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可施加山体压重的全景地窗式拱坝平面模型超载试验平台

  • 国知局
  • 2024-11-18 18:14:40

本发明涉及地质力学模型试验平台的,特别涉及一种可施加山体压重的全景地窗式拱坝平面模型超载试验平台。

背景技术:

1、理论分析和数值计算在分析复杂地质条件时具有一定的局限性,而以相似理论为基础的地质力学模型试验可以真实模拟含裂隙岩体、断层、破碎带、软弱夹层结构面等复杂地质构造,研究其对工程变形稳定的影响,直观、准确、全面的反映出复杂地质条件下岩体的时空演化规律并揭示岩体破坏特征。因此地质力学模型试验是研究复杂地质条件下工程安全的重要手段,被广泛应用于地质条件复杂的水利、隧道及采矿等重大工程中。

2、在拱坝工程中,软弱结构面破坏了岩体的连续性和完整性,在持续的荷载作用下,坝体及坝肩岩体极容易出现失稳破坏,采用地质力学模型试验可以从全局上把握工程整体力学特征、变形趋势和稳定性特点,揭示拱坝坝肩的薄弱部位及破坏形态,为拱坝工程安全稳定评价提供全面可靠的科学依据,为工程安全加固方案提供技术支撑。

3、目前,国内外关于地质力学模型试验试验装置的研究现状如下:

4、1、刘斌等(刘斌,王明洋,宋春明等.地质力学模型试验装置主承载结构设计探讨[j].机械制造与自动化,2015,44(06):61-64.)介绍了一种针对大相似比的模型试验装置,利用圆柱形筒体作为装置承载的反力架,可以实现大吨位加载、安全、大相似比模型试验和低造价的需求。

5、2、张强勇等(张强勇,李术才,尤春安等.新型组合式三维地质力学模型试验台架装置的研制及应用[j].岩石力学与工程学报,2007(01):143-148.)介绍了一种针对隧道、洞室等而研发的组合式三维地质力学模型试验台架装置,该装置主要由台架体和台架底盘组成,具有刚度大、整体稳定性好、组装灵活方便等特点。

6、3、严飞等(申请号:cn 207396068 u)介绍了一种顺层岩质边坡稳定性的地质力学模型试验装置,该装置主要可为地质力学模型施加水平荷载、竖直荷载以及水平和竖直联合荷载,结构简单,使用方便,可拆卸性强。

7、4、董建华等(申请公开号:cn 104502201 a)介绍了一种用于测试岩质边坡稳定的地质力学模型试验装置,该装置能够研究不同岩质边坡在渐增外荷载作用下边坡岩体的抗滑稳定性,破坏机制以及基础加固措施的实际效果等。

8、5、武汉大学、四川大学、清华大学、中国矿业大学、西南交通大学、长江科学研究院等单位也研制了一些地质力学模型试验装置。

9、但是,目前专门为拱坝定制的平面地质力学模型试验平台较少且设备简易。

10、1、目前大坝模型所采用试验平台,在试验的超载过程中由于模型表面布置的大量测试仪表会遮挡视线,往往无法及时和全面观测到坝体及坝肩裂缝的起裂和发展过程,从而影响研究人员对起裂超载安全系数的判定以及对裂缝破坏过程的记录。

11、2、由于试验时边界条件限制以及在观测过程中要尽量避免对监测设备的扰动,研究人员在试验过程中的观测位置受到极大限制,观测空间极为有限,通常是在试验结束并拆除表面测试仪表后才能观测到模型的全局破坏形态。

12、3、目前试验在每一级超载试验步通过人工观测裂缝起裂及发展过程,然后在图纸上记录模型破坏形态,这种人工观测和记录的方法不连续、耗时耗力且往往存在较大误差。

13、4、目前平面试验的边界约束条件一般包括上下游面、底部以及左右两侧,对于模型顶部的边界约束条件通常没有限制,导致模型与原型存在差异,具有不相似性。

14、5、目前的平面模型试验,通常只模拟了平面上的水平作用荷载,对于上覆坝体与山体产生的压重模拟不足,缺少对坝体与山体压重荷载的模拟,使得模型模拟的荷载条件与原型有差异,导致平面模型试验结果存在一定误差。

15、6、目前的平面地质力学模型试验,判断模型出现整体失稳状态往往根据测试数据发生突变和观测到模型破坏严重评经验进行判断,这种经验法存在的不确定性可能导致试验提前结束造成数据不完整或过渡超载而导致设备损伤,影响试验安全。

16、综上所述,传统模型试验平台在边界条件模拟和施加荷载方面与原型还存在一定差异,且难以满足研究人员在试验过程中的观测需求,影响对模型整体失稳的判别和作出停止加载、结束试验的决策,对试验过程观测记录也带来诸多不便,耗时耗力且容易导致不必要的误差。

技术实现思路

1、针对现有地质力学模试验平台的不足,本发明提供一种可施加山体压重的全景地窗式拱坝平面模型超载试验平台,在避免对试验过程产生干扰的情况下提供了多角度观测和全过程记录的试验条件,改善了研究人员的观测条件,满足了模型试验的研究需求,能够对模型变形与开裂破坏进行全过程自动量测和记录;同时实现了对坝体与山体压重的模拟,提高了平面模型模拟的相似性;提出了一种判别模型出现整体失稳并及时停止加载、结束试验的方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的方案是:一种可施加山体压重的全景地窗式拱坝平面模型超载试验平台,包括平台支撑系统、模拟系统、观测系统和记录系统。

3、平台支撑系统包括作为支撑结构的方井底座和地窗玻璃板,方井底座的内部镂空,井口顶面铺设有以双层钢化夹胶玻璃制成的地窗玻璃板,是支撑整个模型的平台底板,并在模型底部形成全景视窗为平台下方的观测和记录提供全景视野;方井底座的四面墙体上设置有用于进出的通道口,方井底座的基础中央设置有支撑梁柱,支撑梁柱位于模型河谷下方位置,是地窗玻璃板的跨中支撑,且不影响对模型拱坝和坝肩的变形量测与破坏形态观测。

4、模拟系统包括边界钢架、压重玻璃板、地窗玻璃板、施压钢架、底座传力块、压头传力块、压力传感器和千斤顶。边界钢架固定在方井底座的墙体上方的井口四周,压重玻璃板根据上覆压重荷载大小分块铺设在拱坝与坝肩模型上。施压钢架包括上游水推力施压钢架、坝体压重施压钢架、山体压重施压钢架,施压钢架上均布置有多个底座传力块,底座传力块位置和数量可根据荷载模拟情况进行调整。上游水推力施压钢架固定在方井底座上游侧墙顶,位于边界钢架内侧,其朝向拱坝模型的侧面为弧面,底座传力块均匀安装在弧面上,在底座传力块上安装有千斤顶,并在底座传力块与千斤顶底座之间安设压力传感器;在拱坝模型上方布设坝体压重施压钢架和山体压重施压钢架,在坝体压重施压钢架和山体压重施压钢架下侧面底座传力块上安装千斤顶施加压重;所述千斤顶在接触模型的施压处再另设压头传力块,将上游水推力与上覆压重等荷载均匀传递和分散到坝体和坝肩。

5、观测系统包括观测平台和照明设备,观测平台包括围绕方井底座四周的观测过道,观测过道设置有梯步;照明设备安装在方井底座井底的四个墙角。

6、记录系统包括多个记录设备,所述记录设备为高速摄像机,安装在模型拱坝与左右两坝肩下方方井底座的井底基础上。

7、优选地,所述方井底座为内部镂空的方井结构。

8、优选地,地窗玻璃板(11)为双层钢化夹胶玻璃,铺设在方井底座(1)顶面井口,是支撑平面模型的平台底板,也是下方观测和记录模型变形与破坏形态的全景视窗。

9、优选地,支撑梁柱由两根方形支撑柱与一根横梁构成,方形支撑柱下端固定在模型河谷下方方井底座基础中央,且沿顺河向方向布置,横梁固定在方形支撑柱的上端。

10、优选地,所述边界钢架由四根槽钢构成,槽钢架设在方井底座墙体上方的井口四周,通过螺栓固定在墙体上。

11、优选地,上游水推力施压钢架朝向拱坝平面模型的侧的弧面上通过螺栓安装有传力块,千斤顶和压力传感器安装在传力块上,传力块两侧设置有耳板,耳板上设置有螺孔,通过螺栓将传力块固定在施压钢架上,传力块位置及数量可根据模型拱坝弧长与上游水推力荷载模拟情况进行调整。

12、优选地,所述坝体压重施压钢架和山体压重施压钢架均为方向朝下的“∏”字形支架结构,由顶部横梁和两侧立柱组成;两侧立柱下端设置有法兰板,通过法兰板上的螺栓固定在边界钢架上,固定位置可根据试验需要调节;顶部横梁两端对称设置有顺河向短梁,短梁与横梁垂直构成双“十”字形的横梁结构,使施压千斤顶可覆盖两坝肩;坝体压重施压钢架与山体压重施压钢架分别设置在坝体和坝肩上方,坝体压重施压钢架横梁形状为弧形与拱坝体型相似,山体压重施压钢架横梁形状为直线型。

13、本发明的有益效果:1、本发明能够提供充足的观测空间。实现从模型上、下方位的多角度观测,同时在模型平台周围布置了边界钢架和观测平台,可以避免研究人员误触模型影响试验。

14、2、本发明提供了一个全新的观测角度。本发明设计了全景地窗式平台,该平台为模型试验观测提供了新的角度,增加了从底部的观测方位,对比以往受位移计影响的正上方观测视野,地窗玻璃板为在平台下方观测和记录模型变形与破坏形态提供了清晰完整的全景视野,同时还可以在试验结束后在地窗玻璃板上对平面模型破坏形态进行描线记录。

15、3、本发明提供了一种拱坝平面模型试验全过程、自动量测和记录的方式。采用了非接触式的高速摄像机量测技术,既可以获得完整的模型变形和开裂破坏的试验全过程记录,同时还可以对裂缝的产生及发展过程进行回顾。

16、4、本发明提供了一种判别模型出现整体失稳并及时停止加载、结束试验的新方法。拱坝平面模型在超载过程中,当模型发生整体失稳时上游水推力的加载压力会出现突变,在千斤顶底座处安设的压力传感器可记录到这种压力突变,以水推力加载压力突变作为停止加载、结束试验的可靠依据。这种方法可以提高试验准确性,减少传统凭人工经验判断带来的试验误差与试验安全隐患。

17、5、本发明一种可施加山体压重的拱坝平面模型的试验模拟方法。采用施压钢架、竖直向千斤顶和压重玻璃板结合的方式,在不影响试验观测的同时实现了对上覆坝体与山体压重及模型顶面法向约束边界条件的模拟,改善了平面模型与原型的相似性,提高了拱坝平面地质力学模型试验结果的准确性与可靠性。

18、综上所述,本发明的优势在于在拱坝平面模型试验中实现了对上覆坝体与山体压重的模拟,提供了完整的边界约束条件,同时采用全景地窗式平台提供了多角度、大范围的观测空间和更加宽阔和清晰的观测视野;并且应用先进的非接触量测技术,进行模型变形量测与开裂破坏的全过程自动量测和记录,即可以获得准确的变形数据,也可以对裂缝开裂发展的关键过程进行回顾;最后,采用可靠的判别方法停止加载并结束试验,极大地降低了人工误判的影响。

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