CN108535450B - 一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于水利工程的力学试验技术领域，尤其涉及一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置及方法，包括观测与监测组件、试验组件和循环供水组件，所述观测与监测组件位于试验组件的上侧用于监测试验组件的动态变化，所述循环供水组件用于向试验组件提供稳定水源，本发明造价低、操作简单、试验结果真实可靠、又可以获得不同因素影响的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法。

Description

一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于水利工程的力学试验技术领域，尤其涉及一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置及方法。
背景技术
防护堤是一种最常用的水利工程防护措施之一，其作用是在洪水等水力灾害来临时保护人民的安全，其中，土质的防护堤由于造价低，施工简单，也已成为国内外使用最广泛的防护堤类型；目前，由于极端自然灾害频发，防护堤设计不合理等原因，发生洪水漫堤导致防护堤溃决的现象经常发生；因此，研究洪水漫堤导致防护堤侵蚀破坏，可以评价防护堤的设计与施工效果，并可为制定溃口的快速修堵方案提供科学依据。
现阶段，研究洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的过程与机理主要采用三种方法：一是通过现场模型试验与观测，这种方法可以真实获得洪水在漫堤时导致的防护堤侵蚀形式、过程与破坏程度，但缺点是造价昂贵，需要的人力与物力极大，对场地要求也非常高；二是建立物理概化模型，通过计算机数值模拟技术模拟洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的过程，这种方法可以简单地设置不同影响因素，如土质防护堤的岩土参数，洪水的流量等，但缺点是所得结果无法真实反映防护堤破坏过程，得到的结果的适用性普遍不高；第三种研究方法是室内模型试验，该方法的优点是造价低，可控性好，可以设置多种影响因素，试验结果真实可靠，可直接用于防护堤的设计、施工与灾害防护，但现有的室内模型试验装置往往无法真实模拟洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏过程，且造价高，结构和操作比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，能有效解决目前对于室内无法真实模拟洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏过程的问题，本发明的另一个目的是提供一种造价低、操作简单、试验结果真实可靠、又可以获得不同因素影响的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，包括观测与监测组件、试验组件和循环供水组件，所述观测与监测组件位于试验组件的上侧用于监测试验组件的动态变化，所述循环供水组件用于向试验组件提供稳定水源，所述观测与监测组件包括位于试验组件左侧的底座，与底座固定连接且竖直设置的第一支杆，位于第一支杆顶部且与第一支杆垂直设置的第二支杆，所述第二支杆上依次设有第三支杆、第四支杆和第五支杆，所述第三支杆、第四支杆和第五支杆均与第一支杆平行设置且长度依次变短，所述第一支杆底部还设有第六支杆，第六支杆与第二支杆平行且位于第二支杆的下部，所述第三支杆下部设有第一摄像头，第四支杆下端设有秒表，第五支杆下部设有第二摄像头，第六支杆右端部设有第三摄像头。
进一步的，所述实验组件包括位于第二支杆下部的第一玻璃箱，位于第一玻璃箱右侧的第二玻璃箱，所述第一玻璃箱和第二玻璃箱之间设有一块竖直放置的塑料挡板，所述塑料挡板的高度与第一玻璃箱右侧壁高度以及第二玻璃箱左侧壁高度均相同，所述第一玻璃箱内部右侧还设有压实土坡，第一玻璃箱前壁上还贴有透明坐标纸，第一玻璃箱左侧底部设有一个透水孔，所述第二玻璃箱底部添有砾石。
进一步的，所述循环供水组件包括位于第二玻璃箱右侧的第一储水箱，所述第一储水箱内设有第一水泵，第一水泵出水口与第一水管相连，所述第一水管的出水口位于第二玻璃箱内，所述第一水管上设有流量表和第一水阀，所述第一储水箱底部设有第二水管，第二水管的另一端设有第二水泵，第二水泵设于第二储水箱内，第二储水箱左侧壁设有第三水管，第三水管的进水口与第一玻璃箱底部的透水孔相连，所述第二水管和第三水管上分别设有第二水阀和第三水阀。
进一步的，所述第一玻璃箱和第二玻璃箱均为上部开口的矩形玻璃箱，第一玻璃箱右侧壁的高度低于其他侧壁的高度，第二玻璃箱左侧壁的高度低于其他侧壁的高度，第一玻璃箱右侧壁的高度和第二玻璃箱左侧壁的高度均与塑料挡板的高度相同，所述底座、第一玻璃箱、第二玻璃箱均位于同一平面内。
进一步的，所述第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头的拍摄方向分别是压实土坡的斜坡面、压实土坡的顶面和压实土坡的竖向剖面。
进一步的，所述的透明坐标纸的横纵坐标指示线的间距最小刻度为1.0mm，且横坐标应与压实土坡的顶面平行。
一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法，包括以下步骤：
1）压实土坡的制备：在第一玻璃箱中制备压实土坡，压实土坡的模型尺寸与实际防护堤比例为1:20；
2）组装设备：将装有压实土坡的第一玻璃箱右侧竖直放置塑料挡板，塑料挡板右侧紧贴第二玻璃箱，第二玻璃箱底部铺满砾石，第一水管一端插入砾石中，第一水管的另一端依次连接流量表、第一水阀和第一水泵并接入第一储水箱，第一储水箱底部连接第二水管的一端，第二水管的另一端依次接入第二水阀和第二水泵并接入第二储水箱右侧，第二储水箱左侧接入第三水管的一端，第三水管的另一端依次接入第三水阀和透水孔并接入第一玻璃箱，底座放置在第一玻璃箱左侧，底座连接第一支杆并从下至上依次用连接接头连接第六支杆和第二支杆的一端，第六支杆的另一端连接第三摄像头，第二支杆的另一端从左至右用连接接头分别连接第三支杆、第四支杆和第五支杆的一端，第三支杆、第四支杆和第五支杆的另一端分别连接第一摄像头、秒表和第二摄像头，透明坐标纸紧密贴在第一玻璃箱的外部；
3）模拟漫堤试验：首先记录压实土坡在透明坐标纸上的坐标位置，将第一储水箱充满水，启动第一水泵抽水，使第一储水箱的水流入第一水管并注入第二玻璃箱底部，可通过观察流量表并适当调节第一水阀来控制水流速度，当第二玻璃箱的水面逐渐升高达到塑料挡板的最大高度时，开启第一摄像头、第二摄像头、与第三摄像记录冲刷与侵蚀过程，启动秒表记录时间，记录不同时间时的侵蚀坐标情况，当水落到第一储水箱底部时，开启第二水泵；当压实土坡被水流侵蚀出现明显破坏后，试验结束；
4）计算并分析侵蚀情况。
计算遵循以下公式进行，傅汝德数的计算公式为：
式中，Fr为傅汝德数；u0为水流速度；g为修正的重力加速度，，其中，Gs为土的比重，n为孔隙率；d50为土的平均颗粒直径；
侵蚀率的计算公式为：
式中， m为侵蚀率；V0为单位宽度的原始的土坡体积，V1为单位宽度的侵蚀后的土坡体积；
侵蚀速度的计算方法：
式中，n为侵蚀速度；t为侵蚀时间。
进一步的，所述第一玻璃箱的长、宽、高分别为3m、0.5m、1m；选用压实土坡的土质为粉质粘土或沙土中的至少一种。
本发明具有的优点是：
1.本装置结构简单，造价低，可拆卸，便于制作与维护，且设备安全、稳定，由于采用循环水设计，整个试验过程不会造成实验室污染，同时采用水泵供水，较传统的重力供水具有更高的安全性；
2.本发明提供的试验方法可明显缩短试验周期，由于采用缩尺比例模型试验，整个试验过程一般不超过半小时，明显缩短了试验周期；
3.试验操作简单，可控性好。试验采用水泵吸水，并通过水阀和流量表控制水的流量，进而控制洪水漫堤程度与速度，通过设置砾石来阻挡水流，防止水流速度不稳定的现象，这些有益的控制措施保证了试验的可控性，提高了试验的易操作性；
4.可以获得较多的试验参数，适用性较高。较以往的现场模拟试验和计算机模拟试验，本发明提供的试验方法，可以获得洪水漫堤导致防护坡的冲刷侵蚀的全过程，可以获得任意时间内的侵蚀率和侵蚀速度，还可以评价不同土性的防护堤，不同的坡率、压实度、饱和度以及漫堤速率与程度对防护堤侵蚀程度的影响，试验的适用性强。
附图说明
图1为本发明提供的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置的结构示意图；
图2为本发明中的第二玻璃箱的结构示意图；
图3为利用本发明的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法得到的3个实施例的防护堤侵蚀面的剖面图；
图4为利用本发明的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法得到的3个实施例的防护堤的侵蚀率（试验时间为10分钟）；
图5为利用本发明的一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法得到的3个实施例的防护堤的侵蚀速率（试验时间取1分钟与10分钟）。
1、底座；2、第一支杆；3、第二支杆；4、第三支杆；5、第四支杆；6、第五支杆；7、第六支杆；8、第一摄像头；9、第二摄像头；10、第三摄像头；11、秒表；12、第一玻璃箱；13、第二玻璃箱；14、塑料挡板；15、砾石；16、第一储水箱；17、第二储水箱；18、第一水泵；19、第二水泵；20、第一水管；21、第二水管；22、第三水管；23、第一水阀；24、第二水阀；25、第三水阀；26、流量表；27、透水孔；28、压实土坡；29、透明坐标纸。
具体实施方式
实施例1
如图所示，一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，包括观测与监测组件、试验组件和循环供水组件，所述观测与监测组件位于试验组件的上侧用于监测试验组件的动态变化，所述循环供水组件用于向试验组件提供稳定水源，所述观测与监测组件包括位于试验组件左侧的底座1，与底座1固定连接且竖直设置的第一支杆2，位于第一支杆2顶部且与第一支杆垂直设置的第二支杆3，所述第二支杆3上依次设有第三支杆4、第四支杆5和第五支杆6，所述第三支杆4、第四支杆5和第五支杆6均与第一支杆2平行设置且长度依次变短，所述第一支杆2底部还设有第六支杆7，第六支杆7与第二支杆3平行且位于第二支杆3的下部，所述第三支杆4下部设有第一摄像头8，第四支杆5下端设有秒表11，第五支杆6下部设有第二摄像头9，第六支杆7右端部设有第三摄像头10，所述第一摄像头8、第二摄像头9、第三摄像头10的拍摄方向分别是压实土坡28的斜坡面、压实土坡28的顶面和压实土坡28的竖向剖面；进一步的，所述实验组件包括位于第二支杆3下部的第一玻璃箱12，位于第一玻璃箱12右侧的第二玻璃箱13，所述第一玻璃箱12和第二玻璃箱13之间设有一块竖直放置的塑料挡板14，所述塑料挡板14的高度与第一玻璃箱12右侧壁高度以及第二玻璃箱13左侧壁高度均相同，所述第一玻璃箱12内部右侧还设有压实土坡28，第一玻璃箱12前壁上还贴有透明坐标纸29，所述的透明坐标纸29的横纵坐标指示线的间距最小刻度为1.0mm，且横坐标应与压实土坡28的顶面平行，第一玻璃箱12左侧底部设有一个透水孔27，所述第二玻璃箱13底部添有砾石15；进一步的，所述循环供水组件包括位于第二玻璃箱13右侧的第一储水箱16，所述第一储水箱16内设有第一水泵18，第一水泵18出水口与第一水管20相连，所述第一水管20的出水口位于第二玻璃箱13内，所述第一水管20上设有流量表26和第一水阀23，所述第一储水箱16底部设有第二水管21，第二水管21的另一端设有第二水泵19，第二水泵19设于第二储水箱17内，第二储水箱17左侧壁设有第三水管22，第三水管22的进水口与第一玻璃箱12底部的透水孔27相连，所述第二水管21和第三水管22上分别设有第二水阀24和第三水阀25；进一步的，所述第一玻璃箱12和第二玻璃箱13均为上部开口的矩形玻璃箱，第一玻璃箱12右侧壁的高度低于其他侧壁的高度，第二玻璃箱13左侧壁的高度低于其他侧壁的高度，第一玻璃箱12右侧壁的高度和第二玻璃箱13左侧壁的高度均与塑料挡板14的高度相同，所述底座1、第一玻璃箱12、第二玻璃箱13均位于同一平面内。
一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验方法，其包括以下步骤：
1）压实土坡的制备：在第一玻璃箱中制备压实土坡来室内模拟土质防护堤性质，第一玻璃箱的长、宽、高分别为3m、0.5m、1m，选用粉质粘土500kg，以饱和度80%和压实度为95%的压实控制指标，采用分层压实的方法，进行5层压实，模型尺寸与实际防护堤比例为1:20，压实土坡长度为2.1m，宽度为0.5m，高度为0.5m，坡顶长0.1m，防护堤坡率为1:4；
2）组装设备：将装有压实土坡的第一玻璃箱右侧竖直放置塑料挡板，塑料挡板右侧紧贴第二玻璃箱，塑料挡板顶部距离压实土坡顶部的距离为0.1m，第二玻璃箱底部铺满砾石，第一水管一端插入砾石中，第一水管的另一端依次连接流量表、第一水阀和第一水泵并接入第一储水箱，第一储水箱底部连接第二水管的一端，第二水管的另一端依次接入第二水阀和第二水泵并接入第二储水箱右侧，第二储水箱左侧接入第三水管的一端，第三水管的另一端依次接入第三水阀和透水孔并接入第一玻璃箱，底座放置在第一玻璃箱左侧，底座连接第一支杆并从下至上依次用连接接头分别连接第六支杆和第二支杆的一端，第六支杆的另一端连接第三摄像头，第二支杆的另一端从左至右用连接接头分别连接第三支杆、第四支杆和第五支杆的一端，第三支杆、第四支杆和第五支杆的另一端分别连接第一摄像头、秒表和第二摄像头，透明坐标纸紧密贴在第一玻璃箱的外部；
3）模拟漫堤试验：首先记录压实土坡在透明坐标纸上的坐标位置，将第一储水箱充满水，启动第一水泵抽水，使第一储水箱的水流入第一水管并注入第二玻璃箱底部，可通过观察流量表并适当调节第一水阀来控制水流速度，水流速度控制在0.1m/s，当第二玻璃箱的水面逐渐升高达到塑料挡板的最大高度时，开启第一摄像头、第二摄像头、与第三摄像头记录冲刷与侵蚀过程，启动秒表记录时间，记录不同时间时侵蚀坐标情况，当水落到第一储水箱底部时，开启第二水泵；当压实土坡被水流侵蚀出现明显破坏后，试验结束；4）计算与分析；试验得到基本参数包括傅汝德数，侵蚀率和侵蚀速率。
利用傅汝德数Fr（Densimetric Froude number）来评价漫堤水流的冲刷能量，该值越小，水流的冲刷能力越大，计算公式为：
式中，Fr为傅汝德数；u0为水流速度，即流量表展现的单位流量与时间之比；g为修正的重力加速度，，其中，Gs为土的比重，n为孔隙率；d50为土的平均颗粒直径；
侵蚀率m的计算方法：
式中， m为侵蚀率；V0为单位宽度的原始的土坡体积，V1为单位宽度的侵蚀后的土坡体积。V0与V1的计算可以采用计算透明坐标纸的小方格数量来计算，即V0等于压实土坡在试验前占有透明坐标纸的方格数目，V1等于压实土坡在试验后占有透明坐标纸的方格数目；
侵蚀速度n的计算方法：
式中，n为侵蚀速度；t为侵蚀时间。
实施例1的试验结果见图3-图5，可以看出，洪水漫堤会造成土质防护堤的曲面型的冲刷侵蚀，对坡底的侵蚀会强于坡顶（图3），10分钟的试验时间内，土质防护堤的侵蚀率达到12.9%（图4），其侵蚀速率为1.29min-1，略大于在试验后1分钟的侵蚀速率，这说明随着侵蚀的发展，土质防护堤的破坏速率会逐渐增加，破坏强度也增加。
实施例2
实施例2与实施例1的不同之处在于：选用质量分数占20%的砂土与80%的粉质粘土共计500kg，以饱和度70%和压实度为90%的压实控制指标，采用分层压实的方法，进行4层压实。
实施例2的试验结果见图3-图5，可以看出，洪水漫堤会造成土质防护堤的类似于直线型的冲刷侵蚀（图3），10分钟的试验时间内，土质防护堤的侵蚀率达到16.9%（图4），其侵蚀速率为1.69min-1，略大于在试验后1分钟的侵蚀速率1.36min-1，这说明随着侵蚀的发展，土质防护堤的破坏速率会逐渐增加，破坏强度也增加，与实施例1比较可以发现，土质防护堤的土颗粒粒径越大，压实度越低，压实分层数目越少，饱和度越低，防护堤的抗侵蚀能力越差，洪水漫堤试验导致的防护堤侵蚀率越大，侵蚀速率越高，破坏程度越严重。
实施例3
实施例3与实施例1的不同之处在于：塑料挡板顶部距离压实土坡顶部的距离为0.3m，水流速度控制在0.2m/s。
实施例3的试验结果见图3-图5，可以看出，洪水漫堤会造成土质防护堤的类似于曲线型的冲刷侵蚀（图3），对坡底的侵蚀会强于坡顶（图3），10分钟的试验时间内，土质防护堤的侵蚀率达到23.2%（图4），其侵蚀速率为2.32min-1，略大于在试验后1分钟的侵蚀速率2.0min-1，这说明随着侵蚀的发展，土质防护堤的破坏速率会逐渐增加，破坏强度也增加，与实施例1和实施例2比较可以发现，相对于土坡防护堤的土质参数，洪水漫堤形成的流水冲刷侵蚀能力影响更加显著，表现在洪水流速越快，水流距离土坡顶部距离越大，流水冲刷侵蚀能力越大，导致的防护堤侵蚀率越大，侵蚀速率越高，破坏程度越严重。

Claims (6)

1.一种洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，其特征在于：包括观测与监测组件、试验组件和循环供水组件，所述观测与监测组件位于试验组件的上侧用于监测试验组件的动态变化，所述循环供水组件用于向试验组件提供稳定水源，所述观测与监测组件包括位于试验组件左侧的底座，与底座固定连接且竖直设置的第一支杆，位于第一支杆顶部且与第一支杆垂直设置的第二支杆，所述第二支杆上依次设有第三支杆、第四支杆和第五支杆，所述第三支杆、第四支杆和第五支杆均与第一支杆平行设置且长度依次变短，所述第一支杆底部还设有第六支杆，第六支杆与第二支杆平行且位于第二支杆的下部，所述第三支杆下部设有第一摄像头，第四支杆下端设有秒表，第五支杆下部设有第二摄像头，第六支杆右端部设有第三摄像头；所述试验组件包括位于第二支杆下部的第一玻璃箱，位于第一玻璃箱右侧的第二玻璃箱，所述第一玻璃箱和第二玻璃箱之间设有一块竖直放置的塑料挡板，所述塑料挡板的高度与第一玻璃箱右侧壁高度以及第二玻璃箱左侧壁高度均相同，所述第一玻璃箱内部右侧还设有压实土坡，第一玻璃箱前壁上还贴有透明坐标纸，第一玻璃箱左侧底部设有一个透水孔，所述第二玻璃箱底部添有砾石；所述第一玻璃箱和第二玻璃箱均为上部开口的矩形玻璃箱，第一玻璃箱右侧壁的高度低于其他侧壁的高度，第二玻璃箱左侧壁的高度低于其他侧壁的高度，所述底座、第一玻璃箱、第二玻璃箱均位于同一平面内。
2.如权利要求1所述的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，其特征在于：所述循环供水组件包括位于第二玻璃箱右侧的第一储水箱，所述第一储水箱内设有第一水泵，第一水泵出水口与第一水管相连，所述第一水管的出水口位于第二玻璃箱内，所述第一水管上设有流量表和第一水阀，所述第一储水箱底部设有第二水管，第二水管的另一端设有第二水泵，第二水泵设于第二储水箱内，第二储水箱左侧壁设有第三水管，第三水管的进水口与第一玻璃箱底部的透水孔相连，所述第二水管和第三水管上分别设有第二水阀和第三水阀。
3.如权利要求2所述的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，其特征在于：所述第一摄像头、第二摄像头、第三摄像头的拍摄方向分别是压实土坡的斜坡面、压实土坡的顶面和压实土坡的竖向剖面。
4.如权利要求3所述的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置，其特征在于：所述的透明坐标纸的横纵坐标指示线的间距最小刻度为1.0mm，且横坐标应与压实土坡的顶面平行。
5.如权利要求1-4任一所述的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）压实土坡的制备：在第一玻璃箱中制备压实土坡，压实土坡的模型尺寸与实际防护堤比例为1:20；
2）组装设备：将装有压实土坡的第一玻璃箱右侧竖直放置塑料挡板，塑料挡板右侧紧贴第二玻璃箱，第二玻璃箱底部铺满砾石，第一水管一端插入砾石中，第一水管的另一端依次连接流量表、第一水阀和第一水泵并接入第一储水箱，第一储水箱底部连接第二水管的一端，第二水管的另一端依次接入第二水阀和第二水泵并接入第二储水箱右侧，第二储水箱左侧接入第三水管的一端，第三水管的另一端依次接入第三水阀和透水孔并接入第一玻璃箱，底座放置在第一玻璃箱左侧，底座连接第一支杆并从下至上依次用连接接头连接第六支杆和第二支杆的一端，第六支杆的另一端连接第三摄像头，第二支杆的另一端从左至右用连接接头分别连接第三支杆、第四支杆和第五支杆的一端，第三支杆、第四支杆和第五支杆的另一端分别连接第一摄像头、秒表和第二摄像头，透明坐标纸紧密贴在第一玻璃箱的外部；
3）模拟漫堤试验：首先记录压实土坡在透明坐标纸上的坐标位置，将第一储水箱充满水，启动第一水泵抽水，使第一储水箱的水流入第一水管并注入第二玻璃箱底部，可通过观察流量表并适当调节第一水阀来控制水流速度，当第二玻璃箱的水面逐渐升高达到塑料挡板的最大高度时，开启第一摄像头、第二摄像头、与第三摄像记录冲刷与侵蚀过程，启动秒表记录时间，记录不同时间时的侵蚀坐标情况，当水落到第一储水箱底部时，开启第二水泵；当压实土坡被水流侵蚀出现明显破坏后，试验结束；
4）计算并分析侵蚀情况。
6.如权利要求5所述的洪水漫堤对防护堤侵蚀破坏的室内模拟试验装置的试验方法，其特征在于：所述第一玻璃箱的长、宽、高分别为3m、0.5m、1m；选用压实土坡的土质为粉质粘土或沙土中的至少一种。
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