利用復(fù)合材料的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種水利工程中利用復(fù)合材料的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 航道整治建筑物及防護(hù)結(jié)構(gòu)就結(jié)構(gòu)特點(diǎn)而言主要有:壩體整治建筑物、軟體排護(hù) 底(或護(hù)灘)結(jié)構(gòu)、框架結(jié)構(gòu)、散拋石等。以往航道整治建筑物局部沖刷及防護(hù)結(jié)構(gòu)的物模試 驗(yàn)或水槽試驗(yàn)研究中，專門針對(duì)結(jié)構(gòu)物模擬開(kāi)展研究的成果較少，往往采用結(jié)構(gòu)物的幾何 相似，主要模擬結(jié)構(gòu)物對(duì)水沙運(yùn)動(dòng)的影響，但結(jié)構(gòu)物附近的局部沖刷可能引起結(jié)構(gòu)物相應(yīng) 的變形，反過(guò)來(lái)影響沖刷的形態(tài)與深度等試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)此，目前的試驗(yàn)規(guī)程均沒(méi)有相應(yīng)的技 術(shù)要求指導(dǎo)試驗(yàn)中結(jié)構(gòu)物的模擬。
[0003] 航道整治建筑物及防護(hù)結(jié)構(gòu)中，散拋石如采用石英石模擬，則保證幾何相似便可 滿足質(zhì)量相似，進(jìn)而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的研究較為方便;但散拋石壩的模擬常按幾何相似簡(jiǎn)化為 實(shí)體壩，采用水泥、有機(jī)玻璃或木頭等材料制成，這不能模擬壩體附近因局部沖刷引起的壩 體垮塌對(duì)沖刷形態(tài)與深度的影響，同時(shí)喪失了原拋石壩的透水性;軟體排模擬受模擬材料 的限制，通常按壓載塊體質(zhì)量相似而偏離幾何相似的方法進(jìn)行模擬，其中排布采用棉布模 擬、壓載塊體用鋁片、馬賽克(小比尺模型)或混凝土加鐵粉塊(大比尺模型)進(jìn)行模擬，壓載 塊體與排布間的聯(lián)接簡(jiǎn)化為用特定膠水將塊體直接粘貼于棉布上，壓載塊體平面尺寸相似 的偏離與聯(lián)接方式的差異可能使得排體所受水流作用力不同，進(jìn)而影響軟體排穩(wěn)定性與變 形的相似程度，這一系列簡(jiǎn)化對(duì)排體變形與穩(wěn)定性的影響目前沒(méi)有定論;框架結(jié)構(gòu)模擬主 要考慮幾何相似或者質(zhì)量相似，模擬的材料常為塑料(密度1.3 X 103kg/m3 )、混凝土 (密度 2.4X103kg/m3)、鋁絲（密度2.7X103kg/m 3)、紫銅管(密度8.9X103kg/m3)、復(fù)合可調(diào)塑料 (密度2.4X10 3kg/m3)等，但因采用了與原體不同的材質(zhì)進(jìn)行模擬，往往無(wú)法在幾何與質(zhì)量 上同時(shí)滿足相似，同時(shí)桿件尺度縮小可能引起桿件周邊分離邊界層的消失，從而影響框架 的消能減速效果及框架的穩(wěn)定性。
[0004] 為使試驗(yàn)結(jié)果盡可能反映實(shí)際，需要選擇復(fù)合模擬材料可兼顧幾何相似與質(zhì)量相 似，并提出航道整治建筑物小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬，特別是軟體排的模擬技術(shù)，以提高建筑物 模型試驗(yàn)的模擬精度，為相關(guān)技術(shù)規(guī)范修訂提供技術(shù)支撐。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種利用復(fù)合材料的小比尺防護(hù) 結(jié)構(gòu)模擬方法。本發(fā)明設(shè)計(jì)科學(xué)、合理，選擇密度可調(diào)、尺寸、形狀可重塑的復(fù)合材料作為模 擬材料，可同時(shí)保證壓載塊質(zhì)量相似與幾何相似，達(dá)到不影響排體穩(wěn)定性的效果，提高小比 尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬的實(shí)驗(yàn)精度。
[0006] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種利用復(fù)合材料的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬方法，其特 征在于，包括如下步驟：
[0007] 步驟一:分析整治建筑物及防護(hù)結(jié)構(gòu)模型設(shè)計(jì)方法；
[0008] 步驟二:選擇密度可調(diào)、尺寸、形狀可重塑的復(fù)合材料，用所選定的復(fù)合材料制作 小比尺模型，并對(duì)該模型進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬；
[0009] 步驟三:分析軟體排聯(lián)接方式與幾何相似偏離對(duì)軟體排模擬的影響。
[0010] 優(yōu)選地，步驟一的操作包括:根據(jù)建筑物的結(jié)構(gòu)型式及其技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行縮尺模擬， 主要針對(duì)壩體模擬、軟體排模擬以及框架結(jié)構(gòu)模擬三部分分別討論。由分析得到（1)壩體模 擬時(shí)，只要采用等效粒徑d m=dP/AH的級(jí)配塊石模擬，即可滿足質(zhì)量相似，自動(dòng)滿足壩體穩(wěn)定 性及壩體變形相似。（2)軟體排模擬時(shí)，如果比尺選取要求小于1:10,制作小于Icm的混凝土 塊較為困難，則只能采取本發(fā)明提出的1:10以下的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)。（3)框架結(jié)構(gòu) 模擬時(shí)，如果選取比尺要求小于1:5,模型桿件制作較為困難，則只能采取本發(fā)明提出的1:5 以下的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)。由此可見(jiàn)，要滿足任意比尺的幾何、質(zhì)量同時(shí)相似，解決 的途徑只有探尋密度可調(diào)、尺寸、形狀可重塑的復(fù)合材料作為模擬材料。
[0011] 優(yōu)選地，步驟二的操作包括:選擇容重可調(diào)、易成型的復(fù)合材料，實(shí)現(xiàn)小比尺防護(hù) 結(jié)構(gòu)模擬。在對(duì)模擬材料、制作方法廣泛調(diào)研及室內(nèi)模擬的基礎(chǔ)上，最終選擇以高密度氟塑 料為主體，輔以尼龍、玻璃纖維等材料，為了使不同材質(zhì)緊密均勻的融合，保持批量材料密 度的一致性，還添加適量的融合劑、密度調(diào)節(jié)劑和穩(wěn)定劑，經(jīng)過(guò)混煉加工形成具有密度可調(diào) (1.1~2.5g/cm 3)、可融化制作不同尺寸不同形狀的復(fù)合材料。密度為2.4g/cm3的復(fù)合材料 的主要材質(zhì)的質(zhì)量配比為氟塑料79%、尼龍13%、玻璃纖維8%，密度為1.32g/cm 3的復(fù)合材 料的主要材質(zhì)的質(zhì)量配比為氟塑料4%、尼龍92.5%、玻璃纖維3.5%。因復(fù)合材料的密度可 調(diào)，完全可以按軟體排壓載塊體或框架結(jié)構(gòu)的相同密度進(jìn)行調(diào)制模擬材料；同時(shí)因形狀與 尺寸易成型，可按幾何比尺將需模擬的結(jié)構(gòu)形狀與尺寸開(kāi)模注塑制作模型結(jié)構(gòu)。經(jīng)抽樣檢 驗(yàn)，壓載塊體模型尺寸、重量的誤差均小于3%，保證了單個(gè)模擬體幾何尺寸、重量的相似 性。
[0012] 優(yōu)選地，步驟三的操作包括:分析軟體排壓載塊體與排墊聯(lián)接方式模擬對(duì)穩(wěn)定性 的影響以及對(duì)排體變形的影響，并且探討幾何相似偏離對(duì)軟體排模擬效果的影響，論證本 發(fā)明提出的航道整治建筑物小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)的重要意義。
[0013] 優(yōu)選地，步驟三的操作具體包括：（1)選擇長(zhǎng)江中游應(yīng)用的D型系混凝土塊軟體排 和長(zhǎng)江下游采用的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排作為典型的軟體排進(jìn)行對(duì)比研究；（2)采用正態(tài)比 尺(1:10)對(duì)兩種壓載塊體(D型系混凝土塊、混凝土聯(lián)鎖塊)進(jìn)行模擬，壓載塊體與排布的模 擬分別考慮工程實(shí)際的系結(jié)方式與室內(nèi)常用的粘結(jié)方式；（3)通過(guò)水槽定床試驗(yàn)對(duì)比排體 穩(wěn)定性、通過(guò)水槽動(dòng)床試驗(yàn)對(duì)比排體變形狀態(tài)，最終綜合分析粘結(jié)方式模擬的可行性；（4) 利用變坡水槽試驗(yàn)研究滿足質(zhì)量相似條件下，幾何相似偏離對(duì)軟體排穩(wěn)定性的影響。分析 試驗(yàn)結(jié)果可得：（I)D型軟體排的壓載塊與排布系結(jié)簡(jiǎn)化為粘結(jié)方式時(shí)，對(duì)排體的穩(wěn)定性與 變形特征沒(méi)有影響；（2)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排采用粘結(jié)方式對(duì)排體的穩(wěn)定性無(wú)影響，對(duì)變形 相似有一定影響；（3)將混凝土聯(lián)鎖塊軟體排簡(jiǎn)化為粘結(jié)方式，在沖刷初期或沖刷坑深度較 小時(shí)，粘結(jié)方式的變形能力強(qiáng)于系結(jié)方式、排邊沖刷偏大；當(dāng)沖刷坑深度發(fā)展至3.5m以上 時(shí)，粘結(jié)的簡(jiǎn)化方式對(duì)排體變形影響不明顯；（4)在保證壓載塊質(zhì)量相似而放棄幾何相似 時(shí)，將影響排體的穩(wěn)定性，包括臨界失穩(wěn)底流速、失穩(wěn)模式。由此可見(jiàn)，本發(fā)明選擇的利用兼 顧幾何相似與質(zhì)量相似的復(fù)合材料的小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)能夠有效提高軟體排模擬 的實(shí)驗(yàn)精度。
[0014] 本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：（1)在選擇可調(diào)容重易成型復(fù)合材料的基礎(chǔ)上，提出了 小比尺防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬技術(shù)；（2)通過(guò)水槽試驗(yàn)研究了軟體排聯(lián)接方式與幾何相似偏離對(duì) 軟體排模擬的影響；（3)本發(fā)明成果為整治建筑物局部沖刷及防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬提供技術(shù)參 考，也為相關(guān)試驗(yàn)規(guī)程的修訂提供技術(shù)支撐。
【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1-1、圖1-2、圖1-3、圖1-4、圖1-5是X型排形狀與幾何尺寸(單位:mm)。
[0016] 圖2-1、圖2-2、圖2-3、圖2-4是D型排形狀與幾何尺寸（單位:mm)。
[0017] 圖3是混凝土聯(lián)鎖塊（III型）形狀及尺寸（單位:mm):圖3_1為俯視圖；圖3_2為1_1 向視圖；圖3-3為2-2向視圖；圖3-4為混凝土聯(lián)鎖排的形狀及尺寸(單位:mm)。
[0018] 圖4是框架結(jié)構(gòu)形狀及尺寸：圖4-1是四面六邊透水框架；圖4-2是扭雙工字型透水 框架。
[0019] 圖5是模擬結(jié)構(gòu)的加工流程。
[0020] 圖6-1、圖6-2為D型系混凝土塊軟體排與混凝土聯(lián)鎖塊軟體排(1:10)。
[0021 ] 圖7扭雙工字型透水框架。
[0022]圖8-1為粘結(jié)的D型系混凝土塊軟體排；圖8-2為系結(jié)的D型系混凝土塊軟體排；圖 8-3為粘結(jié)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排;圖8-4為系結(jié)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排。
[0023]圖9試驗(yàn)中軟體排失穩(wěn)過(guò)程;其中，圖9-1為混凝土聯(lián)鎖塊軟體排(粘結(jié)）；圖9-2為D 型軟體排(系結(jié)）。
[0024] 圖10-1為系結(jié)的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排沖刷結(jié)果；圖10-2為粘結(jié)的混凝土聯(lián)鎖塊軟 體排沖刷結(jié)果。
[0025] 圖11-1為試驗(yàn)I型混凝土聯(lián)鎖塊;圖11-2為試驗(yàn)方形聯(lián)鎖塊。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明 的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027] 現(xiàn)以本發(fā)