[发明专利]利用复合材料的小比尺防护结构模拟方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种水利工程中利用复合材料的小比尺防护结构模拟方法。

背景技术

航道整治建筑物及防护结构就结构特点而言主要有：坝体整治建筑物、软体排护底(或护滩)结构、框架结构、散抛石等。以往航道整治建筑物局部冲刷及防护结构的物模试验或水槽试验研究中，专门针对结构物模拟开展研究的成果较少，往往采用结构物的几何相似，主要模拟结构物对水沙运动的影响，但结构物附近的局部冲刷可能引起结构物相应的变形，反过来影响冲刷的形态与深度等试验结果，对此，目前的试验规程均没有相应的技术要求指导试验中结构物的模拟。

航道整治建筑物及防护结构中，散抛石如采用石英石模拟，则保证几何相似便可满足质量相似，进而结构稳定性的研究较为方便；但散抛石坝的模拟常按几何相似简化为实体坝，采用水泥、有机玻璃或木头等材料制成，这不能模拟坝体附近因局部冲刷引起的坝体垮塌对冲刷形态与深度的影响，同时丧失了原抛石坝的透水性；软体排模拟受模拟材料的限制，通常按压载块体质量相似而偏离几何相似的方法进行模拟，其中排布采用棉布模拟、压载块体用铝片、马赛克(小比尺模型)或混凝土加铁粉块(大比尺模型)进行模拟，压载块体与排布间的联接简化为用特定胶水将块体直接粘贴于棉布上，压载块体平面尺寸相似的偏离与联接方式的差异可能使得排体所受水流作用力不同，进而影响软体排稳定性与变形的相似程度，这一系列简化对排体变形与稳定性的影响目前没有定论；框架结构模拟主要考虑几何相似或者质量相似，模拟的材料常为塑料(密度1.3×10³kg/m³)、混凝土(密度2.4×10³kg/m³)、铝丝(密度2.7×10³kg/m³)、紫铜管(密度8.9×10³kg/m³)、复合可调塑料(密度2.4×10³kg/m³)等，但因采用了与原体不同的材质进行模拟，往往无法在几何与质量上同时满足相似，同时杆件尺度缩小可能引起杆件周边分离边界层的消失，从而影响框架的消能减速效果及框架的稳定性。

为使试验结果尽可能反映实际，需要选择复合模拟材料可兼顾几何相似与质量相似，并提出航道整治建筑物小比尺防护结构模拟，特别是软体排的模拟技术，以提高建筑物模型试验的模拟精度，为相关技术规范修订提供技术支撑。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足而提供一种利用复合材料的小比尺防护结构模拟方法。本发明设计科学、合理，选择密度可调、尺寸、形状可重塑的复合材料作为模拟材料，可同时保证压载块质量相似与几何相似，达到不影响排体稳定性的效果，提高小比尺防护结构模拟的实验精度。

本发明采用如下技术方案：一种利用复合材料的小比尺防护结构模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：分析整治建筑物及防护结构模型设计方法；

步骤二：选择密度可调、尺寸、形状可重塑的复合材料，用所选定的复合材料制作小比尺模型，并对该模型进行测试，实现小比尺防护结构模拟；

步骤三：分析软体排联接方式与几何相似偏离对软体排模拟的影响。

优选地，步骤一的操作包括：根据建筑物的结构型式及其技术指标进行缩尺模拟，主要针对坝体模拟、软体排模拟以及框架结构模拟三部分分别讨论。由分析得到(1)坝体模拟时，只要采用等效粒径d_m＝d_P/λ_H的级配块石模拟，即可满足质量相似，自动满足坝体稳定性及坝体变形相似。(2)软体排模拟时，如果比尺选取要求小于1:10，制作小于1cm的混凝土块较为困难，则只能采取本发明提出的1:10以下的小比尺防护结构模拟技术。(3)框架结构模拟时，如果选取比尺要求小于1:5，模型杆件制作较为困难，则只能采取本发明提出的1:5以下的小比尺防护结构模拟技术。由此可见，要满足任意比尺的几何、质量同时相似，解决的途径只有探寻密度可调、尺寸、形状可重塑的复合材料作为模拟材料。