一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法与流程

1.本发明涉及一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法，属于土力学试验技术及应用领域。该试验方法可以有效研究300m级特高土石坝的心墙变形特性，此类工程采用常规土工离心模型试验方法是无法进行整体模拟的。


背景技术：

2.我国已建、在建的一批重大水利工程采用了特高心墙坝，如小浪底(160m)、糯扎渡(261.5m)、两河口(295m)、双江口(314m)、长河坝(240m)、毛尔盖(147m)、苗尾(139.8m)、去学(164m)、大石门(128.8m)、如美(315m)等。对于特高坝特别是300m级特高坝，目前工程经验不多，物理模型试验是坝体应力变形特性研究的重要手段。但是采用常规的土工离心模型试验方法，研究特高坝的能力一般在200m以下，超出200m的大坝无法整体模拟。
3.明确心墙的变形规律是建设心墙坝的关键，对于特高心墙坝更加重要，而目前对于300m级特高心墙坝的心墙变形规律，多依靠数值模拟研究，尚无直接有效的物理模拟手段。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于建立一种新的离心模型试验方法，通过对若干个心墙局部离心模型试验结果进行积分，以求得300m级特高土石坝心墙变形规律。
5.实现本发明目的的技术方案是一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法，包括下列步骤：
6.步骤1，对所需模拟的300m级特高土石坝工程(坝高为h)，沿心墙坝轴线方向自下而上选取n(n不小于4)个心墙局部，按几何相似比尺1/n(n不大于h/n)，进行ng条件下的离心模型试验；
7.步骤2，每个心墙局部模型底边界选择模型箱底面，即限制所有心墙局部模型底边界变形为0，使试验得到的为变形增量；每个心墙局部模型上边界表面布置超重替代材料(如铅砂、铁砂等)，使得在心墙局部模型超重力场作用下承受的自重应力等于原型自重应力；
8.步骤3，通过试验，获得n个心墙局部模型土体的变形后，再经过半对数拟合分析，得到心墙变形增量随着自重应力的变化关系δs(y)＝a*lg[ρ*g*(h-y)]+b，式中y为竖向高度，是按照离心模型相似律换算后的原型值；
[0009]
步骤4，沿着坝轴线高度方向，自下而上进行积分，得到整体心墙变形分布规律式中的h为当前计算点到河床的高度，是按照离心模型相似律换算后的原型值，0≤h≤h。
[0010]
本发明的有益效果如下：能够精确地控制心墙局部模型试验的边界条件；能够获得心墙变形增量与自重应力的半对数关系；能够通过积分获得300m级特高土石坝心墙整体的变形规律。
[0011]
采用本发明方法，能够利用土工离心模型试验技术有效开展300m级特高土石坝工程的心墙变形规律试验研究。
附图说明
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图1是以某300m级特高心墙坝为例，选取若干心墙局部的示意图；
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图2是心墙局部试验模型布置图；
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图3是试验得到的心墙变形增量与自重应力关系曲线；
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图4是积分得到的心墙整体变形分布规律。
具体实施方式
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实施例1
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某300m级特高心墙堆石坝，最大坝高为315m，需研究其心墙变形规律，通常的土工离心模型试验只能完整地模拟坝高不大于200m的情况，采用“一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法”，开展4组局部试验，积分获得大坝心墙的整体变形规律，包括下列步骤：
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步骤1，从工程现场采集心墙土料和上下游坝壳料，运送至实验室，剔除杂质后按照工程现场的密度、含水率、级配等参数备用；
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步骤2，如图1，沿坝轴线自下而上选取4个心墙局部，模型布置如图2(单位mm)，开展离心模型试验，试验条件见表1；心墙局部试验的几何比尺为1/50，离心加速度为50g；
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表1心墙局部模型试验条件
[0021][0022][0023]
步骤3，根据心墙局部试验的结果，拟合得到心墙变形增量与自重应力关系曲线，如图3；
[0024]
步骤4，沿自下而上积分，得到坝轴线处心墙的整体变形规律，如图4。


技术特征：
1.一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法，包括下列步骤：步骤1，对所需模拟的300m级特高土石坝工程(坝高为h)，沿心墙坝轴线方向自下而上选取n(n不小于4)个心墙局部，按几何相似比尺1/n(n不大于h/n)，进行ng条件下的离心模型试验；步骤2，每个心墙局部模型底边界选择模型箱底面，即限制所有心墙局部模型底边界变形为0，使试验得到的为变形增量；每个心墙局部模型上边界表面布置超重替代材料(如铅砂、铁砂等)，使得在心墙局部模型超重力场作用下承受的自重应力等于原型自重应力；步骤3，通过试验，获得n个心墙局部模型土体的变形后，再经过半对数拟合分析，得到心墙变形增量随着自重应力的变化关系δs(y)＝a*lg[ρ*g*(h-y)]+b，式中y为竖向高度，是按照离心模型相似律换算后的原型值；步骤4，沿着坝轴线高度方向，自下而上进行积分，得到整体心墙变形分布规律式中的h为当前计算点到河床的高度，是按照离心模型相似律换算后的原型值，0≤h≤h。

技术总结
本发明公开了一种300m级特高土石坝心墙变形离心模型试验方法，适用于常规土工离心模型试验无法整体模拟的300m级特高土石坝心墙变形研究，属于土力学试验技术及应用领域。步骤为：(1)对坝高为H(>300m)的特高土石坝，在心墙坝轴线选取n(≥4)个局部，按几何比尺1/N(N≤H/n)，进行Ng条件下离心模型试验；(2)局部模型上边界布置超重替代材料(如铅砂、铁砂等)，使模型在超重力场下承受原型水平的自重应力；(3)对试验获得的n个心墙局部试验数据，开展半对数拟合，得到土体变形增量Δs与竖向高度y之间的关系式；(4)沿坝轴线高度方向，自下而上进行积分，得到心墙变形分布规律。得到心墙变形分布规律。


技术研发人员：慕洪友 顾行文 迟福东 胡永福 李艳伟 程瑞林 聂兵兵 王道明 杨万涛 江政德 任国峰 米占宽 魏匡民
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院 华能澜沧江水电股份有限公司
技术研发日：2022.04.27
技术公布日：2022/10/28