一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统技术方案

一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生；本发明专利技术还提供了一种堰塞坝离心模型试验模拟系统，本发明专利技术针对堰塞坝材料特性复杂、内部常存在不均匀分布的大孔隙结构、发生不均匀变形的特点，实现了在土工离心机中模拟堰塞坝的不均匀分布孔隙结构。

A simulation method and system for centrifugal model test of dam with weir plug

【技术实现步骤摘要】
一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统
本专利技术属于堰塞坝模型试验
，特别涉及一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统。
技术介绍
堰塞坝常常伴随着地质灾害而产生，在世界各地的山区都广泛分布。堰塞坝的存在给下游人民的生命财产安全造成了巨大的威胁，一旦处理不好便会造成毁灭性的灾难。堰塞坝主要由滑坡形成的“天然”堰塞体以及设计修建的“人工”防渗体两类结构组成，并且受到所处坝基和库岸边坡的显著影响。堰塞坝所处环境复杂多变，自身还有挡水泄洪等功能，因此经历频繁的应力变化过程、变形过程、破损过程和渗流过程等多过程的耦合作用，需合理考虑百米级的坝体、米级的防渗结构、厘米级的结构面乃至毫米级的裂缝等多个尺度的耦合响应。目前的堰塞坝应力变形和渗流特性及稳定性分析主要是按照土石坝的理论方法，但与常规土石坝不同，滑坡形成的堰塞坝材料特性复杂，堰塞坝复杂体系工作性态和安全性的演化是现有的分析理论方法难以合理考虑的，亟需深入研究堰塞坝多体多过程相互作用特性及长期工作性态演变机理。土工离心机通过在模型上施加与重力场等效的离心力场，可以使模型与原型的应力相同、变形相似，土工离心模型试验在研究坝坡的变形与破坏机理中有着明显的优势。由于堰塞坝的材料特性复杂，往往在形成过程中存在不均匀分布的孔隙结构，导致产生不均匀的大变形。目前尚没有针对堰塞坝的离心模型试验模拟技术，不能很好地发挥土工离心模型试验手段在堰塞坝变形破坏特性机理研究中的重要作用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，针对堰塞坝材料特性复杂、内部常存在不均匀分布的大孔隙结构、发生不均匀变形的特点，本专利技术的目的在于提供一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统，在土工离心机中模拟堰塞坝的不均匀分布孔隙结构为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生。优选地，在模拟实验中，根据实际情况和土工离心机缩尺效应调整碎石与砂土的级配。优选地，在模拟实验中，所述硝酸钾粉末布置在堰塞体中拟形成孔隙的位置，控制硝酸钾粉末的密度，使其与堰塞体材料的强度相近，通过调整硝酸钾粉末的含量、布置位置和布置数量，从而控制堰塞体中孔隙的形状、位置和数量。优选地，在模拟实验中，所述模拟堰塞体中设置有由石膏混合料组成的模拟防渗结构，模拟防渗结构设置在沿模拟堰塞体宽度方向的中央位置，自上而下贯穿，所述石膏混合料由水、石膏、砂、碳酸钙混合形成，按照符合试验强度要求的配合比配置。本专利技术还提供了一种堰塞坝离心模型试验模拟系统，包括模型箱1，所述模型箱1中设置有一竖向的透水隔板2将箱内分为两个腔室，其中一个腔室的侧壁开有出水口，并在该腔室内布置有主要由碎石、砂土和硝酸钾粉末8构成的模拟堰塞体3，模拟堰塞体3的一端与透水隔板2接触，另一端与模型箱1的内侧壁一接触，在另一个腔室的侧壁开有进水口4和加压口5。优选地，在模拟实验中，模拟堰塞体3中设置有由石膏混合料组成的模拟防渗结构6，模拟防渗结构6设置在沿模拟堰塞体3宽度方向的中央位置，自上而下贯穿，底部通过凹槽结构固定在模型箱1底部，所述模拟防渗结构6安装有应变片，所述石膏混合料由水、石膏、砂、碳酸钙混合形成，按照符合试验强度要求的配合比配置。优选地，在模拟实验中，所述进水口4与外部的储水系统连接，所述储水系统包括水箱、电磁阀以及输水管，其中水箱固定在离心机的转臂上靠近主轴的位置，在试验开始前储存足够的水，供试验过程中使用；水箱的开关通过电磁阀控制，在离心机运行过程中实现水流的供给，并通过输水管将水经由进水口4输送到所述另一个腔室。优选地，在模拟实验中，透水隔板2由铁丝网和半透水布粘结组成，所述半透水布的透水性满足所述另一个腔室内部的水在离心力作用下不会渗出，施加一定的气压后可以渗出。优选地，在模拟实验中，述铁丝网不同的位置粘结不同透水性的半透水布，通过控制施加气压的大小控制渗出水的位置，从而形成特定的堰塞坝孔隙生成顺序。优选地，在模拟实验中，保证离心机加速度达到稳定值前所述另一个腔室的水不会渗出的前提下，在预计先形成孔隙的位置选择的半透水布的透水性好于在预计后形成孔隙的位置选择的半透水布的透水性，在模拟堰塞体3以外的区域选择不透水布。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1)可以实现堰塞坝不均匀大孔隙及其导致的坝体不均匀沉降的离心模型试验模拟，为进一步揭示堰塞坝变形破坏特性奠定了基础。2)可以实现不同的堰塞坝孔隙分布形式和孔隙形成顺序，模拟多种工况，适用范围广。3)可以实现离心模型试验中堰塞坝防渗结构的模拟。4)本专利技术试验成本低，操作简便，各系统控制简单。附图说明图1是本专利技术结构示意图(立体图一)。图2是本专利技术结构示意图(立体图二)。图3是本专利技术结构示意图(俯视图)。图4是本专利技术结构示意图(剖视图)。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。本专利技术的思路是用一定级配的碎石与砂土混合材料构筑模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱内通水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生。参考图1、图2、图3和图4，本专利技术模拟系统包括模型箱1，在模型箱1中设置有一竖向的透水隔板2将箱内分为两个腔室，其中一个腔室的侧壁开有出水口，并在该腔室内布置有主要由碎石、砂土和硝酸钾粉末构成的模拟堰塞体3，模拟堰塞体3的一端与透水隔板2接触，另一端与模型箱1的内侧壁一接触，在另一个腔室的侧壁开有进水口4和加压口5。本专利技术的一种具体结构如下：1.堰塞体模拟系统即模拟堰塞体3，主要由碎石和砂土混合组成，其布置在模型箱1的“一个腔室”内，可根据现场实际调研情况和土工离心机缩尺效应调整材料的级配，同时在模拟堰塞体3中拟形成孔隙的位置布置一定数量的硝酸钾粉末，控制硝酸钾粉末的密度，使其与模拟堰塞体3材料的强度相近。根据试验方案设计，可以调整硝酸钾粉末的含量、布置位置和布置数量，从而控制堰塞坝中孔隙的形状、位置和数量。2.防渗结构模拟系统即用石膏混合料构筑的模拟防渗结构6，通过调整该混合料的配比，得到能够满足模型相似条件的合适模拟材料。模拟防渗结构6在试验制样前浇筑完成，可根据工程实际情况和土工离心机缩尺效应调整其高度和厚度。3.储水系统包括水箱、电磁阀、输水管。水箱固定在离心机的转臂上靠近主轴的位置，在试验开始前储存足够的水，供试验过程中使用。水箱的开关通过电磁阀控制，可以在离心机运行过程中实现水流的供给，并通过输水管将水输送到堰塞坝孔隙控制系统中。4.堰塞坝孔隙控制系统主体是一个长方体空心铝盒7，即上述的“另一个腔室”，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，其特征在于，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生。/n

【技术特征摘要】
1.一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，其特征在于，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生。


2.根据权利要求1所述堰塞坝离心模型试验模拟方法，其特征在于，根据实际情况和土工离心机缩尺效应调整碎石与砂土的级配。


3.根据权利要求1所述堰塞坝离心模型试验模拟方法，其特征在于，所述硝酸钾粉末布置在堰塞体中拟形成孔隙的位置，控制硝酸钾粉末的密度，使其与堰塞体材料的强度相近，通过调整硝酸钾粉末的含量、布置位置和布置数量，从而控制堰塞体中孔隙的形状、位置和数量。


4.根据权利要求1所述堰塞坝离心模型试验模拟方法，其特征在于，所述模拟堰塞体中设置有由石膏混合料组成的模拟防渗结构，模拟防渗结构设置在沿模拟堰塞体宽度方向的中央位置，自上而下贯穿，所述石膏混合料由水、石膏、砂、碳酸钙混合形成，按照符合试验强度要求的配合比配置。


5.一种堰塞坝离心模型试验模拟系统，包括模型箱(1)，其特征在于，所述模型箱(1)中设置有一竖向的透水隔板(2)将箱内分为两个腔室，其中一个腔室的侧壁开有出水口，并在该腔室内布置有主要由碎石、砂土和硝酸钾粉末(8)构成的模拟堰塞体(3)，模拟堰塞体(3)的一端与透水隔板(2)接触，另一端与模型箱(1)的内侧壁一接触，在另一个腔室的侧壁开有进水口(4)和加压口(5)。


6.根据权利要求5所述堰塞坝离心模型试验...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵艺颖，张嘎，孙伟，王爱霞，罗方悦，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11