CN110344365A - 长段落护岸冲刷模拟模型及实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于公路设计技术领域，具体涉及一种沿河长段落护岸冲刷模拟模型及实验方法，解决了目前规范中长沿河公路路堤侵入并压缩河道条件下的路基冲刷还无明确计算方法，仅是参考桥梁水文的相关计算与实际情况不符的问题，包括进水箱、退水箱和矩形水槽，矩形水槽内设置有河床泥沙，矩形水槽包括直线段和弯道段，进水箱一端与直线段连接，直线段连接有弯道段，弯道段与退水箱连接，退水箱内设置有过滤装置，用于过滤掉进入退水箱内的河床泥沙，进水箱与退水箱间连接有钢管管路，钢管管路上设置有管道泵、电磁流量计和法兰闸阀。本发明在室内建立一套模拟长段落护岸冲刷实验装置，进一步建立弯道水流与沿河路基冲刷数学模型。
Description
技术领域
本发明属于公路设计技术领域，具体涉及一种长段落护岸冲刷模拟模型及实验方法。
背景技术
近年来，山区高速公路逐渐增多，沿河公路段落比例不断增多，护岸所占比重之大，单段段落长度之长，是目前山西高速公路建设过程中前所未有的。路堤侵入河道后，压缩河道流水断面，必然改变天然河道的水力因素，使水位升高，流速增大，加剧对路堤的危害。同时，局部河床形态与水力因素的变化，将影响上、下游较长河段的水流状态，引起对沿河建筑物、农田、房舍的危害。特别是在暴雨洪水季节，由于冲刷造成沿河公路路基毁坏的事件经常发生。
根据已有文献资料报道，对路基护墙或护坡的冲刷，国外研究相对比较少，研究路基冲刷及冲刷防护型式，该领域的研究多集中在丁坝方面，沿河长段落护岸冲刷研究相对较少，前苏联的特殊地带有采用斧腹式丁坝，有些国家采用坦萨土工格栅技术，但都有很大的局限性，且许多研究成果和公式尚待深入完善。目前规范中长沿河公路路堤侵入并压缩河道条件下的路基冲刷还无明确计算方法，仅是参考桥梁水文的相关计算，但这和实际情况有所不符。
是否能够发明一种沿河长段落护岸冲刷模拟模型，将对沿河公路水力计算及冲刷机理进行研究，为今后沿河公路水力计算提供理论支持和技术支持。
发明内容
本发明为了解决目前规范中长沿河公路路堤侵入并压缩河道条件下的路基冲刷还无明确计算方法，仅是参考桥梁水文的相关计算与实际情况不符的问题，提供了一种长段落护岸冲刷模拟模型及实验方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：一种沿河长段落护岸冲刷模拟模型，包括进水箱、退水箱和矩形水槽，矩形水槽内设置有河床泥沙，矩形水槽包括直线段和弯道段，进水箱一端与直线段连接，直线段连接有弯道段，弯道段与退水箱连接，退水箱内设置有过滤装置，用于过滤掉进入退水箱内的河床泥沙，进水箱与退水箱间连接有钢管管路，钢管管路上设置有管道泵、电磁流量计和法兰闸阀。
进水箱和退水箱设置在地面上，且进水箱和退水箱均设置有稳水板。
矩形水槽采用透明的有机玻璃制成，矩形水槽与地面不接触且矩形水槽底部设置有支撑架，其中直线段和弯道段的底标高相同。
弯道段相对于直线段的夹角取值范围为10°～60°。
河床泥沙采用经过加工的木粉模型沙。
一种长段落护岸冲刷模拟模型实验方法，包括如下步骤：
S1.记录矩形水槽内的初始铺沙高度，向进水箱内注水至设计深度，启动管道泵，实现水在进水箱、矩形水槽、退水箱、钢管管路中的循环；
S2.调节法兰闸阀控制进入矩形水槽的流量，并利用电磁流量计进行实时观测流量值并记录；
S3.当模型中的水流稳定后，利用旋桨式智能流速仪测量流速，并分别在直线段中部、直线段与弯道段连接部、弯道段中部测量水深，测量过程中观察最大冲坑所处的位置，测量并标记上述各个位置的水深，进而得到各个测量位置的河床泥沙标高；
S4.关闭法兰闸阀及管道泵使得模型内的水停止循环，利用测针对步骤S3中的矩形水槽内各测量点位的河床泥沙标高进行测量并记录；
S5.利用初始铺沙高度减去步骤S4中各测量点位的河床泥沙标高，得到多个点位的冲刷深度；
S6.对步骤S5得出的多个数值做算数平均值，得到最终的冲刷深度。
步骤S3中的水深是指水面到该位置河床泥沙顶部的距离。
本发明通过河流弯道冲坑形成机理分析及泥沙颗粒的起动条件分析的研究基础上，选取典型的沿河长段落护岸工程为对象，通过模型实验研究，获得较为实用的冲刷深度计算与防护的研究成果，通过数值模拟计算，为类似的工程设计计算提供一个范例。本发明能够针对路基冲刷提出土颗粒的影响系数，对河流泥沙颗粒的起动条件分析，选取各种山区河流泥沙的特征参数，进行了山区河流泥沙运动特性机理分析。
本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明相比现有技术具有的有益效果是：
本发明根据现场调查和理论分析探明山区河流泥沙运动特性和河流弯道水运动特性与冲刷机理，从而在室内建立一套模拟长段落护岸冲刷实验装置，进一步建立弯道水流与沿河路基冲刷数学模型。本发明根据建立的沿河长段落护岸的冲刷实验模型，进行初步实验研究，能够根据长段落护岸设计时考虑的冲刷影响，进行简化的冲刷计算分析，结合实验数据，分析验证，得出长段落护岸冲刷的分析方法。
附图说明
图1为本发明模拟模型的结构示意图。
图中标号：1-进水箱，2-直线段，3-弯道段，4-支撑架，5-退水箱，6-管道泵，7-电磁流量计，8-法兰闸阀，9-钢管管路，10-注水阀。
具体实施方式
参照图1对本发明进行具体阐述，一种长段落护岸冲刷模拟模型，包括进水箱1、退水箱5和矩形水槽，矩形水槽内设置有河床泥沙，矩形水槽包括直线段2和弯道段3，进水箱1一端与直线段2连接，直线段2连接有弯道段3，弯道段3与退水箱5连接，退水箱5内设置有过滤装置，进水箱1与退水箱5间连接有钢管管路9，钢管管路9上设置有管道泵6、电磁流量计7和法兰闸阀8。
基于模拟模型的实验方法包括如下步骤：
S1.记录矩形水槽内的初始铺沙高度，向进水箱1内注水至设计深度，启动管道泵6，实现水在进水箱1、矩形水槽、退水箱5、钢管管路9中的循环；
S2.调节法兰闸阀8控制进入矩形水槽的流量，并利用电磁流量计7进行实时观测并记录；
S3.当模型中的水流稳定后，利用旋桨式智能流速仪测量流速，并分别在直线段2中部、直线段2与弯道段3连接部、弯道段3中部测量水深，测量过程中观察最大冲坑所处的位置，测量并标记上述各个位置的水深，进而得到各个测量位置的河床泥沙标高；
S4.关闭法兰闸阀8及管道泵6使得模型内的水停止循环，利用测针对步骤S3中的矩形水槽内各测量点位的河床泥沙标高进行测量并记录；
S5.利用初始铺沙高度减去步骤S4中各测量点位的河床泥沙标高，得到多个点位的河床泥沙冲刷深度；
S6.对步骤S5得出的多个河床泥沙数值做算数平均值，得到最终的冲刷深度值。
实验时，通过离心泵将水从地下水库抽出，经设置在进水箱1以及退水箱5上的注水阀注入既定用量的实验用水。进水箱1在与直线段2相连接的位置设有稳流板，以便使得进入矩形水槽的水流流态平稳。矩形水槽末端的弯道段2与退水箱5相连，退水箱5设有过滤装置，水流经退水箱5过滤后流入钢管管路9，再由钢管管路9流至进水箱1，从而形成一个完整的循环系统。实验通过调节法兰闸阀8来设置流量，流量的测定采用电磁流量计7实现；水深的测定采用测针进行观测；当本发明模型矩形水槽中的水流稳定后，即流量稳定时，分别在测点进行水深的测量，测量过程中观察最大冲坑所处的位置，标记并测量此处水深；流速的测定采用旋桨式智能流速仪进行观测；流速的测量与水深的测量是同时进行的，测点分别位于直线段2中部、直线段2与弯道段3连接部、弯道段3中部或者将直线段2分成上、中、下游三部分，而观测点位于上游直线段2中部、弯道段3凸侧、弯道段3凹侧、下游直线段2中部等断面。当水循环停止后，运用钢尺及测针进行地形测量。具体方法是：当矩形水槽中的水停止流动后，利用测针测量经模拟河流冲刷后的沙高，利用初始铺沙高度减去步骤S4中各测量点位的河床泥沙标高，得到多个点位的河床泥沙冲刷深度；最后对得到的多个河床泥沙数值做算数平均值，获得最终的冲刷深度值。
实施例：
收集近年来山西省临河高速公路路基冲刷资料，分析选择典型公路路基冲刷破坏路段，进行了典型路段现场观测。通过本模型实验装置，开展模型实验，结合实验数据进行统一处理，综合分析。
根据原型材质和模型实验比尺，河道直线段2与弯道段3皆用有机玻璃制作。河床泥沙用加工的木粉模型沙模拟，模型实验为自循环系统，矩形水槽采用有机玻璃构建，分别有进水箱1、退水箱5、直线段2、弯道段3、钢管管路9，其中弯道段3取值为相对于直线段2选取15°、30°、45°三种角度，以及满足各种流量。进水箱1的规格为长1.5m，宽1m，高1.2m，矩形水槽距离地面0.7m，高0.3m，宽0.3m；退水箱5长1.8m，宽1m，高1.15m，进水箱1与退水箱5均装有稳水板。
模型实验中流量测定利用电磁流量计7，测量水深和水位利用测针、钢尺和水准仪；测量流速用多功能流速仪测量；测量冲坑范围和深度用测针、钢尺和水准仪相互配合，测量河床泥沙浓度用IH型光纤浓度仪测量。
Claims (7)
1.一种长段落护岸冲刷模拟模型，其特征在于：包括进水箱（1）、退水箱（5）和矩形水槽，矩形水槽内设置有河床泥沙，矩形水槽包括直线段（2）和弯道段（3），进水箱（1）一端与直线段（2）连接，直线段（2）连接有弯道段（3），弯道段（3）与退水箱（5）连接，退水箱（5）内设置有过滤装置，进水箱（1）与退水箱（5）间连接有钢管管路（9），钢管管路（9）上设置有管道泵（6）、电磁流量计（7）和法兰闸阀（8）。
2.根据权利要求1所述的长段落护岸冲刷模拟模型，其特征在于：进水箱（1）和退水箱（5）设置在地面上，且进水箱（1）和退水箱（5）均设置有稳水板。
3.根据权利要求1所述的长段落护岸冲刷模拟模型，其特征在于：矩形水槽采用透明的有机玻璃制成，矩形水槽与地面不接触且矩形水槽底部设置有支撑架（4），其中直线段（2）和弯道段（3）的底标高相同。
4.根据权利要求1所述的长段落护岸冲刷模拟模型，其特征在于：弯道段（3）相对于直线段（2）的夹角取值范围为10°～60°。
5.根据权利要求1所述的长段落护岸冲刷模拟模型，其特征在于：河床泥沙采用经过加工的木粉模型沙。
6.根据权利要求1所述的一种长段落护岸冲刷模拟模型实验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.记录矩形水槽内的初始铺沙高度，向进水箱（1）内注水至设计深度，启动管道泵（6），实现水在进水箱（1）、矩形水槽、退水箱（5）、钢管管路（9）中的循环；
S2.调节法兰闸阀（8）控制进入矩形水槽的流量，并利用电磁流量计（7）进行实时观测并记录；
S3.当模型中的水流稳定后，利用旋桨式智能流速仪测量流速，并分别在直线段（2）中部、直线段（2）与弯道段（3）连接部、弯道段（3）中部测量水深，测量过程中观察最大冲坑所处的位置，测量并标记上述各个位置的水深，进而得到各个测量位置的河床泥沙标高；
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S5.利用初始铺沙高度减去步骤S4中各测量点位的河床泥沙标高，得到多个点位的河床泥沙冲刷深度；
S6.对步骤S5得出的多个河床泥沙数值做算数平均值，得到最终的冲刷深度值。
7.根据权利要求6所述的一种长段落护岸冲刷模拟模型实验方法，其特征在于：步骤S3中的水深是指水面到该位置河床泥沙顶部的距离。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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