一种模拟混凝土面板坝溃坝的离心模型试验装置及方法

技术领域

本发明涉及岩土工程装置技术领域，具体涉及一种模拟混凝土面板坝溃坝的离心模型试验装置及方法。

背景技术

混凝土面板坝是一种以河床砂砾石为主的土石坝，上游由钢筋混凝土面板，趾板和各类接缝止水结构进行防渗，压实后具有较高的强度和变形模量。在漫顶水流的冲刷下，若发生溃坝破坏，则对下游人民群众的生命财产安全造成严重的威胁。因此，研究面板坝的溃坝机理，对于面板坝溃坝灾害预测，做好面板坝溃坝预警及应急预案制定具有重要的意义。

由于混凝土面板坝与土石坝，心墙坝等坝型的结构、材料、及破坏方式均不相同，其质量、密度及形态也具有显著的差异，因此其破坏机理截然不同，在进行试验时，无法使用其他坝型的模拟方法进行其破坏机理的研究。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中没有模拟研究混凝土面板坝溃坝机理的装置，而提供一种模拟混凝土面板坝溃坝的离心模型试验装置及方法，可以较为符合实际的模拟出现实中混凝土面板坝的溃坝过程，使试验过程更接近试验情况，为混凝土面板坝溃坝机理的讨论提供试验依据。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种模拟混凝土面板坝溃坝的离心模型试验装置，包括模型箱，模型箱的一个侧壁上开设有进水口，与进水口相对的另一个侧壁上开设有用于溢流的矩形堰，矩形堰上方的模型箱侧壁上设置有指示灯面板；模型箱内设置堆石料，堆石料的上游侧连接石膏板，石膏板下游的堆石料内按面板坝深度方向，分层埋设多个光敏电阻，每个光敏电阻与指示灯面板上的一个指示灯电性连接；

模型箱内分别设置有用于观察石膏板、堆石料和指示灯面板的高速高清摄像机。

本发明利用离心机产生的“时空放大效应”，使模型与原型边坡处于相同应力状态，可保证试验过程及结果能真实的反应面板坝的溃坝过程，对面板坝的溃坝机理研究具有重要的借鉴意义。

离心机逐级加速后，随着水流漫顶，石膏板逐渐被破坏，堆石料在水流的冲力作用下不断流失，被冲蚀的堆石料处光敏电阻随即暴露出来。由光敏电阻特性可知，暴露在可见光下，光敏电阻的阻值急剧下降，与之相连的指示灯发光。最先被冲刷的地方，光敏电阻最先露出，随着光敏电阻暴露的先后顺序，指示灯依次发光，根据发光指示灯的坐标可确定堆石料中暴露的光敏电阻位置，继而可以明晰水流冲刷路径及范围。整个试验过程以及指示灯的发光顺序由高速高清摄像机二、三拍摄记录。

优选地，在石膏板和堆石料表面用石灰粉均匀、等距的画有石灰网格线，以方便观察、计算石膏板和堆石料的破坏情况。

优选地，光敏电阻型号为LXD3526，每个光敏电阻做防水处理后自上游向下游方向整齐排布。

一种混凝土面板坝溃坝的离心模型试验方法，包括如下步骤：

步骤1，对现场的混凝土面板坝的堆石及面板材料进行勘察测量参数，配置与现场面板坝实际物理力学性质相近的石膏板及堆石料；选取现场的堆石料，碾碎过筛后用于制作离心模型；

步骤2，制备混凝土面板坝离心模型；堆石料采用分层填筑法，每层之间布设光敏电阻，堆石料分层砌筑并填密压实，防止光线意外进入影响光敏电阻；在铺设每一层光敏电阻时，每个光敏电阻的横向间距相等，纵向间距相等，将每个光敏电阻与指示灯一一对应连接；

按照相似准则以及抗弯强度相同的原则制作面板面板之间通过云石胶粘结，面板与模型箱侧壁接触区域涂抹防渗快干胶水，面板之间以及面板与模型箱侧壁之间的接缝处涂抹凡士林；位于面板坝中间位置的石膏板顶部预留一个用于模拟初始溃口的缺口；

在模型箱内分别安装用于观察石膏板、堆石料和指示灯面板的高速高清摄像机；

步骤3，模型箱布置好后，连接供水系统，将模型箱吊装入吊篮后，需要对电路及高速高清摄像机进行测试，以确保电路以及视频监测系统正常工作；对离心机进行配重后开始逐级加速，使模型与实际情况处于同一应力状态下；待离心加速度稳定至目标加速度后开启供水系统，通过模型箱顶部的进水口向水库区注水；

开启供水系统后，模型箱内开始蓄水，面板前水位逐渐上涨；当水位达到面板顶部时，水流开始从石膏板预留的缺口漫顶流过，对堆石料进行冲刷，随着供水的不断增加，堆石料逐渐破坏，被破坏处的光敏电阻随着水流冲刷逐渐外露，与外露光敏电阻连接的指示灯在面板上对应亮起，由高速高清摄像机记录下；

步骤4，在图像监控系统中观察，当溃口不再继续扩大，视为稳定，结束试验，试验结束后关闭供水系统；对指示灯的发光顺序进行分析，推断水流冲刷路径及范围。

作为优选实施例，步骤2中，在铺设每一层光敏电阻时，采用横向每隔10cm布置一个光敏电阻，纵向每隔20cm布置一个光敏电阻。一个光敏电阻对应连接一个指示灯，指示灯亮起，说明光敏电阻所在堆石料被破坏。

作为优选实施例，步骤2中，面板利用水泥、砂、石膏按照10∶1∶1的比例制作，弹性模量达到8Gpa。按照相似准则以及抗弯强度相同的原则进行面板制作。

作为优选实施例，步骤2中，在面板和堆石料表面用石灰粉均匀、等距的画网格线，以方便观察计算面板和堆石料的破坏情况。

作为优选实施例，为避免急剧加载造成模型突然破坏，步骤3中离心加速度从1g逐渐加速至Ng，每一级增加的离心加速度为5g，待土体变形稳定一段时间后再施加下一级。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以实现混凝土面板坝的溃坝试验，溃坝水流对堆石料的冲刷破坏通过光信号可视化的表现出来，通过指示灯的亮起顺序就可以较为方便的推断出水流的冲刷路径和范围，对溃坝机理的研究有重要的借鉴意义。

本发明可以较为真实的还原面板坝溃坝过程，通过石膏板的破坏可以为面板坝溃坝机理研究提供试验基础。

附图说明

图1为本发明实试验装置的立体图结构；

图2为图1的正视剖视图结构；

图3为图1的右侧视图结构；

图4为本发明中指示灯电路图；

图5为本发明中混凝土面板坝的结构示意图；

图6为本发明中光敏电阻与指示灯连接结构示意图；

图7为本发明中石膏板网格线示意图；

图8为本发明中堆石料网格线示意图；

图9为本发明中堆石料区光敏电阻排号示意图；

图10为本发明中指示灯面板上指示灯的排布示意图。

图中标记：1、矩形堰，2、进水口，3、高速高清摄像机，4、模型箱，5、石膏板，6、指示灯面板，7、光敏电阻，8、电性连接线，9、堆石料，10、石灰网格线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一步说明。

实施例1

如图1-3、5-6所示，一种模拟混凝土面板坝溃坝的离心模型试验装置，包括铝合金材质的模型箱4，模型箱的一个侧壁上开设有进水口2，与进水口相对的另一个侧壁上开设有用于溢流的矩形堰1，矩形堰上方的模型箱侧壁上设置有指示灯面板6；模型箱内设置堆石料，堆石料的上游侧连接石膏板5，石膏板下游的堆石料内按面板坝深度方向，分层埋设多个光敏电阻7，光敏电阻型号为LXD3526，每层的光敏电阻做防水处理后自上游沿着模型箱内壁向下游方向整齐排布，每个光敏电阻与指示灯面板上的一个指示灯电性连接；

石膏板上方的模型箱内设置有用于观察石膏板的高速高清摄像机一3，堆石料上方的模型箱内设置有高速高清摄像机二和高速高清摄像机三，高速高清摄像机二用于观察堆石料，高速高清摄像机三用于观察指示灯面板。

为光敏电阻供电的电源线沿着离心机旋转臂外接电源进行供电，供电电路图如图4所示。

在石膏板和堆石料表面用石灰粉均匀、等距的画石灰网格线10，如图7-8所示，以方便观察、计算石膏板和堆石料的破坏情况。

如图9、10所示，随着坐标轴的增加，将每一个光敏电阻和每一个指示灯一一编号对应。在模型中，与面板间接缝正交方向为一横排，在指示灯面板中成一列排布。离心机逐级加速后，随着水流漫顶，石膏板逐渐被破坏，堆石料在水流的冲力作用下不断流失，被冲蚀的堆石料处光敏电阻随即暴露出来。由光敏电阻特性可知，暴露在可见光下，光敏电阻的阻值急剧下降，与之相连的指示灯发光。最先被冲刷的地方，光敏电阻最先露出，随着光敏电阻暴露的先后顺序，指示灯依次发光，根据发光指示灯的坐标可确定堆石料中暴露的光敏电阻位置，继而可以明晰水流冲刷路径及范围。整个试验过程以及指示灯的发光顺序由高速高清摄像机二、三拍摄记录。

实施例2

一种混凝土面板坝溃坝的离心模型试验方法，主要包括如下步骤：

步骤1，对现场的混凝土面板坝的堆石及面板材料进行勘察测量参数，配置与现场面板坝实际物理力学性质相近的石膏板及堆石料。模型堆石料选取现场原始堆石料，碾碎过筛后用于制作离心模型。

对现场的混凝土面板坝坡比及水文数据进行采样整理，以尽可能地使得离心模型与实际情况相同。在现场面板坝堆石料的多条勘探线路选取多个不同位置，选取多组原状试样进行级配试验。堆石料主体材料为石料，粒径由几mm至几十cm不等，孔隙率大约20％。模型材料直接选取现场原始堆石料，碾碎过筛得到与现场相似的缩尺后的级配，再结合面板坝的规模、现场形态、离心机荷载容量条件，确定离心模型和现场边坡的相似比N，相似比N根据相似准则来确定，相似准则及相似比N的确定均为现有技术，在此不再赘述。

步骤2，如图9，制备混凝土面板坝离心模型。堆石料采用分层填筑法，每层堆砌高度为10cm，每层之间布设光敏电阻，在每一层铺设光敏电阻时，采用横向每隔10cm布置一个，纵向每隔20cm布置一个，由于光敏电阻很小，单个外径仅约3mm，因此不会影响溃坝水。将每个光敏电阻与指示灯对应连接，一个光敏电阻对应一个指示灯，分组并联，每个指示灯整齐、等距排布，并按照光敏电阻位置进行编号。

堆石料分层砌筑并填密压实，防止光线意外进入影响光敏电阻。光敏电阻在堆石料内，横向、竖向、纵向等距分布，光敏电阻及电线经过防水处理，沿坝体下游方向整齐排布。

按照相似准则以及抗弯强度相同的原则进行面板制作，面板利用水泥、砂、石膏按照10∶1∶1的质量比制作，制作方法属于现有技术，在此不再赘述。面板与模型箱侧壁接触区域涂抹防渗快干胶水，以保证水不会沿着模型箱侧壁渗漏影响试验结果。石膏板之间通过云石胶粘结，板与板之间接缝处涂抹凡士林进行防渗水处理。由于水压力随着深度增加而增大，每块板厚沿面板坝深度方向均匀增大。中间石膏板顶部预留一个5cm深的缺口模拟初始溃口。

在面板和堆石料表面用石灰粉均匀、等距的画网格线，以方便观察计算面板和堆石料的破坏情况。

根据确定的相似比N设计模型箱，该模型箱的设计方法为现有技术，在此不再赘述。如图2所示，本实施例中模型箱有效尺寸为1200×400×800mm，模型箱侧面板、顶板及底板均为厚度65mm的6061T6状态高强铝合金板。模型箱各侧面板之间均通过螺栓连接，接缝处设有密封条，确保不发生漏水。模型箱外的供水系统外接4个储水箱，可通过模型箱的进水口向模型箱内供水，供水系统置于离心机室外，不间断地向模型箱内供水，减少了离心机高速旋转过程的磨损，实际试验操作更安全稳定，供水速度可人为调整。供水系统及离心机均属现有技术，在此不再赘述。

模型箱侧面板上开设用于溢流的矩形堰，矩形堰下游面与上游直立面成30°夹角，矩形堰宽度为280mm，矩形堰底端至模型箱底部的距离为200mm。在矩形堰前安装孔压传感器，测量溢流前水头。利用堰流公式由溢流前水头计算得到溃口流量。

溢流流量Q计算公式为：

式中：L为矩形堰宽度；H为不包含行进流速水头的堰前水头；N为相似比；g为重力加速度；其中侧向收缩系数σ

式中：P为矩形堰堰高；B为模型箱内净宽。

本发明通过矩形堰可以计算出面板坝溃坝过程水流流量，为现实中面板坝建设以及灾害预测具有重要意义。

在模型箱内安装的高速高清摄像机可逐帧提取视频图像，摄像机一、二分别位于石膏板和下游堆石料中线上方，镜头方向与石膏板面和堆石料面方向正交，再安装一台摄像机三，观察模型箱侧壁指示灯面板上指示灯的变化情况。确保可以完全拍摄到试验过程，分析试验细节。

步骤3，模型箱布置好后，将模型箱吊装入吊篮后，需要对电路及高速高清摄像机进行测试，以确保电路以及视频监测系统正常工作。对离心机进行配重后开始逐级加速，使模型与实际情况处于同一应力状态下；待离心加速度稳定至目标加速度后开启供水系统，通过模型箱顶部的进水口向水库区注水。为避免急剧加载造成模型突然破坏，离心加速度从1g逐渐加速至Ng，每一级增加的离心加速度为5g，待土体变形稳定一段时间后再施加下一级。

开启供水系统后，模型箱内开始蓄水，面板前水位逐渐上涨。当水位达到面板顶部时，水流开始从石膏板预留的缺口漫顶流过，对堆石料进行冲刷。随着供水的不断增加，堆石料逐渐破坏，被破坏处的光敏电阻随着水流冲刷逐渐外露，与外露的光敏电阻连接的指示灯在面板上对应亮起，由高速高清摄像机记录下。

随着库水的冲蚀，下游坝体高程不断下降低，石膏板在尚未冲毁的下游坝体支持下，仍起着挡水作用。随着水流对支撑面板下游坝体的冲蚀，面板悬空长度越来越大，当面板悬空长度过大，无法承受自重和水荷载共同作用时，面板发生折断。如此上述过程重复进行，面板接连受到冲蚀，相继发生折断。

步骤4，在图像监控系统中观察，当溃口不再继续发展时，视为稳定，可认为试验结束。试验结束后关闭供水系统。摄像头始终开启，记录面板溃坝过程、堆石料冲刷过程以及指示灯模组亮灯过程。对指示灯的发光顺序进行分析，推断水流冲刷路径及范围。