CN112014256B - 一种水力学物理模型结构及边坡稳定性的判别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水力学物理模型结构及边坡稳定性的判别方法，该模型结构的模拟边坡包括堆载于基墙内侧的沙土层、堆载于沙土层内侧的散粒体层，以及将散粒体层围合以防止散粒体层坍塌的网状围护结构；围护结构的内侧面上部形成模拟边坡的坡面，散粒体层中的散粒体颗粒可在水流的冲击下从围护结构的网孔中逸出至河道中；围护结构的内侧面上部在水流冲击下仍保持模拟边坡的坡面形状。利用冲击区/主消能区散粒体颗粒的状态变化程度即可确定边坡稳定性划分标准。上述模型能准确地模拟天然情况下水流与岩石节理块体两相介质的流固耦合作用，克服了运用流速、流态、水面波动和动水压力等单一流体力学运动参数分析边坡稳定性所存在的不足。

Description

一种水力学物理模型结构及边坡稳定性的判别方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程技术领域，尤其涉及一种水力学物理模型结构及边坡稳定性的判别方法。

背景技术

在水利水电工程中，泄水建筑物高速水流在经过挑流、底流或其他形式的消能后仍然具有较大的流速沿着河道向下游宣泄，并对河床及两岸边坡产生一定的影响。对于泄水建筑物狭窄、边坡陡峻的工程而言，尤其是当岩石风化程度高、节理裂隙发育、抗冲刷能力低下时，建筑物及边坡的防冲设计更是需要重点研究的课题。

在水力学物理模型制作过程中，通常将模拟河道分为模拟河床2与模拟边坡3两个部分。如图1所示，模拟河床2制作成动床，河床覆盖层和基岩一般采用河沙、卵砾石或碎石等无粘性的散粒体进行模拟；模拟边坡3制作成定床(模拟边坡3包括与基墙1固定的沙土层31及抹设于沙土层31内侧面上的砂浆层32，以形成不可移动的固定边界)，其根本原因是河沙、卵砾石或碎石等无粘性的散粒体的休止角在20°-45°之间，在自然状态下散粒体无法堆积成陡峻的边坡。

在水力学模型试验过程中，水流力的作用使河床部分的散粒体发生冲刷或淘刷，形成冲刷坑，边坡部分为定床，边界不发生变化。通过对水流流速、流态、冲坑深度和冲坑形态的研究，分析河床的抗冲能力及边坡的稳定性，为建筑物及边坡的防冲设计提供依据。然而天然的情况是：水流力作用在边坡上，运动水体与边坡岩石节理块体之间存在着流体与固体两相介质相互作用的流固耦合关系，当把边坡作为固定边界处理时，流固耦合的空间力学问题转变成为单一介质的纯流体力学问题，流速、流态、水面波动和动水压力等单一流体力学运动参数难以准确反映水流与边坡的相互作用，因此，边坡稳定性分析存在较大的不确定性。为此，需要有一种相对合理的模拟边坡地形的方法，并通过试验对边坡的稳定性进行分析判断。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能够准确地分析判断水流作用下边坡稳定性的水力学物理模型结构，还相应提供一种利用该水力学物理模型结构判别边坡稳定性的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种水力学物理模型结构，包括固定于地基上的两个基墙，以及铺设于地基上的模拟河床，两个基墙平行且间隔设置，所述模拟河床位于两个基墙之间，所述基墙和模拟河床之间连接有设于地基上的模拟边坡；

所述模拟边坡包括堆载于基墙内侧的沙土层、堆载于沙土层内侧的散粒体层，以及将散粒体层围合以防止散粒体层坍塌的网状围护结构；所述散粒体层由与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体颗粒堆载而成；

所述围护结构的内侧面下部与模拟河床相应的侧面抵接，所述围护结构的内侧面上部形成模拟边坡的坡面，两个模拟边坡的坡面和模拟河床的河床面围合形成河道；

所述散粒体层中的散粒体颗粒可在水流的冲击下从围护结构的网孔中逸出至河道中；所述围护结构的内侧面上部在水流冲击下仍保持模拟边坡的坡面形状。

本发明中，河道边坡的迎水面称之为内侧，反之边坡背水面称之为外侧。

在模型试验制作过程中，以围护结构作为支承+散粒体堆载层组成的散粒体边坡能够模拟任意形状的河道边坡，能够较好地反映边坡岩石节理块体的受力状态，更加准确地模拟天然情况下水流与岩石节理块体两相介质的流固耦合作用，克服了运用流速、流态、水面波动和动水压力等单一流体力学运动参数分析边坡稳定性所存在的不足。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述围护结构的网孔等效直径不小于5mm，且所述围护结构的网孔等效直径为散粒体颗粒中值粒径的2～5倍。

所述围护结构包括由多根竖向支撑杆和多根横向支撑杆纵横交错连接形成的框架结构。

所述横向支撑杆的线型与对应的地形等高线的线型一致；所述竖向支撑杆的线型与对应的地形剖面线的线型一致。

所述框架结构沿模拟河道长度方向的两端均与模型边壁固连，所述框架结构的底端与地基固连。

为了确保围护结构具有足够的强度，并使围护结构中的外围散粒体在叠压与钳制中保持为边坡坡面形状，横向支撑杆和竖向支撑杆采用硬质材料制作，横向支撑杆的两端埋置在固定的边壁内，竖向支撑杆的底端埋置在地基基础内。

所述围护结构还包括包覆在所述框架结构上的纱网，所述纱网的网孔形成所述围护结构的网孔。

为了最大限度地减小纱网对水流流场的干扰，所述纱网由尼龙线、碳素线或编织线绑扎形成。

散粒体为卵砾石，所述卵砾石的粒径为5mm～50mm。

为了研究水流冲击作用对边坡深层稳定性的影响，所述散粒体层由内到外分为多层，每层中的卵砾石种类与其他层中的卵砾石种类不同。

作为一个总的发明构思，本发明还提供一种利用上述的水力学物理模型结构进行边坡稳定性的判别方法，包括以下步骤：

S1、确定挑流位置，采用图像识别法识别冲击区/主消能区散粒体颗粒的初始状态；

S2、模拟泄水建筑物泄水；

S3、泄水结束后，采用图像识别法识别冲击区/主消能区散粒体颗粒的最终状态；

S4、利用冲击区/主消能区散粒体颗粒的状态变化程度确定边坡稳定性划分标准。

作为上述技术方案的进一步改进：

边坡表层稳定性划分标准包括：

当冲击区/主消能区散粒体颗粒流失，至边坡的冲击区/主消能区水流顶冲位置呈现出坍塌空间，则判定边坡坍塌；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒迁移，至散粒体颗粒的累积位移超过其自身的等效粒径，则判定边坡失稳；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒在原位发生偏转，至散粒体颗粒的累积偏转角度超过45°，则判定边坡松动；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒静止，则判定边坡稳定。

所述散粒体层由内到外分为多层，每层中的卵砾石种类与其他层中的卵砾石种类不同；和/或，

边坡深层稳定性划分标准包括：冲击区/主消能区散粒体颗粒流失，至边坡的冲击区/主消能区位置呈现出坍塌空间，则判定边坡坍塌深度至散粒体颗粒坍塌体外侧边缘；

冲击区/主消能区散粒体颗粒迁移，至散粒体颗粒的累积位移超过其自身的等效粒径，且不同种类的散粒体颗粒呈现混合状态，则判定边坡失稳深度至散粒体颗粒混合体外侧边缘；

冲击区/主消能区散粒体颗粒在原位发生偏转，至散粒体颗粒的累积偏转角度超过45°，或相邻分层边界处不同种类的散粒体颗粒呈现交错分布，则判定边坡松动至散粒体颗粒分层边界处；

冲击区/主消能区散粒体颗粒静止，则判定边坡稳定。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明以围护结构作为支承+散粒体堆载层组成的散粒体边坡，能够模拟任意形状的河道边坡，试验过程中能够较好地反映边坡岩石节理块体的受力状态，更加准确地模拟天然情况下水流与岩石节理块体两相介质的流固耦合作用，克服了运用流速、流态、水面波动和动水压力等单一流体力学运动参数分析边坡稳定性所存在的不足。

2、本发明首次采用图像识别法对边坡的表层稳定性和深层稳定性进行分析，提出了散粒体流失、迁移、偏转、静止四种状态分别对应边坡坍塌、失稳、松动和稳定四种状态的判别标准，为分析边坡稳定性提供了有效的判据。

附图说明

图1为现行河道模型地形模拟示意图。

图2为本发明的水力学物理模型结构示意图。

图3为散粒体边坡的正立面示意图。

图4为实施例1的散粒体边坡的横剖面示意图。

图5为实施例2的散粒体边坡的横剖面示意图。

图例说明：1、基墙；2、模拟河床；3、模拟边坡；31、沙土层；33、散粒体层；331、散粒体颗粒；332、第一分层；333、第二分层；334、第三分层；335、第四分层；34、围护结构；341、竖向支撑杆；342、横向支撑杆；343、纱网；35、网孔；4、地基；5、河道。

具体实施方式

以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

如图2所示，本实施例的水力学物理模型结构，包括固定于地基4上的两个基墙1，以及铺设于地基4上的模拟河床2，两个基墙1平行且间隔设置，模拟河床2位于两个基墙1之间，基墙1和模拟河床2之间连接有设于地基4上的模拟边坡3。

模拟边坡3包括堆载于基墙1内侧的沙土层31、堆载于沙土层31内侧的散粒体层33，以及将散粒体层33围合以防止散粒体层33坍塌的网状围护结构34。散粒体层33由与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体颗粒331堆载而成，散粒体颗粒331为卵砾石，卵砾石的粒径为6mm～14mm。

围护结构34的内侧面下部与模拟河床2相应的侧面抵接，围护结构34的内侧面上部形成模拟边坡3的坡面，两个模拟边坡3的坡面和模拟河床2的河床面围合形成河道5。

散粒体层33中的散粒体可在水流的冲击下从围护结构34的网孔35中逸出至河道5中；围护结构34的内侧面上部在水流冲击下仍保持模拟边坡3的坡面形状。

如图2和3所示，围护结构34包括由多根竖向支撑杆341和多根横向支撑杆342纵横交错连接形成的框架结构，以及包覆在框架结构上的纱网343。

横向支撑杆342的线型与对应的地形等高线的线型一致；竖向支撑杆341的线型与对应的地形剖面线的线型一致。框架结构沿模拟河道5长度方向的两端均与模型边壁固连，框架结构的底端与地基4固连。

纱网343由尼龙线、碳素线或编织线绑扎形成。纱网343的网孔形成围护结构34的网孔35。围护结构34的网孔35等效直径不小于5mm，且围护结构34的网孔35等效直径为散粒体颗粒331中值粒径的2～5倍。

模拟边坡3的制备过程如下：

1堆载沙土层31；

2)制备与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体颗粒331；

3)根据河道地形安装固定横向支撑杆341和竖向支撑杆342，并在外侧系结好纱网343，从而形成围护结构34；

3)将散粒体颗粒331铺填到围护结构34内。

实施例1：

某水电工程水力学整体模型试验模拟的陡峻的散粒体边坡，如图2～图4所示。

该工程所在河段河道狭窄，河道水面宽度150m～200m，边坡陡峻，坡度超过75°，边坡岩石抗冲流速5m/s～7m/s。泄水建筑物采用挑流消能形式，沿右岸布置，高速下泄水流对左岸边坡的冲击作用强烈。整体模型的模型比尺为1:100，散粒体边坡长度4m、高度1.2m，采用的纱网343为尼龙网，正方形网孔，网孔边长30mm；横向支撑杆342和竖向支撑杆341用5mm钢筋弯制，支撑杆之间的间距均为100mm；散粒体颗粒331采用天然卵砾石，根据边坡岩石节理块体的抗冲流速换算成卵砾石粒径为6mm～14mm，中值粒径10mm。

该模拟边坡稳定性试验过程如下：

1)制备与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体；

2)根据河道地形安装固定横向支撑杆和竖向支撑杆，并在外侧系结好纱网；

3)将散粒体铺填到围护结构内；

4)试验准备工作完成后，确定挑射水流的位置，在某一固定点对主消能区的散粒体边坡拍照；

5)模拟泄水建筑物泄水；

6)试验工作结束后，在同一固定点对冲击区/主消能区的散粒体边坡拍照；

7)对比试验前后两组照片，分析散粒体颗粒状态的变化，并依据表1判别边坡的表层稳定性。

表1散粒体颗粒状态与边坡表层稳定性对应关系表

实施例2：

实施例2与实施例1基本相同，散粒体边坡横剖面示意图如图5所示。

更进一步，为了判别水流沿边坡深度方向对岩石节理块体的影响及边坡的深层稳定性，将散粒体层由内到外分为多层，采用不同种类的卵砾石作为散粒体，将多种的散粒体按照不同高程、不同深度依序铺填，通过对比试验前后相邻分层边界处不同种类卵砾石状态的变化，从而判别边坡的深层稳定性。水流作用下边坡深层稳定性的判别方法，包括如下步骤：

1)制备与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体，并根据不同卵砾石种类分组；

2)根据河道地形安装固定横向支撑杆和竖向支撑杆，并在外侧系结好纱网；

3)按照边坡的不同高程和深度，自下而上和由外而内依序将不同种类的卵砾石铺填到围护结构内的各分层区域中，每种卵砾石铺填宽度20mm～200mm，本实施例中散粒体层总共分四层，由内向外依次为第一分层332、第二分层333、第三分层334和第四分层335，每一层的铺填宽度均为100mm。并在铺填过程中对边坡的不同高程面拍照；

5)分别对比试验前后相同高程的两组照片，分析散粒体颗粒状态的变化，并依据表2判别边坡的深层稳定性。

表2散粒体颗粒状态与边坡深层稳定性对应关系表

以上所述，仅是本申请的较佳实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。

Claims (7)

1.一种水力学物理模型结构，包括固定于地基（4）上的两个基墙（1），以及铺设于地基（4）上的模拟河床（2），两个基墙（1）平行且间隔设置，所述模拟河床（2）位于两个基墙（1）之间，所述基墙（1）和模拟河床（2）之间连接有设于地基（4）上的模拟边坡（3）；其特征在于，

所述模拟边坡（3）包括堆载于基墙（1）内侧的沙土层（31）、堆载于沙土层（31）内侧的散粒体层（33），以及将散粒体层（33）围合以防止散粒体层（33）坍塌的网状围护结构（34）；所述散粒体层（33）由与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体颗粒（331）堆载而成；

所述围护结构（34）的内侧面下部与模拟河床（2）相应的侧面抵接，所述围护结构（34）的内侧面上部形成模拟边坡（3）的坡面，两个模拟边坡（3）的坡面和模拟河床（2）的河床面围合形成河道（5）；

所述散粒体层（33）中的散粒体颗粒（331）可在水流的冲击下从围护结构（34）的网孔（35）中逸出至河道（5）中；所述围护结构（34）的内侧面上部在水流冲击下仍保持模拟边坡（3）的坡面形状；

所述围护结构（34）包括由多根竖向支撑杆（341）和多根横向支撑杆（342）纵横交错连接形成的框架结构；

所述横向支撑杆（342）的线型与对应的地形等高线的线型一致；所述竖向支撑杆（341）的线型与对应的地形剖面线的线型一致；

所述框架结构沿模拟河道长度方向的两端均与模型边壁固连，所述框架结构的底端与地基（4）固连。

2.根据权利要求1所述的水力学物理模型结构，其特征在于，所述围护结构（34）的网孔（35）等效直径不小于5mm，且所述围护结构（34）的网孔（35）等效直径为散粒体颗粒（331）中值粒径的2～5倍。

3.根据权利要求1所述的水力学物理模型结构，其特征在于，所述围护结构（34）还包括包覆在所述框架结构上的纱网（343），所述纱网（343）的网孔形成所述围护结构（34）的网孔（35）。

4.根据权利要求1-3任一项所述的水力学物理模型结构，其特征在于，散粒体颗粒（331）为卵砾石，所述卵砾石的粒径为5mm～50mm。

5.一种利用水力学物理模型结构进行边坡稳定性的判别方法，所述水力学物理模型结构，包括固定于地基（4）上的两个基墙（1），以及铺设于地基（4）上的模拟河床（2），两个基墙（1）平行且间隔设置，所述模拟河床（2）位于两个基墙（1）之间，所述基墙（1）和模拟河床（2）之间连接有设于地基（4）上的模拟边坡（3）；其特征在于，

所述模拟边坡（3）包括堆载于基墙（1）内侧的沙土层（31）、堆载于沙土层（31）内侧的散粒体层（33），以及将散粒体层（33）围合以防止散粒体层（33）坍塌的网状围护结构（34）；所述散粒体层（33）由与边坡岩石节理块体相匹配的散粒体颗粒（331）堆载而成；

所述围护结构（34）的内侧面下部与模拟河床（2）相应的侧面抵接，所述围护结构（34）的内侧面上部形成模拟边坡（3）的坡面，两个模拟边坡（3）的坡面和模拟河床（2）的河床面围合形成河道（5）；

所述散粒体层（33）中的散粒体颗粒（331）可在水流的冲击下从围护结构（34）的网孔（35）中逸出至河道（5）中；所述围护结构（34）的内侧面上部在水流冲击下仍保持模拟边坡（3）的坡面形状；

所述判别方法包括以下步骤：

S1、确定河道水流的冲击区/冲击区/主消能区位置，采用图像识别法识别冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）的初始状态；

S2、模拟泄水建筑物泄水；

S3、泄水结束后，采用图像识别法识别冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）的最终状态；

S4、利用冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）的状态变化程度确定边坡稳定性划分标准。

6.根据权利要求5所述的边坡稳定性的判别方法，其特征在于，所述划分标准包括：

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）流失，至边坡的冲击区/主消能区水流顶冲位置呈现出坍塌空间，则判定边坡坍塌；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）迁移，至散粒体颗粒（331）的累积位移超过其自身的等效粒径，则判定边坡失稳；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）在原位发生偏转，至散粒体颗粒（331）的累积偏转角度超过45°，则判定边坡松动；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）静止，则判定边坡稳定。

7.根据权利要求6所述的边坡稳定性的判别方法，其特征在于，所述散粒体层（33）由内到外分为多层，每层中的卵砾石种类与其他层中的卵砾石种类不同；

所述划分标准包括：

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）流失，至边坡的冲击区/主消能区位置呈现出坍塌空间，则判定边坡坍塌深度至散粒体颗粒（331）坍塌体外侧边缘；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）迁移，至散粒体颗粒（331）的累积位移超过其自身的等效粒径，且不同种类的散粒体颗粒（331）呈现混合状态，则判定边坡失稳深度至散粒体颗粒（331）混合体外侧边缘；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）在原位发生偏转，至散粒体颗粒（331）的累积偏转角度超过45°，或相邻分层边界处不同种类的散粒体颗粒（331）呈现交错分布，则判定边坡松动至散粒体颗粒（331）分层边界处；

当冲击区/主消能区散粒体颗粒（331）静止，则判定边坡稳定。

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