[发明专利]基于振动台上的坝体‑库水耦合动力模型试验的设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于振动台上的坝体-库水耦合动力模型试验的设计方法，属于水工结构工程与模型试验研究领域。

背景技术

地震作用下上游库水及坝体相互的动力作用对坝体自身的动力响应有着重要的影响。在振动台上进行坝体-库水耦合地震动力模型试验的难点在于方各方面：一是模型材料的选择；动力模型试验时，需根据试验要求、振动台的特性对坝体模型根据相似比尺对原型坝体进行缩小。再将原型坝体几何尺寸缩小的同时，其制作坝体模型的材料的力学特性，如强度、弹模，也需要按照相似理论被降低。第二个难点是坝体-库水动力耦合系统中上游库水的模拟。一般情况下上游库水作用采用在坝体上游面放置一个水箱模拟，但是模型材料及坝体模型与水箱的接触面很难保证不漏水。还有，如何用一个有限尺寸的水箱来模拟坝体上游无限域水库也是亟待解决的问题。

发明内容

本发明提供了基于振动台上的坝体-库水耦合动力模型试验的设计方法，本试验的设计方法能够用于研究地震作用下上游库水对坝体动力响应的影响，并解决了试验过程中模型材料及坝体模型与水箱接触面的漏水问题，以及解决了用一个有限尺寸的水箱来模拟坝体上游无限域水库及坝体上游面动水压力测试的问题。

本发明基于振动台上的坝体-库水耦合动力模型试验的设计方法是这样实现的：所述基于振动台上的坝体-库水耦合动力模型试验的设计方法的具体步骤如下：

Step1、根据原型大坝水工设计图纸和振动台几何尺寸及承载能力，运用相似理论设计出二维模型坝体坝段的各部位几何尺寸及各个相关监测设备的布置方案，见图1；

Step2、根据相似比尺理论及步骤Step1中设计的原模型坝体几何比尺，确定模型材料所需要具备的密度、弹性模量及泊松比等主要物理力学参数，以此来确定仿真模型材料的配比和养护龄期；

Step3、利用预制好的模型坝体钢模具，在振动台上采用步骤Step2中确定的仿真模型材料浇筑步骤Step1中设计的坝体模型，并在浇筑模型坝体过程中根据步骤Step1中设计的各个相关监测设备的布置方案(如图1)来预埋各测试仪器；记录好模型浇筑完成时间，预算出养护龄期、拆模时间及振动试验时间，拆模后的动力试验坝体模型，如图2；

Step4、坝体模型初凝拆模后，将水库的模拟装置，采用水箱，吊装至模型坝体上游侧，靠坝体侧水箱的侧壁被取消后以模型坝体挡水时，要保证水箱内隔水塑料袋与模型坝体上游面紧密接触，以保证水箱内水体能够模拟出原型坝体上游库水的作用；

Step5、在水箱内远离模型坝体的一端放置一个模拟无限远水库库尾消能装置，如图1，用于避免地震动力试验时远离坝体一端的水箱壁产生水波回弹效应；

Step6、模型坝体和模拟水库装置的水箱组装完毕之后，对模型坝体上游迎水面的塑料薄膜穿孔，使布置于模型坝体上游表面的水压力传感器的测压膜片与水箱中的水体充分接触，以便测得不同试验工况下模型坝体不同部位的压力值，如图5；

Step7、各个试验测试仪器设备安装、连接完毕之后，开始模型坝体地震动力模拟试验，先进行空库振动试验，再向水箱中注满水，进行满库工况下的地震动力模型试验；测得模型坝体上游面动水压力、关键部位应变、沿坝体高程时程加速度及位移等关键数据。

所述步骤Step2中，采用由河砂、矿石粉、水及水泥制成的低弹模、低强度的模型材料来制作坝体模型，用于满足模型试验的相似比尺要求，在材料中添加铅粉配重用于满足模型密度比尺要求。

所述步骤Step4中，模型坝体与上游水库即水箱采用软件连接方式模拟，使得地震动力试验时使坝体-库水系统耦合起来，模拟出地震时上游库水对坝体的相互作用。

所述步骤Step5中，所述库尾消能装置是由木条做成框架，迎水面方向依次布置四层渔网，如图4所示，振动试验时箱内水体震荡产生的水波会被这四层效能网吸收，用于解决振动试验过程中水波在水箱远端挡板回弹效应，模拟了无限远库水效应。

所述Step6中，为使预埋在模型坝体上游表面的水压力传感器能够准确测得数据，则对附在坝体上游表面的塑料薄膜穿孔并用螺丝固定，加橡皮垫以防漏水，如图5所示。

所述步骤Step2中，根据原型与模型几何比尺确定模型材料的物理力学参数比尺方法如下：

线弹性条件下，根据弹性力学中的几何方程物体受荷变形时满足应变ε、位移u及物体尺寸l的关系为ε＝u/l，所以原型与模型的几何比尺要满足：

λ_u＝λ_ε/λ_l(1)