極端荷載條件下壩體瞬間失穩(wěn)潰決的模擬裝置及運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及大壩潰決技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種極端荷載條件下壩體瞬間失穩(wěn)潰決的模擬裝置及運(yùn)行方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著水利工程的發(fā)展，水庫(kù)大壩的數(shù)量越來越多，據(jù)2013年發(fā)布的《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》顯示，全國(guó)共有水庫(kù)98002座，總庫(kù)容9323.12億m3。水庫(kù)大壩為區(qū)域防洪安全、灌溉、供水提供了重要保障，對(duì)人類社會(huì)發(fā)展起到了極其重要的推動(dòng)作用，是我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分。但隨著時(shí)間的推移，水庫(kù)不可避免地會(huì)出現(xiàn)壩體老化和破損等現(xiàn)象。特別是近年來，地震事件和極端洪水等自然環(huán)境事件顯著增加，大壩發(fā)生潰決的風(fēng)險(xiǎn)不斷提高。由于大壩潰決造成的危害極其嚴(yán)重，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)壩體潰決機(jī)理的研究。潰壩物理模型試驗(yàn)在潰壩機(jī)理研究方面具有其它方法和手段無可比擬的優(yōu)越性，模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)是重大水利工程設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)。了解潰壩機(jī)理、潰壩水流的洪峰動(dòng)力特性和洪水波演進(jìn)形式，有利于在潰壩下游做好防范措施，減少潰壩所造成的巨大生命和財(cái)產(chǎn)損失。
[0003]對(duì)于大壩的瞬潰研究，以往的潰壩試驗(yàn)裝置主要從壩體上方抽拉擋板，使水流從下方流出，抽拉擋板的過程客觀上影響了壩體的潰決方式，也達(dá)不到瞬間潰決的效果，不可避免的人為干擾和誤差最終會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)較大誤差，影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。因此，壩體瞬間失穩(wěn)潰決，特別是大地震或山體滑坡等不可抗拒的極端荷載引起的壩肩失穩(wěn)、壩體瞬間潰決的模擬裝置和試驗(yàn)方法還有待進(jìn)一步研究。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種極端荷載條件下壩體瞬間失穩(wěn)潰決的模擬裝置及運(yùn)行方法，克服現(xiàn)有壩體瞬間失穩(wěn)潰決試驗(yàn)技術(shù)的不足，降低潰壩模型試驗(yàn)中的人為誤差，特別是提供一種大地震或山體滑坡等不可抗拒的極端荷載引起的壩肩失穩(wěn)、壩體瞬間潰決的模擬裝置和試驗(yàn)方法，對(duì)提高水庫(kù)大壩防災(zāi)減災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估水平和降低水庫(kù)水壩對(duì)下游的潛在危害具有重要意義。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的極端荷載條件下壩體瞬間失穩(wěn)潰決的模擬裝置，包括防漏單元、固定平臺(tái)、壩體、水槽和失穩(wěn)單元。
[0006]所述防漏單元由防漏箱和滯留器構(gòu)成。所述防漏箱頂端中心位置設(shè)有圓孔，防漏箱的側(cè)面上端邊緣與槽底連接為一體，防漏箱下端固定于地面;所述滯留器位于防漏箱頂端的圓孔中，滯留器底部設(shè)有多個(gè)小孔。
[0007]所述固定平臺(tái)由底座、支撐桿、鐵圈、鋼管、鐵環(huán)、鐵絲、重錘A、連接件、鋼絲繩、重錘B、彈簧和支撐管構(gòu)成。所述支撐桿下端固定于底座，支撐桿上端與鋼管左下端固定連接；所述鐵圈固定在支撐桿側(cè)面，鐵圈中心位于鋼管左端的正下方;所述鋼管橫跨水槽，鋼管正下方的側(cè)面設(shè)有若干個(gè)橫縫，鋼管左端的下側(cè)面固定在支撐桿上端，鋼管右端的下側(cè)面固定在支撐管上端;所述連接件穿過鐵環(huán)布設(shè)在鋼管內(nèi)部;所述鐵環(huán)的外直徑大于鋼管的內(nèi)直徑而小于鋼管的外直徑，鐵環(huán)嵌套在鋼管側(cè)面的橫縫內(nèi)；所述鐵絲一端與鐵環(huán)連接、另一端穿過滯留器底部的某一個(gè)小孔后與重錘A連接;所述重錘B懸于鐵圈正下方，重錘B通過鋼絲繩與最左端的連接件相連;所述彈簧豎直布設(shè)在支撐管內(nèi)，彈簧的外徑等于支撐管的內(nèi)徑，彈簧上端通過鋼絲繩與最右端的連接件相連，彈簧下端固定于支撐管下端;所述鋼絲繩兩端設(shè)有小球，小球的直徑大于鋼絲繩的直徑;所述支撐管側(cè)面設(shè)有半圓柱形的孔，支撐管下端固定于底座;所述底座為混凝土結(jié)構(gòu)并固定于地面。
[0008]所述壩體由若干個(gè)擋板構(gòu)成。擋板又由若干擋板塊拼接而成，相鄰的擋板塊之間以及擋板塊與所述水槽之間用止水材料密封，擋板的背水面一側(cè)依靠在由鐵環(huán)和重錘A共同索引的鐵絲上。
[0009]所述水槽分為上游水槽和下游水槽，水槽由槽底和兩側(cè)的槽壁構(gòu)成。上游水槽和下游水槽都與防漏單元和壩體連接，上游水槽的槽底和下游水槽的槽底連接處設(shè)有安裝滯留器的圓孔。
[0010]所述失穩(wěn)單元由電源開關(guān)、絕熱盒、電阻絲和銅絲構(gòu)成。所述失穩(wěn)單元設(shè)置在支撐管側(cè)面半圓柱形的孔中，失穩(wěn)單元的外層是絕熱盒;所述電阻絲豎直布置在絕熱盒內(nèi)部，電源開關(guān)安裝在絕熱盒外部并與電阻絲通過電線連接;所述銅絲從上到下穿過絕熱盒，銅絲的上端固定在支撐管的頂端、下端連接在的彈簧上端。
[0011]在本發(fā)明中，所述連接件由母接頭、鋼絲繩和公接頭組成。所述鋼絲繩兩端設(shè)有小球，小球的直徑大于鋼絲繩的直徑，同一個(gè)連接件的母接頭和公接頭之間用鋼絲繩連接，兩個(gè)相鄰的連接件之間通過母接頭和公接頭相連。所述母接頭一端為片狀結(jié)構(gòu)、另一端為圓管狀結(jié)構(gòu)，片狀結(jié)構(gòu)為帶有小孔的半圓，圓管狀結(jié)構(gòu)的側(cè)面開有弧形孔和圓孔，弧形孔和圓孔都與圓管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁相通，弧形孔沿著管的軸向設(shè)置并且位于圓管狀結(jié)構(gòu)的末端，圓孔位于弧形孔的頂端并與弧形孔相交，圓孔的孔徑等于鋼絲繩兩端小球的直徑且大于圓管狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑，弧形孔的孔徑等于鋼絲繩的直徑;所述公接頭一端為下凹的半球體、另一端為圓管狀結(jié)構(gòu)，下凹的半球體表面中心位置設(shè)有鉤狀結(jié)構(gòu)，公接頭的圓管狀結(jié)構(gòu)與母接頭的圓管狀結(jié)構(gòu)完全相同，側(cè)面也開有弧形孔和圓孔。所述同一個(gè)連接件的母接頭和公接頭之間用鋼絲繩連接，連接方式是將鋼絲繩兩端小球分別嵌入母接頭的圓管狀結(jié)構(gòu)側(cè)面圓孔和公接頭的圓管狀結(jié)構(gòu)側(cè)面圓孔，同時(shí)將鋼絲繩通過圓管狀結(jié)構(gòu)側(cè)面的弧形孔塞入圓管狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部;所述兩個(gè)相鄰的連接件之間通過母接頭和公接頭相連，連接方式是將公接頭的鉤狀結(jié)構(gòu)鉤入母接頭的片狀結(jié)構(gòu)小孔中。
[0012]在本發(fā)明中，所述鋼管正下方的側(cè)面設(shè)有若干個(gè)橫縫，橫縫的長(zhǎng)度等于所述鐵環(huán)的外直徑，橫縫的寬度等于所述鐵環(huán)的外直徑與內(nèi)直徑之差，橫縫垂直于管軸線平行布置。
[0013]在本發(fā)明中，所述失穩(wěn)單元的失穩(wěn)條件是通過接通電源開關(guān)使電阻絲發(fā)熱熔斷銅絲而實(shí)現(xiàn)的。
[0014]在本發(fā)明中，所述彈簧布置在所述支撐管內(nèi)，彈簧的外徑與支撐管內(nèi)徑相同，彈簧與支撐管之間涂有潤(rùn)滑油;所述彈簧在銅絲、鋼絲繩和支撐管的共同作用下處于最大拉伸狀態(tài)，銅絲被電阻絲熔斷后，彈簧受力失衡瞬間收縮帶動(dòng)重錘B急速上升，重錘B受到鐵圈阻擋后突然停止上升，在強(qiáng)烈的彈性波沖擊作用下，鋼管內(nèi)某一個(gè)或某幾個(gè)連接件的公接頭鉤狀結(jié)構(gòu)發(fā)生拉伸變形或斷裂，導(dǎo)致壩體失穩(wěn)。
[0015]在本發(fā)明中，所述重錘A在壩體失穩(wěn)之前與所述鐵環(huán)共同牽引鐵絲使得所有擋板保持靜止?fàn)顟B(tài)，在壩體失穩(wěn)之后隨著連接件和鋼絲繩向水槽兩側(cè)下落，重錘A瞬間將所有的鐵絲拖拽到防漏箱、鐵環(huán)拖拽到滯留器，在擋板自身重力和上游靜水壓力作用下?lián)醢迨Ш?，壩體瞬間坍塌，擋板塊被沖垮。
[0016]作為優(yōu)選，所述鋼管垂直橫跨水槽。
[0017]作為優(yōu)選，所述鋼管正下方的側(cè)面設(shè)有若干個(gè)橫縫，每個(gè)橫縫都垂直于管軸線，不同橫縫之間的距離相等，橫縫的長(zhǎng)度等于鐵環(huán)的外直徑，橫縫的寬度等于鐵環(huán)的外直徑與內(nèi)直徑之差。
[0018]作為優(yōu)選，所述鐵環(huán)的外直徑大于鋼管的內(nèi)直徑，避免鐵環(huán)隨著連接件左右擺動(dòng)而離開所在的橫縫進(jìn)入鋼管內(nèi)部，影響壩肩失穩(wěn)后重錘A拖曳鐵環(huán)脫落的過程。
[0019]作為優(yōu)選，所述鋼管左側(cè)正下方焊接在支撐桿上端，所述鋼管右側(cè)端口的正下方焊接在支撐桿靠近水槽方向的側(cè)壁上端。
[0020]作為優(yōu)選，所述壩體由若干個(gè)擋板構(gòu)成，每個(gè)擋板又由若干個(gè)擋板塊拼接而成，擋板塊選用加工過的片狀石塊或特制的土石料板，擋板塊之間以及擋板塊與水槽之間用止水材料密封。
[0021]作為優(yōu)選，所述滯留器底部較厚，底部的小孔并排布置，小孔形狀為倒立的棱臺(tái)，極大地增加了鐵環(huán)被拖拽到滯留器后自動(dòng)排列的概率，減小了鐵環(huán)相互纏繞的機(jī)率。
[0022]作為優(yōu)選，所述絕熱盒的形狀設(shè)計(jì)為空心的半圓柱，絕熱盒的大小與支撐管側(cè)面半圓柱形孔的大小完全相同，使得失穩(wěn)單元與支撐管共同形成一個(gè)完整的支撐柱。
[0023]作為優(yōu)選，所述母接頭和公接頭的圓管狀結(jié)構(gòu)上都設(shè)有弧形孔，弧形孔具有防止鋼絲繩從母接頭和公接頭彈跳脫落的優(yōu)點(diǎn)。
[0024]作為優(yōu)選，所述公接頭一端為下凹的半球體，下凹的半球體表面中心位置設(shè)有鉤狀結(jié)構(gòu);所述母接頭一端為片狀結(jié)構(gòu)，片狀結(jié)構(gòu)為帶有小孔的半圓。公接頭的鉤狀結(jié)構(gòu)鉤入母接頭的片狀結(jié)構(gòu)小孔后，公接頭與母接頭之間形了圓柱狀結(jié)構(gòu)，避免了連接件在鋼管端口可能被卡的缺陷。
[0025]本發(fā)明提供的技術(shù)方案還包括基于上述極端荷載條件下壩體瞬間失穩(wěn)潰決的模擬裝置的運(yùn)行方法，其特征在于包括以下步驟:
[0026]①初始，壩體在固定平臺(tái)、防漏箱、水槽和銅絲共同作用下保持穩(wěn)定狀態(tài)，固定平臺(tái)中的鐵環(huán)、鐵絲和重錘A構(gòu)成了壩體的骨架，其中，鐵環(huán)由鋼管內(nèi)的鋼絲繩牽引，鐵絲由鐵環(huán)和重錘A共同牽引拉直，鋼管內(nèi)的每段鋼絲繩都屬于連接件的一部分，相鄰的連接件之間通過公接頭的鉤狀結(jié)構(gòu)鉤入母接頭的片狀結(jié)構(gòu)小孔中連接，鋼管中最左端的連接件通過鋼絲繩與重錘B相連，鋼管中最右端的連接件通過鋼絲繩與彈簧的上端相連，彈簧的下端固定于支撐管下端，銅絲從上到下穿過絕熱盒，銅絲的上端固定在支撐管的頂端、下端連接在的彈簧上端，彈簧在銅絲、鋼絲繩和支撐管的共同作用下處于最大拉伸狀態(tài)；
[0027]②試驗(yàn)時(shí)，