[发明专利]一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统

说明书

一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生；本发明还提供了一种堰塞坝离心模型试验模拟系统，本发明针对堰塞坝材料特性复杂、内部常存在不均匀分布的大孔隙结构、发生不均匀变形的特点，实现了在土工离心机中模拟堰塞坝的不均匀分布孔隙结构。

技术领域

本发明属于堰塞坝模型试验技术领域，特别涉及一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统。

背景技术

堰塞坝常常伴随着地质灾害而产生，在世界各地的山区都广泛分布。堰塞坝的存在给下游人民的生命财产安全造成了巨大的威胁，一旦处理不好便会造成毁灭性的灾难。堰塞坝主要由滑坡形成的“天然”堰塞体以及设计修建的“人工”防渗体两类结构组成，并且受到所处坝基和库岸边坡的显著影响。堰塞坝所处环境复杂多变，自身还有挡水泄洪等功能，因此经历频繁的应力变化过程、变形过程、破损过程和渗流过程等多过程的耦合作用，需合理考虑百米级的坝体、米级的防渗结构、厘米级的结构面乃至毫米级的裂缝等多个尺度的耦合响应。目前的堰塞坝应力变形和渗流特性及稳定性分析主要是按照土石坝的理论方法，但与常规土石坝不同，滑坡形成的堰塞坝材料特性复杂，堰塞坝复杂体系工作性态和安全性的演化是现有的分析理论方法难以合理考虑的，亟需深入研究堰塞坝多体多过程相互作用特性及长期工作性态演变机理。

土工离心机通过在模型上施加与重力场等效的离心力场，可以使模型与原型的应力相同、变形相似，土工离心模型试验在研究坝坡的变形与破坏机理中有着明显的优势。由于堰塞坝的材料特性复杂，往往在形成过程中存在不均匀分布的孔隙结构，导致产生不均匀的大变形。目前尚没有针对堰塞坝的离心模型试验模拟技术，不能很好地发挥土工离心模型试验手段在堰塞坝变形破坏特性机理研究中的重要作用。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，针对堰塞坝材料特性复杂、内部常存在不均匀分布的大孔隙结构、发生不均匀变形的特点，本发明的目的在于提供一种堰塞坝离心模型试验模拟方法与系统，在土工离心机中模拟堰塞坝的不均匀分布孔隙结构

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种堰塞坝离心模型试验模拟方法，在模型箱中用碎石与砂土混合材料模拟堰塞体，并将硝酸钾粉末随机布置在其中，将模型箱置于离心机吊篮，待离心加速度在设定值稳定后，向模型箱中注水，使硝酸钾粉末溶解，在堰塞体中形成不均匀分布的孔隙结构，模拟不均匀变形的产生。

优选地，在模拟实验中，根据实际情况和土工离心机缩尺效应调整碎石与砂土的级配。

优选地，在模拟实验中，所述硝酸钾粉末布置在堰塞体中拟形成孔隙的位置，控制硝酸钾粉末的密度，使其与堰塞体材料的强度相近，通过调整硝酸钾粉末的含量、布置位置和布置数量，从而控制堰塞体中孔隙的形状、位置和数量。

优选地，在模拟实验中，所述模拟堰塞体中设置有由石膏混合料组成的模拟防渗结构，模拟防渗结构设置在沿模拟堰塞体宽度方向的中央位置，自上而下贯穿，所述石膏混合料由水、石膏、砂、碳酸钙混合形成，按照符合试验强度要求的配合比配置。

本发明还提供了一种堰塞坝离心模型试验模拟系统，包括模型箱1，所述模型箱1中设置有一竖向的透水隔板2将箱内分为两个腔室，其中一个腔室的侧壁开有出水口，并在该腔室内布置有主要由碎石、砂土和硝酸钾粉末8构成的模拟堰塞体3，模拟堰塞体3的一端与透水隔板2接触，另一端与模型箱1的内侧壁一接触，在另一个腔室的侧壁开有进水口4和加压口5。

优选地，在模拟实验中，模拟堰塞体3中设置有由石膏混合料组成的模拟防渗结构6，模拟防渗结构6设置在沿模拟堰塞体3宽度方向的中央位置，自上而下贯穿，底部通过凹槽结构固定在模型箱1底部，所述模拟防渗结构6安装有应变片，所述石膏混合料由水、石膏、砂、碳酸钙混合形成，按照符合试验强度要求的配合比配置。