土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法
【专利摘要】一种土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，其特征是包括以下步骤：步骤1）设置土石坝溃坝试验专用模型箱；步骤2）利用离心机的工作原理和应力相似准则，得道土石堤坝原型与1/N缩尺的离心试验模型在Ng离心加速度条件下，使得模型与原型的线性尺寸比为1/N，模型与原型覆土应力一致；步骤3）根据渗流相似准则，得到离心模型土的渗透系数是原型土的渗透系数的N倍；步骤4）根据剪应力相似准则，将模型无粘性土石料的颗粒粒径较原型缩小N倍；步骤5）利用水流相似准则，得到土石堤坝溃坝离心模型试验中常用物理量的相似准则。本发明不受场地的限制和制约，试验过程中无需占用大量的土地和水资源，具有费用低、耗时短的优点。
【专利说明】土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于试验理论【技术领域】，尤其涉及一种土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，特别适用于土石堤坝溃坝机理、溃口发展规律与溃坝洪水流量过程的试验研究。
【背景技术】
[0002]目前，我国已建成水库大坝9.8万多座，重要堤防数10万公里，绝大部分为土石堤坝，这些水库大坝与堤防在给我们带来巨大效益的同时，也存在着溃决的风险。1954年至今，我国已有3524座水库大坝和多处堤防发生溃决，造成了重大生命财产损失和生态环境灾难。为此，近年来国内外针对土石堤坝的溃坝机理、溃口发展规律以及溃坝洪水流量过程开展了大量的试验研究，以期为溃坝洪水下游演进致灾后果计算分析提供可靠的依据，进一步提升土石堤坝的安全控制水平，减轻或避免因土石堤坝溃坝造成的损失。
[0003]目前国内外常用的模型试验方法可以分为两类:
[0004]( I)室内小比尺溃坝模型试验。
[0005]该类试验主要在室内水槽中进行，最大坝高一般< 1.0m。显然该类试验模型几何尺寸小，模型与原型几何尺寸和应力水平相差很大，考虑到应力水平对土石料力学特性具有重要影响，因此，该类试验结果的合理性一直受到质疑。
[0006](2)室外大比尺溃坝模型试验。
[0007]该类试验一般在野外选择适合进行溃坝试验的场地修建堤坝，构筑蓄水池(水库)，或直接利用废弃的水库堤坝进行溃坝试验。近年来，欧美、日本以及我国已进行过多次国内外室外大比尺溃坝模型试验，最大坝高已达9.7m，对揭示土石堤坝溃决机理与溃口发展过程发挥了重要作用。但该类试验一般很难寻找到合适的试验场地，就是找到合适的试验场地，试验过程中也会占用大量的土地和水资源，费用高、耗时长，特别是随着坝高的增力口，试验的风险控制将变得十分困难。
[0008]为此，我们利用土工离心机高速运转所产生的高加速度可提升缩尺模型中的应力水平这一原理，研制成功了一套土石堤坝溃坝离心模型试验系统，并成功运用于土石堤坝溃坝机理与溃坝过程试验研究。
【发明内容】
[0009]本发明的目的在于提供一种土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，以克服上述缺陷。
[0010]本发明的技术方案是:
[0011]一种土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，包括以下步骤:
[0012]步骤I)设置土石坝溃坝试验专用模型箱，模型箱内设置上有堤坡、下游堤坡和下游河道段，箱内布置管道承接水流控制系统来水量，管道出水端设有滤网以防大的漂浮物进入模型箱内，同时在管道上安装有电磁式流量计，以实时记录来水流量Qin，下游出水即为溃坝水流，为了测量溃坝流量过程，在模型箱右端设置一矩形堰口，堰口顶端最薄处为2mm，夹角30度，通过堰口前水位计测量堰口以上的水头h2，利用堰流流量公式计算得到溃坝流量过程,计算所需的流量系数m，则通过离心机流量试验事先标定获得；
[0013]步骤2)利用离心机的工作原理和应力相似准则，在确定原型与模型几何尺寸的比值N(即几何相似比，又称几何比尺)后，得到土石堤坝原型与1/N缩尺的离心试验模型在Ng离心加速度条件下，使得模型与原型的线性尺寸比为1/N，模型与原型两者覆土应力一致；
[0014]步骤3)根据渗流相似准则，得到离心模型土的渗透系数是原型土的渗透系数的N倍;
[0015]步骤4)根据剪应力相似准则，将模型无粘性土石料的颗粒粒径较原型缩小N倍
[0016]步骤5)利用水流相似准则，得到土石堤坝溃坝离心模型试验中常用物理量的相似准则可由表1给出，在几何比尺N值确定后，其它物理量相似比随即确定。通常N取值范围在30~150之间。
[0017]表1 土石堤坝溃坝离心模型试验中常用物理量相似准则
[0018]
【权利要求】
1.一种土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，其特征是包括以下步骤: 步骤I)设置土石坝溃坝试验专用模型箱，模型箱内设置上有堤坡、下游堤坡和下游河道段，箱内布置管道承接水流控制系统来水量，管道出水端设有滤网以防大的漂浮物进入模型箱内，同时在管道上安装有电磁式流量计，以实时记录来水流量Qin，下游出水即为溃坝水流，为了测量溃坝流量过程，在模型箱右端设置一矩形堰口，堰口顶端最薄处为2mm，夹角30度，通过堰口前水位计测量堰口以上的水头h2，利用堰流流量公式计算得到溃坝流量过程，计算所需的流量系数m，则通过离心机流量试验事先标定获得； 步骤2)利用离心机的工作原理和应力相似准则，在确定原型与模型几何尺寸的比值N(即几何相似比，又称几何比尺)后，得到土石堤坝原型与1/N缩尺的离心试验模型在Ng离心加速度条件下，使得模型与原型的线性尺寸比为1/N，模型与原型两者覆土应力一致；步骤3)根据渗流相似准则，得到离心模型土的渗透系数是原型土的渗透系数的N倍；步骤4)根据剪应力相似准则，将模型无粘性土石料的颗粒粒径较原型缩小N倍步骤5)利用水流相似准则，得到土石堤坝溃坝离心模型试验中常用物理量的相似准则可由表1给出，在几何比尺N值确定后，其它物理量相似比随即确定。通常N取值范围在30~150之间。 表1土石堤坝溃坝离心模型试验中常用物理量相似准则_
2.根据权利要求1所述的土石堤坝溃坝离心模型试验分析方法，其特征在于所述步骤3)包括以下步骤:根据Darcy定律，土体中的平均水流速度可表示为:V= ki(I) 其中k表示渗透系数，i表示水力梯度，渗透系数满足:
【文档编号】E02B1/02GK103726475SQ201410018834
【公开日】2014年4月16日 申请日期:2014年1月15日 优先权日:2014年1月15日
【发明者】陈生水, 徐光明, 顾行文, 钟启明, 傅华, 任强 申请人:水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院