CN112945595B - 一种淤地坝溃决过程的试验设备及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种淤地坝溃决过程的试验设备，包括淤地坝周围水环境模拟槽，淤地坝周围水环境模拟槽进水端安装有供水系统，排水端安装有水沙混合物收集器；淤地坝周围水环境模拟槽内部堆筑淤地坝模型坝体和坝后淤积模型；淤地坝周围水环境模拟槽中间段安装有自动压实设备；淤地坝周围水环境模拟槽底部对应淤地坝模型坝体的位置安装有监控组件。本申请自动压实设备，解决了试验中坝身形态、淤积坝地和坝体的压实度难以控制的难题。在坝后淤积模型土体上种植农作物可以更好的模拟淤地坝真实的工作模式。通过各传感器所收集的信号，可提前预知淤地坝溃决的发生，对抢险工作中关心的溃决流量、淹没范围等进行预测，指导抢险工作的开展。通过该设备对淤地坝溃决过程的研究也可掌握淤地坝的溃决规律。

Description

一种淤地坝溃决过程的试验设备及试验方法

技术领域

本发明属于水利堤坝实验设备技术领域，涉及一种淤地坝溃决过程的试验设备，还涉及该试验设备的试验方法。

背景技术

淤地坝是黄土高原丘陵沟壑区一种治理水土流失有效的水利工程，大多由地方群众在资金、技术力量相对薄弱的条件下修建的，在遭遇大洪水时，坝体无法有效抵御高速水流的冲刷，保证淤地坝的安全。特别是近年来，淤地坝溃决灾害屡有发生，严重威胁人民群众生命财产安全。由于当地特殊的黄土地质条件，溃决机理复杂，很难单纯的依靠理论分析来研究并得出可靠的溃决模式，在模型试验研究方面尚属空白。

发明内容

本发明的目的是提供一种淤地坝溃决过程的试验设备及试验方法，解决了现有技术中存在的淤地坝溃决模式难以得出的难题，填补了淤地坝模型试验方面的空白。

本发明所采用的技术方案是，一种淤地坝溃决过程的试验设备，包括淤地坝周围水环境模拟槽，淤地坝周围水环境模拟槽进水端安装有供水系统，排水端安装有水沙混合物收集器；淤地坝周围水环境模拟槽内部堆筑淤地坝模型坝体和坝后淤积模型；淤地坝周围水环境模拟槽中间段安装有自动压实设备；淤地坝周围水环境模拟槽底部对应淤地坝模型坝体的位置安装有监控组件。

供水系统为水泵，通过管道连通淤地坝周围水环境模拟槽，管道上设置有阀门和电磁流量计。

监控组件包括：计算机监控平台，计算机监控平台连接设置在淤地坝模型坝体内部的孔隙水压力传感器和设置在淤地坝周围水环境模拟槽下底面的微型震动传感器；淤地坝周围水环境模拟槽侧面设置有声发射传感器和高清摄像机1号，声发射传感器和高清摄像机1号分别连接计算机监控平台；淤地坝周围水环境模拟槽顶端还通过上方支柱安装有高清摄像机2号和PIV表面流速仪，高清摄像机2号和PIV表面流速仪分别连接计算机监控平台。

淤地坝周围水环境模拟槽底部设置有钢架，钢架通过螺栓连接升降架，通过升降架调节淤地坝周围水环境模拟槽底坡。

自动压实设备由压实模具、液压伸缩杆和压实设备钢架组成；压实模具通过螺栓与液压伸缩杆连接，液压伸缩杆沿压实设备钢架滑动连接，压实模具有4种不同形式，其中3种进行淤地坝模型坝体的三层堆筑，侧边钢板均可调整角度。

压实模具第4种形式为水平钢板，底部带有间隔设置的多排凸起。

一种淤地坝溃决过程的试验设备的实验方法，具体步骤如下：

步骤1，利用实际淤地坝工程土料，按含水率和干密度控制土体性质，在淤地坝周围水环境模拟槽中利用自动压实设备分三层堆筑淤地坝模型坝体，在筑坝的同时，在淤地坝模型坝体顶部及淤地坝周围水环境模拟槽侧壁设置刻度尺，并将孔隙水压力传感器进行埋设，完成坝体堆筑后，在下游坝坡用白石灰画出5cm×5cm的方格；

步骤2，更换第4种压实模具16，移动液压伸缩杆17至淤地坝模型坝体19坝后的坝后淤积模型20土体部分并压实；

步骤3，利用第4种压实模具16在坝后淤积模型20土体部分所压的孔洞中种植玉米等农作物幼苗；

步骤4，根据实际流量，按照相似准则计算出试验所需流量，通过供水系统1及阀门2控制淤地坝模型坝体19的上游来水量，根据电磁流量计3实时监控流量大小；

步骤5，利用各传感器实时监测淤地坝模型坝体19内部的孔隙水压力、声信号、震动信号，下游溃决流量及溃决实时的图像并在计算机监控平台10进行显示；

步骤6，当溃决开始时，在上游抛洒白色泡沫作为示踪粒子，同时开启水沙混合物收集器12，收集溃决过程中产生的水沙混合物；

步骤7，利用计算机监控平台10，在同一时间线，分析坝体溃决前后时的孔隙水压力、表面流速、声信号和震动信号的变化规律；

步骤8，利用试验录像，结合刻度尺和下游坝坡面的白色方格，观察溃决过程中溃口的变化过程；

步骤9，根据水沙混合物收集器12测量的数据得到溃决过程的含沙量过程线，结合录像计算出冲蚀率和溃决流量；

步骤10，结合步骤7-9所得到的图像与数据进行综合对比分析，得出淤地坝溃决前坝体内的具体变化过程，溃决后坝体的溃口形态、冲蚀率与溃决流量，得到淤地坝的溃决机理。

本发明的有益效果是：

通过该设备对淤地坝溃决过程的研究既可掌握淤地坝的溃决规律，同时也可对抢险工作中关心的溃决模式、溃决流量、溃决历时、淹没范围等进行提前预测，指导抢险工作的开展。利用该实验设备，可以分析水槽坡度、来水流量、坝型、材料和含水量对溃决过程的影响，可以得到控制因素与溃决流量、溃口尺寸、侵蚀率等参数间的关系，由此可以揭示淤地坝的溃决机理。

附图说明

图1是本发明淤地坝溃决过程的试验设备整体结构示意图；

图2是本发明淤地坝溃决过程的试验设备中自动压实设备与淤地坝周围水环境模拟槽连接结构示意图；

图3是本发明中的分层压实模具示意图，图中16-1为坝体第三层压实模具；16-2为坝体第二层压实模具；16-3为坝体第一层压实模具；16-4为淤积部分压实模具。

图中：1.供水系统，2.阀门，3.电磁流量计，4.升降架，5.淤地坝周围水环境模拟槽，6.模拟槽底架，7.声发射传感器，8.高清摄像机1号，9.微型震动传感器，10.计算机监控平台，11.孔隙水压力传感器，12.水沙混合物收集器，13.高清摄像机2号，14.支柱，15.PIV表面流速仪，16.压实模具，17.液压伸缩杆，18.压实设备钢架，19.淤地坝模型坝体，20.坝后淤积模型。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，一种淤地坝溃决过程的试验设备，包括淤地坝周围水环境模拟槽5，所述淤地坝周围水环境模拟槽5进水端安装有供水系统1，排水端安装有水沙混合物收集器12；所述淤地坝周围水环境模拟槽5内部堆筑淤地坝模型坝体19和坝后淤积模型20；所述淤地坝周围水环境模拟槽5中间段安装有自动压实设备；淤地坝周围水环境模拟槽5底部对应淤地坝模型坝体19的位置安装有监控组件。

供水系统1为水泵，通过管道连通淤地坝周围水环境模拟槽5，所述管道上设置有阀门2和电磁流量计3。

监控组件包括：计算机监控平台10，计算机监控平台10设置在淤地坝模型坝体19内部的孔隙水压力传感器11和设置在淤地坝周围水环境模拟槽5下底面的微型震动传感器9；淤地坝周围水环境模拟槽5侧面设置有声发射传感器7和高清摄像机1号8，声发射传感器7和高清摄像机1号8分别连接计算机监控平台10；淤地坝周围水环境模拟槽5顶端还通过上方支柱14安装有高清摄像机2号13和PIV表面流速仪15，高清摄像机2号13和PIV表面流速仪15分别连接计算机监控平台10。

淤地坝周围水环境模拟槽5底部设置有钢架，钢架通过螺栓连接升降架4，通过升降架4调节淤地坝周围水环境模拟槽5底坡，进而实现模拟不同河道坡降对淤地坝漫顶溃决产生的影响，以便获得更加真实的河道实际环境。

如图2所示，自动压实设备由压实模具16、液压伸缩杆17和压实设备钢架18组成；所述压实模具16通过螺栓与液压伸缩杆17连接，液压伸缩杆17沿压实设备钢架18滑动连接，压实模具16有4种不同形式，包括：坝体第三层压实模具16-1；坝体第二层压实模具16-2；坝体第一层压实模具16-3；淤积部分压实模具16-4，其中坝体第三层压实模具16-1、坝体第二层压实模具16-2、坝体第一层压实模具16-3进行淤地坝模型坝体19的三层堆筑，侧边钢板均可调整角度。铺设第一层土时，用坝体第三层压实模具16-1、铺设第二层土时，用坝体第二层压实模具16-2、铺设第三层土时，用坝体第一层压实模具16-3。

淤积部分压实模具16-4为水平钢板，底部带有间隔设置的多排凸起，下压形成孔洞方便进行坝后淤积模型20土体部分的模拟植物。

一种淤地坝溃决过程的试验设备的实验方法，具体步骤如下：

步骤1，利用实际淤地坝工程土料，按含水率和干密度控制土体性质，在淤地坝周围水环境模拟槽5中利用自动压实设备分三层堆筑淤地坝模型坝体19，在筑坝的同时，在淤地坝模型坝体19顶部及淤地坝周围水环境模拟槽5侧壁设置刻度尺，并将孔隙水压力传感器11进行埋设，完成坝体堆筑后，在下游坝坡用白石灰画出5cm×5cm的方格；

步骤2，更换第4种压实模具16，移动液压伸缩杆17至淤地坝模型坝体19坝后的坝后淤积模型20土体部分并压实；

步骤3，利用第4种压实模具16在坝后淤积模型20土体部分所压的孔洞中种植玉米等农作物幼苗；

步骤4，根据实际流量，按照相似准则计算出试验所需流量，通过供水系统1及阀门2控制淤地坝模型坝体19的上游来水量，根据电磁流量计3实时监控流量大小；

步骤5，利用各传感器实时监测淤地坝模型坝体19内部的孔隙水压力、声信号、震动信号，下游溃决流量及溃决实时的图像并在计算机监控平台10进行显示；

步骤6，当溃决开始时，在上游抛洒白色泡沫作为示踪粒子，同时开启水沙混合物收集器12，收集溃决过程中产生的水沙混合物；

步骤7，利用计算机监控平台10，在同一时间线，分析坝体溃决前后时的孔隙水压力、表面流速、声信号和震动信号的变化规律；

步骤8，利用试验录像，结合刻度尺和下游坝坡面的白色方格，观察溃决过程中溃口的变化过程；

步骤9，根据水沙混合物收集器12测量的数据得到溃决过程的含沙量过程线，结合录像计算出冲蚀率和溃决流量；

步骤10，结合步骤7-9所得到的图像与数据进行综合对比分析，得出淤地坝溃决前坝体内的具体变化过程，溃决后坝体的溃口形态、冲蚀率与溃决流量，得到淤地坝的溃决机理。

本发明优点在于：

通过该设备对淤地坝溃决过程的研究既可掌握淤地坝的溃决规律，同时也可对抢险工作中关心的溃决模式、溃决流量、溃决历时、淹没范围等进行提前预测，指导抢险工作的开展。利用该实验设备，可以分析水槽坡度、来水流量、坝型、材料和含水量对溃决过程的影响，可以得到控制因素与溃决流量、溃口尺寸、侵蚀率等参数间的关系，由此可以揭示淤地坝的溃决机理。

Claims (1)

1.一种淤地坝溃决过程的试验方法，其特征在于，采用的试验设备，包括淤地坝周围水环境模拟槽（5），所述淤地坝周围水环境模拟槽（5）进水端安装有供水系统（1），排水端安装有水沙混合物收集器（12）；所述淤地坝周围水环境模拟槽（5）内部堆筑淤地坝模型坝体（19）和坝后淤积模型（20）；所述淤地坝周围水环境模拟槽（5）中间段安装有自动压实设备；淤地坝周围水环境模拟槽（5）底部对应淤地坝模型坝体（19）的位置安装有监控组件；

所述供水系统（1）为水泵，通过管道连通淤地坝周围水环境模拟槽（5），所述管道上设置有阀门（2）和电磁流量计（3）；

所述监控组件包括：计算机监控平台（10），计算机监控平台（10）连接设置在淤地坝模型坝体（19）内部的孔隙水压力传感器（11）和设置在淤地坝周围水环境模拟槽（5）下底面的微型震动传感器（9）；淤地坝周围水环境模拟槽（5）侧面设置有声发射传感器（7）和高清摄像机1号（8），声发射传感器（7）和高清摄像机1号（8）分别连接计算机监控平台（10）；淤地坝周围水环境模拟槽（5）顶端还通过上方支柱（14）安装有高清摄像机2号（13）和PIV表面流速仪（15），高清摄像机2号（13）和PIV表面流速仪（15）分别连接计算机监控平台（10）；

所述淤地坝周围水环境模拟槽（5）底部设置有钢架，钢架通过螺栓连接升降架（4），通过升降架（4）调节淤地坝周围水环境模拟槽（5）底坡；

所述自动压实设备由压实模具（16）、液压伸缩杆（17）和压实设备钢架（18）组成；所述压实模具（16）通过螺栓与液压伸缩杆（17）连接，液压伸缩杆（17）沿压实设备钢架（18）滑动连接，压实模具（16）有4种不同形式，其中3种进行淤地坝模型坝体（19）的三层堆筑，侧边钢板均可调整角度；

所述压实模具（16）第4种形式为水平钢板，底部带有间隔设置的多排凸起，下压形成孔洞用于种植植物；

试验方法具体步骤如下：

步骤1，利用实际淤地坝工程土料，按含水率和干密度控制土体性质，在淤地坝周围水环境模拟槽（5）中利用自动压实设备分三层堆筑淤地坝模型坝体（19），在筑坝的同时，在淤地坝模型坝体（19）顶部及淤地坝周围水环境模拟槽（5）侧壁设置刻度尺，并将孔隙水压力传感器（11）进行埋设，完成坝体堆筑后，在下游坝坡用白石灰画出5cm×5cm的方格；

步骤2，更换第4种压实模具（16），移动液压伸缩杆（17）至淤地坝模型坝体（19）坝后的坝后淤积模型（20）土体部分并压实；

步骤3，利用第4种压实模具（16）在坝后淤积模型（20）土体部分所压的孔洞中种植农作物幼苗；

步骤4，根据实际流量，按照相似准则计算出试验所需流量，通过供水系统（1）及阀门（2）控制淤地坝模型坝体（19）的上游来水量，根据电磁流量计（3）实时监控流量大小；

步骤5，利用各传感器实时监测淤地坝模型坝体（19）内部的孔隙水压力、声信号、震动信号，下游溃决流量及溃决实时的图像并在计算机监控平台（10）进行显示；

步骤6，当溃决开始时，在上游抛洒白色泡沫作为示踪粒子，同时开启水沙混合物收集器（12），收集溃决过程中产生的水沙混合物；

步骤7，利用计算机监控平台（10），在同一时间线，分析坝体溃决前后时的孔隙水压力、表面流速、声信号和震动信号的变化规律；

步骤8，利用试验录像，结合刻度尺和下游坝坡面的白色方格，观察溃决过程中溃口的变化过程；

步骤9，根据水沙混合物收集器（12）测量的数据得到溃决过程的含沙量过程线，结合录像计算出冲蚀率和溃决流量；

步骤10，结合步骤7-9所得到的图像与数据进行综合对比分析，得出淤地坝溃决前坝体内的具体变化过程，溃决后坝体的溃口形态、冲蚀率与溃决流量，得到淤地坝的溃决机理。

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