揭示黏性土坝的溃决机理，但一般很难寻找到合适的试验场地，而且试验费用高、耗时较长，同时随着坝高的增加，试验的风险也较大。
技术实现思路
针对上述技术问题，本专利技术基于均质黏性土坝的“陡坎”冲蚀机理，并充分考虑黏性土的物理力学特性，提出一种均质黏性土坝漫顶溃决过程的模型及其试验方法。用于快速模拟均质黏性土坝的漫顶溃决过程，特别适用于漫顶水流作用下黏性土坝溃决机理的揭示及溃坝过程中水土耦合作用的展示，同时还具备对防汛机动抢险专业队伍开展溃坝灾害培训的现实功能。为了实现上述技术目的，本专利技术采用如下具体技术方案：一种用于防汛机动抢险演练的土坝漫顶溃决模型，包括由粘性土填筑而成的土坝本体，所述土坝本体包括上游坝肩、坝顶和下游坝肩，在土坝本体的下游坝肩底部设有空腔层，空腔层内填充粉砂层，粉砂层的厚度由以下公式确定：当下游坝肩底部失稳发生时必满足下式：Ws+(h-Tv)αHwγw-(h-Tv)C＝0式中，Ws为下游坝肩底部悬空处粘性土土块质量，h为坝高，Tv为下游坝肩底部粉砂层厚度，C为粘性土黏聚力，Hw为漫顶过流水深，γw为水体容重，α为下游坝肩边坡比；γs为土体容重。所述土坝本体上设有溃口，所述溃口为设置在坝顶上的上部开口通槽，所述通槽连接上游坝肩和下游坝肩。所述通槽的截面呈倒梯形。所述土坝本体内部设有加快土坝本体溃坝的触发单元。所述触发单元为在土坝本体内部布置的若干个石块。所述触发单元为在土坝本体内部布置的若干个小气囊。所述上游坝肩的坡比为1：1.5。所述下游坝肩的坡比为1：2。有益效果：专利技术的均质黏性土坝漫顶溃决模型具有以下特点：(1)溃坝断面创新设计，实现在低速水流条件下的“想溃就溃”的溃坝模拟，解决了以往模型试验时“想溃不溃”的技术难点。(2)溃坝试验过程安全可控，确保模型试验时现场工作人员安全。附图说明图1为本专利技术土坝漫顶溃决模型下游边坡简化受力示意图；图2为本专利技术土坝漫顶溃决模型的断面示意图；图3为本专利技术土坝漫顶溃决模型的立体图；图4为槽道的截面示意图；其中，1为黏性土；2为粉砂；3为槽道；4为触发单元。具体实施方式下面结合说明书附图以及据图实施例对本专利技术的技术方案作进一步详细说明。如图1所示，本实施例中，坝体高度为1m，坝顶宽度0.5m，坝体长度2m，上游坡比可根据实际模拟情况调整，下游坡比1:2，坝体部位大部分采用黏性土填筑，仅在下游坡坝脚处采用黏聚力几乎为零的粉砂填筑。粉砂层厚度的确定：考虑到黏性土较高的黏聚力特性，在漫顶溃坝初期，一般可假定除下游坡脚外土坝整体结构保持完整。由于漫顶水流会对下游边坡施加压力，此时下游边坡简化受力示意图如图1所示：当下游坡脚失稳发生时必满足下式：Ws+(h-Tv)αHwγw-(h-Tv)C＝0式中，Ws为下游坝脚悬空处土块质量，h为坝高，Tv为下游坝脚处粉砂层厚度，C为土体黏聚力，Hw为漫顶过流水深，γw为水体容重，α为下游边坡比。因此，可通过下式确定下游坝脚处的粉砂层的厚度：其中γs为土体容重。所述坝顶上设有连接上游坝肩和下游坝肩的通槽，通槽深度为10cm。为防止在试验未开始时发生漫顶，同时方便试验时调节水位，上游设计控制闸门。当水位达到预定漫顶高度，在漫顶水流冲刷作用下，下游坝脚处的粉砂首先被水流冲刷带走，然后下游坝段发生沿水流方向的倾倒式破坏，随漫顶后水流流速的增大，溃口宽度和深度不断扩展，坝体逐渐发生横向倾倒式的扩展破坏，最终完全溃坝。如图2～图4所示，进一步的，为了加快溃坝发生的时间和增加演练效果的逼真性，所述土坝本体上设有溃口，所述溃口为设置在坝顶上的上部开口通槽，通槽连接上游坝肩和下游坝肩。进一步的，溃口的截面形状呈倒梯形，倒梯形断面过水面积大，断面稳定。我们做了4组粘度不相同的对比试验，见表1表1现场试验主要参数试验组数F1F2F3F4黏粒含量(％)11.5011.5017.8033.00压实度(％)97969888含水率(％)19.4215.7417.628.55C/kPa9.37.513.039.5Φ(°)28.2527.816.014.4摩阻流速v*(m/s)0.060.060.170.35从上表的溃坝试验结果对比可以得出，坝体的摩阻流速受土坝本体中黏性土的粘度值影响最大。为了进一步更加真实的模拟现实情况，所述土坝本体内部设有加快土坝本体溃坝的触发单元。作为触发单元的第一个实施例，所述触发单元为在土坝本体内部布置的若干个石块。作为触发单元的第二个实施例，所述触发单元为在土坝本体内部布置的若干个小气囊。当土坝本体内的上述触发单元被水冲走后，触发单元为带动周围的土一起被冲走，从而可以进一步加快土坝本体的溃坝速度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于防汛机动抢险演练的土坝漫顶溃决模型，包括由粘性土填筑而成的土坝本体，所述土坝本体包括上游坝肩、坝顶和下游坝肩，在模型上游设有用于对水位进行调节的控制闸门；其特征在于，在土坝本体的下游坝肩底部设有空腔层，空腔层内填充粉砂层，粉砂层的厚度由以下公式确定：当下游坝肩底部失稳发生时必满足下式：Ws+(h‑Tv)αHwγw‑(h‑Tv)C＝0

【技术特征摘要】
1.一种用于防汛机动抢险演练的土坝漫顶溃决模型，包括由粘性土填筑而成的土坝本体，所述土坝本体包括上游坝肩、坝顶和下游坝肩，在模型上游设有用于对水位进行调节的控制闸门；其特征在于，在土坝本体的下游坝肩底部设有空腔层，空腔层内填充粉砂层，粉砂层的厚度由以下公式确定：当下游坝肩底部失稳发生时必满足下式：Ws+(h-Tv)αHwγw-(h-Tv)C＝0式中，Ws为下游坝肩底部悬空处粘性土土块质量，h为坝高，Tv为下游坝肩底部粉砂层厚度，C为粘性土黏聚力，Hw为漫顶过流水深，γw为水体容重，α为下游坝肩边坡比；γs为土体容重。2.根据权利要求1所述的用于防汛机动抢险演练的土坝漫顶溃决模型，其特征在于，所述土坝本体上设有溃口，所述溃口为设置在坝顶上的上部开口通槽，所述通槽连接上游坝肩和下游...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈生水，李国英，钟启明，刘丽君，于正广，陆范彪，李荣，韩凤荣，赵鸣伟，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，江苏省防汛防旱指挥部办公室，南京市水利规划设计院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32