地溝風機LSR-WD50mm邊坡變形破壞離心機模型試驗研究

LSR-WD型三葉羅茨鼓風機性能表（電機直聯）
（1　2　3　4　5　6　7　8　9） 型 號
口 徑轉 速
n r/min升 壓△P進口流量
Q m3/min軸功率
Kw配套電機（380V）KpammH2O型 號功 率KwLSR-WD
50mm14509.810001.600.46Y802-40.7519.620001.380.79Y90S-41.129.430001.181.1 4 Y90L-41.539.240001.031.48Y100L1-42.24950000.881.80Y100L1-42.258.860000.762.16Y100L1-42.2LSR-WD
65mm14509.810002.830.69Y90S-41.119.620002.601.26Y90L-41.529.430002.391.85Y100L1-42.239.240002.122.41Y100L2-434950002.03
概述
關于離心模型試驗原理和邊坡穩定性模型試驗的相似律，文獻中分別從不同的角度進行了比較詳細的論述，并指出在離心機模型中，由于慣性力場的作用，使模型的容重增大n倍，就可使離心模型達到與原型相同的應力變形狀態，使兩者的塑性區域發展及其破壞過程保持相似，從而得出離心模型的邊坡的安全系數與原型完全相等，模型反映了原型的真實情況。由于離心模型滿足了重力相似條件，而常規模型則不能，這對研究以自重為主要受力的邊坡工程問題具有重要意義。本文針對某堤防工程，利用離心機模型試驗，進行施工期及運行期水位驟降時邊坡變形穩定特性研究，并進行了理論計算與分析。
1試驗研究
1．1試驗簡介
模型試驗是在南京水利科學研究院400g．t大型離心機進行的，模型箱的尺寸為：1100mm(長)×550mm(高)×400mm(寬)，為了模擬水位升降，設計安裝了水位控制工程，水位動態變化由水位傳感器通過數據采集工程實時監測和記錄。根據模型箱與原型的幾何尺寸設定模型相似比為n=60。

選用從現場選取的代表性土料進行模型制備，摔制性土層分堤身粘土、3一la軟土層和3一lb粘土層，進行分層壓實并控制密度和強度指標與原型盡可能相同。模型各土層主要物理力學特性指標見表1，模型布置圖見圖1，2。同時在模型剖而卜布置變形測量網格，通過閉路電視邊坡變形，并存模型表面中心線上安裝激光位移傳感器(見圖中Sl～s5)，測量邊坡表面的沉降變形過程，移傳感器的分辨牢為2Oμm(見圖1和圖2)。

1．2試驗模擬技術
試驗模擬技術可參考文獻，這里僅對有關方法或原理簡單介紹：
(1)竣工期模擬：填筑過程按固結問題進行處理，模型模擬施工過程的運行時間為：tm=tp/n2
(tm為模型運行時間，tp為實際施工完成時問，n為相似比)，按照上述原理施加加速度速率，并在tm時刻達到設計加速度ng，此時模型的變形特性相當于原型竣工期狀況。
(2)蓄水和水位驟降模擬：存竣上期模擬結束后，保持模型運行的加速度不變，開始蓄水，達到高洪水位后繼續運行使堤防充分浸泡，然后通過水位控制工程進行水位驟降模擬，蓄水與水位驟降過程按固結與滲透問題考慮，模型模擬蓄水和水位驟降的運行時間為tm=tp/n2進行設定(tm為模型運行時間，tp為原型實際時間)。


2．1施工期邊坡變形破壞特性
圖3給出了模型BMI表面5個沉降測點處的沉降隨堤身填筑高度的變化曲線，可以發現各點的表面沉降隨填筑升高而增加，其中位于堤頂測點sl記錄的沉降最大，當填筑至設計高度時，該測點沉降讀數為90cm，當進行破壞性試驗時，堤頂的沉降一直繼續增加，但在位于上坡坡腳處的測點s2和下坡坡腳處的測點s4的沉降開始增加，到一定程度后丌始減小，即兩坡腳處發生隆起，表明堤防有失穩的跡象。表2給出了破壞性試驗加速度值與堤頂sl、s2、s4沉降速率的關系。由曲線上的特征隆起點和關鍵點沉降速率可以確定堤防邊坡破壞臨界加速度約為77～80．0g，取小值得到竣工時邊坡穩定安全系數約為1．28。
根據模型剖面位移網格結點的坐標變化所繪制的矢量圖見圖4，圖中同時標出坡項附近出現的裂縫位置和失穩破壞時的滑弧�？梢园l現，滑動破壞面基本成圓弧狀，并切入到軟弱地基層(3一la)中。

2．2水位驟降期邊坡變形破壞特性
圖5是水位驟降期模型BM2表面5個測點處的沉降讀數、堤身填筑高度和水位變化過程的水深與所模擬的原型時問變化過程曲線。在施工期，沉降總的發展趨勢仍是隨堤身升高而增加，位于堤頂的sl和s5測點沉降最大，當堤身填筑至設計高度時，兩測點沉降讀數分別為97和108cm。在模型的竣工期結束后，即開始了蓄水和水位驟降的模擬，此時保持模型的離心加速度不變，可以看出Sl和s5在此階段的沉降速率明顯較為緩慢。由于測點s2、s3和s4在浸水淹沒期問，激光位移傳感器因水體反射的干擾無法給出它們正確的讀數，直到水位驟降后，激光位移傳感器才給出正確的位移測量讀數，蓄水前與水位驟降后的傳感器測讀結果表明在這一過程中這些測點的沉降值也是變大的。
當水位最高漲至洪水位4．5m時，保持這一水位使堤防充分浸泡飽和，然后進行水位驟降模擬，水位驟降幅度為3．5m。表3給出了位于堤項的sI、s5和位于上坡坡腳測點s2在破壞性試驗中的沉降速率及其對應加速度值，由沉降曲線和沉降速率特征值可以確定水位驟降期模型破壞l臨界加速度為75-80g，取小值得到邊坡穩定安全系數為1．25。


根據模型剖面位移網格結點的坐標變化所繪制的矢量圖見圖6，圖中同時標出了變形前后的表面輪廓線、坡頂附近所形成的裂縫所在位置和滑弧。從圖中可以看到，迎水一側邊坡體中發生的水平位移量最大，尤其是最高水位線以下上坡部分因水平側向位移而明顯向外鼓出，可以判定，這部分坡體構成了破壞失穩時的滑動體。
2．3兩種工況下邊坡變形破壞特性
由于離心模型土體主要根據原型地基與堤身的強度進行模擬控制，因此，獲取的邊坡變形破壞特征是可靠的。邊坡變形破壞離心模型試驗表明，當堤防邊坡的土體出現較大變形后，邊坡才會出現破壞，邊坡出現破壞時坡頂的沉降速率會突然變大，坡腳隆起伴隨明顯的側向位移，并在堤頂出現拉裂隙，邊坡變形破壞表現為漸進變形到突變破壞的過程。
竣工期堤防邊坡的變形破壞特征明顯不同于水位驟降時的狀況，竣工期邊坡的變形破壞的滑弧已切入到地基內，表現為深層變形破壞，而水位驟降的滑弧則未切入到地基內表現為淺層變形破壞，這兩種變形破壞特征的不同對堤防的設計與防護有重要意義。
3現場穩定計算與變形分析
3．1穩定計算
模型模擬現場堤防邊坡土體的物理力學性質指標見表4，水位驟降幅度的設計工況為3~2m，穩定計算采用Bishop法，實際計算結果為F=1．40，F=1．56，滑弧情況見圖4和圖6，可見竣工期邊坡破壞的滑弧與模型試驗較為接近，但水位驟降期實際計算與模型試驗測定的滑弧有一定差異。
3．2變形分析
在實際工程中對變形起關鍵作用的除外加載荷外主要與土體壓縮特性、結構性和地基排水條件等有關，試驗測得的沉降變形是定性的，無法與現場實際進行對比，但獲取的邊坡變形特征，以及邊坡在變形破壞時在坡腳隆起、堤頂沉降速率突然變大等特點是符合工程實際的，這些特點可以指導工程安全施工與防護。

4結語
通過對某堤防工程邊坡變形穩定的離心機模型試驗研究，有以下下結論：
(1)離心模型試驗表明，堤防邊坡破壞一般伴隨著變形的發展，在變形發展到一定程度后，一般坡頂沉降速率突然變大，坡腳處出現隆起，并在堤頂出現拉裂縫，邊坡破壞表現為漸進變形至突變失穩的特點。
(2)從離心模型破壞性試驗觀測到，竣工期的滑動破壞面呈圓弧狀，并切入軟弱地基層中，失穩破壞是為深層破壞，水位驟降期的邊坡在水位驟降一側的水平位移明顯，尤其是最高水位線以下上坡部分，因側向位移而明顯向外鼓出，滑動破壞面基本呈圓弧狀，滑弧未切入地基土層中，失穩破壞主要表現為淺層破但在離心模型中土體的這些特性難以模擬，所以模型壞。
(3)通過離心機模型破壞性試研究獲取堤防模型邊坡在施工期的穩定安全系數為1．28，水位驟降期的穩定安全系數為1．25，實際計算中施工期的安全系數與滑弧與模型試驗較為接近，而在水位驟降條件下，理論計算與模型試驗結果有一定差異。
(4)施工期與水位驟降期邊坡變形破壞特征的不同對進行堤防工程的設計與防護有重要意

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