CN108106957B - 一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置及试验方法，其中雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置包括实验水槽，实验水槽内部的一侧设置试验护坡，试验护坡由满足泥沙起动相似及休止角相似的模型沙制作而成，试验护坡的坡面上铺设有满足尺寸相似和受力相似的实验雷诺护垫，此时，水槽的空余部分形成实验水道，水槽的前后两端设置有水闸，可通过调整前后水闸的开合程度控制实验水道中的水深和水流速度；在实验过程中，通过控制水流流速、水深以及实验雷诺护垫内碎石直径大小等单一变量，实验得出不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的抗冲临界破坏流速。
Description
技术领域
本发明是涉及土木水利工程领域，具体的说是一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置及试验方法。
背景技术
河道治理工程中，堤防迎水面通常采用雷诺护垫护坡结构。雷诺护垫是一种柔性护坡结构，适用于坡面防冲刷领域，比较常见的有河道边坡防护，河底防护，消浪防冲工程等，并能适应一定程度的不均匀沉降。该护坡结构是由机编双绞合六边形金属网面构成，装入块石等填充物，厚度远小于长度和宽度的扁平状柔性垫形工程构件，厚度一般在0.17-0.30m，具有抗冲刷能力强、自透水性、整体性强、地基适应性强、抗风浪性强、施工简便、造价低廉等特点，其多孔隙结构易于生物栖息。因此，在雷诺护垫钢丝金属材料技术成熟且防腐耐久的前提下，水流侧蚀冲刷作用下雷诺护垫护坡结构稳定性和抗冲刷性能主要取决于填石平均粒径、网孔尺寸及雷诺护垫厚度等结构性技术参数。但目前各种参数的确定主要依靠工程经验，缺乏针对性及有效的技术分析手段。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置及试验方法，可为分析控制雷诺护垫抗冲质量的关键因素提供重要技术手段，并为雷诺护垫结构参数的优化提供技术支撑，具有十分重要的意义。。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置，其特征是：包括实验水槽，所述的实验水槽内的一侧侧壁设置有试验护坡，实验水槽内的另一侧侧壁与试验护坡之间形成水道；
所述的试验护坡截面为梯形，所述的试验护坡包括岸坡和坡顶平台组成，所述的岸坡表面倾斜设置，与实验水槽底面形成夹角，所述的岸坡顶部平整形成坡顶平台，所述的坡顶平台的侧面紧贴实验水槽侧壁，所述的水道由岸坡以及实验水槽的底面和侧壁包围形成；
所述的岸坡表面上铺设一层薄纱布，所述的薄纱布上铺设有实验雷诺护垫；
所述的实验水槽一端设置有入水闸门，另一端设置有出水闸门，所述的入水闸门和出水闸门均为可调节水流截面面积的水闸，所述的试验护坡表面设置的实验雷诺护垫包括两端靠近入水闸门和出水闸门的过渡段以及中央位置的观察段，所述的观察段前方设置有水下高速摄像机；
所述的实验雷诺护垫有若干个实验护垫网槽相互连接固定而成，所述的实验护垫网槽内填充有满足起动相似的碎石，所述的实验护垫网槽的顶部覆盖有实验网格盖板，所述的实验网格盖板与实验护垫网槽固定连接。
为优化上述发明，采取的具体措施还包括：
所述的试验护坡由满足泥沙起动相似及休止角相似的模型沙制成，所述的试验护坡经过密实处理。
所述的试验护坡岸坡宽度与坡顶平台宽度比为3:1，所述的坡顶平台宽度与岸坡高比为1:1，所述的岸坡宽度与水道底部宽度比为3:2。
所述的实验护垫网槽和实验网格盖板均由满足受力相似的铝线网制成，所述的铝线网网格形成为菱形。
所述的实验护垫网槽为水平截面为方形的长方体网槽。
所述的实验护垫网槽相邻之间通过细铁丝进行捆扎连接，所述的实验护垫网槽和实验网格盖板之间通过细铁丝进行捆扎连接。
所述的入水闸门和出水闸门分别与进步电机传动连接，所述的进步电机通过控制终端控制入水闸门和出水闸门的闭合程度。
一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：通过控制水流流速、水深以及雷诺护垫内碎石直径大小等单一变量，实验得出不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速，具体步骤包括如下：
步骤1，选取正态模型比尺1:20；
步骤2，对比天然长100m、高10m、宽40m的岸坡、坡前水深5.0~7.0m，护垫厚度23cm，网孔大小6cm~8cm，依据模型比尺选取实验水槽，在水槽内一侧铺设试验护坡，在实验水槽两端分别设置入水闸门和出水闸门；
步骤3，在试验护坡上铺设实验雷诺护垫，所述的实验雷诺护垫依据模型比尺制成，并在实验雷诺护垫内填充中值粒径d50=3.5mm的填充碎石；
步骤4，关闭出水闸门，缓慢打开入水闸门直到水道的水深达到35cm；
步骤5，缓慢打开出水闸门直到出水闸门与入水闸门开合度相同；
步骤6，缓慢调整出水闸门开合度，直至水深再次稳定到35cm，并保持出水闸门与入水闸门开合度相同；
步骤7，同时增大出水闸门与入水闸门的开合度，进而持续增加水道的流速；
步骤8，通过水下高速摄像机观察实验雷诺护垫内中值粒径d50=3.5mm填充碎石的位移状态，当填充碎石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，记录当前水深和水流速度，此时的水流流速即为当前直径填石的雷诺护垫在当前水深情况下的临界破坏流速；
步骤9，清除实验雷诺护垫内的填充碎石，重新填入中值粒径d50增加1mm后的填充碎石，复原实验雷诺护垫，重复步骤4到步骤8；
步骤10，重复步骤9四次，即可得到不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速。
该种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置及试验方法能够达到的有益效果为：
第一，试验水槽中岸坡由满足泥沙起动相似及休止角相似的模型沙制作，满足了岸坡的结构和材质要求。
第二，入水闸门和出水闸门的设置保证了水流的深度和水流的流速能够得到正确的控制。
第三，每次测量结束后均能够重新铺设实验雷诺护垫，再次测量实验，本装置中的实验雷诺护垫可拆卸结构能够保证测试实验的完整性。
附图说明
图1为本发明一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的结构原理俯视图。
图2为本发明一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的结构原理截面图。
图3为本发明一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置实验雷诺护垫的结构原理图。
图例说明：1、水道；2、岸坡；3、坡顶平台；4、观察段；5、入水闸门；6、出水闸门；7、实验雷诺护垫；8、岸坡高；9、实验护垫网槽；10、实验网格盖板。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述。
一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置，其特征是：包括实验水槽，所述的实验水槽内的一侧侧壁设置有试验护坡，实验水槽内的另一侧侧壁与试验护坡之间形成水道1；
所述的试验护坡截面为梯形，所述的试验护坡包括岸坡2和坡顶平台3组成，所述的岸坡2表面倾斜设置，与实验水槽底面形成夹角，所述的岸坡2顶部平整形成坡顶平台3，所述的坡顶平台3的侧面紧贴实验水槽侧壁，所述的水道1由岸坡2以及实验水槽的底面和侧壁包围形成；
所述的岸坡2表面上铺设一层薄纱布，所述的薄纱布上铺设有实验雷诺护垫7；
所述的实验水槽一端设置有入水闸门5，另一端设置有出水闸门6，所述的入水闸门5和出水闸门6均为可调节水流截面面积的水闸，所述的试验护坡表面设置的实验雷诺护垫7包括两端靠近入水闸门5和出水闸门6的过渡段以及中央位置的观察段4，所述的观察段4前方设置有水下高速摄像机；
所述的实验雷诺护垫7有若干个实验护垫网槽9相互连接固定而成，所述的实验护垫网槽9内填充有满足起动相似的碎石，所述的实验护垫网槽9的顶部覆盖有实验网格盖板10，所述的实验网格盖板10与实验护垫网槽9固定连接。
本实施例中，试验护坡由满足泥沙起动相似及休止角相似的模型沙制成，所述的试验护坡经过密实处理。
本实施例中，试验护坡岸坡2宽度与坡顶平台3宽度比为3:1，所述的坡顶平台3宽度与岸坡高8比为1:1，所述的岸坡2宽度与水道1底部宽度比为3:2。
本实施例中，实验护垫网槽9和实验网格盖板10均由满足受力相似的铝线网制成，所述的铝线网网格形成为菱形。
本实施例中，实验护垫网槽9为水平截面为方形的长方体网槽。
本实施例中，实验护垫网槽9相邻之间通过细铁丝进行捆扎连接，所述的实验护垫网槽9和实验网格盖板10之间通过细铁丝进行捆扎连接。
本实施例中，入水闸门5和出水闸门6分别与进步电机传动连接，所述的进步电机通过控制终端控制入水闸门5和出水闸门6的闭合程度。
一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：通过控制水流流速、水深以及雷诺护垫内碎石直径大小等单一变量，实验得出不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速，具体步骤包括如下：
步骤1，选取正态模型比尺1:20；
步骤2，对比天然长100m、高10m、宽40m的岸坡、坡前水深5.0~7.0m，护垫厚度23cm，网孔大小6cm~8cm，依据模型比尺选取实验水槽，在水槽内一侧铺设试验护坡，在实验水槽两端分别设置入水闸门5和出水闸门6；
步骤3，在试验护坡上铺设试验雷诺护垫7，所述的试验雷诺护垫7依据模型比尺制成，并在试验雷诺护垫内填充中值粒径d50=3.5mm的填充碎石；
步骤4，关闭出水闸门6，缓慢打开入水闸门5直到水道1的水深达到35cm；
步骤5，缓慢打开出水闸门6直到出水闸门6与入水闸门5开合度相同；
步骤6，缓慢调整出水闸门6开合度，直至水深再次稳定到35cm，并保持出水闸门6与入水闸门5开合度相同；
步骤7，同时增大出水闸门6与入水闸门5的开合度，进而持续增加水道1的流速；
步骤8，通过水下高速摄像机观察实验雷诺护垫7内中值粒径d50=3.5mm填充碎石的位移状态，当填充碎石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，记录当前水深和水流速度，此时的水流流速即为当前直径填石的雷诺护垫在当前水深情况下的临界破坏流速；
步骤9，清除实验雷诺护垫7内的填充碎石，重新填入中值粒径d50增加1mm后的填充碎石，复原实验雷诺护垫7，重复步骤4到步骤8；
步骤10，重复步骤9四次，即可得到不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速。
本实施例中，临界破坏流速判定标准为碎石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，其原理在于当碎石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，雷诺护垫网箱会出现较大的变形，雷诺护垫会出现大规模的破坏。
本实施例中，实验水槽长15m、宽3m，按实际原型沙配比模型砂制作坡比为1:3的岸坡2，该种模型沙能够满足泥沙起动相似及休止角相似要求，此时，岸坡2段长15m、高0.5m、宽2m，坡前水深25～35cm，重点观测段布置在实验水槽长中部5m的范围内，实验水槽的上、下游则作为过渡段，以保证试验过程中试验段水流不受水槽进、出口水流波动影响。
正式试验开始前，将实验水槽尾部出水闸门6关闭，缓慢向水槽中加水，直至达到试验要求的水深。正式试验开始后，在上游不断增加流量的同时，也不断增大水槽尾部出水闸门6的开启度，从而在水深保持基本一致的前提下，使得水槽中水流流速不断增大。采用高清拍摄设备记录水下实验雷诺护垫7中填石移动情况，当填石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，记录下当前的水流流速及水深情况，更换不同直径填石，可以实验得出不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速。
本实施例中，实验护垫网槽9和实验网格盖板10为满足现实使用的雷诺护垫相似要求的铝线网结构，铝线网结构中填充满足相似要求的天然碎石，实验护垫网槽9和实验网格盖板10之间通过0.2mm的细铁丝进行捆扎实现固定连接，相邻实验护垫网槽9之间也通过0.2mm的细铁丝进行捆扎实现固定连接，最终成为一整体护岸结构。
本实施例中，实验护垫网槽9厚度在1.15cm，网孔大小在3~4mm范围内，碎石填充粒径在3.5~7.5mm范围内。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征是：包括实验水槽，所述的实验水槽内的一侧侧壁设置有试验护坡，实验水槽内的另一侧侧壁与试验护坡之间形成水道（1）；
所述的试验护坡截面为梯形，所述的试验护坡由岸坡（2）和坡顶平台（3）组成，所述的岸坡（2）表面倾斜设置，与实验水槽底面形成夹角，所述的岸坡（2）顶部平整形成坡顶平台（3），所述的坡顶平台（3）的侧面紧贴实验水槽侧壁，所述的水道（1）由岸坡（2）以及实验水槽的底面和侧壁包围形成；
所述的岸坡（2）表面上铺设一层薄纱布，所述的薄纱布上铺设有实验雷诺护垫（7）；
所述的实验水槽一端设置有入水闸门（5），另一端设置有出水闸门（6），所述的入水闸门（5）和出水闸门（6）均为可调节水流截面面积的水闸，所述的试验护坡表面设置的实验雷诺护垫（7）包括两端靠近入水闸门（5）和出水闸门（6）的过渡段以及中央位置的观察段（4），所述的观察段（4）前方设置有水下高速摄像机；
所述的实验雷诺护垫（7）由若干个实验护垫网槽（9）相互连接固定而成，所述的实验护垫网槽（9）内填充有满足起动相似的碎石，所述的实验护垫网槽（9）的顶部覆盖有实验网格盖板（10），所述的实验网格盖板（10）与实验护垫网槽（9）固定连接；
所述的试验护坡由满足泥沙起动相似及休止角相似的模型沙制成，所述的试验护坡经过密实处理；
所述雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，通过控制水流流速、水深以及实验雷诺护垫内碎石直径大小单一变量，实验得出不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速，具体步骤包括如下：
步骤1，选取正态模型比尺1:20；
步骤2，对比天然长100m、高10m、宽40m的岸坡、坡前水深5.0~7.0m，护垫厚度23cm，网孔大小6cm~8cm，依据模型比尺选取实验水槽，在水槽内一侧铺设试验护坡，在实验水槽两端分别设置入水闸门（5）和出水闸门（6）；
步骤3，在试验护坡上铺设实验雷诺护垫（7），所述的实验雷诺护垫（7）依据模型比尺制成，并在实验雷诺护垫内填充中值粒径d50=3.5mm的填充碎石；
步骤4，关闭出水闸门（6），缓慢打开入水闸门（5）直到水道（1）的水深达到35cm；
步骤5，缓慢打开出水闸门（6）直到出水闸门（6）与入水闸门（5）开合度相同；
步骤6，缓慢调整出水闸门（6）开合度，直至水深再次稳定到35cm，并保持出水闸门（6）与入水闸门（5）开合度相同；
步骤7，同时增大出水闸门（6）与入水闸门（5）的开合度，进而持续增加水道（1）的流速；
步骤8，通过水下高速摄像机观察实验雷诺护垫（7）内中值粒径d50=3.5mm填充碎石的位移状态，当填充碎石最大移动距离达到实验雷诺护垫网箱宽度的5%时，记录当前水深和水流速度，此时的水流流速即为当前直径填石的雷诺护垫在当前水深情况下的临界破坏流速；
步骤9，清除实验雷诺护垫（7）内的填充碎石，重新填入中值粒径d50增加1mm后的填充碎石，复原实验雷诺护垫（7），重复步骤4到步骤8；
步骤10，重复步骤9四次，即可得到不同直径填石的雷诺护垫在不同水深情况下的临界破坏流速。
2.根据权利要求1所述的一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：所述的试验护坡岸坡（2）宽度与坡顶平台（3）宽度比为3:1，所述的坡顶平台（3）宽度与岸坡高（8）比为1:1，所述的岸坡（2）宽度与水道（1）底部宽度比为3:2。
3.根据权利要求1所述的一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：所述的实验护垫网槽（9）和实验网格盖板（10）均由满足受力相似的铝线网制成，所述的铝线网的网格形成为菱形。
4.根据权利要求3所述的一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：所述的实验护垫网槽（9）为水平截面为方形的长方体网槽。
5.根据权利要求4所述的一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：所述的实验护垫网槽（9）相邻之间通过细铁丝进行捆扎连接，所述的实验护垫网槽（9）和实验网格盖板（10）之间通过细铁丝进行捆扎连接。
6.根据权利要求1所述的一种雷诺护垫结构抗冲性能水槽试验装置的试验方法，其特征在于：所述的入水闸门（5）和出水闸门（6）分别与进步电机传动连接，所述的进步电机通过控制终端控制入水闸门（5）和出水闸门（6）的闭合程度。
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