CN109406756A - 一种消能沉沙模拟试验装置及方法 - Google Patents

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高照良
唐林
牛耀斌
娄永才
齐星园
李玉亭婷
武可心
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Abstract

本发明公开了一种消能沉沙模拟试验装置及方法，该装置包括供流系统、浑水系统、沉沙系统、变坡系统、收集系统。供流系统由供水池通过加压池加压，流向蓄水池，以便为紧接的浑水系统提供高速水流；浑水系统由溢流堰、加沙机、工程消能设施、独立液压调节高度装置组成；浑水生成后，流向相连的沉沙系统，沉沙系统由软连接段、水槽、变坡调节杆、联动的液压调节高度装置、消能植物组成，通过沉沙的水流，流向后边的收集系统，收集系统由出水口、集沙池组成。本发明还公开了一种消能沉沙模拟试验方法。

Description

一种消能沉沙模拟试验装置及方法
技术领域
本发明属于水土保持工程技术领域，涉及一种消能沉沙模拟试验装置及方法。
背景技术
黄土高原的丘陵沟壑区和高原沟壑区由于沟壑比降大，暴雨集中，暴雨洪水除对坡面侵蚀外，主要形成沟壑股流，以推移、跃移、蠕移的形式搬运、输移沟谷坡脚和沟底储蓄的大量泥沙，由于股流剪切力强，使沟道泥沙输移比基本保持为1。针对其产流产沙和输沙特点，需采取措施，最大限度的加大沟壑糙率，最大限度地把暴雨形成的股流分散，转化为漫流，使水流行进流速小于对沟床表面的冲刷流速和对沟谷坡脚的淘蚀流速，消减水流的剪切应力，保持水流的行进流速小于泥沙的沉降速度，使泥沙的输移比尽可能降低，甚至趋于0。为此按照“以柔消能”的思路，选择以沙棘、火棘、紫穗槐等灌木作为沟底径流分散和拦沙“柔性消能坎”的框架材料，在沟底和沟岸，按一定株距和行距垂直于水流方向交错种植，利用植物的茎秆撞击、分散股流，达到消能的目的，枝叶扰流和阻水，有效拦截暴雨洪水携带的大量泥沙，改变沟道的输水输沙性能，达到把泥沙就地拦截在沟壑之中的目的。
为了进一步验证和测算沟底“消能沉沙”植物材料的扰流拦沙效能，探求合理的株行距和布设方式，需要构建模拟模型装置进行模拟。
发明内容
本发明的目的在于提供一种消能沉沙模拟试验装置及方法。
其具体技术方案为：
一种消能沉沙模拟试验装置，由供流系统、浑水系统、沉沙系统、变坡系统、收集系统组成。供流系统由供水池通过加压池加压，流向蓄水池，以便为紧接的浑水系统提供高速水流；浑水系统由溢流堰、加沙机、工程消能、独立液压调节高度装置组成；浑水生成后，流向相连的沉沙系统，沉沙系统由软连接段、水槽、变坡调节杆、联动的液压调节高度装置、消能植物组成，通过沉沙的水流，流向后边的收集系统，收集系统由出水口、集沙池组成。
进一步优选，所述的供流系统中溢流堰必须和浑水系统紧密相连，工程消能设施必须放置在浑水系统末端。沉沙系统与浑水系统由橡胶等具有一定强度且易于变形的软连接段相连。沉沙系统的水槽底板为钢板，为了调节水槽的底宽，钢板上需按照不同宽度刻槽，以便固定槽壁，需在槽壁顶部等间距安装可调螺杆，以便调节槽壁边坡系数。
一种消能沉沙模拟试验方法，包括以下步骤：
第一步：原型沟道概化，把原型沟道概化为底宽2.0、2.2、2.4m(试验梯度)、边坡系数1.50、1.7、2.00的梯形断面，选用1:8、1:9、1:10的变态推移质模型，用中径d50＝0.40mm、d50＝0.50mm、d50＝0.60mm(试验粒径)天然沙(土)为模型沙(土)，探究灌木植物对粗泥沙的拦截效果；
第二步：模型树丛的选择，由于考虑沙棘等灌木具有发达的横根和旁生枝条，且在水动力作用下发生扭曲变形，所以考虑采用羽毛来模拟沙棘灌木，羽毛下部主干3-5cm插入泥沙；模型树丛布置采取交错布置模式。
操作方法：
步骤1、按照选定的水槽断面安装水槽，使水槽的底宽和槽壁边坡系数均满足试验要求。
步骤2、利用联动液压调节装置，调节槽底坡降，以满足试验要求。
步骤3、称量选定的砂样，加入加沙机。
步骤4、开动水泵及调节阀，向蓄水池提供一定流速的水流；水流高度必须高于溢流堰堰顶高度(高度按照试验设计要求选定)。
步骤5、水流通过溢流堰流入浑水系统，开启加沙机，并且调节工程消能的位置，以便浑水能够完全生成；
步骤6、在出水口按照试验设计，每隔5～10分钟，用量筒接不小于100ml的水样；
步骤7、试验结束后，对集沙池的水沙样进行烘干处理，称量砂量。
与现有技术相比，本发明的优异效果体现在：本实验装置采用调节螺杆调节槽壁边坡系数，利用液压装置调节槽底比降，最大比降可达到20％，涵盖了一般沟道的边坡系数和沟道比降，因此可提供不同沟道断面和不同沟底比降变化的模拟冲刷试验，为开展消能沉沙模拟试验研究提供了便利。
附图说明
图1为消能沉沙模拟试验装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步详细地说明。
参照图1,一种消能沉沙模拟试验装置，包括供流系统1、浑水系统2、沉沙系统3、变坡系统4和收集系统5，所述供流系统1、浑水系统2、沉沙系统3、变坡系统4和收集系统5依次连接。
供流系统1由供水池6、加压池7、蓄水池8、溢流堰9四部分组成。供水池6、加压池7、蓄水池8从下向上依次连接；溢流堰9位于蓄水池8的右边，且溢流堰9顶部低于蓄水池8的蓄水水位；加压池7内按照空间依次从右向左合理安装水泵(加压泵)10、调节阀11、回流管12；调节阀11与蓄水池8相通，水泵10必须安装在加压池7低部，回流管12连通供水池6和蓄水池8。
浑水系统2由独立液压高度调节装置13、工程消能设施14、加沙机15从下向上依次安装。
沉沙系统3由软连接段16和水槽17从左向右依次连接；软连接段16为水槽17和浑水系统2右端端口的柔性连接；水槽17内从下向上依次布设消能植物18和变坡连接杆19，消能植物18位于水槽17的槽内底部，变坡连接杆19位于水槽17槽壁的顶部，高度不得低于水槽17内的水面线。
变坡系统4主要由联动液压高度调节装置20组成。
收集系统5包括出水口21和集沙池22，出水口21安装于水槽17最左端的底部，出水口21正对集沙池22的中心且出水口21最低端高于集沙池22，确保出水口21自由出流。
进一步优选，上述的供流系统中溢流堰必须和浑水系统紧密相连，工程消能设施必须放置在浑水系统末端。沉沙系统与浑水系统必须由橡胶等具有一定强度且易于变形的软连接相连。沉沙系统的水槽底板为钢板，为了调节水槽的底宽，钢板上需按照不同宽度刻槽，以便固定槽壁，需在槽壁顶部等间距安装可调螺杆，以便调节槽壁边坡系数。
一种消能沉沙模拟试验方法，包括以下步骤：
第一步：原型沟道概化，把原型沟道概化为底宽2.0、2.2、2.4m(试验梯度)、边坡系数1.50、1.7、2.00的梯形断面，选用1:8、1:9、1:10的变态推移质模型，用中径d50＝0.40mm、d50＝0.50mm、d50＝0.60mm(试验粒径)天然沙(土)为模型沙(土)，探究灌木植物对粗泥沙的拦截效果；
第二步：模型树丛的选择，由于考虑沙棘等灌木具有发达的横根和旁生枝条，且在水动力作用下发生扭曲变形，所以考虑采用羽毛来模拟沙棘灌木，羽毛下部主干3-5cm插入泥沙；模型树丛布置采取交错布置模式。
操作方法：
步骤1、按照选定的水槽断面安装水槽，使水槽的底宽和槽壁边坡系数均满足试验要求。
步骤2、利用联动液压调节装置，调节槽底坡降，以满足试验要求。
步骤3、称量选定的砂样，加入加沙机。
步骤4、开动水泵及调节阀，向蓄水池提供一定流速的水流；水流高度必须高于溢流堰堰顶高度(高度按照试验设计要求选定)。
步骤5、水流通过溢流堰流入浑水系统，开启加沙机，并且调节工程消能的位置，以便浑水能够完全生成；
步骤6、在出水口按照试验设计，每隔5～10分钟，用量筒接不小于100ml的水样；
步骤7、试验结束后，对集沙池的水沙样进行烘干处理，称量砂量。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种消能沉沙模拟试验装置，其特征在于，包括供流系统(1)、浑水系统(2)、沉沙系统(3)、变坡系统(4)和收集系统(5)，所述流系统(1)、浑水系统(2)、沉沙系统(3)、变坡系统(4)和收集系统(5)依次连接；所述供流系统(1)由供水池(6)、加压池(7)、蓄水池(8)、溢流堰(9)组成，供水池(6)、加压池(7)、蓄水池(8)从下向上依次连接；溢流堰(9)位于蓄水池(8)的右边，且溢流堰(9)顶低于蓄水池(8)的蓄水水位；加压池(7)内按照空间合理依次从右向左安装水泵(10)、调节阀(11)、回流管(12)，调节阀(11)与蓄水池(8)相通，水泵(10)必须安装在加压池(7)低部，回流管(12)连通供水池(6)、和蓄水池(8)；所述浑水系统(2)由独立液压高度调节装置(13)、工程消能(14)、加沙机(15)从下向上依次安装；沉沙系统(3)由软连接段(16)和水槽(17)从左向右依次连接；软连接段(16)用于水槽(17)和浑水系统(2)右端端口的柔性连接；水槽(17)内从下向上依次布设植物消能(18)和变坡连接杆(19)，植物消能(18)位于水槽(17)的槽内底部，变坡连接杆(19)位于水槽(17)边壁的顶部，高度不得小于水槽(17)内的水面线；变坡系统(4)主要由联动液压高度调节装置(20)组成；收集系统(5)包括出水口(21)和集沙池(22)，出水口(21)安装于水槽(17)最左端的底部，出水口(21)正对集沙池(22)的中心且出水口(21)最低端高于集沙池(22)，保证出水口(21)自由出流。
2.根据权利要求1所述的消能沉沙模拟试验装置，其特征在于，所述的供流系统中溢流堰必须和浑水系统紧密相连，工程消能必须放置在浑水系统地板，不得放置沉沙系统；沉沙系统的水槽底板为钢板，钢板按照不同底宽刻槽，槽壁安装在刻槽内；槽壁顶部均匀安装带有螺帽的可调宽度的螺杆，以便调节槽壁边坡系数。
3.一种消能沉沙模拟试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、按照选定的水槽断面安装左右水槽，使水槽的底宽和槽壁边坡系数满足试验要求；
步骤2、利用联动液压调节装置，调节槽底坡降，以满足试验要求；
步骤3、称量选定的砂样，加入加沙机；
步骤4、开动水泵及调节阀，向蓄水池提供一定流速的水流；水流高度必须高于溢流堰堰顶；
步骤5、水流通过溢流堰流入浑水系统，开启加沙机，并且调节工程消能的位置，以便浑水能够完全生成；
步骤6、在出水口按照试验设置，每隔5～10分钟，用量筒接不小于100ml的水样；
步骤7、试验结束后，对集沙池的水沙样进行烘干处理，称量砂量。
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