CN104929080B

CN104929080B - 一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法

Info

Publication number: CN104929080B
Application number: CN201510372713.5A
Authority: CN
Inventors: 李强; 张力霆; 王钧陶; 齐清兰; 张少雄; 霍倩; 闫海真; 张佳尚; 贾倩; 杨政; 穆森; 张杨杨; 赵媛
Original assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Current assignee: Shijiazhuang Tiedao University
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2016-09-21
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN104929080A

Abstract

本发明公开了一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，用来研究尾矿库坝体、土石坝及边坡稳定性和形变，包括以下步骤，a、确定坝体模型的浸润线的形状、位置，划分若干大段；b、确定关键控制点的相关参数；c、求出理论不透水层的位置；d、计算相对不透水层的位置数据；e、用同样的方式计算其他大段的相关数据；f、建立坝体模型敷设相对不透水层。本发明能够控制模型试验中浸润线的形状和分布特征，提高实验的坝体模型与实际坝体的相似性，从而提高实验的准确性。

Description

一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法

技术领域

本发明涉及一种坝体模型建立方法，尤其涉及一种用来研究尾矿库坝体、土石坝及边坡稳定性和形变。

背景技术

在研究尾矿库坝体、土石坝及边坡等坝体的稳定性和形变实验中，坝体内存在渗流水时，渗流水的埋深即浸润线的位置对坝坡的变形和失稳影响重大，在传统试验中，往往只能做到对地上水位的控制，不能直接对渗流水浸润线位置和形状进行准确的控制。

目前在存在地下渗流水的模型试验中，一般都没有提出如何控制地下渗流水位置的措施，尤其是对于尾矿坝、土坝和边坡等坝坡中的浸润线位置，这是因为该类坝坡中各处的地下水位不同，浸润线是一个曲线，难以准确控制。浸润线主要受到底下水位的影响，同时也受到地上水位的影响，传统的方法是改变地上水水位间接控制浸润线，这种方式很难准确控制。而浸润线位置是否准确影响实验的准确性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，能够控制模型试验中浸润线的形状和分布特征，提高实验的准确性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，包括以下步骤，

步骤a、在建立坝体模型之前根据所模拟实际坝体的浸润线的形状、位置确定坝体模型的浸润线的形状、位置，在坝体模型的浸润线上按照浸润线的形状划分若干大段；

步骤b、将大段平均分为三部分，将这三部分的分界点作为浸润线上的四个关键控制点，其中位置最高的关键控制点为入渗点，将其余三个关键控制点的模型埋深分别设定为H₂₂、H₃₃、H₄₄，将四个关键控制点到坝体模型的坡脚的水平距离分别设定为L₁+3L_d、L₁+2L_d、L₁+L_d、L₁，L_d为相邻两个关键控制点的水平距离，将四个关键控制点到坝体模型底部的垂直距离分别是H₁、H₂、H₃、H₄；

步骤c、在步骤b的基础上，在坝体模型内、步骤b所述的大段内侧假设一个与地面夹角为α、与地面相交的理论不透水层，假设四个关键控制点中的最低位置的关键控制点与理论不透水层和地面交点的水平距离为L₀，

理论不透水层与浸润线之间的关系符合渗流基本方程其中i为理论不透水层的坡度，h₀为渗流对应的正常水深，h为实际模型中浸润线上的某一点与理论不透水层之间实际的竖直距离；

将模型中四个关键控制点到理论不透水层的竖直距离设定为h₁、h₂、h₃和h₄，并且h₁、h₂、h₃和h₄满足以下关系，

\{\begin{matrix} h_{1} = H_{1} - (L_{0} + 3 L_{d}) \tan α \\ h_{2} = H_{2} - (L_{0} + 2 L_{d}) \tan α \\ h_{3} = H_{3} - (L_{0} + L_{d}) \tan α \\ h_{4} = H_{4} - L_{0} \tan α \end{matrix};

将上式中的h₁、h₂、h₃、h₄分别代入渗流基本方程并进行求解得到

\{\begin{matrix} m = \frac{(H_{1} - H_{2}) (2 H_{3} - H_{2} - H_{4})}{(H_{3} - H_{4}) (2 H_{2} - H_{1} - H_{3})} \\ α = a r c t a n [\frac{H_{2} - H_{4} - m (H_{1} - H_{3})}{(1 - m) L_{d}}] \\ L_{0} = \frac{(H_{1} - H_{3} - L_{d} t a n α) (H_{2} - H_{3})}{2 H_{2} - H_{1} - H_{3}} - (H_{1} + H_{2}) + 5 L_{d} t a n α \end{matrix};

通过对上式进行求解则计算出α和L₀，从而确定理论不透水层的位置；

步骤d、计算相对不透水层的位置

相对不透水层是指铺设在坝体模型内的水平的不透水材料，每个关键控制点对应一层相对不透水层，

第1层相对不透水层距离地面高度为L₀tanα，第1层相对不透水层外侧边缘到坡脚的距离为L₁；第2层相对不透水层距离地面高度为(L₀+L_d)tanα，第2层相对不透水层外侧边缘到坡脚的距离为L₁+L_d；第3层相对不透水层距离地面高度为(L₀+2L_d)tanα，第3层相对不透水层外侧边缘到坡脚的距离为L₁+2L_d；第4层相对不透水层距离地面高度为(L₀+3L_d)tanα，第4层相对不透水层外侧边缘到坡脚的距离为L₁+3L_d；

步骤e、重复步骤b～d，计算出其他大段的相对不透水层的位置；

步骤f、建立坝体模型，在坝体模型的相应位置铺设相对不透水层。

本发明的进一步改进在于：步骤a中划分大段数量为2～3段。

本发明的进一步改进在于：步骤d的不透水材料为可溶性糖纸。

本发明的进一步改进在于：步骤d的不透水材料为刷上淀粉糊的滤纸。

由于采用上述技术方案，本发明所产生的有益效果在于：

本发明能够控制模型试验中浸润线的形状和分布特征，提高实验的坝体模型与实际坝体的相似性，从而提高实验的准确性。

本发明根据坝体浸润线的形状对坝体的浸润线分成若干大段，分段进行研究，根据实际坝体的浸润线的实际位置和形状近似进行划分，能够模拟形状复杂的浸润线，提高试验的准确性。

本发明假设理论不透水层，理论不透水层与浸润线之间的关系可以由渗流基本方程确定，求出理论不透水层，控制理论不透水层的位置就能控制浸润线的位置。

本发明在建立坝体模型时在坝体内用不透水材料铺设四层水平的相对不透水层，不透水层采用水平铺设替代原假设的理论不透水层，减小了不透水层对坝坡稳定性的影响，同时可以保证浸润线以下坝体为湿润的，不影响坝体模型的强度。

附图说明

图1是本发明的浸润线分布示意图；

图2是本发明的理论不透水层分布示意图；

图3是本发明的相对不透水层分布示意图。

在附图中：1、浸润线，2、坡面，3、理论不透水层，4、第1层相对不透水层，5、第2层相对不透水层，6、第3层相对不透水层，7、第4层相对不透水层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明：

一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，包括以下步骤，

步骤a、在建立坝体模型之前根据所模拟实际坝体的浸润线的形状、位置确定坝体模型的浸润线1的形状、位置，在坝体模型的浸润线1上按照浸润线1的形状划分若干大段。

步骤b、将第一大段AD平均分为AB、BC和CD三部分，如图1所示，浸润线1上的点A、B、C、D为关键控制点，A点为入渗点；测量出B点坡面2的竖直方向的距离为H₂₂，C点坡面2的竖直方向的距离为H₃₃、D点坡面2的竖直方向的距离为H₄₄，即A、B、C、D四个点的埋深分别为H₂₂、H₃₃、H₄₄；测量出A点到坡脚O的水平方向上的距离为L₁+3L_d，测量出B点到坡脚O的水平方向上的距离为L₁+2L_d，测量出C点到坡脚O的水平方向上的距离为L₁+L_d，测量出D点到坡脚O的水平方向上的距离为L₁，L_d为相邻两个关键控制点的水平距离；测量出点A到坝体模型的底部即地面的距离为H₁，测量出B到坝体模型的底部即地面的距离为H₂，测量出C到坝体模型的底部即地面的距离为H₃，测量出D到坝体模型的底部即地面的距离为H₄。

步骤c、在坝体内假设一个理论不透水层3，理论不透水层3与浸润线1之间符合渗流基本方程的关系，理论不透水层3与水平面夹角设为α，水平地面交点O₁的理论不透水层3，控制点D与理论不透水层3与水平地面交点O₁的水平距离为L₀，α和L₀是未知值需要求出来，两个值作为确定理论不透水层3的参数；浸润线1上的点A所在竖直方向上的直线与理论不透水层3的交点为A₁，浸润线1上的点B所在竖直方向上的直线与理论不透水层3的交点为B₁，浸润线1上的点C所在竖直方向上的直线与理论不透水层3的交点为C₁，浸润线1上的点D所在竖直方向上的直线与理论不透水层3的交点为D₁。A点到到理论不透水层3的竖直方向上距离为h₁，即点A到A₁为h₁；B点到到理论不透水层3的竖直方向上距离为h₂，即点B到B₁为h₂；C点到到理论不透水层3的竖直方向上距离为h₃，即点C到C₁为h₃；D点到到理论不透水层3的竖直方向上距离为h₄，即点D到D₁为h₄；那么h₁，h₂，h₃和h₄，满足以下关系，

\{\begin{matrix} h_{1} = H_{1} - (L_{0} + 3 L_{d}) \tan α \\ h_{2} = H_{2} - (L_{0} + 3 L_{d}) \tan α \\ h_{3} = H_{3} - (L_{0} + 3 L_{d}) \tan α \\ h_{4} = H_{4} - L_{0} \tan α \end{matrix};

代入渗流基本方程，

进行求解，得到以下关系式，

\{\begin{matrix} \frac{h_{2} - h_{1}}{(H_{1} - H_{2}) - (h_{1} - h_{2})} = 1 - \frac{2 h_{0}}{(h_{1} + h_{2})} \\ \frac{h_{3} - h_{2}}{(H_{2} - H_{3}) - (h_{2} - h_{3})} = 1 - \frac{2 h_{0}}{(h_{2} + h_{3})} \\ \frac{h_{4} - h_{3}}{(H_{3} - H_{4}) - (h_{3} - h_{4})} = 1 - \frac{2 h_{0}}{(h_{3} + h_{4})} \end{matrix};

由以上三式得到，

\{\begin{matrix} m = \frac{(H_{1} - H_{2}) (2 H_{3} - H_{2} - H_{4})}{(H_{3} - H_{4}) (2 H_{2} - H_{1} - H_{3})} \\ α = a r c t a n [\frac{H_{2} - H_{4} - m (H_{1} - H_{3})}{(1 - m) L_{d}}] \\ L_{0} = \frac{(H_{1} - H_{3} - L_{d} t a n α) (H_{2} - H_{3})}{2 H_{2} - H_{1} - H_{3}} - (H_{1} + H_{2}) + 5 L_{d} t a n α \end{matrix};

H₁、H₂、H₃、H₄和L_d是已知的，即首先求出m，通过m求解出α，通过α求解出L₀，由α和L₀就能确定理论不透水层3的位置。

步骤d、相对不透水层是指铺设在坝体模型内的水平的不透水材料，每个关键控制点对应一层相对不透水层。第1层相对不透水层4距离地面高度为L₀tanα，第1层相对不透水层4外侧边缘D₁到坡脚的距离为L₁；第2层相对不透水层5距离地面高度为(L₀+L_d)tanα，第2层相对不透水层5外侧边缘C₁到坡脚的距离为L₁+L_d；第3层相对不透水层6距离地面高度为(L₀+2L_d)tanα，第3层相对不透水层6外侧边缘B₁到坡脚的距离为L₁+2L_d；第4层相对不透水层7距离地面高度为(L₀+3L_d)tanα，第4层相对不透水层7外侧边缘A₁到坡脚的距离为L₁+3L_d。

步骤e、重复步骤b～d，计算出其他大段的相对不透水层的位置。

在步骤a中划分段数量为2～4段，实际工程中浸润线较平缓，所以通常3段就可以满足实验要求。

在步骤d中所用的不透水材料为可溶性糖纸，也可以是刷上淀粉糊的滤纸。

Claims

1.一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，其特征在于：包括以下步骤，

步骤a、在建立坝体模型之前根据所模拟实际坝体的浸润线的形状、位置确定坝体模型的浸润线(1)的形状、位置，在坝体模型的浸润线(1)上按照形状划分若干大段；

步骤b、将大段平均分为三部分，将这三部分的分界点作为浸润线(1)上的四个关键控制点，其中位置最高的关键控制点为入渗点，将其余三个关键控制点的模型埋深分别设定为H₂₂、H₃₃、H₄₄，将四个关键控制点到坝体模型的坡脚的水平距离分别设定为L₁+3L_d、L₁+2L_d、L₁+L_d、L₁，L_d为相邻两个关键控制点的水平距离，将四个关键控制点到坝体模型底部的垂直距离分别是H₁、H₂、H₃、H₄；

步骤c、在步骤b的基础上，在坝体模型内、步骤b所述的大段内侧假设一个与地面夹角为α、与地面相交的理论不透水层(3)，假设四个关键控制点中的最低位置的关键控制点与理论不透水层(3)和地面交点的水平距离为L₀，

理论不透水层(3)与浸润线(1)之间的关系符合渗流基本方程其中i为理论不透水层(3)的坡度，h₀为渗流对应的正常水深，h为实际模型中浸润线(1)上的某一点与理论不透水层(3)之间实际的竖直距离；

将模型中四个关键控制点到理论不透水层(3)的竖直距离设定为h₁、h₂、h₃和h₄，并且h₁、h₂、h₃和h₄满足以下关系，

\{\begin{matrix} h_{1} = H_{1} - (L_{0} + 3 L_{d}) t a n α \\ h_{2} = H_{2} - (L_{0} + 2 L_{d}) t a n α \\ h_{3} = H_{3} - (L_{0} + L_{d}) t a n α \\ h_{4} = H_{4} - L_{0} t a n α \end{matrix};

\{\begin{matrix} m = \frac{(H_{1} - H_{2}) (2 H_{3} - H_{2} - H_{4})}{(H_{3} - H_{4}) (2 H_{2} - H_{1} - H_{3})} \\ α = \arctan [\frac{H_{2} - H_{4} - m (H_{1} - H_{3})}{(1 - m) L_{d}}] \\ L_{0} = \frac{(H_{1} - H_{3} - L_{d} t a n α) (H_{2} - H_{3})}{2 H_{2} - H_{1} - H_{3}} - (H_{1} + H_{2}) + 5 L_{d} t a n α \end{matrix};

通过对上式进行求解则计算出α和L₀，从而确定理论不透水层(3)的位置；

步骤d、计算相对不透水层的位置

第1层相对不透水层(4)距离地面高度为L₀tanα，第1层相对不透水层(4)外侧边缘到坡脚的距离为L₁；第2层相对不透水层(5)距离地面高度为(L₀+L_d)tanα，第2层相对不透水层(5)外侧边缘到坡脚的距离为L₁+L_d；第3层相对不透水层距离地面高度为(L₀+2L_d)tanα，第3层相对不透水层(6)外侧边缘到坡脚的距离为L₁+2L_d；第4层相对不透水层(7)距离地面高度为(L₀+3L_d)tanα，第4层相对不透水层(7)外侧边缘到坡脚的距离为L₁+3L_d；

2.根据权利要求1所述的一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，其特征在于：步骤a中划分大段数量为2～4段。

3.根据权利要求1所述的一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，其特征在于：步骤d的不透水材料为可溶性糖纸。

4.根据权利要求1所述的一种能够控制浸润线的坝体模型建立方法，其特征在于：步骤d的不透水材料为刷上淀粉糊的滤纸。