CN111611701B - 一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法，包括以下步骤：(1)根据不同设计方案的地形图纸，依据由下至上、由外至内的原则，逐个分析方案地形数据，按照下至上、由外至内的原则，规划各方案制模控制断面，完成建模图纸；(2)根据各方案制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据；(3)根据提取的制模控制高程数据，绘制制模放样断面；(4)根据建模图纸以及制模放样断面板，按照由下至上、由外至内的原则，依次进行各方案的放样、浇筑混凝土施工成型，各方案之间采用隔膜隔开，待混凝土固结后，即可进行拆解拼装，即获得了可逆地形边界。本发明方法是一个制作周期短、操作容易、无特殊技术要求、并可广泛推广应用。

Description

一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法

技术领域

本发明属于水利工程模型试验技术领域，尤其涉及一种应用于水工河工模型试验可逆地形边界建模方法。

背景技术

水利工程中大中型工程及特殊复杂工程，因其特殊性、重要性以及技术复杂性，并且失事后造成严重性而被人们广泛重视，对水利工程的研究和探索从未停止。

模型试验的过程是在相似理论的指导下建立模拟试验系统。用流体测量技术测量流动参数，处理和分析试验数据。试验结果能反映工程中的实际流动规律，发现新现象，检验理论结果等。水工河工物理模型试验，是通过按比尺缩放的实体模型预演工程可能遭遇的可能出现的运行工况，达到论证及优化工程规模和布置的研究目的。该技术直观简单明了，能够自然反映原型三维水流特性，得到国内外同行认可并被广泛采用，是目前主要的研究手段之一。

水工河工模型试验研究的首要条件是建模，其中河道地形是基于根据现场测量高程数据建模，一般采用混凝土材料。常规是采用断面板法建模，其步骤：1)设计断面，先根据现场高程数据设计放样控制断面；2)断面板制作，根据放样控制断面图纸，提取绘制断面板并在制作；3)放样，根据地形图纸以及高程数据放样，固定断面板；4)施工，断面板间浇筑混凝土，根据原型河道糙率数据选择刮制或者抹制，特殊地形还需进一步加糙。

通过上述布置即可完成原始地形制模，上溯传统制作地形模型的方法费时费力、工序繁杂、效率较低，对应地形变动不大的模型来说是可以接受的。但是，往往很多模型试验是需要验证多个设计方案，不仅如此还需要进行多方案的优化工作。此时，如果还采用上述传统4步骤法制模，其弊端凸显。一是，每次调整方案都需要拆除原有模型再按照上述方法制作地形，最为致命缺点是耗时较长，一般项目研究周期不允许；二是，传统方法每修改一次地形就需要重新试验控制上下游模型边界，无法实现不停水连续试验要求，增加了各对比方案试验成果误差；三是，调整修改地形对周边未涉及区域造成影响甚至破坏；四是，传统模型制作方法是不可逆的模型制作过程，新方案建模前需要拆除旧方案，若想再恢复旧方案必须再拆除新方案重新进行旧方案建模，如此不可逆过程是费事费力费材料的，无法提高模型试验研究进度和效率；五是，模型试验过程一直处于施工-试验的转换中，模型周边安全及环境卫生难以保证。

发明内容

本发明实施例的目的在于克服现有水工河工模型地形制作方法技术存在的不足，提供一种应用于水工河工模型试验可逆地形边界建模方法，从而可快速高效的实现不停水连续快速进行试验研究，减少试验控制误差，成果一致性提高，同时实现一次性制模施工，避免了多次施工对未涉及区域的干扰破坏，也确保了模型试验场地的安全卫生。

为了达到上述目的，本发明实施例采用以下技术方案：

本发明实施例提供一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法，包括以下主要步骤：

(1)根据不同设计方案的地形图纸，依据由下至上、由外至内的原则，逐个分析方案地形数据，按照下至上、由外至内的原则，规划各方案制模控制断面，完成建模图纸；

(2)根据各方案制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据；

(3)根据提取的制模控制高程数据，绘制制模放样断面；

(4)根据建模图纸以及制模放样断面板，按照由下至上、由外至内的原则，依次进行各方案的放样、浇筑混凝土施工成型，各方案之间采用隔膜隔开，待混凝土固结后，即可进行拆解拼装，即获得了可逆地形边界。

进一步地，在由下至上、由外至内的原则下，对各方案以此编号，编号为1、2、3、4、…i。

进一步地，根据各个方案规划好的制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据，具体如下：

提取方案1地形数据之后，方案2制模控制断面顶部为方案2的制模控制高程数据，底部为方案1的制模控制高程数据；方案3制模控制断面顶部为方案3的制模控制高程数据，底部为方案2的制模控制高程数据；方案以此类推，完成所有方案制模控制断面数据提取。

进一步地，绘制制模放样断面图纸后，根据制模断面图纸制作放样断面板。

进一步地，所述进行各方案的放样中的放样施工需要分步骤进行，具体包括如下步骤：

首先进行方案i的控制断面放样，并浇筑混凝土施工制模，完成地形制作；

其次，方案i制模结束预定时间后，在方案去地形表面布设一层隔膜，然后直接将方案i-1的控制断面板固定在方案i断面上面，紧接着继续浇筑混凝土完成方案i-1地形边界制作；

最后，重复上述两个步骤，逐一完成方案i-2、i-3、…、1的地形制作，直至所有方案地形制作完成。

根据以上技术方案，本发明实施例的有益效果如下：

(1)本发明可以实现不同设计方案地形边界在建模阶段一次性建模，并且各设计方案地形边界可逆，即在试验过程中可以通过拆解拼装的方式来回切换成不同方案的地形边界。

(2)本发明可以还可以实现在不停水的情况下自由切换试验方案，确保了各设计方案对比试验的一致性，提高了试验研究成果的可靠性。

(3)本发明所述水工河工模型制模方法是一个制作周期短、操作容易、无特殊技术要求、并可广泛推广应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的方法的流程图；

图2为本发明实施例的原理示意图，图中箭头为水流方向；

图3为图2中断面地形制模剖面图；

图4为图2中断面地形制模各方案剖面分解图，图中箭头为各方案地形断面拆解拼合方向；

图5为图2中虚线矩形框地形建模后示意图；

图6为图2中虚线矩形框地形建模后各方案拆解示意图。

图中：1-方案1地形堤线，2-方案2地形堤线，3-方案3地形堤线，4-方案4地形堤线，5-模型范围边框，6-河道中心线，7-等高线，8-虚线矩形框，9-地形制作横断面1，10-地形制作横断面2，11-地形制作横断面3，12-地形制作横断面4，41-断面4断面板外框线，A-预制模块1，B-预制模块2，C-预制模块3。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，其目的在于对本发明方法作出进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。与此同时需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另有明确指出，否则单数形式也可包括复数形式。

正如背景技术部分所指出的，现有水工河工模型试验制模或模型优化过程中，需要来回多次拆除新建模型。因此，需要一种适用于该条件下建模方法已解决上述问题，本发明提供一种应用于水工河工模型试验可逆地形边界建模方法，可实现一次性建模，解决上述问题。

下面结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

如附图1所示，本实施例提供一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法，主要包括以下步骤：

步骤S101，根据不同设计方案的地形图纸，依据由下至上、由外至内的原则，逐个分析方案地形数据，按照下至上、由外至内的原则，规划各方案制模控制断面，完成建模图纸。

具体地，该步骤是本发明最核心，也是关键的步骤。首先需要厘清各个设计或优化方案的地形图纸，如图2所示，为本实施例建模图纸，包括模型范围边界线5，河道中心线6，地形高程数据-等高线7以及本实施例所述4个方案，4个方案堤线分别为1、2、3、4；然后按照由下至上，由外至内的原则，逐个分析4方案地形数据，本实施例选用虚线矩形框范围内局部地形建模作详细说明。最后，按照下至上，由外至内原则布置规划4个方案制模控制断面，按照地形数据分别设置了断面1、2、3、4，完成建模图纸。进一步在此原则下各方案以此编号，编号为1、2、3、4。

步骤S102，根据各方案制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据。

具体地，再完成步骤S101之后，根据各个方案规划好的控制断面，逐一提取控制断面数据，图2中编号9断面1的横断面高程数据提取见表1所示。

进一步地，表1断面取点，可以根据所选断面地形变化情况选取特征点，地形变化复杂则需要提高取点数量，地形变化比较规整，则可适当减小取点数量。所述距离即为X坐标数据，一般将所取点的第一个点，横坐标设为0，其余点横坐标相对于第一个点，并根据模型比尺换算成模型数据即为表1距离所列数据。所述高程，根据建模图纸直接读取高程数据。所述高程即为Y坐标数据，一般将所取点的第一个点，Y坐标值设为0，其余点Y坐标相对于第一个点，并根据模型比尺换算成模型数据即为表1高程所列数据。所述坐标，即将距离列数据(X坐标)和高差列数据(Y坐标)组合而成。

进一步地，根据表1中坐标列数据，可以绘制4个方案的断面图形，见图3所示。

进一步地，断面板法制模顾名思义是需要根据断面图刻制断面板，优选地，刻制断面优选地采用自动化数字雕刻机完成。进一步常规断面采用三合板材料，断面板宽度3～5cm即可，即图中断面4断面板外框线41，是由横断面向后平移5cm而来。

进一步地，绘制的断面1断面图拆分成，模块A、模块B、模块和模块D，见图4所示。其他断面亦采用相同方法进行。

表1：制模断面1高程数据提取表

步骤S103，根据提取的制模控制高程数据，绘制制模放样断面。

具体地，根据步骤S102提取的高程数据，以及绘制好制模放样断面图纸。优选地，采用自动化数字雕刻机完成断面板雕刻，雕刻好的断面应该同图4所示模块A、B、C和D共4块断面板。

步骤S104，根据建模图纸以及制模放样断面板，按照由下至上、由外至内的原则，依次进行各方案的放样、浇筑混凝土施工成型，各方案之间采用隔膜隔开，待混凝土固结后，即可进行拆解拼装，即获得了可逆地形边界。

具体地，放样施工需要分步骤进行，首先进行方案4即模块D的控制断面放样，同样继续完成其他断面的放样工作，待所有方案4断面放样完成后浇筑混凝土，完成方案4地形制作，此时即为方案4的地形；其次，等待方案4制模全部结束混凝土养护12小时后，在方案4地形表面铺设一层隔膜，进一步所述铺设一层隔膜的目的是阻隔前后浇筑混凝土黏连，方便后续拆解，同时也不影响后续断面板放样和制模，隔膜亦可以采用废旧报纸替代。待隔膜铺设完成后将方案3的控制断面板及模块C固定在方案1断面上面，并继续浇筑混凝土完成方案3地形制作；然后等待方案3制模全部结束待混凝土养护12小时后，继续重复上述方案，逐一完成方案2和方案1的地形制作。

进一步地，采用本发明的优势在于方案3、方案2以及方案1不需要再放样，将模块C直接贴合再模块D，模块B直接贴合在模块C，模块A直接贴合在模块A即可。

试验及各方案地形切换：

在完成步骤S104后，即完成了4个方案的预制工作。图5和图6图分别为图1中虚线部分各方案组合示意图和拆解后示意图，其中模块A、模块B和模块C组合如图5所示即为方案1地形边界，在图5基础上拆解模块A后即为方案2地形边界，拆解模块A和模块B后即为方案3地形边界，拆解模块A、模块B及模块C后即为方案4地形边界。根据试验工况，控制上下游边界条件，待边界条件稳定即可进行试验观测及数据收集工作。首先进行的是最上层方案1，试验观测结束后，不停水并保持上下游边界控制条件不变，直接拿掉模块A的预制地形，此时即为方案2地形边界，继续进行同方案1的试验观测及数据收集工作。待方案2试验观测结束后，重复上述步骤，以此进行方案3和方案4所有方案的试验观测工作。同时，本发明方法也可以进行逆向试验观测，首先进行方案4的试验观测工作，结束后，在方案4的基础上拼装模块C，拼装模块C后即形成方案3的地形边界，然后继续进行试验。同样方案即可拼装成方案2、方案1的地形边界。本发明方法还可以达到不停水，通过拆解拼装完成任意方案地形边界的切换。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种应用于水工河工模型试验的可逆地形边界建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）根据不同设计方案的地形图纸，依据由下至上、由外至内的原则，逐个分析方案地形数据，按照下至上、由外至内的原则，规划各方案制模控制断面，完成建模图纸；

（2）根据各方案制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据；

（3）根据提取的制模控制高程数据，绘制制模放样断面；

（4）根据建模图纸以及制模放样断面板，按照由下至上、由外至内的原则，依次进行各方案的放样、浇筑混凝土施工成型，各方案之间采用隔膜隔开，待混凝土固结后，即可进行拆解拼装，即获得了可逆地形边界；

其中，根据各个方案规划好的制模控制断面，逐一提取制模控制高程数据，具体如下：

提取方案1地形数据之后，方案2制模控制断面顶部为方案2的制模控制高程数据，底部为方案1的制模控制高程数据；方案3制模控制断面顶部为方案3的制模控制高程数据，底部为方案2的制模控制高程数据；方案以此类推，完成所有方案制模控制断面数据提取。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在由下至上、由外至内的原则下，对各方案以此编号，编号为1、2、3、4、…i。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，绘制制模放样断面图纸后，根据制模断面图纸制作放样断面板。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进行各方案的放样中的放样施工需要分步骤进行，具体包括如下步骤：

首先进行方案i的控制断面放样，并浇筑混凝土施工制模，完成地形制作；

其次，方案i制模结束预定时间后，在方案i地形表面布设一层隔膜，然后直接将方案i-1的控制断面板固定在方案i断面上面，紧接着继续浇筑混凝土完成方案i-1地形边界制作；

最后，重复上述两个步骤，逐一完成方案i-2、i-3、…、1的地形制作，直至所有方案地形制作完成。