[發明專利]土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法

有效

• 申請號: 201410018834.5
• 申請日: 2014-01-15
• 公開（公告）號: CN103726475A
• 公開（公告）日: 2014-04-16
• 發明（設計）人: 陳生水;徐光明;顧行文;鐘啟明;傅華;任強
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: E02B1/02
• 分類號: E02B1/02
• 代理公司: 南京天華專利代理有限責任公司 32218
• 代理人: 徐冬濤;蔣真

1.一種土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法，其特征是包括以下步驟：

步驟1）設置土石壩潰壩試驗專用模型箱，模型箱內設置上有堤坡、下游堤坡和下游河道段，箱內布置管道承接水流控制系統來水量，管道出水端設有濾網以防大的漂浮物進入模型箱內，同時在管道上安裝有電磁式流量計，以實時記錄來水流量Q_in，下游出水即為潰壩水流，為了測量潰壩流量過程，在模型箱右端設置一矩形堰口，堰口頂端最薄處為2mm，夾角30度，通過堰口前水位計測量堰口以上的水頭h₂，利用堰流流量公式計算得到潰壩流量過程，計算所需的流量系數m，則通過離心機流量試驗事先標定獲得；

步驟2）利用離心機的工作原理和應力相似準則，在確定原型與模型幾何尺寸的比值N（即幾何相似比，又稱幾何比尺）后，得到土石堤壩原型與1/N縮尺的離心試驗模型在Ng離心加速度條件下，使得模型與原型的線性尺寸比為1/N，模型與原型兩者覆土應力一致；

步驟3）根據滲流相似準則，得到離心模型土的滲透系數是原型土的滲透系數的N倍；

步驟4）根據剪應力相似準則，將模型無粘性土石料的顆粒粒徑較原型縮小N倍

步驟5）利用水流相似準則，得到土石堤壩潰壩離心模型試驗中常用物理量的相似準則可由表1給出，在幾何比尺N值確定后，其它物理量相似比隨即確定。通常N取值范圍在30～150之間。

表1土石堤壩潰壩離心模型試驗中常用物理量相似準則

物理量名稱相似比Ng重力模型

??（原型量/模型量）長度δ_lN流速δ_v1流量δ_aN²時間δ_tN質量δ_mN³密度δ_ρ1力δ_FN²應力、壓強δ_P1加速度δ_a1/N滲透系數δ_kN無粘性土石料粒徑δ_dN

2.根據權利要求1所述的土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法，其特征在于所述步驟3）包括以下步驟：根據Darcy定律，土體中的平均水流速度可表示為：

v＝ki??????????????????????????(1)

其中k表示滲透系數，i表示水力梯度，滲透系數滿足：

k=Kγμ=Kρgμ---(2)]]>

式中，K表示固有滲透率；γ表示液體的重度；μ表示液體的動力粘滯系數。

水力梯度滿足：

i=Δh‾ΔL---(3)]]>

其中總水頭差：

Δh‾=[ΔPρg]+[Δ(v2)2g]+Δz---(4)]]>

式中，右側第一項為壓力水頭差；第二項為速度水頭差；第三項為高度水頭差。

一般情況下，速度水頭可以忽略，聯立式(1)-(4)可得：

v=Kμ·Δ(P+zρg)ΔL---(5)]]>

在離心模型試驗中，(ΔL)_p=N(ΔL)_m，Δ(P+zρg)_p=Δ(P+zρg)_p，通過式(5)可以看出，在土的固有滲透率和液體動力粘滯系數不變的條件下，離心模型的能量梯度比原型的能量梯度大N倍，因此模型中的滲流速度比原型大N倍，即離心模型土的滲透系數是原型土的滲透系數的N倍。