CN112064572B - 一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，包括双层试验水槽；在上层水槽中部设有试验堤，试验堤将上层水槽分为左右两部分；试验堤左侧上层水槽呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽依次包括上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽内侧壁为弧形；上游河道槽设有进水口，进水口设有进水阀，下游河道槽设有通向下层水槽出水口,在出水口与弧形段槽之间设有截水装置；试验堤右侧的上层水槽设有通向下层水槽出水口；试验堤左右两侧且位于试验堤附近的上层水槽中设有用于检知流量及水位变化的传感器。本发明还提供了一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的试验方法。本发明具有操作简单、效果显著、效率高的优点。

Description

一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置及试验方法

技术领域

本发明涉及水利工程领域，特别涉及一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置及试验方法。

背景技术

堤防工程是指沿河、渠、湖、海岸或行洪区、分洪区、围垦区的边缘修筑的挡水建筑物，是现代江河防洪工程体系的重要组成部分，是防止洪水泛滥、增加河道泄量的基本措施，堤防的水力破坏模式常见的有漫溢破坏失事、河道水流冲刷、渗透破坏失事和人工扒堤四种。其中最常见的是漫溢破坏和渗透破坏两种失事方式。

堤防溃决失事是一个复杂的水-土动力学过程，溃决原因也较为复杂。溃堤问题研究主要以数值模拟及历史资料统计分析为主,但物理模型试验仍是研究溃堤问题不可或缺的技术手段。溃堤模型试验成果不但可以弥补溃堤历史资料在数量及可靠性上的局限,亦可为数值模拟提供验证数据。目前，关于坝体溃决过程的研究方法较多，而关于堤防溃决过程的研究方法较少。

凌汛是因水流受冰凌的阻力作用，导致河道水位显著抬升的一种水文现象，通常发生在冬天的封河期和春天的解冻开河期。由于冰凌的存在，溃堤的危险程度大大增加，溃堤过程就更为复杂，除去溃堤水流的冲刷，冰凌的撞击和阻塞对产生溃堤的机制和堤防溃决的过程都有较大的影响，同时也影响溃堤后水流的演进和冲刷坑深度，因此考虑冰凌作用下的溃堤研究很有必要。

堤防溃决以后，溃决速度决定了洪水的大小和传播速度，因此也就在很大程度上决定了洪水造成的损失大小和范围。因此，模拟溃堤，尤其是考虑冰凌作用下的溃堤，预测其特性，包括低温环境下堤防的破坏模式及机理，破坏过程与速度、溃决后水位的变化以及溃口前流速的变化过程等，为洪水的演进、事故早期预警和人员疏散等可以提供重要信息，对防灾减灾和保护人民生命财产安全具有非常重要的意义。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置及试验方法。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，包括双层试验水槽，双层试验水槽包括上层水槽和下层水槽；在上层水槽的中部设有试验堤，试验堤将上层水槽分为左右两部分；试验堤左侧的上层水槽呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽包括依次连通的上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁为弧形；上游河道槽设有进水口，进水口设有进水阀，下游河道槽设有通向下层水槽的出水口,在出水口与弧形段槽之间设有截水装置；试验堤右侧的上层水槽设有通向下层水槽的出水口；上层水槽中设有用于检知流速及水位变化的传感器。

进一步地，试验堤的断面形状为梯形，试验堤采用含水率10～12％的土堆筑成型，在试验堤的上部设有左右贯通的引导溃口并做防渗处理。

进一步地，在引导溃口的左侧设有流速仪；设有两个结构光传感器分别对准引导溃口的左右侧。

进一步地，在试验堤的上方设有用于量测溃口宽度的直尺。

进一步地，截水装置为插板门。

进一步地，在上游河道槽及下游河道槽均设有用于拦截冰块的拦截网。

进一步地，U形河道槽的U形转角为150°～180°。

进一步地，检知水位变化的传感器为波高仪；检知流速的传感器为流速仪。

进一步地，试验堤左右两侧的上层水槽各长15～20m；其中，试验堤左侧的上层水槽宽2～3m，深0.5～1.5m，弧形段槽内侧壁转弯处半径为0.4～0.6m。

本发明还提供了一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的试验方法，该方法为，设置双层试验水槽；试验水槽的上层水槽用于模拟溃堤过程；试验水槽的下层水槽用于排水及水中沉积物过滤分离；在上层水槽的中部设置试验堤，试验堤将上层水槽分为左右两部分；试验堤左侧的上层水槽呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽依次包括上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁为弧形；上游河道槽设置进水口，进水口设置进水阀，下游河道槽设置通向下层水槽的出水口,在出水口与弧形段槽之间设置插板门；试验堤右侧的上层水槽设置通向下层水槽的出水口；

在试验堤的上部设置左右贯通的引导溃口并做防渗处理；在引导溃口左侧的上层水槽中设置流速仪；在引导溃口左右两侧的上层水槽中设有用于检知水位变化的传感器；设置两个结构光传感器分别对准引导溃口的左右侧；在上游河道槽及下游河道槽均设置拦截冰块的拦截网；

开启进水阀，流量稳定后，调节插板门使U形河道槽水位缓慢上涨至8～10cm；

待水位稳定后，在试验堤左侧面与拦截网围成的区域内缓慢加入冰块，并使其在堤左侧堆积；

再次微调插板门，使水位缓慢上涨至与引导溃口齐平；当水位略高于引导溃口底部并流至堤防上表面时视为溃堤过程开始；

使检知水位变化的传感器、流速仪、结构光传感器采集溃堤过程开始至结束时数据，并用采集的数据绘制试验堤堤防溃口宽度展宽过程。

本发明具有的优点和积极效果是：本发明的一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置可以在堤前的弯道处模拟黄河凌汛期卡冰结坝的过程，通过分析堤防溃决的过程，研究冰凌作用下堤防溃决机理。

本发明采用U形河道槽，U形河道槽能够很好地模拟河道弯曲处卡冰结坝的现象，可以使冰块在堤前容易堆积，并且冰块不随水流冲走，可以减少冰块用量，降低试验难度。

本发明采用双层水槽的结构设计，下层水槽用于排水和沉淀溃堤水流中的土体，节约成本。

结构光传感器在录像的同时还可采集溃口处的高程和尺寸数据，提高了试验效率，使数据采集简单化。通过结构光传感器采集数据分析溃口发展过程，避免了人为读数的主观影响，使试验结果更加精确。

本发明具有操作简单、效果显著、效率高的优点。

附图说明

图1为一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置结构示意图。

图2为图1的A-A剖视图。

图3为溃口展宽过程曲线图。

图4最终溃口形态三维图。

图5最终溃口形态俯视图。

图中：1-水泵；2-电磁流量计；3-进水阀；4-稳水栅；5-拦截网；6-波高仪；7-流速仪；8-巴歇尔槽；9-插板门；10-弧形段槽的内侧壁；11-结构光传感器；12-试验堤；13-上层水槽；14-下层水槽；15-拦沙板。

图中箭头方向为水流方向。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参见图1至图5，一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，包括双层试验水槽，双层试验水槽包括上层水槽13和下层水槽14；在上层水槽13的中部设有试验堤12，试验堤12将上层水槽13分为左右两部分；试验堤12左侧的上层水槽13呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽包括依次连通的上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁10为弧形；上游河道槽设有进水口，进水口设有进水阀3，下游河道槽设有通向下层水槽14的出水口,在出水口与弧形段槽之间设有截水装置；试验堤12右侧的上层水槽13设有通向下层水槽14的出水口；上层水槽13中设有用于检知流速及水位变化的传感器。

可在试验堤12左右两侧且位于试验堤12附近的上层水槽13中设有用于检知流速及水位变化的传感器。

试验水槽的上层水槽13用于模拟溃堤过程；试验水槽的下层水槽14用于收集溃堤试验过程中的排水，下层水槽14设置拦沙板15用于水中沉积物的过滤分离处理。

截水装置用于阻止水的流动，可以调整U形河道槽的水位。可采用闸门等截水装置。

上游河道槽的给水采用水泵1从水源处引水，水泵1和进水阀3之间可设有电磁流量计2。

试验堤12的断面形状可为梯形，优选等腰梯形，梯形的斜边斜率可为1；试验堤12可采用含水率10～12％的土堆筑成型，可在试验堤12的上部设有左右贯通的引导溃口并做防渗处理。

优选地，可在引导溃口的左侧设有流速仪7；可设有两个结构光传感器11分别对准引导溃口的左右侧。流速仪7可选声学多普勒流速仪。结构光传感器11带有摄像功能，同时可采集溃口处的高程数据。

声学多普勒流速仪、结构光传感器11均可采用现有技术中的声学多普勒流速仪、结构光传感器11。结构光传感器11可采用光栅式结构光传感器11。

结构光传感器11是一种基于主动三角法的视觉传感器。由光投射器在空间投射出一系列光平面，每个光平面通过摄像机建立与象平面间的透视对应。

结构光传感器11的工作原理为：将结构光投射到待测物表面后被待测物的高度调制，被调制的结构光经摄像系统采集，传送至计算机等处理器内分析计算后可得出被测物的三维面形数据。其中调制方式可分为时间调制与空间调制两大类。时间调制方法中最常用的是飞行时间法,该方法记录了光脉冲在空间的飞行时间,通过飞行时间解算待测物的面形信息；空间调制方法为结构光场的相位、光强等性质被待测物的高度调制后都会产生变化，根据读取这些性质的变化就可得出待测物的面形信息。

以应用广泛的光栅投影技术(条纹投影技术)为例来阐述其具体原理。条纹投影技术实际上属于广义上的面结构光。其主要原理是通过计算机编程产生正弦条纹，将该正弦条纹通过投影设备投影至被测物，利用CCD相机拍摄条纹受物体调制的弯曲程度，解调该弯曲条纹得到相位，再将相位转化为全场的高度。

优选地，可在试验堤12的上方设有用于量测溃口宽度的直尺。结构光传感器11采集图片时可以直观地显示溃口宽度。

优选地，截水装置可为插板门9。插板门9结构简单便于调整U形河道槽的水位。插板门9可采用现有技术中的插板门9。

优选地，在上游河道槽及下游河道槽可均设有用于拦截冰块的拦截网5。拦截网5用于保证冰块堆积在试验堤12左侧。

优选地，U形河道槽的U形转角可为150°～180°。

优选地，检知水位变化的传感器可为波高仪6；检知流速的传感器可为流速仪7。波高仪6可实时跟踪采集水位变化的数据。检知流速的传感器可采用现有技术中的流速仪，检知水位变化的传感器可采用现有技术中的波高仪6或者液位计等。

优选地，试验堤12左右两侧的上层水槽13可各长15～20m；其中，试验堤12左侧的上层水槽13宽可为2～3m，深可为0.5～1.5m，弧形段槽内侧壁转弯处半径可为0.4～0.6m。上游河道槽和下游河道槽的槽宽可为0.6～1.2m。

本发明还提供了一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的试验方法实施例，该方法为：

设置双层试验水槽；试验水槽的上层水槽13用于模拟溃堤过程；试验水槽的下层水槽14用于排水及水中沉积物过滤分离；在上层水槽13的中部设置试验堤12，试验堤12将上层水槽13分为左右两部分；试验堤12左侧的上层水槽13呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽依次包括上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁10为弧形；上游河道槽设置进水口，进水口设置进水阀3，下游河道槽设置通向下层水槽14的出水口,在出水口与弧形段槽之间设置插板门9；试验堤12右侧的上层水槽13设置通向下层水槽14的出水口。

在试验堤12的上部设置左右贯通的引导溃口并做防渗处理；在引导溃口左侧的上层水槽13中设置流速仪7；在引导溃口左右两侧的上层水槽13中设有用于检知水位变化的传感器；设置两个结构光传感器11分别对准引导溃口的左右侧；在上游河道槽及下游河道槽均设置拦截冰块的拦截网5。

开启进水阀3，流量稳定后，调节插板门9使U形河道槽水位缓慢上涨至8～10cm；

待水位稳定后，在试验堤12左侧面与拦截网5围成的区域内缓慢加入冰块，并使其在堤左侧堆积。

再次微调插板门9，使水位缓慢上涨至与引导溃口齐平；当水位略高于引导溃口底部并流至堤防上表面时视为溃堤过程开始。

使检知水位变化的传感器、流速仪7、结构光传感器11采集溃堤过程开始至结束时数据，并用采集的数据绘制试验堤12堤防溃口宽度展宽过程。

下面以本发明的一个优选实施例来进一步说明本发明的结构、工作流程及工作原理：

一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，包括双层试验水槽，双层试验水槽包括上层水槽13和下层水槽14；在上层水槽13的中部设有试验堤12，试验堤12将上层水槽13分为左右两部分；试验堤12左侧的上层水槽13呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽包括依次连通的上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁10为弧形；上游河道槽设有进水口，进水口设有进水阀3，下游河道槽设有通向下层水槽14的出水口,在出水口与弧形段槽之间设有截水装置；试验堤12右侧的上层水槽13设有通向下层水槽14的出水口；试验堤12左右两侧且位于试验堤12附近的上层水槽13中设有用于检知流量及水位变化的传感器。

采用双层水槽结构，试验水槽的上层采用透明有机玻璃制作，钢骨架支撑，用来模拟河道和溃堤过程。试验水槽的下层用于排水，拦截溃堤水流中的土体并进行沉淀分离。采用结构光传感器11等传感器采集试验数据。

为了较好的模拟河道水流，使水流平稳，设置试验水槽长30m，分为左右两部分，各15m。U形河道槽使水流流向改变约180°，在上层水槽13中部距弧形段槽内侧壁转弯处1m处修筑试验堤12，试验堤12右侧的上层水槽13为洪水演进区。试验堤12左侧的上层水槽13宽2.4m，深可为0.8m，弧形段槽内侧壁转弯处半径可为0.4m。上游河道槽和下游河道槽的槽宽均宽0.8m，长约13.5m，U型弯道处弯道半径0.4m。

在上游河道槽进水口前设置电磁流量计2记录水流流量，在上游河道槽进水口后设置稳水栅4平稳水流，下游出水口处设置巴歇尔流量槽计算下游水流出流量，在下游河道槽距离巴歇尔流量槽的6m处设置插板门9调节河道水位。在试验堤12左侧且距离堤底部1.5m处，分别在上游河道槽和下游河道槽中布置拦截网5，保证冰块堆积在试验堤12左侧。

使用波高仪6分别测量试验堤12左右及巴歇尔槽8处水位变化，在引导溃口的左侧适宜位置放置声学多普勒流速仪测量溃口处流速，在引导溃口的左右两侧设置两个结构光传感器11录制试验过程的录制及采集试验过程溃口宽度的数据，以量测溃口宽度并分析溃堤过程中的溃口结构变化。

试验时，先按照一定的尺寸修筑堤防，在堤身适宜位置处设置引导溃口，并设置试验设备。然后开启水泵1，等待上游河道水位缓慢上涨距引导溃口底部3cm处，待水位稳定一段时间后，在试验堤12左侧缓慢加入足量的冰块，并使其在试验堤12左侧堆积。

之后微调插板门9，使水位缓慢上涨至与引导溃口齐平。当水位略高于溃口底部，并流至堤防上表面时视为溃堤过程开始。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种模拟冰凌作用下堤防溃决过程的试验方法，其特征在于，设置双层试验水槽；试验水槽的上层水槽用于模拟溃堤过程；试验水槽的下层水槽用于排水及水中沉积物过滤分离；在上层水槽的中部设置试验堤，试验堤将上层水槽分为左右两部分；试验堤左侧的上层水槽呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽依次包括上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁为弧形；上游河道槽设置进水口，进水口设置进水阀，下游河道槽设置通向下层水槽的出水口,在出水口与弧形段槽之间设置插板门；试验堤右侧的上层水槽设置通向下层水槽的出水口；

在试验堤的上部设置左右贯通的引导溃口并做防渗处理；在引导溃口左侧的上层水槽中设置流速仪；在引导溃口左右两侧的上层水槽中设有用于检知水位变化的传感器；设置两个结构光传感器分别对准引导溃口的左右侧；在上游河道槽及下游河道槽均设置拦截冰块的拦截网；

开启进水阀，流量稳定后，调节插板门使U形河道槽水位缓慢上涨至8～10cm；

待水位稳定后，在试验堤左侧面与拦截网围成的区域内缓慢加入冰块，并使其在堤左侧堆积；

再次微调插板门，使水位缓慢上涨至与引导溃口齐平；当水位略高于引导溃口底部并流至堤防上表面时视为溃堤过程开始；

使检知水位变化的传感器、流速仪、结构光传感器采集溃堤过程开始至结束时数据，并用采集的数据绘制试验堤堤防溃口宽度展宽过程。

2.一种实施权利要求1所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的试验方法的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，包括双层试验水槽，双层试验水槽包括上层水槽和下层水槽；在上层水槽的中部设有试验堤，试验堤将上层水槽分为左右两部分；试验堤左侧的上层水槽呈U形，用于模拟U形河道，称之为U形河道槽；U形河道槽包括依次连通的上游河道槽、弧形段槽和下游河道槽三部分，弧形段槽的内侧壁为弧形；上游河道槽设有进水口，进水口设有进水阀，下游河道槽设有通向下层水槽的出水口,在出水口与弧形段槽之间设有截水装置；试验堤右侧的上层水槽设有通向下层水槽的出水口；上层水槽中设有用于检知流速及水位变化的传感器。

3.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，试验堤的断面形状为梯形，试验堤采用含水率10～12％的土堆筑成型，在试验堤的上部设有左右贯通的引导溃口并做防渗处理。

4.根据权利要求3所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，在引导溃口的左侧设有流速仪；设有两个结构光传感器分别对准引导溃口的左右侧。

5.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，在试验堤的上方设有用于量测溃口宽度的直尺。

6.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，截水装置为插板门。

7.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，在上游河道槽及下游河道槽均设有用于拦截冰块的拦截网。

8.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，U形河道槽的U形转角为150°～180°。

9.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，检知水位变化的传感器为波高仪；检知流速的传感器为流速仪。

10.根据权利要求2所述的模拟冰凌作用下堤防溃决过程的装置，其特征在于，试验堤左右两侧的上层水槽各长15～20m；其中，试验堤左侧的上层水槽宽2～3m，深0.5～1.5m，弧形段槽内侧壁转弯处半径为0.4～0.6m。

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