一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验方法与流程

1.本发明涉及一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验方法，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土石坝中相对厚度非常薄的接触粘土剪切变形规律。


背景技术：

2.我国已建、在建的一批重大水利工程采用了土石坝，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。土石坝具有就地取材、适应复杂地形、施工机械健全的优点，但也存在一个凸出的技术难点：接触粘土与岸坡和心墙变形协调性问题，直接关系到大坝的安全性能。
3.作为心墙的一部分，接触粘土主要设置于心墙与坝基、两岸基岩岸坡、结构物的接触面，可以提高上述接触部位的抗劈裂性能和变形协调能力。接触粘土必须具备良好的塑性、粘性、抗渗变形能力，还必须保证施工质量；即便如此，目前也难以判断其在大坝长期运行条件下的剪切变形规律，从而难以预测其对大坝的影响。
4.接触粘土工程性质的研究，主要以数值分析和剪切试验、渗透试验为主。数值分析的难点在于接触的模拟，且缺乏实测资料和模型试验数据的验证。剪切渗透试验只能针对土单元开展理想条件下的变形-渗透-冲刷特性研究，实际上没有涉及到接触问题。从国内外搜集到的文献中，尚未发现包含接触部位、体现接触问题、针对接触粘土变形特性的系统模型试验研究。
5.土石坝一旦失事，将会给人民生命财产带来重大损失。心墙接触面是可能发生大变形及裂缝的危险部位，是土石坝事故的多发区。接触部位复杂的应力和变形条件，特别是地震灾害可能引发的突发变形，是否会引起影响坝体变形协调性的大变形及裂缝，进而影响坝体渗流，引起接触流土、接触冲刷、管涌等破坏，导致土石坝事故的发生。这一关键问题必须深入研究。因而，开展离心模型试验，研究接触粘土的剪切变形规律，关系到能否正确合理地支撑大坝的建设、评价大坝的安全，具有重要的理论和实际意义。
6.但是，由于接触粘土层相对于整个坝体而言非常薄，通常水平厚度仅为2～4m，采用目前通用的土工离心模型试验技术，要完整地模拟整个土石坝，以目前通用的离心模型箱最大约1m的内部高度，几何相似比尺1/n中的n往往大于100，这样一来，模型接触粘土层水平厚度将仅为约20～40mm，这样小的土样根本无法精确地观测其剪切变形。需要开发新的试验技术，以便利用土工离心模型试验技术开展接触粘土剪切变形规律研究。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于建立一种新的离心模型试验方法，通过对若干个局部离心模型试验结果进行积分，以求得土石坝接触粘土剪切变形规律。
8.实现本发明目的的技术方案是一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验
方法，包括下列步骤：
9.步骤1，对所需模拟的土石坝(高度为h)接触粘土层(河谷坝基坡度为i)，沿河谷方向自下而上选取n个局部，按几何相似比尺1/n，进行ng条件下的离心模型试验，n不宜大于30；
10.步骤2，每个局部模型一侧用混凝土材料按照河谷坝基的强度制备坡度为i的边界；另一侧边界涂抹凡士林；底边界选择模型箱底面，即使接触粘土底部剪切变形为0；上边界表面布置超重替代材料，使得在离心模型超重力场作用下，模型上边界所承受的自重应力等于原型自重应力；
11.步骤3，通过试验，获得第j个局部模型接触粘土层土体上表面的水平变形增量δs
xj
(以远离河谷坝基方向为正)和竖向变形增量δs
yj
(以竖直向下为正)后，按公式计算剪切变形增量δsj；
12.步骤4，通过拟合分析得到将剪切变形增量与自重应力的关系，δs(y)＝f[ρ*g*(h-y)]，式中的y为竖向高度，是按照离心模型相似律换算后的原型值；
[0013]
步骤5，沿着河谷方向，自下而上进行积分，得到整体剪切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。
[0014]
本发明的有益效果如下：能够精确地控制局部模型试验的边界条件；能够获得接触粘土剪切变形增量与自重应力的关系；能够通过积分获得土石坝接触粘土层的整体剪切变形规律。
[0015]
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土石坝接触粘土剪切变形规律的试验研究。
附图说明
[0016]
图1是以某土石坝为例，选取4个接触粘土层局部模型的示意图；
[0017]
图2是局部试验模型布置图；
[0018]
图3是试验得到的接触粘土剪切变形增量与自重应力关系曲线；
[0019]
图4是积分得到的整体接触粘土层剪切变形规律。
具体实施方式
[0020]
实施例1
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某最大坝高100m的高土石坝，坝型为心墙堆石坝，需研究接触粘土(位于心墙与河谷坝基之间)的剪切变形规律，接触粘土层水平方向的厚度为4m。如采用通常的土工离心模型试验方法，要完整地模拟100m的坝高，以目前通用的离心模型箱最大约1m的内部高度，几何相似比尺1/n中的n必须不小于100，这样一来，模型接触粘土层水平厚度将不大于40mm，以目前离心模型试验中的测量技术，难以精确观测其剪切变形。采用“一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验方法”，开展4组局部试验，积分获得接触粘土层的整体剪切变形规律，包括下列步骤：
[0022]
步骤1，从工程现场采集心墙土料和接触粘土料，运送至实验室，剔除杂质后按照
工程现场的密度、含水率、级配等参数配制好备用；
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步骤2，如图1，沿河谷方向(本例中坡度i＝1)，自下而上选取4个局部，开展离心模型试验，试验条件见表1；本例中局部试验的几何比尺为1/20，模型布置如图2所示(单位mm)，接触粘土层水平厚度为200mm，离心加速度为20g；
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表1接触粘土层剪切变形试验条件
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编号上表面到河床高度/m上覆压力/kpam120400m240800m3601200m4801600
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步骤3，根据局部试验的结果，拟合得到接触粘土剪切变形增量与自重应力关系曲线，如图3；
[0027]
步骤4，沿河谷方向自下而上积分，得到接触粘土层的整体剪切变形规律，如图4。


技术特征：
1.一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验方法，包括下列步骤：步骤1，对所需模拟的土石坝(高度为h)接触粘土层(河谷坝基坡度为i)，沿河谷方向自下而上选取n个局部，按几何相似比尺1/n，进行ng条件下的离心模型试验，n不宜大于30；步骤2，每个局部模型一侧用混凝土材料按照河谷坝基的强度制备坡度为i的边界；另一侧边界涂抹凡士林；底边界选择模型箱底面，即使接触粘土底部剪切变形为0；上边界表面布置超重替代材料，使得在离心模型超重力场作用下，模型上边界所承受的自重应力等于原型自重应力；步骤3，通过试验，获得第j个局部模型接触粘土层土体上表面的水平变形增量δs
xj
(以远离河谷坝基方向为正)和竖向变形增量δs
yj
(以竖直向下为正)后，按公式计算剪切变形增量δs
j
；步骤4，通过拟合分析得到将剪切变形增量与自重应力的关系，δs(y)＝f[ρ*g*(h-y)]，式中的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5，沿着河谷方向，自下而上进行积分，得到整体剪切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
一种土石坝接触粘土剪切变形规律离心模型试验方法，适用于常规试验无法模拟的土石坝接触粘土剪切变形研究，属于土力学试验技术及应用领域。步骤为：(1)对土石坝的接触粘土层，沿河谷坡度(坡度为i)方向选取n个局部模型，按几何相似比尺1/N，进行Ng条件下的离心模型试验，N≤30；(2)用混凝土制备模型河谷坝基；模型上边界布置超重材料，使土体在超重力场下承受原型水平的自重应力；(3)对试验获得的接触粘土层土体水平变形增量和竖向变形增量，沿河谷坡度方向进行分解和叠加，计算剪切变形增量；(4)通过拟合分析得到剪切变形增量与自重应力的关系；(4)沿着河谷方向，自下而上进行积分，得到整体剪切变形分布规律。得到整体剪切变形分布规律。


技术研发人员：湛正刚 陈燕和 顾行文 韩朝军 曹学兴 王照英 谭彬 邓拥军 陈建安 李永明 任国峰 米占宽 魏匡民
受保护的技术使用者：华能澜沧江水电股份有限公司 水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：2022.04.27
技术公布日：2022/11/1