CN101713175B - 高含沙洪水揭河底模拟试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水工模型，其IPC国际专利分类号为E02B 1/02，具体涉及一种高含沙洪水揭河底模拟试验方法。本发明利用专用试验装置，采用粉煤灰作为模型沙，其中采用中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰模拟淤积物的“胶泥层”，采用中值粒径0.03mm的细粉煤灰模拟悬沙，采用中值粒径0.05mm的粗颗粒粉煤灰模拟松散体床沙。本发明为研究黄河“揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法，为研究固结黏性土的起动这一水利行业难题提供了可行的试验方法；为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基础，对河流泥沙的学科发展起到了一定的积极作用。
Description
技术领域：
本发明涉及一种水工模型，其IPC国际专利分类号为E02B 1/02，特别涉及一种模拟高含沙洪水揭河底及固结黏性土起动的高含沙洪水揭河底模拟试验方法。
背景技术：
在黄河小北干流及渭河等河段，当通过高含沙量洪水时，河床往往会发生剧烈的集中冲刷，在前期经过一定时期淤积、沉淀，密度较大、强度较高的“胶泥层”，有时会从床面上被揭掀而起，像卷“地毯”一样被卷起，成块、成片地露出水面，面积可达几平方米甚至十几平方米，然后在短时间内破碎、坍落，被水流冲散带走。群众把这种高含沙洪水条件下河床的剧烈冲刷现象形象地称为“揭河底”。黄河“高含沙水流运动的特有现象之一”。由于“揭河底”现象形成条件比较特殊，包括长年工作在黄河岸边的水利工作者和沿黄群众，能真正亲眼目睹“揭河底”现象的人很少，因而素有黄河百年奇观之称。一旦发生这种情况，河床往往发生强烈下切，严重者一次洪峰可以将河床冲深几米乃至近十米。“揭河底”冲刷具有强烈的冲刷造槽作用，能很好地恢复河道过洪能力；但同时冲刷又往往引起河道主槽的迁徙，使工程着溜部位不断地变化，容易造成河道工程沉蛰、坍塌，增加汛期防汛抢险的复杂性；特别是由于河槽大幅度冲刷，大河水位下降，致使沿河机电灌站脱流，严重影响到沿岸工农业生产。上世纪七十年代以来，这一现象就受到国内外水利工作者的高度关注，并开展了大量的研究，为人们进一步认识“揭河底”现象奠定了基础，但由于“揭河底”现象发生的随机性，很难在实际中测得到跟随性较强的“揭河底”实测资料，制约了“揭河底”冲刷指标的建立。为此，不得不通过模型试验研究此问题。然而，目前还没有人成果模拟黄河“揭河底”的相关报道。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种成功模拟黄河“揭河底”现象，为研究黄河“揭河底”现象提供水力参数的高含沙洪水揭河底模拟试验方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
提供一种高含沙洪水揭河底模拟试验方法：
(1)、选用三组级配的粉煤灰模拟河床分层：
利用粉煤灰作为模型沙，其中采用中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰模拟淤积物的“胶泥层”，采用中值粒径0.03mm的细粉煤灰模拟悬沙，采用中值粒径0.05mm的粗颗粒粉煤灰模拟松散体床沙，即粗沙层；
将厚度为40～45cm的所述粗颗粒粉煤灰铺于试验水槽底部，代表粗沙层；在所述粗沙层上按照设计“胶泥层”的尺寸预留空间；将所述极细粉煤灰倒在的盛着水的桶里，制成含沙量800～1000kg/m3的浆体，然后利用搅拌器将该极细粉煤灰浆体充分搅拌均匀，并将其浇铸在试验水槽内所述粗沙层上的所述预留空间内，厚度为1～3cm，经2～3个小时的凝结，使其固结成胶泥块，以模拟固结成块或层的“胶泥层”，使所述“胶泥层”的含水率保持为10％～45％，以保证所述“胶泥层”自身的粘结力与原型基本相似；
将所述细粉煤灰加入搅拌池内配成含沙量为100～300kg/m3的高含沙水流，充分搅拌均匀，以保证水流进入试验水槽，以此模拟天然高含沙洪水；
利用专用试验装置，在试验开始时不断加大进口流量，观测水槽重点试验段水流流态变化，测量相关水力泥沙参数，直至“揭河底”现象的发生，获得跟随性较强的高含沙洪水“揭河底”现象发生的水力泥沙参数；
(2)、专用试验装置：
所述专用试验装置，包括试验水槽，在试验水槽外面设置有搅拌池，在搅拌池中设置有潜水泵，潜水泵通过水槽循环管道与试验水槽相连接，在水槽循环管道上安装有电磁流量计和自动控制阀门，试验水槽的左端为浑水进口段，右端为浑水出口段，并且浑水出口段与退水池相接通，退水池通过水槽循环管道与试验水槽相接通，在浑水出口段与试验水槽之间设有平板闸门，试验水槽安装有水位测针和移动测桥，移动测桥安装有流速仪，用于在不同部位跟随测量水力泥沙参数。
本发明具有如下积极效果：由于“揭河底”现象具有较强的随机性，很难在原型上获得详细的水力参数，因此若对此问题开展深入系统的研究，必须开展室内控制的水槽试验。本发明为研究黄河“揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法和装置，为研究固结黏性土的起动这一水利行业难题提供了可行的试验方法；为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基础，对河流泥沙的学科发展起到了一定的积极作用。
附图说明：
图1为本发明的试验装置结构示意图。
具体实施方式：
如图1所示，高含沙洪水揭河底模拟试验装置包括试验水槽1，在试验水槽1外面设置有搅拌池2，在搅拌池2中设置有潜水泵3，潜水泵3通过水槽循环管道4与试验水槽1相连接，在水槽循环管道4上安装有电磁流量计5和自动控制阀门6，试验水槽1的左端为浑水进口段7，右端为浑水出口段8，并且浑水出口段与退水池9相接通，退水池9通过水槽循环管道4与试验水槽1相接通，在浑水出口段8与试验水槽1之间设有平板闸门10，试验水槽1安装有水位测针11和移动测桥12，在移动测桥12上安装有流速仪，用于在不同部位跟随测量水力泥沙参数。
高含沙洪水揭河底模拟试验方法包括如下具体步骤：
(1)、选用三组级配的粉煤灰模拟河床分层：
通过原型现场调研及对“揭河底”河段河床的现场开挖，证实“揭河底”河段河床是成层淤积的，因此在试验中河床也必须采用分层的形式。利用粉煤灰作为模型沙，选取郑州热电厂粉煤灰作为模型沙，经严格水力分选之后，采用中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰模拟淤积物的胶泥块，即“胶泥层”，采用中值粒径0.03mm的细粉煤灰模拟悬沙，采用中值粒径0.05mm的粗颗粒粉煤灰模拟松散体床沙，即粗沙层；将厚度为40～45cm的所述粗颗粒粉煤灰铺于试验水槽底部，代表粗沙层；在粗沙层上铺制厚度为1～3cm的极细颗粒粉煤灰模拟“胶泥层”。
(2)、絮凝固结“胶泥层”的浇铸模拟方法，利用浇铸方式模拟“胶泥块”絮凝固结方式：如何模拟河床上存在的“胶泥块”也是该方案的关键点之一，天然情况下不同支流发生不同的洪水时，由于泥沙来源、洪水含沙量及泥沙级配的不同，造成河道成层理淤积。特别是，当所来的洪水极细颗粒泥沙含量较高时，受极细颗粒泥沙颗粒的絮凝作用，泥沙淤积成块，并在一定的时期内，逐渐固结、压密，形成“胶泥块”。在试验中可采取在浇铸的方式来模拟“胶泥块”。
首先将中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰倒在的盛着水的桶里，制成含沙量800～1000kg/m3的浆体，然后利用搅拌器将极细粉煤灰浆体充分搅拌均匀，并将其浇涛在水槽内的粗颗粒粉煤灰层上预留的空间内，经过2～3个小时的凝结，使其逐渐固结形成胶泥块，以模拟固结成块的“胶泥层”，在含水率为10％～45％的条件下，固结成块的极细粉煤灰粘结力约为28～35Kpa，满足原型胶泥块的粘结力25～40KPa的要求，保证了试验胶泥块自身的粘结力与原型基本相似。
(3)、高含沙水流塑造模拟方法：
试验必须在专用试验装置中开展，专用试验装置的结构如附图1所示。该试验水槽长31.5m，宽0.80m，试验系统的进口利用上海虹桥潜水式排污泵抽水，清水时流量最大可达54l/s，进口流量采用电磁流量计进行控制。水槽进口、试验段、尾门水位由测针测量。试验采用平板式闸门控制，水出闸门后进入退水池，随即就抽回进口搅拌池，构成整个试验水槽自循环系统。试验中将中值粒径0.03mm的细粉煤灰加入搅拌池内配成含沙量为100～300kg/m3的高含沙水流，充分搅拌均匀，以保证水流进入试验水槽，即为完全的高含沙水流，以此模拟黄河的天然高含沙洪水。
(4)、高含沙洪水“揭河底”试验方法：
试验初始水槽床面比降为4‰，地形铺制完成24h后，开始进行试验，其中进口含沙量为100kg/m3，循环后，不断加大进口流量，观测水槽重点试验段水流流态变化，并利用相关仪器测量相关水力泥沙参数，直至“揭河底”现象的发生，获得跟随性较强的高含沙洪水“揭河底”现象发生的水力泥沙参数。
“胶泥块”的应该有一定的刚度：为了保证”揭河底”现象发生时淤积物成块的揭起，试验模拟中“揭河底”一般要满足一定的刚度，一般块厚1cm～3cm，块越厚，揭起时需要的能量越大。
在试验前期的地形制作中，先铺制40～45cm厚粗颗粒粉煤灰，利用断面板控制水槽床面比降为4‰，并用水浸湿填压密实。在粗颗粒粉煤灰层上面按设计胶泥块的尺寸预留空间，将来在此填充极细粉煤灰，以此模拟胶泥块。
地形铺制完成24h后，开始放水，在试验放水前，对试验期间的摄录像进行了充分的准备。试验开始利用进口控制阀门，将水槽的进口流量控制为20l/s，水槽内的水位和流态一直都比较稳定，只有在水槽胶泥块的前端处水流紊动比较剧烈，试验人员用手去摸这些位置，发现在胶泥块上面撒的很薄一层的粗粉煤层首先发生了冲刷，且胶泥块(“透镜体”)的前端也随之发生了冲刷，并形成了冲刷坑，这种胶泥层前缘的局部冲刷非常类似桥墩的局部冲刷过程。由于胶泥块抗冲性强，但胶泥块没有被冲散，大约持续了十分钟，发现水槽内胶泥块没有被揭起，遂通过阀门将进口流量调至27l/s，随着流量的增加，水槽发生了一定的变化，胶泥块的前端冲刷坑进一步增大，但是仍没有“揭河底”现象发生。因此将流量继续增大，调至30l/s，流量刚持续没有几分钟，发现铺细粉煤灰的试验段流态有显著的变化，水槽内好象有一道水堤形成，片刻，一胶泥块(0.3m×0.3m×0.02m)被水流揭起露出水面。用手摸了一下水槽底部，发现铺制细胶泥块位置已经被揭空了，周围相应的发生了局部淘刷，同时一些特别薄的胶泥块也被揭走了，但是并没有露出水面，只是用手去摸的时候才发现已经被冲走了。最后，将流量也逐渐增大至40l/s，此时一些板结的较大的胶泥块也被揭起露出水面。当铺制的胶泥块相应揭起完后，停水宣告试验结束。
Claims (1)
1.一种高含沙洪水揭河底模拟试验方法，其特征在于：
(1)、选用三组级配的粉煤灰模拟河床分层：
利用粉煤灰作为模型沙，其中采用中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰模拟淤积物的“胶泥层”，采用中值粒径0.03mm的细粉煤灰模拟悬沙，采用中值粒径0.05mm的粗颗粒粉煤灰模拟松散体床沙，即粗沙层；
将厚度为40～45cm的所述粗颗粒粉煤灰铺于试验水槽(1)底部，代表粗沙层；在所述粗沙层上按照设计“胶泥层”的尺寸预留空间；将所述极细粉煤灰倒在的盛着水的桶里，制成含沙量800～1000kg/m3的浆体，然后利用搅拌器将该极细粉煤灰浆体充分搅拌均匀，并将其浇铸在试验水槽内所述粗沙层上的所述预留空间内，厚度为1～3cm，经2～3个小时的凝结，使其固结成胶泥块，以模拟固结成块或层的“胶泥层”，使所述“胶泥层”的含水率保持为10％～45％，以保证所述“胶泥层”自身的粘结力与原型基本相似；
将所述细粉煤灰加入搅拌池内配成含沙量为100～300kg/m3的高含沙水流，充分搅拌均匀，以保证水流进入试验水槽，以此模拟天然高含沙洪水；
利用专用试验装置，在试验开始时不断加大进口流量，观测水槽重点试验段水流流态变化，测量相关水力泥沙参数，直至“揭河底”现象的发生，获得跟随性较强的高含沙洪水“揭河底”现象发生的水力泥沙参数；
(2)、专用试验装置：
所述专用试验装置，包括试验水槽(1)，在试验水槽(1)外面设置有搅拌池(2)，在搅拌池(2)中设置有潜水泵(3)，潜水泵(3)通过水槽循环管道(4)与试验水槽(1)相连接，在水槽循环管道(4)上安装有电磁流量计(5)和自动控制阀门(6)，试验水槽(1)的左端为浑水进口段(7)，右端为浑水出口段(8)，并且浑水出口段与退水池(9)相接通，退水池(9)通过水槽循环管道(4)与试验水槽(1)相接通，在浑水出口段(8)与试验水槽(1)之间设有平板闸门(10)，试验水槽(1)安装有水位测针(11)和移动测桥(12)，移动测桥(12)安装有流速仪，用于在不同部位跟随测量水力泥沙参数。
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