[发明专利]用于模拟砂砾石坝溃决试验的面板结构及其制造方法

说明书

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；