CN110501246A - 堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，包括：建立试验堤防，在试验堤防顶面设置初始溃口；在试验堤防上水平设置与其相对的透明板材，透明板材上沿其宽度方向设置有多组通孔，通孔中穿设有针，针穿过通孔插设在试验堤防中，试验堤防侧边设置有用于水平拍摄针顶部下降情况的第一相机；在初始溃口上方设置第二相机，第二相机垂直向下拍摄试验堤防受水流侵蚀情况，在拍摄过程中开展堤防溃决试验，根据拍摄的照片计算得出溃口的展宽宽度和变化过程。本发明可以同时测量溃口展宽宽度与下切深度，可用于分析溃口的发展机理，计算溃口展宽速率、下泄流量等，为预估实际洪水过程中堤防溃决过程提供参考依据。

Description

堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法
技术领域
本发明涉及水利工程的技术领域，具体涉及一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法。
背景技术
堤防溃决引发的洪水灾害常常带来非常严重的生命财产损失，如1998年长江大洪水中，湖北省魏家码头堤段发生溃决，最大溃口口门宽度760.0m，最深冲坑达30.3m，造成44人死亡或失踪，直接经济损失达15.85亿元；2003年黄河蔡集工程上首生产堤溃决，导致洪水漫滩，兰考东明滩区水深0.5～1.5m，最大淹没水深5.0m，受淹面积达到185.0km2，11.4万人被水围困，3.6万余间房屋遭到不同程度损毁，淹没耕地167.6km2，直接经济损失7.55亿元。由此可见，一旦出现超河道行洪标准的洪水，堤防将有可能发生溃决，造成难以挽救的人员伤亡与财产损失。故许多学者采用水槽试验或概化模型试验的方法研究堤防的溃决过程与堤防的溃决机理，有效预测实际洪水中溃口几何要素的发展过程，进而计算溃口处流量并模拟洪水的演进过程，评估洪水风险。在堤防溃决的水槽试验中，对于堤防发生整体漫溢的情况，常常利用摄像机从透明玻璃水槽侧向拍摄的方法，测量溃口纵剖面地形的变化情况；但对于概化模型试验中，堤防的局部出现小溃口，溃口的展宽过程和下切过程中地形的测量一直是难以解决的问题。随着科技的发展，摄像或照相已成为非常常见的技术手段，因此如何利用摄像或照相技术，测量溃口地形的变化过程(如溃口的宽度及冲深等)，将更有利于堤防溃决过程与机理等相关研究的开展，进而有效指导实际堤防溃决中的抗洪抢险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，该方法有助于堤防溃决的概化模型试验中测量溃口横向展宽宽度和下切深度等几何要素，对实际堤防溃决中的抗洪抢险工作有着积极的指导意义。
本发明解决上述技术问题所采用的方案是：
一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，包括如下步骤：
S1：根据研究区域的堤防为模型建立试验堤防，在试验堤防顶面中部设置初始溃口；
S2：在试验堤防的上方水平设置与其相对的透明板材，所述透明板材上沿其宽度方向设置有多组通孔，所述通孔中穿设有针，所述针穿过所述通孔垂直插设在所述试验堤防中，所述试验堤防侧边设置有用于水平拍摄所述针顶部下降高度变化的第一相机；
S3：在试验堤防顶面上方设置第二相机，所述第二相机垂直向下拍摄试验堤防受水流侵蚀的情况，在拍摄过程中，开展堤防溃决试验，采用水流不断冲刷试验堤防，拍摄结束后根据所述第二相机拍摄的不同时间点的照片中溃口情况测量得出溃口的展宽宽度以及得出溃口展宽宽度的变化过程。
进一步地，步骤S1中，在建立试验堤防后，采用与试验堤防的试验土体形成反差的染料在试验堤防的顶面上沿其长度方向划定多根与其宽度方向平行的标记线。
进一步地，所述相邻的两根标记线之间的间距为5-10cm。
进一步地，根据所述第二相机拍摄某一时间点的照片，如果照片溃口处的水体与堤身交界处在划定的标记线上，则根据标记线之间的间距直接读取溃口的展宽宽度；如果照片溃口处的水体与堤身交界处不在划定的标记线上，则根据照片中水体与交界处所在的标记线的图上距离和实际标记线距离确定换算比例，再根据溃口的图上距离以及换算比例换算得到溃口的展宽宽度。
进一步地，所述针的顶部设置有标记物。
进一步地，在所述试验堤防与第一相机相对的侧边竖直设置有用于观察所述针的顶部下降高度变化的坐标纸，所述坐标纸上设置有刻度标识。
进一步地，在试验堤防的上方至少水平设置两块透明的板材，所述两块透明的板材相对设置且两者之间具有高度差，所述两块透明的板材上均沿其宽度方向设置有多组通孔，且所述两块透明的板材上的多组通孔一一对应设置。
进一步地，所述通孔的孔径大于所述针的直径。
进一步地，每组所述通孔中相邻的两个通孔之间的间距为5-10cm。
进一步地，所述针的直径为0.5-1mm，所述针的长度为30-50cm。
域现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：本发明提出了溃口下切深度和展宽宽度的测量方法，在本发明中通过设置多层有机玻璃板并在多层有机玻璃板打孔，从而保证钢针穿孔后垂直于地面插设在试验堤防中，在通过第一相机拍摄钢针下降变化的照片，根据照片中坐标纸对应的读数测量得到钢针的下降高度，以此反映溃口的下切深度；在测量溃口展宽宽度时，事先在试验堤防顶面采用与土体反差较大的染剂划定多条标记线，利用第二相机拍摄堤防溃决过程，按照照片与实际尺寸的比例关系，根据照片中溃口的尺寸换算得到实际溃口展宽的宽度以及溃口展宽宽度的变化过程；本发明可以同时测量溃口展宽宽度与下切深度，且本发明可以展示出溃口展宽变化的过程，可用于分析溃口的发展机理，计算溃口展宽速率，下泄流量等，为预估实际洪水过程中堤防溃决过程提供参考依据。
附图说明
图1为试验堤防的俯视图；
图2为图1中的B-B’剖面图；
图3为图1中的D-D’剖面图；
图4为图2中虚线框内的细节放大图；
图5为堤防溃口冲深测量装置及其布置示意照片；
图6为堤防溃口横向展宽过程平面示意图；
图7为堤防A-A’断面冲深变化测量结果。
具体实施方式
为更好的理解本发明，下面的实施例是对本发明的进一步说明，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
本发明提供一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，包括如下步骤：
S1：以黄河下游生产堤为研究模型建立试验堤防，该试验提防的形状和尺寸如图1、图2以及图3共同所示，堤长70cm，堤高10cm，堤脚宽度40cm，堤顶宽度10cm。在本实施例中，临水坡和背水坡的坡比均为1:1.5(需要指出的是，该试验以黄河下游生产堤为试验对象，而根据堤防工程设计规范(GB50286-98)中要求，1、2级土堤的地坡不宜陡于1：3)。在试验堤防顶面的中央设置一个初始溃口，如图4所示，该初始溃口在试验堤防的纵向剖面上呈等腰直角三角形，初始溃口顶部宽2cm，初始溃口的设置可以截住一定冲刷的水流，有利于加快溃口的变形，从而节省试验的时间。见图5，为了便于测量和观察溃口的展宽变化过程，采用与试验堤防模型的试验土体颜色形成反差的染料在试验堤防的顶面沿其长度方向划定多条与其宽度方向平行的标记线，相邻的两条标记线之间的距离为5-10cm，在本实施例中，采用白色的染剂每隔10cm划定一条与试验堤防的顶面宽度方向平行的白色标记线7，该白色标记线7的划定便于后续测量初始溃口变形的展宽宽度。
S2：在试验堤防上布设堤防溃口冲深测量装置，见图5，其布设方法为：选取多块第一有机透明玻璃板1，在本实施例中选取两块第一有机透明玻璃板1，两块第一有机透明玻璃板1的两端分部通过竖直设置的第二有机透明玻璃板2连接形成长方体的框架，该框架架设在试验堤防的顶面上方且该框架的底面与试验堤防的顶面之间具有高度差。架设完成后的框架中的两块第一有机透明玻璃板1与水平面平行，且两者相对设置并存在高度差。为了便于测量初始溃口变形过程的下切深度，在两块第一有机透明玻璃板1上沿其宽度方向均设置3组通孔，每组通孔与第一有机透明玻璃板1的长度方向平行，两块第一有机透明玻璃板1上的3组通孔一一对应设置，且该3组通孔对应试验堤防的3个纵断面，即对应图1中试验堤防上的A-A’、B-B’、C-C’纵断面。每组通孔包括多个通孔，每组通孔中相邻的两个通孔之间的间距为5-10cm，在本实施例中，相邻的两个通孔之间的间距设置为5cm。在每个通孔中插设一根钢针3，该钢针3竖直穿过两块第一有机透明玻璃板1上的对应的通孔然后插设在试验堤防相应的纵断面上。为了保证钢针3能在通孔中自由滑落，通孔的内径略大于钢针3的直径，由于钢针3对水流具有一定的阻挡作用，故所选钢针3不宜过粗，但要保证钢针3的刚度，钢针3也不宜过细，因此，钢针3的直径为0.5-1cm比较合适，综合考虑后，本实施例选用直径为1mm左右的钢针3，对应的通孔的内径则为1.5cm。考虑试验堤防高度和框架的高度，在本实施例中，钢针3的长度为30-50cm比较合适。至此，堤防溃口冲深测量装置设置完成。为了能观察整个试验过程中钢针3下降高度变化情况，在试验堤防顶面4的长边对应的正前方设置有用于水平拍摄钢针3下降高度变化情况的第一相机。为便于第一相机拍摄钢针下降的高度变化，在钢针3顶端固定一个明显的标记物5，从而有助于视频(照片)中高度变化的提取。而为了能直接从照片中读取钢针3下降高度的距离，在第一相机对应的框架的另一侧边竖直设置一坐标纸6，该坐标纸6上设置有刻度标识。在坐标纸6设置时，保证在第一相机进行拍摄时所有钢针3都能投射到坐标纸6上。
S3：在试验堤防顶面的正上方设置有第二相机，第二相机垂直向下拍摄试验堤防顶面4的受水流侵蚀情况，在拍摄过程中，开展堤防溃决试验，用水流不断冲刷整个试验堤防并保证在冲刷时水流漫溢过试验堤防的顶面，用第二相机拍摄整个溃决过程。拍摄完成后，从第二相机中选取特定时间点拍摄的照片，根据照片上水流与试验堤防的堤身干湿交界所在的位置测量溃口的展宽宽度。具体地，根据第二相机拍摄某一时间点的照片，如果照片上的溃口处的水体与堤身交界处在划定的标记线上，则根据标记线之间的间距直接读取溃口的展宽宽度；如果照片上溃口处的水体与堤身交界处不在划定的标记线上，则根据照片中水体与交界处所在的标记线的图上距离和实际标记线距离确定换算比例，再根据溃口的图上距离以及换算比例换算得到溃口的展宽宽度。本实施例中初始溃口在各时间点的变形情况如图6所示，根据图6，我们可以计算得出溃口的展宽宽度以及溃口展宽宽度随冲刷时间的变化过程。
此外，在堤防溃决试验结束后，利用第一相机在水平方向拍摄的照片测量溃口在试验过程中的下切深度，具体地，其是根据钢针顶端下降的高度来确定钢针所在位置的下切深度，该下降的高度可以直接在坐标纸上读出。本实施例中，溃口在试验过程中的下切深度测量结果如图7所示。
以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，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的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：根据研究区域的堤防为模型建立试验堤防，在试验堤防顶面中部设置初始溃口；
S2：在试验堤防的上方水平设置与其相对的透明板材，所述透明板材上沿其宽度方向设置有多组通孔，所述通孔中穿设有针，所述针穿过所述通孔垂直插设在所述试验堤防中，所述试验堤防侧边设置有用于水平拍摄所述针顶部下降高度变化的第一相机；
S3：在试验堤防顶面上方设置第二相机，所述第二相机垂直向下拍摄试验堤防受水流侵蚀的情况，在拍摄过程中，开展堤防溃决试验，采用水流不断冲刷试验堤防，拍摄结束后根据所述第二相机拍摄的不同时间点的照片中溃口情况测量得出溃口的展宽宽度以及得出溃口展宽宽度的变化过程。
2.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，步骤S1中，在建立试验堤防后，采用与试验堤防的试验土体形成反差的染料在试验堤防的顶面上沿其长度方向划定多根与其宽度方向平行的标记线。
3.根据权利要求2所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，所述相邻的两根标记线之间的间距为5-10cm。
4.根据权利要求2所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，根据所述第二相机拍摄某一时间点的照片，如果照片溃口处的水体与堤身交界处在划定的标记线上，则根据标记线之间的间距直接读取溃口的展宽宽度；如果照片溃口处的水体与堤身交界处不在划定的标记线上，则根据照片中水体与交界处所在的标记线的图上距离和实际标记线距离确定换算比例，再根据溃口的图上距离以及换算比例换算得到溃口的展宽宽度。
5.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，所述针的顶部设置有标记物。
6.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，在所述试验堤防与所述第一相机相对的侧边竖直设置有用于观察所述针的顶部下降高度变化的坐标纸，所述坐标纸上设置有刻度标识。
7.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，在试验堤防的上方至少水平设置两块透明的板材，所述两块透明的板材相对设置且两者之间具有高度差，所述两块透明的板材上均沿其宽度方向设置有多组通孔，且所述两块透明的板材上的多组通孔一一对应设置。
8.根据权利要求1或7所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，所述通孔的孔径大于所述针的直径。
9.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，每组所述通孔中相邻的两个通孔之间的间距为5-10cm。
10.根据权利要求1所述的一种堤防溃决概化模型试验中测定溃口形态变化过程的方法，其特征在于，所述针的直径为0.5-1mm，所述针的长度为30-50cm。
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