CN114486171A - 河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，包括消波区，以及综合工程地质图信息及水工结构设计图信息设置的滑坡区、河道区、大坝区；大坝区包括带有排水闸门的水工结构；滑坡区包括滑坡体相似材料、滑坡启动装置；在消波区、滑坡区、河道区与大坝区之间设有用于模拟真实水流情况的水流循环系统，还包括用于监测滑坡涌浪发生、传播全过程的数据监测系统。该滑坡涌浪试验物理模型为大尺寸物理模型，基于工程地质图资料与水工结构设计图资料进行设计的整体正态模型，能较完整的反应滑坡‑河道‑高坝联合作用全过程，可以更加准确的反应真实工程的灾害现象和数据规律；可以用于针对真实工程的大型三维滑坡涌浪物理模型试验的建立。

Description

河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型

技术领域

本发明涉及一种滑坡涌浪试验的物理模型，尤其涉及一种河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型。

背景技术

滑坡涌浪灾害的研究是水利水电工程防灾减灾领域的前沿课题。在大型水电工程的建设中，高坝大库河道沿岸的大方量滑坡灾害引起的巨大涌浪，对河道沿岸的其他边坡稳定性与大坝的安全都有巨大危害。模型试验法是研究滑坡涌浪产生及传播规律的重要方法。由于大坝库区滑坡涌浪灾害的发生是一个复杂过程，涉及非线性强流-固耦合作用的复杂问题。因而目前对物理模型试验的研究多采用简化的概念模型，无法真实反映实际工程的滑坡涌浪特征及规律。

河道型滑坡涌浪灾害发生发展的过程为：①滑坡失稳，开始滑动；②滑坡体运动落入水库，产生涌浪；③滑坡体入水时会首先产生涌浪，涌浪以滑坡入水点为中心呈扇形向四周传播；④涌浪首先传播到滑坡对岸岸坡，涌浪沿对岸岸坡发生爬升，而后下落，在滑坡位置与对岸反复振荡；⑤然后涌浪沿着河道向上下游传播，受河谷和河岸地形的影响，涌浪在传播过程中不断发生反射与干涉，最终传播至大坝位置；⑥涌浪沿大坝发生爬升(重力坝或堆石坝)或者反射(拱坝)。

通过滑坡涌浪试验物理模型的建立以及浪高、水压力等数据的测量，可以得出：滑坡涌浪灾害发生过程中的涌浪产生及沿河道传播规律，涌浪传播至大坝处对水工结构的作用力以及作用力的分布规律，通过定量分析各因素对涌浪特征的影响，推导河道形态参数与沿程浪高衰减的相互关系，研究涌浪运动与大坝等水工结构间力的传导规律。

目前国内已有不考虑河道形态的滑坡涌浪概念试验模型，以及只考虑局部研究区域的三维实验模型，但还没有建立过滑坡-河道-高坝联合作用的大型三维滑坡涌浪试验整体正态物理模型。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能完整反应滑坡-河道-高坝联合作用全过程的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型。

技术方案：本发明所述的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，包括综合工程地质图信息及水工结构设计图信息设置的消波区、滑坡区、河道区、大坝区；所述大坝区包括水工结构物；所述滑坡区包括滑坡体、滑坡启动装置；在所述消波区、滑坡区、河道区与大坝区之间设有用于模拟真实水流情况的水流循环系统，还包括用于监测滑坡涌浪发生、传播全过程的数据监测系统。

其中，所述滑坡区墙体、河道区墙体、大坝区墙体采用断面板法与等高线法相结合的方法设置，所用的断面板与等高线形态数据截取于工程地质图资料及水工结构设计图资料构建的三维CAD模型。

其中，所述滑坡区墙体包含滑坡体一侧高于滑坡体真实后缘位置不少于10cm，滑坡体对岸的滑坡区墙体高度低于包含滑坡体一侧，但高于河道区墙体高度不少于50cm；河道区墙体与大坝区墙体高度高于最大蓄水位不少于30cm，墙体高度根据数值模拟试算或者预估涌浪高度确定，墙体高度应有安全储备，或者试滑试验后再将墙体施工加高。

其中，所述设置河道区墙体的过程中预留测量模型内水位高度的测压管管道，管道一端伸入河谷底部，管道另一端伸出河道区墙体外，河道区范围内预留测压管管道数量不少于3个。

其中，所述消波区包括滑坡上游河道和消波池，消波池底部设有注水口，模型消波区长度不小于河道区长度的1/4。

其中，所述大坝区包括大坝区墙体、大坝及水工结构物、大坝区水池，大坝区水池围墙高度不小于河道区墙体高度，水池底部设有抽水口；所述大坝、水工结构物均基于水工结构设计图信息进行设置，并与物理正态模型采用相同缩放比尺制作；所述大坝由大坝板制成，所述大坝板嵌入大坝区墙体，大坝板下设置有支撑架；所述水工结构物包括排水闸门，水工结构物排水闸门与大坝区水池相连。

其中，所述水流循环系统包括连接大坝区水池与消波区消波池的输水管道、设于输水管道上的可控制流量的水泵，水流循环系统的输水管道从大坝区水池底部抽水口连接到消波区消波池底部注水口。

其中，所述数据监测系统包括测压管水位计、滑速测量仪、浪高仪、流速仪、水压力传感器、摄像机。其中用于测量蓄水高度的测压管水位计在河道区预留测压管管道处布置；滑速测量仪采用滚轮式线速表布置在散体滑坡体材料内部的后缘位置；浪高仪布置于滑坡区浪高、滑坡对岸爬高、河道区浪高、大坝区坝前浪高、大坝爬高，其中滑坡对岸爬高浪高仪布置在滑坡中轴线对岸的凹岸处不少于2个，河道区浪高仪等间距布置在蓄水液面正中心处；大坝区坝前浪高仪、大坝爬高浪高仪、流速仪布置断面平行于大坝坝顶轴线，每个断面浪高仪、流速仪布置数量不少于3个；水压力传感器布置于大坝中轴线传感器、大坝均布传感器、水工结构物闸门传感器；其中大坝中轴线传感器沿大坝中轴线从蓄水位至河谷底较密集布置，相邻传感器垂直向间距不超过15cm，中轴线蓄水位液面处传感器更密集布置，数量不少于5个；大坝均布传感器选取大坝中轴线外的几个轴线较稀疏布置；水工结构物闸门传感器布置于水工结构物闸门迎水面的形心位置；摄像机设置于滑坡体对岸、滑坡体顶部、滑坡区下游、河道区下游、大坝区上游、大坝侧面、全程跟拍摄像机。

其中，所述滑坡体选用滑坡体相似材料，滑坡体相似材料满足重力相似准则、颗粒粒径及级配相似，滑坡体材料堆积满足几何相似、形态相似；其中颗粒粒径及级配相似选取不少于5个连续的主要粒径级配区间，若无法满足此条件，则应满足D50粒径相似。

其中，所述滑坡启动装置装载滑坡体材料的箱体根据滑坡体几何相似、形态相似设计，箱体前缘向上翻门打开，箱体底部与滑坡区墙体间设有滑轨，通过增加加速装置、推动装置或者通过增加箱体释放高度使箱体入水速度可调节。

有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、该滑坡涌浪试验正态物理模型为基于工程地质资料与水工结构设计图资料进行建立的大尺寸整体正态模型，能较真实的再现滑坡灾害发生过程中滑坡-河道-高坝联合作用全过程，可以更加准确的模拟所对应真实工程的滑坡涌浪灾害现象；2、通过设置测压管水位计、滑速测量仪、浪高仪、流速仪、水压力传感器、摄像机，能全面的监测滑坡涌浪物理模型蓄水位高度、滑坡下滑速度、滑坡区涌浪高度和对岸涌浪爬高、河道区涌浪高度、大坝区涌浪高度和大坝涌浪爬高、大坝区坝前流速、坝面水压力分布、水工结构物处水压力数据，以及捕捉滑坡涌浪灾害发生过程的影像资料，更加全面的获取滑坡涌浪灾害全过程的数据资料，为所对应真实工程的滑坡涌浪灾害风险评估提供试验数据依据。

附图说明

图1为本发明的除滑坡启动装置、数据采集系统外的物理模型结构图；

图2位本发明的滑坡启动装置结构图；

图3为本发明的数据采集系统布置示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1、图2、图3所示，本发明公开的一种河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，包括消波区、滑坡区、河道区、大坝区，这4个区域的墙体围成了封闭的水库。

滑坡区上游为消波区，滑坡区下游为河道区，河道区下游为大坝区。

消波区由消波池墙体1、消波材料2、滑坡上游河道墙体3构成。滑坡区由滑坡区墙体4、滑坡启动装置5、滑坡体相似材料6构成。河道区由河道区墙体7构成。大坝区由大坝区墙体8、大坝薄板9、水工结构物10、大坝区水池墙体11构成。滑坡体相似材料6填充于滑坡启动装置5的滑箱14中。

消波池墙体1、滑坡上游河道墙体3、滑坡区墙体4、河道区墙体7、大坝区墙体8相互连接，建立于试验场地地面上。大坝薄板9与水工结构物10内嵌于大坝区墙体8中，大坝薄板9下端采用钢架支撑。消波材料2倾斜铺设在消波池墙体1内部。大坝区水池墙体11与大坝区墙体8相连，水工结构物10的出水口均包含于水池墙体11内部。

水流循环系统由连接大坝区水池底部抽水口与消波区消波池底部注水口的输水管道12、设于输水管道上的可调节流量的水泵13构成。

水流循环系统输水管道12与水泵13位于模型墙体外侧，置于试验场地地面上。

滑坡启动装置5由滑箱14、滑箱后缘填料口15、滑箱前缘挡板16、滑箱前缘挡板开启装置17、滑轨18、滑箱启动装置19、滑箱侧耳20、滑箱阻停装置21构成。

滑轨18固定于滑坡区墙体4的滑坡体位置上，滑箱14下部滑槽与滑轨18相连。滑箱后缘填料口15位于滑箱14外侧上表面后缘，通过贯通滑箱的横轴连接。滑箱前缘挡板16位于滑箱14前缘，通过滑箱两端的短轴连接。滑箱前缘挡板开启装置17固定连接于滑箱前缘挡板16与滑箱14相连的端轴位置，位于滑箱14外侧。滑箱启动装置19固定连接于滑箱14外侧后缘。滑箱侧耳20固定连接于滑箱14两侧外表面中下缘位置。滑箱阻停装置21固定连接于滑轨18上，位于滑箱侧耳20的运动路线之上。

数据监测系统由测压管水位计22、滑速测量仪23、浪高仪24、浪高仪采集仪25、流速仪26、水压力传感器27、水压力传感器采集仪28、摄像机29构成。

测压管水位计22固定于河道区墙体7外侧。滑速测量仪23布置于滑坡启动装置滑箱14内的滑坡体相似材料6中。浪高仪24布置于滑坡区、河道区、大坝区内的水面位置处。流速仪26布置于大坝区内的水面以下。水压力传感器27固定连接于大坝薄板9上以及水工结构物10的闸门口处。摄像机29布置于模型墙体上。浪高仪采集仪25与水压力传感器采集仪28位于模型墙体外侧，通过传感器连接线与浪高仪24、水压力传感器27相连。

工作过程：将滑坡体相似材料15通过滑坡区吊机14吊运至滑坡区滑坡体水泥基岩面上，并设置滑坡启动控制装置，同时打开大流量抽水泵8和小流量抽水泵9并观察河道区静水位计12，蓄水至接近试验工况静水位时关闭大流量抽水泵8，通过小流量抽水泵9精确控制水位高度，待模型内水面静止后，打开数据检测系统，开启滑坡启动控制装置进行滑坡涌浪试验。若考虑水流循环，则在模型蓄水至试验工况水位高度后，打开大坝区水工结构11的闸门，并打开水流循环系统水泵6，等待模型内水流流速均匀后打开数据检测系统，开启滑坡启动控制装置进行滑坡涌浪试验。

Claims (10)

1.一种河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，包括综合工程地质图信息及水工结构设计图信息设置的消波区、滑坡区、河道区、大坝区；所述大坝区包括水工结构物(10)；所述滑坡区包括滑坡体、滑坡启动装置(5)；在所述消波区、滑坡区、河道区与大坝区之间设有用于模拟真实水流情况的水流循环系统，还包括用于监测滑坡涌浪发生、传播全过程的数据监测系统。

2.根据权利要求1的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，采用断面板法与等高线法相结合的方法设置滑坡区墙体(4)、河道区墙体(7)、大坝区墙体(8)，设置滑坡区墙体(4)、河道区墙体(7)、大坝区墙体(8)所用的断面板与等高线形态数据截取于工程地质图资料及水工结构设计图资料构建的三维CAD模型。

3.根据权利要求2的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述滑坡区墙体(4)包含滑坡体一侧高于滑坡体真实后缘位置不少于10cm，滑坡体对岸的滑坡区墙体(4)高度低于包含滑坡体一侧，但高于河道区墙体(7)高度不少于50cm；河道区墙体(7)与大坝区墙体(8)高度高于最大蓄水位不少于30cm。

4.根据权利要求2的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，设置河道区墙体(7)的过程中预留测量模型内水位高度的测压管管道，测压管管道的一端伸入河谷底部，另一端伸出河道区墙体(7)外，河道区范围内预留测压管管道数量不少于3个。

5.根据权利要求1的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述消波区包括滑坡上游河道和消波池，上游河道沿滑坡区河谷走向延伸，消波池底部设有注水口，消波区长度不小于河道区长度的1/4。

6.根据权利要求1所述的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述大坝区包括大坝区墙体(8)、大坝、水工结构物(10)、大坝区水池，大坝区水池围墙高度不小于河道区墙体(7)高度，水池底部设有抽水口；所述大坝、水工结构物(10)均基于水工结构设计图信息进行设置，并与正态物理模型采用相同缩放比尺制作；所述水工结构物(10)包括与大坝区水池相连的排水闸门。

7.根据权利要求1所述的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述水流循环系统包括连接大坝区水池与消波区消波池的输水管道(12)、设于输水管道(12)上的可控制流量的水泵(13)，水流循环系统的输水管道(12)从大坝区水池底部抽水口连接到消波区消波池底部注水口；水流在大坝区水工结构物排水闸门、大坝区水池、水流循环管道、消波区消波池、滑坡区、河道区、大坝区之间进行循环。

8.根据权利要求1的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述数据监测系统包括测压管水位计(22)、滑速测量仪(23)、浪高仪(24)、流速仪(26)、水压力传感器(27)、摄像机(29)；所述水压力传感器(27)设置于水工结构物(10)闸门处、大坝板中轴线及大坝板中轴线以外。

9.根据权利要求1的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述滑坡体选用滑坡体相似材料，滑坡体相似材料满足重力相似准则、颗粒粒径及级配相似，试验时滑坡体相似材料的堆积满足几何相似、形态相似；所述颗粒粒径及级配相似选取不少于4个连续的主要粒径级配区间，若无法满足此条件，则满足D50粒径相似。

10.根据权利要求1的河道型水库三维滑坡涌浪试验正态物理模型，其特征在于，所述滑坡启动装置(5)包括滑箱(14)、滑箱后缘填料口(15)、滑箱前缘挡板(16)、滑箱前缘挡板开启装置(17)、滑轨(18)、滑箱启动装置(19)、滑箱侧耳(20)、滑箱阻停装置(21)；装载滑坡体相似材料的滑箱根据滑坡体几何相似、形态相似设计；所述滑箱前缘挡板(16)打开方式为向上翻门打开；所述滑轨(18)长度大于箱体长度并向箱体后缘延长合适距离，通过增加加速装置、推动装置或者通过增加箱体释放高度使箱体入水速度可调节。

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