用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構及其製造方法

2023-05-20 14:36:26

用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構及其製造方法
【專利摘要】本發明涉及用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構及其製造方法，該面板結構包括單板層、防水層和保護層，防水層設置在單板層和保護層之間，單板層粘貼在試驗中的模擬砂礫石壩的上遊表面；該方法包括：（1）製作單板層；（2）在單板層一側表面噴塗結晶體防滲劑，形成防水層；（3）採用冷氣動力噴塗的方式在防水層表面噴塗耐磨塗料，形成保護層。本發明跟隨模擬砂礫石壩潰堤而斷裂，根據本發明結構的斷裂時機、斷裂過程和趨勢，以及斷裂後的斷口形態，分析、研究潰決原因、潰決機理以及潰壩過程，有利於預知潰決，提前採取應急措施，同時有利於設計出更加合理的石壩結構。
【專利說明】用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構及其製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構及其製造方法，它是一種實驗 室用於試驗模擬測試用的多層板狀結構裝置，以及製作該多層板狀結構的裝置。

【背景技術】
[0002] 砂礫石分布廣泛，且具有較高的壓縮模量、抗剪強度和變形模量，是一種填築面板 壩的優質天然材料。如今我國面板砂礫石壩在數量上已具有了一定的規模，其中已建的面 板壩中以砂礫石為主要壩料的佔22 %，在建的佔23 %。近幾十年，混凝土面板砂礫石壩一 方面在數量上大幅攀升，另一方面在築壩高度上不斷突破，擬建中的大石峽面板砂礫石壩 將聞達251m。
[0003] 混凝土面板砂礫石壩得到長足發展的同時，人們也意識到填築大壩的主要材料砂 礫石抗衝蝕能力較差，一旦庫水漫頂，極易潰決，因此它的安全問題也越來越受到關注。而 如何在潰決發生時減輕損失，減少人員傷亡是一個值得研究的課題，需要對混凝土單板砂 礫石壩的潰決原因、潰決機理以及潰壩過程進行深入研究。
[0004] 面板砂礫石壩漫頂潰決過程十分複雜，涉及巖土力學、水力學、結構力學、泥沙運 動理論等多個學科的交叉，這些問題依靠理論分析求解會遇到很大的困難，而潰壩模型試 驗在潰壩機理研究方面具有其它手段無可比擬的優越性。
[0005] 開展面板砂礫石壩漫頂潰決的原型試驗代價太過高昂，通常研究人員都是在縮小 幾何尺寸的模型上進行試驗。由於特殊的壩型，面板是其主要的擋水、防滲結構，在整個潰 決過程中，面板都參與了擋水，水流經面板下洩，水流的運動狀態，壩體的衝蝕方式都與面 板密切相關。因此在模型試驗中對於面板材料的選取是極其重要的一個環節。混凝土面板 在大壩中的厚度多為幾十釐米，而在模型中的厚度一般只有幾毫米，模擬這種薄板並不是 一個簡單的幾何相似的問題，使用原材料制模無法做到其材料力學性質符合試驗要求。
[0006] 試驗中對於面板材料的選取十分困難，其極限抗彎矩、防滲性能、抗衝刷性能、水 中防變形、韌性以及脆性都需要符合試驗的要求。目前試驗中使用的是石膏材料，但它屬於 脆性材料，一旦發生斷裂其裂紋難以控制，斷口也會呈現極不規則的形狀，對於下洩的水流 影響很大，會導致試驗失敗，而在實際的潰壩事故中，面板呈現水平斷裂，且斷口整齊。


【發明內容】

[0007] 為了解決上述存在的問題，本發明公開了一種用於模擬面板砂礫石壩潰決試驗的 面板結構，本發明使用柚木為原材料製作了模型單板層，利用木纖維天然的排列與組織結 構，控制裂縫的發展方向，使得面板在潰壩過程中水平斷裂。在面板壩潰壩試驗中，面板發 生斷裂時，裂紋沿著木纖維的生長方向擴展，就能夠控制面板水平斷裂，且斷口整齊，與真 實的面板砂礫石壩潰決斷口相似，具有較為理想的模擬效果，從而獲取潰壩過程中的準確 的測量參數，研究其潰壩機理。
[0008] 用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，包括單板層、防水層和保護層，所述防水 層設置在所述單板層和保護層之間，所述單板層粘貼在試驗中的模擬砂礫石壩的上遊表 面。
[0009] 所述單板層的材質是木質材料，製作單板層的木質材料選用材質均勻，中粗木纖 維，紋理通直，旋向幹縮率在3. 8%?4. 1 %，樹齡為30?35年，直徑為32cm?36cm，幹密 度在0· 63?0· 65g/cm3的柚木。
[0010] 所述單板層厚度為5mm?10mm。
[0011] 所述單板層的纖維伸長方向與模擬砂礫石壩的水平方向平行。
[0012] 所述防水層的材質選用有機矽防水劑。
[0013] 所述有機矽防水劑選用矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑，所述結晶體防 滲劑的用量為0. 02?0. 025g/cm3。
[0014] 所述保護層的材質選用三氧化二鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組 合。
[0015] 所述保護層的厚度為〇· 5mm?0· 7mm。
[0016] 用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構的製作方法，包括以下步驟：
[0017] (1)製作單板層；
[0018] (2)在單板層一側表面噴塗矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑，所述結晶 體防滲劑的用量為0. 02?0. 025g/cm3,待結晶體防滲劑噴塗層乾燥後形成防水層；
[0019] (3)採用冷氣動力噴塗的方式在步驟（2)所得的防水層表面噴塗耐磨塗料，其高 壓氣體的流速120m/s?140m/s,塗料粉末微粒25μm?30μm，耐磨塗料可選用三氧化二 鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組合，待乾燥後形成保護層。
[0020] 所述製作單板層的過程為：
[0021] (a)將柚木切割成X米長的木段，其中0· 5彡X彡3 ;
[0022] (b)將步驟（a)所得的木段進行水熱處理，將水加熱至40°C，把步驟（a)所得的木 段放入水中，繼續以8°C每小時的速度加熱，直到水溫達到85?90°C，水溫保持不變，直到 上述木段的木芯溫度達到65?68°C，將上述木段從熱水中取出，自然冷卻，經過此處理木 段的含水率提高了 15?16%，以便使木段軟化，增加可塑性；
[0023] (c)通過人工方式將步驟（b)所得的木段樹皮層剝落，使用三點法確定該木段的 中心線位置；
[0024] (d)按照木段的中心線位置將其固定在旋切機上，作定軸迴轉運動，旋刀作直線 進給運動旋切木段製成單板，旋刀的研磨角調整為2Γ，后角的變化範圍在2° 30'? 3° 30'之間，採用阿基米德螺旋線為旋切曲線，螺線各節的螺距為所需單板的厚度；
[0025] (e)旋切好的單板送入乾燥機進行乾燥處理，單板的最終含水率保持在8%?9% 之間，成為最終的單板層。
[0026] 本發明中，三點法確定木段的中心位置具體步驟為：採用在柚木的橫截面四周形 成的圓上選取三個點，分別連接三個點，形成圓的內接三角形，做出三角形的其中兩條邊的 垂直平分線，這兩條垂直平分線的交點就是柚木的橫截面的圓心，在柚木的兩端分別確定 圓心，兩個圓心確定了柚木的中心線位置。
[0027]本發明，通過旋切機從柚木四周旋切厚度均勻一致的、位於相同年輪的柚木單板， 同時旋切機在旋切過程中對柚木單板產生壓實作用，使得從旋切機上旋切下來的單板是平 整的平板結構。
[0028] 本發明在實際試驗中，首先將製作好的本發明結構的單板層與試驗用的模擬砂礫 石壩的上遊表面貼合，單板層的纖維伸長方向與模擬砂礫石壩的水平方向平行，當模擬砂 礫石壩的上遊水流一旦漫頂，本發明結構在模擬砂礫石壩的潰決過程中發生斷裂，根據本 發明結構的斷裂時刻、斷裂過程和趨勢，以及斷裂後的斷口形態，分析、研究模擬砂礫石壩 的潰決機理以及潰壩過程，進而研究實際工程中的具體砂礫石壩潰決機理。
[0029] 根據模擬砂礫石壩潰決試驗的試驗現象和採集的數據分析，能夠揭示砂礫石壩的 潰決機理從而更為準確的預測潰壩水流的流量過程，有利於在救災搶險的關鍵時間節點 上，為制定應急預案，採取緊急措施提供重要資料，減少災害中的人員傷亡和財產損失。同 時根據試驗研究得到的潰決機理和潰決過程，找出此種壩型的薄弱環節，改進結構設計，對 已有的砂礫石壩提出改進方案，對新建的砂礫石壩提出更為合理的設計方案，提高安全性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是本發明的結構示意圖，
[0031]附圖標記列表：1 一單板層，2-防水層，3-保護層，4一模擬砂礫石壩。

【具體實施方式】
[0032] 下面結合附圖和【具體實施方式】，進一步闡明本發明。應理解下述【具體實施方式】僅 用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍。
[0033] 圖1是本發明的結構示意圖，由圖可見，本發明包括單板層1、防水層2和保護層 3,所述防水層2設置在所述單板層1和保護層3之間，所述單板層1粘貼在試驗中的模擬 砂石樂石壩4的上遊表面。
[0034] 所述單板層1的材質是木質材料，製作單板層1的木質材料選用材質均勻，中粗木 纖維，紋理通直，旋向幹縮率在3. 8%?4. 1%，樹齡為30?35年，直徑為32cm?36cm，幹 密度在〇. 63?0. 65g/cm3的柚木。單板層1的內部結構均勻一致，在每個點上的受力變形 係數相同，且控制單板層1的幹密度，避免單板層1在製作過程中吸水或脫水變形。
[0035] 所述單板層1厚度為5mm?10mm。與模擬砂礫石壩4與實際砂礫石壩的模擬比例 而定，起到等大小縮放的作用。
[0036] 所述單板層1的纖維伸長方向與模擬砂礫石壩4的水平方向平行。模擬砂礫石壩 4潰堤時，單板層1從纖維縫隙中斷裂，斷裂方向與模擬砂礫石壩4的潰堤方向一致，提高潰 堤過程的模擬效果與真實潰堤效果的一致性。
[0037] 所述防水層2的材質選用有機娃防水劑，有機娃防水劑選用娃燒與二氧化碳反應 生成的結晶體防滲劑，所述結晶體防滲劑的用量為〇. 02?0. 025g/cm3。
[0038] 所述保護層3的材質選用三氧化二鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意 組合，保護層3的厚度為0· 5mm?0· 7mm。
[0039] 用於模擬砂礫石壩4潰決試驗的面板結構的製作方法，包括以下步驟：
[0040] (1)製作單板層1 ;
[0041] (2)在單板層1 一側表面噴塗矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑，所述結 晶體防滲劑的用量為〇. 02?0. 025g/cm3,待結晶體防滲劑噴塗層乾燥後形成防水層2 ;
[0042] (3)採用冷氣動力噴塗的方式在步驟（2)所得的防水層2表面噴塗耐磨塗料，其高 壓氣體的流速120m/s?140m/s,塗料粉末微粒25μm?30μm，耐磨塗料可選用三氧化二 鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組合，待乾燥後形成保護層3。
[0043] 所述製作單板層1的過程為：
[0044] (a)將柚木切割成X米長的木段，其中0· 5彡X彡3 ;
[0045] (b)將步驟（a)所得的木段進行水熱處理，將水加熱至40°C，把步驟（a)所得的木 段放入水中，繼續以8°C每小時的速度加熱，直到水溫達到85?90°C，水溫保持不變，直到 上述木段的木芯溫度達到65?68°C，將上述木段從熱水中取出，自然冷卻，經過此處理木 段的含水率提高了 15?16%，以便使木段軟化，增加可塑性；
[0046] (c)通過人工方式將步驟（b)所得的木段樹皮層剝落，使用三點法確定該木段的 中心線位置；
[0047] (d)按照木段的中心線位置將其固定在旋切機上，作定軸迴轉運動，旋刀作直線 進給運動旋切木段製成單板，旋刀的研磨角調整為2Γ，后角的變化範圍在2° 30'? 3° 30'之間，採用阿基米德螺旋線為旋切曲線，螺線各節的螺距為所需單板的厚度；
[0048] (e)旋切好的單板送入乾燥機進行乾燥處理，單板的最終含水率保持在8%?9% 之間，經測試，含水率高於這個範圍單板容易變形以及產生表面裂隙，含水率低於此範圍則 會減少木材活性羥基和損傷單板表面纖維，成為最終的單板層1。
[0049] 採用木料作為單板層材料，可以利用木纖維天然的排列與組織形式，控制裂縫的 發展方向，使得面板水平斷裂。在面板壩潰壩試驗中，面板發生斷裂時，裂紋沿著木纖維的 生長方向擴展，就能夠很好的控制單板層1水平斷裂，且斷口整齊。
[0050] 此外，實驗室中進行的潰壩試驗其壩高一般只有30?100釐米，所採用的幾何比 尺為λp根據變形等效，推導出模擬單板層1等效厚度dm的方程為：
[0051] dm =^Ep/^Emdp (1)
[0052] 其中，dp、Ep、Em分別為原型面板厚度、原型面板彈性模量和模型面板彈性模量。又 因為4 因此在選取λ,之後，模型面板的材料彈性模量需滿足方程（1)。 m
[0053] 原型砂礫石壩中混凝土面板的厚度多為30?60釐米，一般情況下在模型中的厚 度通常為5mm?10_。
[0054] 以上工藝製作出來的單板經過檢測，厚度在5mm?IOmm範圍內其彈性模量符合方 程（1)的要求，極限抗彎距符合材料相似性的要求。
[0055] 製作的單板層1在力學性質上基本滿足要求，本發明在試驗中主要起著擋水的作 用，因此必須具有較強的防滲性。為了增強其防滲性能，在單板層1表面噴塗一層有機矽防 水劑，形成防水層2。噴塗的有機矽防水劑採用矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑， 這種結晶體防滲劑具有很強的滲透性，對於前面製作的柚木單板層其滲透深度在2mm? 2. 5mm之間，結晶體防滲劑能夠封閉木材中細小空隙，有效的抑制滲透。柚木單板層需採 用均勻噴塗，這樣能使得柚木單板層1更加充分的吸收防滲劑，結晶體防滲劑的用量應為 0· 02 ?0· 025g/cm3。
[0056] 本發明在潰壩試驗中還受到較為強烈的水流衝擊，但試驗中水頭一般小於0. 2m， 經過試驗的測試，在防水層2上噴塗一層保護層3,即在防滲處理的單板層1上噴塗一層 0. 5mm?0. 7mm厚的三氧化二鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組合物，其抗衝 刷性能便能符合試驗要求。
[0057] 所述單板層1的柚木的纖維伸長方向與模擬砂礫石壩4的水平方向平行。在模擬 砂礫石壩4潰壩試驗中，面板發生斷裂時，裂紋沿著木纖維的生長方向擴展，就能夠很好的 控制面板水平斷裂，且斷口整齊，與真實的砂礫石壩潰決的變化一致，具有較真實的模擬效 果。
[0058] 本發明方案所公開的技術手段不僅限於上述技術手段所公開的技術手段，還包括 由以上技術特徵任意組合所組成的技術方案。
【權利要求】
1. 用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是包括單板層、防水層和保護層，所 述防水層設置在所述單板層和保護層之間，所述單板層粘貼在試驗中的模擬砂礫石壩的上 遊表面。
2. 根據權利要求1所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述單板 層的材質是木質材料，製作單板層的木質材料選用材質均勻，中粗木纖維，紋理通直，旋向 幹縮率在3. 8%?4. 1%，樹齡為30?35年，直徑為32cnT36cm，幹密度在0. 63?0. 65g/cm3的柚 木。
3. 根據權利要求2所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述單板 層厚度為5mnTl0mm。
4. 根據權利要求3所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述單板 層的纖維伸長方向與模擬砂礫石壩的水平方向平行。
5. 根據權利要求1所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述防水 層的材質選用有機娃防水劑。
6. 根據權利要求5所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述有 機矽防水劑選用矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑，所述結晶體防滲劑的用量為 0. 02^0. 025g/cm3〇
7. 根據權利要求1所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述保護 層的材質選用三氧化二鋁、二氧化矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組合。
8. 根據權利要求7所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構，其特徵是所述保護 層的厚度為〇? 5mnT〇. 7mm。
9. 如權利要求1-8任一所述的用於模擬砂礫石壩潰決試驗的面板結構的製作方法，其 特徵是包括以下步驟： (1) 製作單板層； (2) 在單板層一側表面噴塗矽烷與二氧化碳反應生成的結晶體防滲劑，所述結晶體防 滲劑的用量為〇. 02~0. 025g/cm3,待結晶體防滲劑噴塗層乾燥後形成防水層； (3) 採用冷氣動力噴塗的方式在步驟（2)所得的防水層表面噴塗耐磨塗料，其高壓氣體 的流速120m/s?140m/s,塗料粉末微粒25 y nT30 y m，耐磨塗料可選用三氧化二錯、二氧化 矽和二氧化鈦中的一種或多種任意組合，待乾燥後形成保護層。
10. 根據權利要求9所述的製作方法，其特徵是所述製作單板層的過程為： (a) 將柚木切割成X米長的木段，其中0. 5 < X < 3 ; (b) 將步驟（a)所得的木段進行水熱處理，將水加熱至40°C，把步驟（a)所得的木段放 入水中，繼續以8°C每小時的速度加熱，直到水溫達到85~90°C，水溫保持不變，直到上述木 段的木芯溫度達到65飛8°C，將上述木段從熱水中取出，自然冷卻； (c) 通過人工方式將步驟（b)所得的木段樹皮層剝落，使用三點法確定該木段的中心線 位置； (d) 按照木段的中心線位置將其固定在旋切機上，作定軸迴轉運動，旋刀作直線進給運 動旋切木段製成單板，旋刀的研磨角調整為21°，后角的變化範圍在2° 30'?3° 30'之 間，採用阿基米德螺旋線為旋切曲線，螺線各節的螺距為所需單板的厚度； (e) 旋切好的單板送入乾燥機進行乾燥處理，單板的最終含水率保持在89T9%之間，成 為最終的單板層。
【文檔編號】E02B1/02GK104404913SQ201410631865
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月11日 優先權日:2014年11月11日
【發明者】王廷, 沈振中 申請人:河海大學