CN104404913A - 用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构及其制造方法，该面板结构包括单板层、防水层和保护层，防水层设置在单板层和保护层之间，单板层粘贴在试验中的模拟砂砾石坝的上游表面；该方法包括：（1）制作单板层；（2）在单板层一侧表面喷涂结晶体防渗剂，形成防水层；（3）采用冷气动力喷涂的方式在防水层表面喷涂耐磨涂料，形成保护层。本发明跟随模拟砂砾石坝溃堤而断裂，根据本发明结构的断裂时机、断裂过程和趋势，以及断裂后的断口形态，分析、研究溃决原因、溃决机理以及溃坝过程，有利于预知溃决，提前采取应急措施，同时有利于设计出更加合理的石坝结构。

Description

用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构及其制造方法，它是一种实验室用于试验模拟测试用的多层板状结构装置，以及制作该多层板状结构的装置。

背景技术

砂砾石分布广泛，且具有较高的压缩模量、抗剪强度和变形模量，是一种填筑面板坝的优质天然材料。如今我国面板砂砾石坝在数量上已具有了一定的规模，其中已建的面板坝中以砂砾石为主要坝料的占22％，在建的占23％。近几十年，混凝土面板砂砾石坝一方面在数量上大幅攀升，另一方面在筑坝高度上不断突破，拟建中的大石峡面板砂砾石坝将高达251m。

混凝土面板砂砾石坝得到长足发展的同时，人们也意识到填筑大坝的主要材料砂砾石抗冲蚀能力较差，一旦库水漫顶，极易溃决，因此它的安全问题也越来越受到关注。而如何在溃决发生时减轻损失，减少人员伤亡是一个值得研究的课题，需要对混凝土单板砂砾石坝的溃决原因、溃决机理以及溃坝过程进行深入研究。

面板砂砾石坝漫顶溃决过程十分复杂，涉及岩土力学、水力学、结构力学、泥沙运动理论等多个学科的交叉，这些问题依靠理论分析求解会遇到很大的困难，而溃坝模型试验在溃坝机理研究方面具有其它手段无可比拟的优越性。

开展面板砂砾石坝漫顶溃决的原型试验代价太过高昂，通常研究人员都是在缩小几何尺寸的模型上进行试验。由于特殊的坝型，面板是其主要的挡水、防渗结构，在整个溃决过程中，面板都参与了挡水，水流经面板下泄，水流的运动状态，坝体的冲蚀方式都与面板密切相关。因此在模型试验中对于面板材料的选取是极其重要的一个环节。混凝土面板在大坝中的厚度多为几十厘米，而在模型中的厚度一般只有几毫米，模拟这种薄板并不是一个简单的几何相似的问题，使用原材料制模无法做到其材料力学性质符合试验要求。

试验中对于面板材料的选取十分困难，其极限抗弯矩、防渗性能、抗冲刷性能、水中防变形、韧性以及脆性都需要符合试验的要求。目前试验中使用的是石膏材料，但它属于脆性材料，一旦发生断裂其裂纹难以控制，断口也会呈现极不规则的形状，对于下泄的水流影响很大，会导致试验失败，而在实际的溃坝事故中，面板呈现水平断裂，且断口整齐。

发明内容

为了解决上述存在的问题，本发明公开了一种用于模拟面板砂砾石坝溃决试验的面板结构，本发明使用柚木为原材料制作了模型单板层，利用木纤维天然的排列与组织结构，控制裂缝的发展方向，使得面板在溃坝过程中水平断裂。在面板坝溃坝试验中，面板发生断裂时，裂纹沿着木纤维的生长方向扩展，就能够控制面板水平断裂，且断口整齐，与真实的面板砂砾石坝溃决断口相似，具有较为理想的模拟效果，从而获取溃坝过程中的准确的测量参数，研究其溃坝机理。

用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，包括单板层、防水层和保护层，所述防水层设置在所述单板层和保护层之间，所述单板层粘贴在试验中的模拟砂砾石坝的上游表面。

所述单板层的材质是木质材料，制作单板层的木质材料选用材质均匀，中粗木纤维，纹理通直，旋向干缩率在3.8％～4.1％，树龄为30～35年，直径为32cm～36cm，干密度在0.63～0.65g/cm³的柚木。

所述单板层厚度为5mm～10mm。

所述单板层的纤维伸长方向与模拟砂砾石坝的水平方向平行。

所述防水层的材质选用有机硅防水剂。

所述有机硅防水剂选用硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02～0.025g/cm³。

所述保护层的材质选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合。

所述保护层的厚度为0.5mm～0.7mm。

用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)制作单板层；

(2)在单板层一侧表面喷涂硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02～0.025g/cm³，待结晶体防渗剂喷涂层干燥后形成防水层；

(3)采用冷气动力喷涂的方式在步骤(2)所得的防水层表面喷涂耐磨涂料，其高压气体的流速120m/s～140m/s,涂料粉末微粒25μm～30μm，耐磨涂料可选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合，待干燥后形成保护层。

所述制作单板层的过程为：

(a)将柚木切割成X米长的木段，其中0.5≤X≤3；

(b)将步骤(a)所得的木段进行水热处理，将水加热至40℃，把步骤(a)所得的木段放入水中，继续以8℃每小时的速度加热，直到水温达到85～90℃，水温保持不变，直到上述木段的木芯温度达到65～68℃，将上述木段从热水中取出，自然冷却，经过此处理木段的含水率提高了15～16％，以便使木段软化，增加可塑性；

(c)通过人工方式将步骤(b)所得的木段树皮层剥落，使用三点法确定该木段的中心线位置；

(d)按照木段的中心线位置将其固定在旋切机上，作定轴回转运动，旋刀作直线进给运动旋切木段制成单板，旋刀的研磨角调整为21°，后角的变化范围在2°30′～3°30′之间，采用阿基米德螺旋线为旋切曲线，螺线各节的螺距为所需单板的厚度；

(e)旋切好的单板送入干燥机进行干燥处理，单板的最终含水率保持在8％～9％之间，成为最终的单板层。

本发明中，三点法确定木段的中心位置具体步骤为：采用在柚木的横截面四周形成的圆上选取三个点，分别连接三个点，形成圆的内接三角形，做出三角形的其中两条边的垂直平分线，这两条垂直平分线的交点就是柚木的横截面的圆心，在柚木的两端分别确定圆心，两个圆心确定了柚木的中心线位置。

本发明，通过旋切机从柚木四周旋切厚度均匀一致的、位于相同年轮的柚木单板，同时旋切机在旋切过程中对柚木单板产生压实作用，使得从旋切机上旋切下来的单板是平整的平板结构。

本发明在实际试验中，首先将制作好的本发明结构的单板层与试验用的模拟砂砾石坝的上游表面贴合，单板层的纤维伸长方向与模拟砂砾石坝的水平方向平行，当模拟砂砾石坝的上游水流一旦漫顶，本发明结构在模拟砂砾石坝的溃决过程中发生断裂，根据本发明结构的断裂时刻、断裂过程和趋势，以及断裂后的断口形态，分析、研究模拟砂砾石坝的溃决机理以及溃坝过程，进而研究实际工程中的具体砂砾石坝溃决机理。

根据模拟砂砾石坝溃决试验的试验现象和采集的数据分析，能够揭示砂砾石坝的溃决机理从而更为准确的预测溃坝水流的流量过程，有利于在救灾抢险的关键时间节点上，为制定应急预案，采取紧急措施提供重要资料，减少灾害中的人员伤亡和财产损失。同时根据试验研究得到的溃决机理和溃决过程，找出此种坝型的薄弱环节，改进结构设计，对已有的砂砾石坝提出改进方案，对新建的砂砾石坝提出更为合理的设计方案，提高安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图，

附图标记列表：1—单板层，2—防水层，3—保护层，4—模拟砂砾石坝。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，由图可见，本发明包括单板层1、防水层2和保护层3，所述防水层2设置在所述单板层1和保护层3之间，所述单板层1粘贴在试验中的模拟砂砾石坝4的上游表面。

所述单板层1的材质是木质材料，制作单板层1的木质材料选用材质均匀，中粗木纤维，纹理通直，旋向干缩率在3.8％～4.1％，树龄为30～35年，直径为32cm～36cm，干密度在0.63～0.65g/cm³的柚木。单板层1的内部结构均匀一致，在每个点上的受力变形系数相同，且控制单板层1的干密度，避免单板层1在制作过程中吸水或脱水变形。

所述单板层1厚度为5mm～10mm。与模拟砂砾石坝4与实际砂砾石坝的模拟比例而定，起到等大小缩放的作用。

所述单板层1的纤维伸长方向与模拟砂砾石坝4的水平方向平行。模拟砂砾石坝4溃堤时，单板层1从纤维缝隙中断裂，断裂方向与模拟砂砾石坝4的溃堤方向一致，提高溃堤过程的模拟效果与真实溃堤效果的一致性。

所述防水层2的材质选用有机硅防水剂，有机硅防水剂选用硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02～0.025g/cm³。

所述保护层3的材质选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合，保护层3的厚度为0.5mm～0.7mm。

用于模拟砂砾石坝4溃决试验的面板结构的制作方法，包括以下步骤：

(1)制作单板层1；

(2)在单板层1一侧表面喷涂硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02～0.025g/cm³，待结晶体防渗剂喷涂层干燥后形成防水层2；

(3)采用冷气动力喷涂的方式在步骤(2)所得的防水层2表面喷涂耐磨涂料，其高压气体的流速120m/s～140m/s,涂料粉末微粒25μm～30μm，耐磨涂料可选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合，待干燥后形成保护层3。

所述制作单板层1的过程为：

(a)将柚木切割成X米长的木段，其中0.5≤X≤3；

(b)将步骤(a)所得的木段进行水热处理，将水加热至40℃，把步骤(a)所得的木段放入水中，继续以8℃每小时的速度加热，直到水温达到85～90℃，水温保持不变，直到上述木段的木芯温度达到65～68℃，将上述木段从热水中取出，自然冷却，经过此处理木段的含水率提高了15～16％，以便使木段软化，增加可塑性；

(c)通过人工方式将步骤(b)所得的木段树皮层剥落，使用三点法确定该木段的中心线位置；

(d)按照木段的中心线位置将其固定在旋切机上，作定轴回转运动，旋刀作直线进给运动旋切木段制成单板，旋刀的研磨角调整为21°，后角的变化范围在2°30′～3°30′之间，采用阿基米德螺旋线为旋切曲线，螺线各节的螺距为所需单板的厚度；

(e)旋切好的单板送入干燥机进行干燥处理，单板的最终含水率保持在8％～9％之间，经测试，含水率高于这个范围单板容易变形以及产生表面裂隙，含水率低于此范围则会减少木材活性羟基和损伤单板表面纤维，成为最终的单板层1。

采用木料作为单板层材料，可以利用木纤维天然的排列与组织形式，控制裂缝的发展方向，使得面板水平断裂。在面板坝溃坝试验中，面板发生断裂时，裂纹沿着木纤维的生长方向扩展，就能够很好的控制单板层1水平断裂，且断口整齐。

此外，实验室中进行的溃坝试验其坝高一般只有30～100厘米，所采用的几何比尺为λ_L，根据变形等效，推导出模拟单板层1等效厚度d_m的方程为：

$d_m=\sqrt[3]{E_p/{\mathrm{\λ}}_L^{1.5}{E}_m}{d}_p---\left(1\right)$

其中，d_p、E_p、E_m分别为原型面板厚度、原型面板弹性模量和模型面板弹性模量。又因为因此在选取λ_L之后，模型面板的材料弹性模量需满足方程(1)。

原型砂砾石坝中混凝土面板的厚度多为30～60厘米，一般情况下在模型中的厚度通常为5mm～10mm。

以上工艺制作出来的单板经过检测，厚度在5mm～10mm范围内其弹性模量符合方程(1)的要求，极限抗弯距符合材料相似性的要求。

制作的单板层1在力学性质上基本满足要求，本发明在试验中主要起着挡水的作用，因此必须具有较强的防渗性。为了增强其防渗性能，在单板层1表面喷涂一层有机硅防水剂，形成防水层2。喷涂的有机硅防水剂采用硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，这种结晶体防渗剂具有很强的渗透性，对于前面制作的柚木单板层其渗透深度在2mm～2.5mm之间，结晶体防渗剂能够封闭木材中细小空隙，有效的抑制渗透。柚木单板层需采用均匀喷涂，这样能使得柚木单板层1更加充分的吸收防渗剂，结晶体防渗剂的用量应为0.02～0.025g/cm³。

本发明在溃坝试验中还受到较为强烈的水流冲击，但试验中水头一般小于0.2m，经过试验的测试，在防水层2上喷涂一层保护层3，即在防渗处理的单板层1上喷涂一层0.5mm～0.7mm厚的三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合物，其抗冲刷性能便能符合试验要求。

所述单板层1的柚木的纤维伸长方向与模拟砂砾石坝4的水平方向平行。在模拟砂砾石坝4溃坝试验中，面板发生断裂时，裂纹沿着木纤维的生长方向扩展，就能够很好的控制面板水平断裂，且断口整齐，与真实的砂砾石坝溃决的变化一致，具有较真实的模拟效果。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (10)

1.用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是包括单板层、防水层和保护层，所述防水层设置在所述单板层和保护层之间，所述单板层粘贴在试验中的模拟砂砾石坝的上游表面。

2.根据权利要求1所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述单板层的材质是木质材料，制作单板层的木质材料选用材质均匀，中粗木纤维，纹理通直，旋向干缩率在3.8%~4.1%，树龄为30~35年，直径为32cm~36cm，干密度在0.63~0.65g/cm³的柚木。

3.根据权利要求2所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述单板层厚度为5mm~10mm。

4.根据权利要求3所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述单板层的纤维伸长方向与模拟砂砾石坝的水平方向平行。

5.根据权利要求1所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述防水层的材质选用有机硅防水剂。

6.根据权利要求5所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述有机硅防水剂选用硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02~0.025g/cm³。

7.根据权利要求1所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述保护层的材质选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合。

8.根据权利要求7所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构，其特征是所述保护层的厚度为0.5mm~0.7mm。

9.如权利要求1-8任一所述的用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构的制作方法，其特征是包括以下步骤：

（1）制作单板层；

（2）在单板层一侧表面喷涂硅烷与二氧化碳反应生成的结晶体防渗剂，所述结晶体防渗剂的用量为0.02~0.025g/cm³，待结晶体防渗剂喷涂层干燥后形成防水层；

（3）采用冷气动力喷涂的方式在步骤（2）所得的防水层表面喷涂耐磨涂料，其高压气体的流速120m/s~140m/s,涂料粉末微粒25μm~30μm，耐磨涂料可选用三氧化二铝、二氧化硅和二氧化钛中的一种或多种任意组合，待干燥后形成保护层。

10.根据权利要求9所述的制作方法，其特征是所述制作单板层的过程为：

（a）将柚木切割成X米长的木段，其中0.5≤X≤3；

（b）将步骤（a）所得的木段进行水热处理，将水加热至40℃，把步骤（a）所得的木段放入水中，继续以8℃每小时的速度加热，直到水温达到85~90℃，水温保持不变，直到上述木段的木芯温度达到65~68℃，将上述木段从热水中取出，自然冷却；

（c）通过人工方式将步骤（b）所得的木段树皮层剥落，使用三点法确定该木段的中心线位置；

（d）按照木段的中心线位置将其固定在旋切机上，作定轴回转运动，旋刀作直线进给运动旋切木段制成单板，旋刀的研磨角调整为21°，后角的变化范围在2°30′~3°30′之间，采用阿基米德螺旋线为旋切曲线，螺线各节的螺距为所需单板的厚度；

（e）旋切好的单板送入干燥机进行干燥处理，单板的最终含水率保持在8%~9%之间，成为最终的单板层。