明提出一種利用密度可調(diào)、尺寸、形狀可重塑的復(fù)合材料的小比尺防護 結(jié)構(gòu)模擬方法應(yīng)用于水槽試驗為例來詳細(xì)介紹本發(fā)明，實施過程分為四個步驟。
[0028] 步驟一、分析整治建筑物及防護結(jié)構(gòu)模型設(shè)計方法 [0029]( - )壩體模擬
[0030]原型壩體通常為拋石壩，一般由不同質(zhì)量的堤心石和護面塊石組成。對于拋石壩 體的模擬，除了保證壩體幾何尺寸相似外，還需保證拋石塊體或護面塊石的重量相似，塊石 重量可采用下式進行計算：
[0031 ] 塊石重量：
[0032] 式中:W為單個塊體的穩(wěn)定重量、d為塊體的等效粒徑、Yb為塊石的容重。塊石重量 比尺入《>為
[0033] 當(dāng)采用石英石的石子模擬時，Arb=l，塊石等效粒徑比尺為幾何比尺，則A 。 表明只要采用等效粒徑cU = dP/AH的級配塊石模擬，即可滿足質(zhì)量相似，自動滿足壩體穩(wěn)定 性及壩體變形相似。
[0034](二)軟體排模擬
[0035]在長江中下游常用的軟體排結(jié)構(gòu)型式主要有應(yīng)用于長江中游的X型系混凝土塊軟 體排、D型系混凝土塊軟體排，以及應(yīng)用于長江下游的混凝土聯(lián)鎖塊軟體排等。因它們結(jié)構(gòu) 特點不同，以下分別論述。
[0036] (I)X型系混凝土塊軟體排
[0037] X型系混凝土塊軟體排由排墊和壓載塊體組成（圖1-1~圖1-5):排墊7采用聚丙烯 土工編織布縫制而成，一般沿排體寬度方向每隔0.5m設(shè)1根寬0.05m的縱向加筋條2,用于加 固系接條3和增加排墊7抗拉強度;在縱向加筋條2底下設(shè)有每2根1組的防老化型滌綸系接 條3長X寬（ImX0.012m)，用于系接壓載塊體1。排上壓載塊體(混凝土塊）1為正方形C20混 凝土塊0.45m X 0.40m X 0.08m(長X寬X厚，下同），單塊質(zhì)量33. IOkg，在混凝土塊1內(nèi)預(yù)埋2 根1.05mX0.012m(長X寬）的系接條3，用于排墊7與壓載塊體1系接，塊體間距為0.05m。圖 中，排體縱向系接環(huán)4(長5cm)、排體縱向系接預(yù)留5(5cm)、縫合線6 〇 [0038] (2)D型系混凝土塊軟體排
[0039] D型系混凝土塊軟體排也由排墊7和壓載塊體1組成（圖2-1~圖2-4):排墊結(jié)構(gòu)與X 型系混凝土塊軟體排一致，排上壓載塊體1為長方形C20混凝土塊0.4m X 0.26m X 0.01m，單 塊質(zhì)量21.93kg，沿排體寬度方向塊體間距0.24m，長度方向塊體間距0.1 m。
[0040] (3)混凝土聯(lián)鎖塊軟體排
[00411在長江南京以下12.5m深水航道建設(shè)工程中，混凝土聯(lián)鎖塊軟體排排墊7采用長絲 機織布與無紡布的復(fù)合布，單位面積質(zhì)量為0.5kg/m2(0.35kg/m2機織布+0.15kg/m 2無紡 布）。排墊7上混凝土壓載塊體1為C20混凝土塊體，密度2400kg/m3，混凝土聯(lián)鎖塊分為三種 規(guī)格：一般為I型：0 . 48mX 0.48mX 0.12m、重59.39kg;用于堤頭超前50m護底范圍的II型： 0.48111\0.48111\0.16111、重77.391^ ;用于排體邊緣5111范圍的111型：0.48111\0.48111\0.2111、重 94. OOkg。在混凝土塊內(nèi)十字交叉預(yù)埋兩根聯(lián)接繩8 (圖3-1~圖3-4)，聯(lián)接繩8采用Φ 14mm防 老化丙綸繩，系結(jié)繩錨固伸入混凝土長度不小于0.2m，長邊聯(lián)接繩端頭倒繞至相鄰混凝土 塊，塊體之間間距0.02m。
[0042]軟體排模擬時，如果比尺可取1:10以上進行研究，則選擇與原型混凝土密度 (2400kg/m3)-致的材料按幾何相似進行壓載塊體的縮尺模擬，即保證壓載塊體的幾何、質(zhì) 量相似。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，則只能采取下文 提出的小比尺防護結(jié)構(gòu)模擬技術(shù)。
[0043]排墊采用棉布進行模擬，塊體之間的間距按幾何相似控制。對于1:10以上的小比 尺模型，加筋及系結(jié)條可按比尺縮小進行模擬;對于1:10以下的小比尺模型，是無法嚴(yán)格按 照原型排體構(gòu)造進行模擬加工，可將壓載塊體與排體之間的系結(jié)方式模擬簡化為將塊體用 特定膠水直接粘貼于棉布上。
[0044] (三)框架結(jié)構(gòu)模擬
[0045] 工程中常用的透水框架為四面六邊透水框架（圖4-1)，由6根長度相等的預(yù)制鋼筋 混凝土框桿相互連接組成，桿件之間采用焊接，且焊接點進行防銹處理。在南京以下12.5m 深水航道建設(shè)工程中提出了扭雙工字型透水框架（圖4-2)，該結(jié)構(gòu)為開敞式構(gòu)件，桿件基本 尺寸為O . Im X O . Im X O . 8m，材料為鋼筋混凝土，平均密度2400kg/m3，單個透水框架質(zhì)量 106.8kg。
[0046] 框架結(jié)構(gòu)模擬時，如果比尺可取1:5以上進行研究，則選擇與原型混凝土密度 (2400kg/m 3)-致的材料按幾何相似進行桿件縮尺模擬，即保證框架的幾何、質(zhì)量相似。如 果選取比尺要求1:5以下，模型桿件制作較為困難，則只能采取下文提出的小比尺防護結(jié)構(gòu) 模擬技術(shù)。
[0047] 步驟二、選擇密度可調(diào)、尺寸、形狀可重塑的復(fù)合材料，實現(xiàn)小比尺防護結(jié)構(gòu)模擬 技術(shù)
[0048] 從上述討論可見，散拋壩體的實驗室模擬較易實現(xiàn)，軟體排與框架結(jié)構(gòu)的大比尺 (比尺在1:10~1:5以內(nèi)）防護結(jié)構(gòu)也可以采用相同材質(zhì)直接按幾何相似（自然滿足質(zhì)量相 似)進行模擬，但小比尺的軟體排與框架等防護結(jié)構(gòu)往往無法按幾何相似制作模型構(gòu)件，現(xiàn) 有鋁片、馬賽克等軟體排模擬材料均是在特定比尺下選擇得到，且往往僅滿足質(zhì)量相似而 放棄幾何相似。要滿足任意比尺的幾何、質(zhì)量同時相似，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。
[0049](一)容重可調(diào)易成型材料選擇
[0050]在對模擬材料、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。按模擬結(jié)構(gòu)的形狀與尺寸開 模注塑制作，加工流程見圖5。
[0051 ](二)小比尺防護結(jié)構(gòu)的模擬技術(shù)
[0052] 因復(fù)合材料的密度可調(diào)（1.1~2.5g/cm3)，完全可以按軟體排壓載塊體或框架結(jié) 構(gòu)的相同密度進行調(diào)制模擬材料；同時因形狀與尺寸易成型，可按幾何比尺將需模擬的結(jié) 構(gòu)形狀與尺寸開模注塑制作模型結(jié)構(gòu)。經(jīng)抽樣檢驗，壓載塊體模型尺寸、重量的誤差均小于 3%，保證了單個模擬體幾何尺寸、重量的相似性。圖6-1、圖6-2分別為比尺1:10條件下按幾 何、質(zhì)量嚴(yán)格相似模擬得到的D型系混凝土塊軟體排與混凝土聯(lián)鎖塊軟體排，其中壓載塊體 與排墊之間的聯(lián)接方式完全考慮與原型一致。圖7為比尺1:20與1:40條件下按幾何、質(zhì)量嚴(yán) 格相似模擬得到的扭雙工字型透水框架。
[0053] 步驟三、分析軟體排聯(lián)接方式與幾何相似偏離對軟體排模擬的影響
[0054] ( - )壓載塊體與排邊聯(lián)接方式對穩(wěn)定性的影響試驗
[0055] 排體穩(wěn)定性的相似性，主要通過排體能抵抗的臨界流速來間接反映。D型系混凝土 塊與混凝土聯(lián)鎖塊幾何比尺均為1:10，與排墊的連接方式分別為系結(jié)和粘結(jié)（圖8)。試驗在 44m X 0.8m X 0.8m(長X寬X高，下同）的變坡水槽上進行。試驗?zāi)Ｐ退顬?.063m，在保持 水深不變的基礎(chǔ)上，通過流量和尾門水位的聯(lián)動控制，逐漸增大水流流速，觀測排體失穩(wěn)臨 界狀態(tài)，并量測排體失穩(wěn)時的垂向流速分布(尤其是作用于塊體的近底流速），共開展4組試 驗(試驗組次如表1)。為消除觀察誤差，每組試驗重復(fù)3次以上，取平均值作為軟體排失穩(wěn)臨 界水流條件。
[0056]表1軟體排壓載塊體參數(shù)以及穩(wěn)定性試驗組次
[0057]
[0058]試驗中觀測到無論是系結(jié)還是粘結(jié)方式，排體失穩(wěn)的形式一致、均為排頭掀起后 的卷邊失穩(wěn)（圖9)』型軟體排在系結(jié)和粘結(jié)方式下的臨界失穩(wěn)底流速分別為0.27m/s和 0.28m/s，混凝土聯(lián)鎖塊軟體排在系結(jié)和粘結(jié)方式下的臨界失穩(wěn)底流速分別為0.35m/s和 0.36m/s(表2)?？梢娛覂?nèi)試驗中排體在系結(jié)和粘結(jié)方式下的軟體排的穩(wěn)定性基本一致，通 過粘結(jié)來代替系結(jié)的方式是可行的。
[0059]表2實測軟體排失穩(wěn)臨界流速
[0060] Tab.2Measured critical velocity of flexible mattress instability
[0062] 注:近底流速指壓載塊體厚度中心的流速。
[0063] (二)壓載塊體與排邊聯(lián)接方