[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

技術領域

本發明屬于試驗理論技術領域，尤其涉及一種土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法，特別適用于土石堤壩潰壩機理、潰口發展規律與潰壩洪水流量過程的試驗研究。

背景技術

目前，我國已建成水庫大壩9.8萬多座，重要堤防數10萬公里，絕大部分為土石堤壩，這些水庫大壩與堤防在給我們帶來巨大效益的同時，也存在著潰決的風險。1954年至今，我國已有3524座水庫大壩和多處堤防發生潰決，造成了重大生命財產損失和生態環境災難。為此，近年來國內外針對土石堤壩的潰壩機理、潰口發展規律以及潰壩洪水流量過程開展了大量的試驗研究，以期為潰壩洪水下游演進致災后果計算分析提供可靠的依據，進一步提升土石堤壩的安全控制水平，減輕或避免因土石堤壩潰壩造成的損失。

目前國內外常用的模型試驗方法可以分為兩類：

（1）室內小比尺潰壩模型試驗。

該類試驗主要在室內水槽中進行，最大壩高一般﹤1.0m。顯然該類試驗模型幾何尺寸小，模型與原型幾何尺寸和應力水平相差很大，考慮到應力水平對土石料力學特性具有重要影響，因此，該類試驗結果的合理性一直受到質疑。

（2）室外大比尺潰壩模型試驗。

該類試驗一般在野外選擇適合進行潰壩試驗的場地修建堤壩，構筑蓄水池（水庫），或直接利用廢棄的水庫堤壩進行潰壩試驗。近年來，歐美、日本以及我國已進行過多次國內外室外大比尺潰壩模型試驗，最大壩高已達9.7m，對揭示土石堤壩潰決機理與潰口發展過程發揮了重要作用。但該類試驗一般很難尋找到合適的試驗場地，就是找到合適的試驗場地，試驗過程中也會占用大量的土地和水資源，費用高、耗時長，特別是隨著壩高的增加，試驗的風險控制將變得十分困難。

為此，我們利用土工離心機高速運轉所產生的高加速度可提升縮尺模型中的應力水平這一原理，研制成功了一套土石堤壩潰壩離心模型試驗系統，并成功運用于土石堤壩潰壩機理與潰壩過程試驗研究。

發明內容

本發明的目的在于提供一種土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法，以克服上述缺陷。

本發明的技術方案是：

一種土石堤壩潰壩離心模型試驗分析方法，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

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)]]>