CN111307411B - 模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置和实验方法。所述装置包括蓄水箱、向蓄水槽中注水并量取蓄水槽上游来流流量的量水堰、与蓄水箱出口相接的主槽、与主槽侧向相交的支沟，以及支架。其中主槽坡度、支沟坡度、衔接板高度可调，主槽的流体通道宽度可调，来流流量及水面高度可调，从而能够更精准地模拟不同主槽和支沟条件下，以及不同的支沟滑坡体物源量级条件下滑坡堵江形成堰塞坝的过程，以及溃决洪水演进过程，有利于更全面的获取堰塞坝灾害链演进规律，形成特征及溃决供水特性的数据，提高对堰塞坝的形成过程及堰塞坝溃决机理研究的科学性和准确性。

Description

模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置和实验方法

技术领域

本发明涉属于力学模型实验设施领域，具体涉及一种用于溃坝问题研究中模拟堰塞坝形成至溃坝的试验装置。

背景技术

我国西南地区地形以高原山地为主，山谷中穿梭有众多河流，表现出极大的地表切割和起伏，造成该地区地质灾害频发。在地震或暴雨等自然灾害的作用下，经常发生滑坡泥石流等自然灾害，河岸边坡易受到影响从而失稳导致大规模土石混合体滑入河流，进而形成堰塞坝堵塞河流。若堰塞坝一时间没有溃坝，河水将在坝后形成堰塞湖。堰塞坝堵塞河流，河水一时无法排出，堰塞湖的库容会随时间逐渐累积并达到一个较高的值，并且由于堰塞坝这种天然坝体的稳定性难以估测，一旦突然发生溃坝将产生灾难性的洪水，对下游人民的生命财产造成极大的威胁。

一直以来，如何对堰塞坝的形成过程及堰塞坝溃决机理进行更深一步的研究是亟需解决的问题。在此之前，已经开展的研究多是将堰塞坝的形成与溃坝洪水演进过程分开来看待，进而通过模型实验或者数值计算等手段隔离开来分别研究。现有模型试验中，水槽中的堰塞坝往往都是预先制作好放置于水槽中，然后再进行放水冲刷，然而在原型中却往往是滑坡滑入流动的河流中去。已有模型中坝体大多有规则的形状，物理性质均一，而原型中河流滑入的土石堆积体形状并不规则。这些可能导致模型土坝的渗透性和局部坝高等对堰塞坝溃决有较大影响的性质与实际情况不同，从而不能够准确模拟真实情况进行试验，带来试验偏差。并且，我国目前各地所形成的堰塞坝所处的地形地貌，河流流态等各不相同，现有模型实验少有能灵活满足各类实验，不能真实地模拟实际河流情况，且搭建困难，造价较高。因此，研究一种更为贴近原型，灵活满足各类参数的模拟，且搭建容易，造价低廉的模拟堰塞坝形成至溃坝的试验装置试验具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置和实验方法，进一步还原真实情况，提高对堰塞坝的形成过程及堰塞坝溃决机理研究的科学性和准确性。

本发明提供的模拟堰塞坝形成至溃坝的试验装置，包括蓄水箱、向蓄水槽中注水并量取蓄水槽上游来流流量的量水堰、与蓄水箱出口相接的主槽、与主槽侧向相交的支沟，以及支架；

所述主槽侧壁设置有与支沟衔接的缺口，所述支沟的出口通过衔接板安装在开口处，衔接板上开有与支沟出口外形匹配的水平向缺口，所述衔接板安装在主槽缺口处，使用水平缺口位于主槽侧壁的缺口范围内，支沟出口末端架设在衔接板的水平缺口之上，实现与主槽相通；所述支沟上部设置有用于在支沟顶部隔离出独立空间的闸门；；所述蓄水箱与主槽的衔接处设有沿主槽宽度方向的横向挡板，主槽底板上沿主槽纵向轴线设置有垂直于主槽底板的纵向挡板，横向挡板的一端与蓄水槽的侧壁连接，另一端与纵向挡板的上端连接，横向挡板配套设置有不同长度(沿主槽横向的长度)，不同长度的横向挡板与纵向挡板组合连接，用以调节主槽的流体通道宽度；所述支架由位于支沟下方支撑支沟的支沟支架和位于主槽和蓄水箱下方的支撑主槽和蓄水箱的主槽支架组成，各支架均由若干横杆和竖杆依照支沟、主槽所需坡度以及蓄水箱的水平高度可拆卸地相互连接搭建成框架结构而成；

由于主槽具有一定坡度，而主槽上的开口开在主槽的侧壁上，因此开口也具有一定的倾斜度，为了使支沟中的流体顺利进入主槽，采用衔接板来衔接，使支沟的底板在横向宽度方向不至于倾斜，始终保持宽度方向与底面平行的方式与主槽连同，而不受主槽坡度的影响，从而使流体顺利进入主槽中而不至于倾翻。

不同宽度的主槽流体通道宽度满足不同实验工况的需要，进而调节主槽流体通道与支沟宽度的比例，进而调节流量、流速。各项参数的调整，可以达到多个物理模型才能完成的试验效果，进而避免多个模型的建设，节约试验费用。调整各项参数可以更全面的获取堰塞坝灾害链演进规律，形成特征及溃决供水特性的数据。

进一步地，所述衔接板由竖板和支撑竖板的支撑杆构成，所述支撑杆高度可调，配合支沟支架实现支沟坡度的调节。优选地，所述衔接板的支撑杆由固定杆、活动杆和底座构成，所述固定杆固定在底座上，活动杆的顶部与竖板固定连接，固定杆和活动杆上沿高程分别设置若干横向贯穿杆体的穿孔，固定杆和活动杆上不同高程的穿孔对应重合后通过螺钉将活动杆和固定杆连接固定，实现竖板的不同高度的调节。

进一步地，所述主槽蓄水装置通过铰链连接，从而方便主槽的坡度调节。衔接处通过橡胶等密封材质进行密封，避免漏水。

通过衔接板和可拆卸连接的支沟支架的配合，可灵活调节支沟的倾斜角度，通过主槽与蓄水箱的铰链连接以及主槽支架的配合，可灵活调节主槽的倾斜角度。

进一步地，所述衔接板在主槽侧面的安装方式如下：在主槽外侧壁上开口两侧设置有两根竖向的安装条，安装条上开设有与竖板厚度匹配半凹槽，半凹槽与主槽外侧壁面结合形成与竖板匹配的凹槽，两个安装条之间的水平距离与竖板的宽度匹配，竖板两侧边缘从上至下插入凹槽中，实现竖板与主槽侧壁的紧密贴合，也同时提高支沟的安装稳定性。此外，在主槽侧壁缺口与衔接板之间采用橡胶条等密封材料密封，以免渗水。

进一步地，衔接板的竖板具有一定厚度使支沟的出口的底板边缘置于竖板的缺口中，主槽的侧壁平齐，从而使支沟内的泥石流更接近自然状态地流入主槽中。

进一步地，所述支沟支架和主槽支架由若干高度不等的钢管组成，通过钢管卡扣依照所需支撑的支沟的坡度、主槽的坡度以及蓄水槽的高度可拆卸连接安装在对应的支沟、主槽和蓄水槽底部，所述支沟底部和主槽底部分别设置有垂直支沟和主槽底面向下的固定板，将主槽和支沟放在对应的支架上时，所述固定板位于对应支架的横杆沿坡面的上方，通过横杆对固定板的限位，从而对支沟和主槽限位，使支沟和主槽在坡向保持稳定。

进一步地，所述主槽边壁以及所述挡板上设置有获取洪水演进特性的监测装置。

本发明装置达到多个物理模型才能完成的试验效果，进而避免多个模型的建设，节约试验费用。

本发明提供的基于上述实验装置的模拟堰塞坝形成至溃坝的方法，包括以下步骤：

(1)调节支架、衔接板高度以及横向挡板的长度，使主槽、支沟的坡度以及主槽的流体流通道宽度满足实验设定需要；布置摄像机，拍摄土体从支沟滑入主槽(2)并形成堰塞体的全过程；布置摄像机，拍摄堰塞体上下游坡面及顶部受水流侵蚀过程；

(2)在支沟(3)顶部独立空间提前堆积试验所需的土体，关闭闸门使土体保持稳定，在后续试验设定时机将闸门开启使土体从支沟释放，模拟泥石流；

(3)通过水泵向量水堰(7)中注水，控制水泵功率使从量水堰流入蓄水箱(1)中的流量符合试验需求，水流在蓄水箱(1)中稳定后流入主槽(2)；

(4)待试验所需流量在主槽(2)稳定后，打开支沟(3)顶部闸门，释放支沟顶部堆放的土体，摄像机拍摄土体滑动轨迹及其在主槽(2)中所形成的堰塞体受水流侵蚀冲刷的过程；

(5)按照实验所需不同主槽坡度、不同支沟坡度、不同上游来流流量重复前序步骤，获取多种不同条件下的堰塞坝形成至溃坝过程的图像和数据，对比分析试验结果。

进一步对，采用matlab将视频数据分解成以帧数为单位的图片数据，计算出泥石流速度、堰塞体高宽、堰塞坝形成至溃坝的时间。比如，支沟正对面摄像机拍摄土体从支沟滑入主槽全过程，使用matlab将视频数据分解成以帧数为单位的图片数据，将土体从初始位置刚开始移动时作为起点，土体滑落刚触碰到主槽时为终点，找到相关的两张图片，计算起点与终点的距离及帧数差值即可计算土体的滑落速度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明所述模拟堰塞坝形成至溃坝的试验装置，主槽坡度、支沟坡度、衔接板高度可调，主槽的流体通道宽度可调(同时也是的主槽和支沟的宽度比例可调)，来流流量及水面高度可调，从而能够更精准地模拟不同主槽和支沟条件下，以及不同的支沟滑坡体物源量级条件下滑坡堵江形成堰塞坝的过程，以及溃决洪水演进过程，有利于更全面的获取堰塞坝灾害链演进规律，形成特征及溃决供水特性的数据，提高对堰塞坝的形成过程及堰塞坝溃决机理研究的科学性和准确性。

2.本发明所述装置实现了堰塞湖形成过程的模拟，同时还能模拟堰塞坝的溃坝过程，试验连续性强，可以实现多种情况的模拟，节约人力。

3.本发明所述装置结构简单，没有复杂的器械，搭建简便，适应性很强，实验数据更接近于真实，同一工况可重复操作，该装置可广泛的用于滑坡堵江模拟试验当中。

附图说明

图1为本发明所述实验装置的立体结构示意图。

图2为本发明所述装置主视图。

图3为本发明所述实验装置的支沟和衔接板的安装示意图。

图中：1-蓄水箱，2-主槽，3-支沟，4-衔接板，5-1-纵向挡板，5-1-横向挡板，6-支架。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步地详细说明。有必要指出，以下实施例只用于对本发明作进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员根据上述发明内容，对本发明做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，仍属于发明保护的范围。

实施例1

模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置，包括蓄水箱1、向蓄水槽中注水并量取蓄水槽上游来流流量的量水堰7、与蓄水箱出口相接的主槽2、与主槽侧向相交的支沟3，以及支架6。

所述主槽与蓄水装置通过铰链连接，且在连接处采用橡胶条密封避免渗漏。所述主槽侧壁设置有与支沟衔接的缺口，所述支沟的出口通过衔接板4安装在开口处，衔接板上开有与支沟出口外形匹配的水平向缺口，所述衔接板固定在主槽缺口处，使用水平缺口位于主槽侧壁的缺口范围内，支沟出口末端架设在衔接板的水平缺口之上，所述支沟出口的底板边缘与主槽的侧壁平齐，实现与主槽相通；所述支沟上部设置有用于在支沟顶部隔离出独立空间的闸门；所述蓄水箱与主槽的衔接处设有沿主槽宽度方向的横向挡板5-2，主槽底板上沿主槽纵向轴线且垂直于主槽底板的纵向挡板5-1，横向挡板的一端与蓄水槽的侧壁连接，另一端与纵向挡板的上端连接，横向挡板配套设置有不同长度，不同长度的横向挡板与纵向挡板组合连接，用以调节主槽内的流体通道宽度。

所述支架由位于支沟下方支撑支沟的支沟支架和位于主槽和蓄水箱下方的支撑主槽和蓄水箱的主槽支架组成，支沟支架和主槽支架由若干高度不等的钢管组成，通过钢管卡扣依照所需支撑的支沟的坡度、主槽的坡度以及蓄水槽的高度可拆卸连接安装在对应的支沟、主槽和蓄水槽底部。所述支沟底部和主槽底部分别设置有垂直支沟和主槽底面向下的固定板，将主槽和支沟放在对应的支架上时，所述固定板位于对应支架的横杆沿坡面的上方，通过横杆对固定板的限位，从而对支沟和主槽限位，使支沟和主槽坡向保持稳定。

所述衔接板由竖板和支撑竖板的支撑杆构成，所述支撑杆由固定杆、活动杆和底座构成，所述固定杆固定在底座上，活动杆的顶部与竖板固定连接，固定杆和活动杆上沿高程分别设置若干横向贯穿杆体的穿孔，固定杆和活动杆上不同高程的穿孔对应重合后通过螺钉将活动杆和固定杆连接固定，实现竖板的不同高度的调节。衔接板在主槽侧面的安装方式如下：在主槽外侧壁上开口两侧设置有两根竖向的安装条，安装条上开设有与竖板厚度匹配半凹槽，半凹槽与主槽外侧壁面结合形成与竖板匹配的凹槽，两个安装条之间的水平距离与竖板的宽度匹配，竖板两侧边缘从上至下插入凹槽中，实现竖板与主槽侧壁的紧密贴合，也同时提高支沟的安装稳定性。主槽侧壁缺口与衔接板之间采用橡胶条等密封材料密封以免渗水。

实施例2

采用实施例1所述结构的实验装置进行模拟堰塞坝形成至溃坝的实验。装置尺寸如下：试验以金沙江白格堰塞湖为原型，原型河道宽度取为600m，入库流量约为1000m³/s，模型主槽宽度设定为1.5m，长度为5m，坡度为15°。支沟宽度0.5m，长度为2.5m，坡度为20°。根据相似理论，本试验几何比尺参数为原型河道宽度与模型主槽宽度的比值，其值为1200。由该几何比尺计算可得，模型入流量为0.1L/s。控制水泵，使量堰处处流量为0.1L/s。试验土体为白格堰塞湖附近土体，质量为50kg。通过主槽挡板控制主槽的宽度为0.8m，设置有多个高速摄像机监测土体运动状态和水体流态。

试验方法：

(1)调节支架(6)在主槽(2)底部横杆的相对位置及挡板(5-1，5-2)使主槽(2)的坡度及宽度合试验需求；

(2)调节支架(6)在支沟(3)底部横杆的相对位置及衔接板(4)活动杆的位置使支沟(3)的横纵向坡度及其与主槽的相对高度符合试验需求；

(3)在支沟(3)提前堆积试验所需的土体，在试验所需时机将其释放；

(4)控制水泵功率使其抽入蓄水箱(1)中的水流量为试验所需，蓄水箱(1)中的水将流入主槽(2)；

(5)释放支沟(3)处土体，试验中所布置摄像机将拍摄土体滑动轨迹及其在主槽(2)中所形成的堰塞体受水流侵蚀冲刷的过程，将摄像机中视频数据用matlab分解成以帧数为单位的图片数据。将土体从初始位置刚开始移动时作为起点，土体滑落刚触碰到主槽时为终点，找到相关的两张图片，计算起点与终点的距离及帧数差值即可计算土体的滑落速度。

得到支沟处滑动土体的下滑速度及所形成堰塞坝溃坝过程中溃口深度及宽度等堰塞坝溃决特性参数。试验开始，土体以8.2m/s的速度从支沟滑向主槽，形成了坝高62cm、坝宽0.8m的堰塞体，堰塞体上游水位上升迅速。6s后，堰塞体(远离支沟一侧)受水侵蚀，产生溃口，并逐渐扩大。约5min后，堰塞体基本被土体冲刷入下游。

实施例3

采用实施例1所述结构的实验装置进行模拟堰塞坝形成至溃坝的实验。根据原型对装置的尺寸和其他参数进行调整：主槽宽度为1.5m，长度为5m，坡度为15°。控制挡板的尺寸使主槽流体通道宽度0.5m。支沟坡度为50°，宽度0.5m，长度为2.5m。上游来流流量为6L/s。试验土体为白格堰塞湖附近土体，质量为60kg。

试验开始，土体以6.2m/s的速度从支沟3滑向主槽2，形成了坝高84cm、坝宽0.5m的堰塞体，堰塞体上游水位上升迅速。12s后，远离支沟一侧土体受水侵蚀，产生溃口，并逐渐扩大。约11min后，堰塞体基本被土体冲刷入下游。

实施例4

采用实施例1所述结构的实验装置进行模拟堰塞坝形成至溃坝的实验。主槽宽度为1.5m，长度为5m，坡度为5°，控制主槽的流通通道宽度为0.6m。支沟宽度0.5m，长度为2.5m，坡度为60°。上游来流流量流量为7L/s。试验土体为白格堰塞湖附近土体，质量为55kg。

试验开始，土体以7.4m/s的速度从支沟3滑向主槽2，形成了坝高76cm、坝宽0.5m的堰塞体，堰塞体上游水位上升迅速。9s后，远离支沟一侧土体受水侵蚀，产生溃口，并逐渐扩大。约10min后，堰塞体基本被土体冲刷入下游。

综上所述，在传统的滑坡堵江试验中，模型的参数固定，往往只针对某一特定案例，本实验模型各类参数皆可修改，可适应并囊括多种试验条件，且修建工期短，试验成本不高。另外，本试验装置实验过程包括了堰塞坝形成过程及堰塞坝失稳过程，试验具有很好的连续性，因此该试验装置对滑坡堵江模型的模拟具有不凡的意义。

Claims (4)

1.一种模拟堰塞坝形成至溃坝的实验装置，其特征在于，包括蓄水箱（1）、向蓄水箱中注水并量取蓄水槽上游来流流量的量水堰（7）、与蓄水箱出口相接的主槽（2）、与主槽侧向相交的支沟（3），以及支架（6）；

所述主槽侧壁设置有与支沟衔接的缺口，所述支沟的出口通过衔接板（4）安装在开口处，衔接板上开有与支沟出口外形匹配的水平向缺口，所述衔接板固定在主槽缺口处，使水平缺口位于主槽侧壁的缺口范围内，支沟出口末端架设在衔接板的水平缺口之上，实现与主槽相通；所述支沟上部设置有用于在支沟顶部隔离出独立空间的闸门；所述主槽蓄水箱通过铰链连接，蓄水箱与主槽的衔接处设有沿主槽宽度方向的横向挡板（5-2），主槽底板上沿主槽纵向轴线且垂直于主槽底板的纵向挡板（5-1），横向挡板的一端与蓄水槽的侧壁连接，另一端与纵向挡板的上端连接，横向挡板配套设置有不同长度，不同长度的横向挡板与纵向挡板组合连接，用以调节主槽内的流体通道宽度；

所述支架由位于支沟下方支撑支沟的支沟支架和位于主槽和蓄水箱下方的支撑主槽和蓄水箱的主槽支架组成，各支架均由若干横杆和竖杆依照支沟、主槽所需坡度以及蓄水箱的水平高度可拆卸地相互连接搭建成框架结构而成；

所述衔接板由竖板和支撑竖板的支撑杆构成，所述支撑杆由固定杆、活动杆和底座构成，所述固定杆固定在底座上，活动杆的顶部与竖板固定连接，固定杆和活动杆上沿高程分别设置若干横向贯穿杆体的穿孔，固定杆和活动杆上不同高程的穿孔对应重合后通过螺钉将活动杆和固定杆连接固定，实现竖板的不同高度的调节；

所述衔接板在主槽侧面的安装方式如下：在主槽外侧壁上开口两侧设置有两根竖向的安装条，安装条上开设有与竖板厚度匹配半凹槽，半凹槽与主槽外侧壁面结合形成与竖板匹配的凹槽，两个安装条之间的水平距离与竖板的宽度匹配，竖板两侧边缘从上至下插入凹槽中，实现竖板与主槽侧壁的紧密贴合，也同时提高支沟的安装稳定性；所述支沟出口的底板边缘与主槽的侧壁平齐；

所述支沟支架和主槽支架由若干高度不等的钢管组成，通过钢管卡扣依照所需支撑的支沟的坡度、主槽的坡度以及蓄水槽的高度可拆卸连接安装在对应的支沟、主槽和蓄水槽底部；所述支沟底部和主槽底部分别设置有垂直支沟和主槽底面向下的固定板，将主槽和支沟放在对应的支架上时，所述固定板位于对应支架的横杆沿坡面的上方，通过横杆对固定板的限位，从而对支沟和主槽限位，使支沟和主槽坡向保持稳定。

2.根据权利要求1所述实验装置，其特征在于，主槽侧壁缺口与衔接板之间采用橡胶条密封材料密封以免渗水。

3.基于权利要求1-2中任一权利要求所述实验装置的模拟堰塞坝形成至溃坝的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）调节支架、衔接板高度以及横向挡板的长度，使主槽、支沟的坡度以及主槽的流体流通道宽度满足实验设定需要；布置摄像机，拍摄土体从支沟滑入主槽（2）并形成堰塞体的全过程；布置摄像机，拍摄堰塞体上下游坡面及顶部受水流侵蚀过程；

（2）在支沟（3）顶部独立空间提前堆积试验所需的土体，关闭闸门使土体保持稳定，在后续试验设定时机将闸门开启使土体从支沟释放，模拟泥石流；

（3）通过水泵向量水堰（7）中注水，控制水泵功率使从量水堰流入蓄水箱（1）中的流量符合试验需求，水流在蓄水箱（1）中稳定后流入主槽（2）；

（4）待试验所需流量在主槽（2）稳定后，打开支沟（3）顶部闸门，释放支沟顶部堆放的土体，摄像机拍摄土体滑动轨迹及其在主槽（2）中所形成的堰塞体受水流侵蚀冲刷的过程；

（5）按照实验所需不同主槽坡度、不同支沟坡度、不同上游来流流量重复前序步骤，获取多种不同条件下的堰塞坝形成至溃坝过程的图像和数据，对比分析试验结果。

4.根据权利要求3所述方法，其特征在于，采用matlab将视频数据分解成以帧数为单位的图片数据，计算出泥石流速度、堰塞体高宽、堰塞坝形成至溃坝的时间。

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