CN107366252B - 一种均质土石坝漫顶溃坝模型试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,包括以下步骤:取原型筑坝黏土材料,获取黏土的最优含水率和最大干密度;根据黏土的最优含水率进行制样,在流槽中按照不同压实度条件分别修筑微缩模型坝,针对各微缩模型坝开展漫顶试验;按照相似准则进行漫顶水流的控制,根据模型坝从漫顶开始到整体溃决的时间相似,确定仿真缩尺模型试验中仿真模型坝的压实度;根据地形条件和几何相似关系进行仿真模型坝的修筑,严格按照上一步确定的压实度进行分层筑坝;在仿真模型坝坝顶中部位置设置引冲槽,针对各仿真模型坝分别开展漫顶溃坝试验;将仿真模型坝中得到的相关参数反映到原型工况并作为决策依据。本发明通过一个缩微试验确定另一个仿真试验,再利用仿真试验去预测实际坝体并作为决策依据。

Description

一种均质土石坝漫顶溃坝模型试验方法
技术领域
本发明涉及土石坝溃坝模型试验技术领域,具体的说,是涉及一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法。
背景技术
土石坝是我国水库大坝的常见型式,对于一次筑坝类型的尾矿库,尾矿坝常借鉴水库大坝而采用均质土石坝。由于极端天气的增多,突发性洪水及超预期流量洪水等时而发生,洪水漫顶引起的土石坝溃坝事故不在少数。考虑到溃坝会对下游及周边地区带来严重的后果,工程中常要求对水库或尾矿库区下游村庄的淹没范围和影响程度进行评估。据我国大量土石坝漫顶溃决事故的经验和数据表明,溃坝绝大多数都发生在漫顶发生后的0.5-3小时之间。模型试验法在溃坝演进过程中可以很好地考虑地形等因素,是目前研究土石坝溃坝影响范围的重要手段。
溃坝相似模型试验要求土石坝和水流的各物理量应按一定关系准则进行缩尺,土石坝漫顶溃坝属于逐渐溃坝模型,溃坝过程的相似模拟是一个技术难题。对于均质黏土坝,改变模型土的种类使得模型坝的性质与原型之间发生大的改变;然而按照原型坝的施工工艺(控制含水率和压实度)进行修筑模型坝时,模型坝在漫顶水流作用下不能反映原型坝的冲刷过程,模型坝的冲刷表现得比预期困难。
起动相似常作为漫顶溃坝相似的条件之一,起动相似的核心在于水流对坝体的冲刷作用相似。模型试验中水流的流速和水深都按照一定比例进行了缩小,模型试验中水流对坝体的冲刷力相当于原型也按比例缩小了。模型坝体的抗冲刷能力只有相应地缩小比例,溃坝过程才更能反映真实情况。
均质黏土坝的抗冲刷能力与黏土的抗剪强度具有重要的联系,黏土压实度是土力学中反映土体密实程度的一个指标,随着压实度的降低,黏土的抗剪强度大幅度下降。有研究表明,黏土的起动拖曳力与压实度存在一定的关系,这提供了一种能够在不改变土体种类的情况下降低模型土坝的抗冲刷力的方法。
因此,针对均质黏性土坝缩尺漫顶溃坝模型相似的特点,提出一种在常重力条件下能够较好再现均质黏土坝漫顶逐渐溃决过程的相似模型试验方法,对提升土石坝模型试验水平和工程服务具有更好的指导和实用价值。
发明内容
本发明在于适应现实需要,设计一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,是一种常重力条件下能够近似反映均质黏性土坝漫顶逐渐溃决过程的缩尺模型试验方法。
为了实现本发明的目的,本发明采用如下技术方案:
一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,包括以下步骤:
a.取原型筑坝黏土材料并开展物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验,获取黏土的最优含水率和最大干密度;
b.根据黏土的最优含水率进行制样,在流槽中按照不同压实度条件分别修筑微缩模型坝,针对各微缩模型坝开展漫顶试验;
c.按照相似准则进行漫顶水流的控制,根据模型坝从漫顶开始到整体溃决的时间相似,确定仿真缩尺模型试验中仿真模型坝的压实度;仿真模型坝的尺寸按照拟开展的缩尺模型相似比λl确定,漫顶水流控制按照相似准则进行控制,漫顶水流满足重力相似,即流速相似比λv、流量相似比λQ、时间相似比λt和几何相似比λl成一定的关系:λv=λl 1/2,λQ=λl 5/2,λt=λl 1/2
d.根据地形条件和几何相似关系进行仿真模型坝的修筑,严格按照上一步确定的压实度进行分层筑坝;
e.在仿真模型坝坝顶中部位置设置一个横贯坝体的引冲槽,然后针对各仿真模型坝分别开展漫顶溃坝试验;
f.根据原型水库或尾矿库的总流量按照相似准则计算并控制水流,记录仿真模型坝漫顶溃坝试验过程中的水流流速、溃坝时间和下游淹没范围,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。
在步骤b、d中,所述微缩模型坝与仿真模型坝均自上而下至少分三层进行修筑,各层的层高相等或不相等。
在对各模型坝进行修筑过程中,预先计算好各层分别所需的黏土重量;将第一层所需黏土铺匀并用小木棰轻轻敲打击实并达到设计的高度,将该层顶面弄粗糙后开始第二层的填筑,方法如同第一层的填筑;依次类推,在完成最后一层坝体的修筑后,开始漫顶溃坝流槽试验。
所述物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验参照标准土工试验规程开展。
在步骤d中,所述模型坝体的上、下表面均为矩形,所述引冲槽的断面为倒梯形且设置于上表面。
所述引冲槽的最大宽度为模型坝体上表面宽度的1/5~1/3,深度为模型坝体高度的1/30~1/10。
本发明的有益效果在于:
1.本发明针对黏土模型坝不能正确反映原型坝溃决过程相似的情况,对在漫顶溃坝试验中确保模型试验中能够更好地再现坝体逐渐溃决过程的技术问题提出了一个新的解决思路和实施办法;通过流槽修筑微缩模型坝的方式,来确定后期修筑仿真模型坝的压实度,得到该压实度之后,在符合实际工况的地点修筑大型的仿真模型坝,再来进行漫顶溃坝试验,根据后面这个试验结果,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。这是一种通过一个缩微试验确定另一个仿真试验,再利用仿真试验去预测实际坝体并作为决策依据。
2.结合黏土的起动机理提出:黏土在水流作用下的起动主要靠水流冲刷力和黏土抗冲刷力来确定,缩尺寸模型试验中水流对坝体的冲刷力大幅度减小,而黏土的抗冲刷力与其无侧限抗压强度有重要关联。黏土的无侧限抗压强度随着压实度的降低而减小,通过流槽试验可以更准确地确定土坝在所需几何相似比条件下所需的模型坝体压实度。该套试验方法具有实施方便和半经验的特点,对于今后开展更多土石坝相似溃决试验具有较高的指导和实用价值。
3.为了避免土石坝瞬溃过程中产生与逐渐溃过程不相符的过大峰值流量及流速,导致模型试验分析结果过于保守,降低模型坝修筑压实度,可以使得模型坝体能够在更小的水流力作用下起动和运移。为了进一步提高模型试验的准确性和可参性,在整条模型坝上最危险位置或溃坝后果最严重位置设置引冲槽。
附图说明
图1是均质黏土微缩模型坝和仿真模型坝的横向剖面及分层修筑示意图;
图2是图1的纵向剖面图;
图3是本发明中仿真黏土模型坝的立体结构示意图;
图4是均质仿真模型坝的漫顶过程示意图
图5是均质仿真模型坝漫顶冲刷后的形态示意图
图中:1为模型坝修筑第一层,2为模型坝修筑第二层,3为模型坝修筑第三层,4为模型坝修筑第四层,5为引冲槽。
具体实施方式
下面结合附图1——5和实施例对本发明进一步说明:
本发明公开了一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,包括以下步骤:
a.取原型筑坝黏土材料并开展物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验,获取黏土的最优含水率和最大干密度,然后针对各模型坝分别开展漫顶试验;
b.根据黏土的最优含水率进行制样,在流槽中按照不同压实度条件分别修筑微缩模型坝,针对各微缩模型坝开展漫顶试验;
c.按照相似准则进行漫顶水流的控制,根据模型坝从漫顶开始到整体溃决的时间相似,确定仿真缩尺模型试验中仿真模型坝的压实度;仿真模型坝的尺寸按照拟开展的缩尺模型相似比λl确定,漫顶水流控制按照相似准则进行控制,漫顶水流满足重力相似,即流速相似比λv、流量相似比λQ、时间相似比λt和几何相似比λl成一定的关系:λv=λl 1/2,λQ=λl 5/2,λt=λl 1/2
d.根据地形条件和几何相似关系进行仿真模型坝的修筑,严格按照上一步确定的压实度进行分层筑坝;
e.在仿真模型坝坝顶中部位置设置一个横贯坝体的引冲槽,然后针对各仿真模型坝分别开展漫顶溃坝试验;
f.根据原型水库或尾矿库的总流量按照相似准则计算并控制水流,记录仿真模型坝漫顶溃坝试验过程中的水流流速、溃坝时间和下游淹没范围等,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。
优选的,在步骤b、d中,所述微缩模型坝与仿真模型坝均自上而下至少分三层进行修筑,各层的层高相等或不相等。
在对各微缩模型坝进行修筑过程中,预先计算好各层分别所需的黏土重量;将第一层所需黏土铺匀并用小木棰轻轻敲打击实并达到设计的高度,将该层顶面弄粗糙后开始第二层的填筑,方法如同第一层的填筑;依次类推,在完成最后一层坝体的修筑后,开始漫顶溃坝流槽试验。
修筑仿真模型坝的步骤也采用同样的方法。
所述物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验参照标准土工试验规程开展。
在步骤b和d中,所述模型坝体的上、下表面均为矩形,所述引冲槽的断面为倒梯形且设置于上表面的中部。
所述引冲槽的最大宽度为模型坝体上表面宽度的1/5~1/3,深度为模型坝体高度的1/30~1/10。
本实施例中为某一次筑坝的尾矿库漫顶模型试验,原型土石坝体高40m,坝顶宽20m,坝底宽200m,原型总库容6277.75×104m3,设计峰值流量为154m3/s。
根据试验要求和场地大小条件,确定模型试验的几何相似比λl=100,即微缩模型坝体高0.4m,坝顶宽0.2m,坝底宽2m。
对坝体原型黏土开展一系列土工试验,得到黏土的塑限wp为22%,液限wl为41.6%,塑性指数Ip=41.6-22=19.6,最大干密度为1.87g/cm3,对应的最佳含水率wop=16.9%。
根据黏土的最优含水率进行制样,按照0.85,0.9和0.95等不同压实度条件在流槽中修筑微缩模型坝。
微缩模型坝的修筑如图1所示分四层进行,采用流槽作为微缩模型坝的筑坝模具,本实施例中各层的高度相同,预先计算好第一、二、三和四步分别所需的黏土重量;将第一层所需黏土在流槽中铺匀并用小木棰轻轻敲打击实并达到设计高度,将该层顶面弄粗糙后开始第二层的填筑,方法如同第一层的填筑;在完成第四层(最后一层)坝体的修筑后,开始漫顶溃坝流槽试验。
漫顶水流按照相似准则进行控制,漫顶水流满足重力相似,即流速相似比λv、流量相似比λQ、时间相似比λt和几何相似比λl成一定的关系:λv=λl 1/2,λQ=λl 5/2,λt=λl 1/2
溃坝绝大多数都发生在漫顶发生后的0.5-3小时之间,设T=0.5-3小时=30~180min
以坝顶水流开始漫顶至冲刷侵蚀达到坝顶的时间为溃坝历时,根据上述公式λt=λl 1/2,λl=100,则λt=10,要求相似模型试验的溃决时间t=T/t=3~18min。当微缩模型坝体的压实度接近原型工况(大于0.95)时,微缩模型坝在漫顶水流的冲刷下保持2小时以上,因此不相似;微缩模型坝体的压实度为0.9时的溃决时间为20分钟,控制土体压实度为0.85时的模型坝溃决时间为3分钟;由于溃决时间短,试验结果分析将更偏于保守,决定将溃坝模型试验中仿真模型坝采用压实度0.85进行修筑。
根据地形条件和几何相似关系进行仿真模型坝的修筑,结合工程经验和模型试验结果在坝中溃坝影响范围最大的位置设置一个倒梯形断面的引冲槽,其尺寸暂定宽度5cm,深度2cm左右,如图2所示。大型缩尺模型试验中均质黏土仿真模型坝的最终形状如图3所示。原型坝与仿真模型坝的几何相似比可采用上述微缩模型试验的相似比,也可根据实际情况将比例增大或缩小。
根据原型尾矿库的总流量按照相似准则计算并控制漫顶水流,均质黏土模型坝的漫顶过程如图4所示,而均质黏土模型坝漫顶冲刷后的形态如图5所示。记录漫顶溃坝试验过程中的水流流速、溃坝时间和下游淹没范围等,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。
本发明的基本原理:
通过流槽修筑微缩模型坝的方式,来确定后期修筑仿真模型坝的压实度,得到该压实度之后,在符合实际工况的地点修筑大型的仿真模型坝,再来进行漫顶溃坝试验,根据后面这个试验结果,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。这是一种通过一个缩微试验确定另一个仿真试验,再利用仿真试验去预测实际坝体并作为决策依据。
上述通过附图所描述的实施例是示例性的,仅用于解释本发明,而不能解释为对本发明的限制;对于本领域的技术人员而言,可以在不脱离本发明的原理和精神下对本实施例进行变型和参数置换,本发明的范围由所附权利要求及其等同确定。

Claims (6)

1.一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于,包括以下步骤:
a.取原型筑坝黏土材料并开展物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验,获取黏土的最优含水率和最大干密度;
b.根据黏土的最优含水率进行制样,在流槽中按照不同压实度条件分别修筑微缩模型坝,针对各微缩模型坝开展漫顶试验;
c.按照相似准则进行漫顶水流的控制,根据模型坝从漫顶开始到整体溃决的时间相似,确定仿真缩尺模型试验中仿真模型坝的压实度;仿真模型坝的尺寸按照拟开展的缩尺模型相似比λl确定,漫顶水流控制按照相似准则进行控制,漫顶水流满足重力相似,即流速相似比λv、流量相似比λQ、时间相似比λt和几何相似比λl成一定的关系:λv=λl 1/2,λQ=λl 5/2,λt=λl 1/2
d.根据地形条件和几何相似关系进行仿真模型坝的修筑,严格按照上一步确定的压实度进行分层筑坝;
e.在仿真模型坝坝顶中部位置设置一个横贯坝体的引冲槽,然后针对各仿真模型坝分别开展漫顶溃坝试验;
f.根据原型水库或尾矿库的总流量按照相似准则计算并控制水流,记录仿真模型坝漫顶溃坝试验过程中的水流流速、溃坝时间和下游淹没范围,然后再根据相似准则反映到原型工况并作为决策依据。
2.根据权利要求1所述的一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于:在步骤b、d中,所述微缩模型坝与仿真模型坝均自上而下至少分三层进行修筑,各层的层高相等或不相等。
3.根据权利要求2所述的一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于:在对各模型坝进行修筑过程中,预先计算好各层分别所需的黏土重量;将第一层所需黏土铺匀并用小木棰轻轻敲打击实并达到设计的高度,将该层顶面弄粗糙后开始第二层的填筑,方法如同第一层的填筑;依次类推,在完成最后一层坝体的修筑后,开始漫顶溃坝流槽试验。
4.根据权利要求1所述的一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于:所述物理性质试验、击实试验和无侧限抗压强度试验参照标准土工试验规程开展。
5.根据权利要求1所述的一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于:在步骤d中,所述模型坝体的上、下表面均为矩形,所述引冲槽的断面为倒梯形且设置于上表面。
6.根据权利要求5所述的一种均质土石坝漫顶溃决模型试验方法,其特征在于:所述引冲槽的最大宽度为模型坝体上表面宽度的1/5~1/3,深度为模型坝体高度的1/30~1/10。
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