CN113005979A - 基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法 - Google Patents

基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及水环境生态治理技术领域，具体涉及基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，获取蜂巢约束系统抗冲刷性能的多种影响因素；建立蜂巢约束系统生态驳岸试验模型；根据获取的蜂巢约束系统抗冲刷性能影响因素，确定试验工况，根据确定的试验工况进行模拟试验；分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合；将确定的具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中，促进了蜂巢约束系统在水环境治理工程的推广及应用，节省了水环境治理工程成本。

Description

基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法
技术领域
本发明涉及水环境生态治理技术领域，具体涉及基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法。
背景技术
以往的河道整治建设工程中，多使用传统护岸。传统护岸往往受限于防洪、引水、航运等基本功能，通常采用浆砌块石、硬质挡墙、现浇混凝土挡墙等硬质材料，在满足岸坡稳定和防洪安全等要求的情况下，忽略了河流的生态功能。
近年来，在河道整治中，生态驳岸设计需要考虑岸坡安全稳定、生态保护、绿化景观打造等多样化的要求。生态驳岸工程材料多为植物或者天然工程材料，主要确保水、土、植物能够相互联系，力求达到不破坏水土自适应通道、护岸材料天然化、投资合理化。随着对环境保护的意识的逐渐增强，生态驳岸得到了越来越广泛的应用。
材料科学的蓬勃发展，使生态驳岸可使用的材料得到了极大的扩展。蜂巢约束系统作为新兴土工合成材料，具有透水、保土、固土、改善负载性能等特点，在生态驳岸工程中得到越来越广泛的应用。但是目前还没有得到大规模的推广，蜂巢约束系统中蜂巢格室的抗冲刷特性还未得到充分研究证明，因此有必要建立试验模型，对蜂巢格室的抗冲刷性进行研究，为采用蜂巢约束系统进行水环境治理工程边坡设计提供依据。
发明内容
本发明完善了现有技术的不足，提供了基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，尤其是具有为采用蜂巢约束系统在水环境治理工程中的推广及应用提供依据的特点。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，包括以下方法
获取蜂巢约束系统抗冲刷性能的多种影响因素；
建立蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型；
根据获取的蜂巢约束系统抗冲刷性能影响因素，确定试验工况，根据确定的试验工况进行模拟试验；
分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合；
将确定的具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中。
进一步地，所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂试验模型的损坏程度进行判断。
进一步地，建立蜂巢约束系统生态驳岸模型之前还包括：
进行蜂巢约束系统抗冲性多因素敏感性分析，确定蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素。
进一步地，所述的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素包括：
①蜂巢约束系统中草皮状态；
②蜂巢约束系统中的填料级配；
③蜂巢约束系统生态驳岸坡比。
进一步地，根据所得到的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素，确定试验工况，所述的试验工况包括：
蜂巢约束系统中无草皮情况下，不同坡比、不同填料的试验工况；
蜂巢约束系统中有草皮不同月龄情况下，不同坡比、不同填料的试验工况。
进一步地，根据确定的不同试验工况，通过控制各工况的水流流速，进行模拟试验，分析各工况下主要影响因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合。
进一步地，所述的控制各工况的水流流速包括建立该模型的水位流速关系，根据水位流速关系调整试验模型水位，从而控制水流流速。
进一步地，所述的蜂巢约束系统生态驳岸模型，包括蜂巢约束系统盘，所述的蜂巢约束系统盘包括土工格栅制作的蜂巢格室，所述的蜂巢格室内根据不同试验工况填充填料、种植草皮，所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂巢约束系统盘的损坏程度进行判断。
进一步地，所述的蜂巢约束系统生态驳岸试验模型包括包括蓄水装置、泄槽装置、回水池、供水装置和控制装置，所述泄槽装置的入水端与蓄水装置的出水口连通，泄槽装置的出水端连接供水装置，所述蓄水装置内的底部设置有压力传感器，所述蓄水装置上设置有水位观察管，所述蓄水装置的底部设置有退水口，退水口处连接有退水管，退水管另一端与供水装置连通，退水管上连接有退水电磁阀，所述供水装置、退水电磁阀和压力传感器与控制装置电信号连接，所述蓄水装置的出水口设置在蓄水装置的侧壁上，且位于蓄水装置底部有一定距离。
进一步地，所述的供水装置包括汇水池、水泵、进水管，水泵设置在汇水池内，水泵的出水口通过进水管与蓄水装置入水口连通，水泵与控制装置电信号连接。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明对不同试验工况进行模拟试验，通过观察记录各工况蜂巢约束系统盘的损坏程度，分析各因素对蜂巢约束系统抗冲性的影响规律，确定出抗冲刷性能最强的多因素的优化配置组合，然后将确定的具有最佳抗冲性的多因素的优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中，促进蜂巢约束系统在水环境治理工程的推广及应用，节省了水环境治理工程成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法的流程示意图。
图2是本发明的试验模型的一个实施例的侧视整体结构示意图。
图3是本发明的试验模型的另一个实施例的侧视整体结构示意图。
图4为本发明的有压段结构示意图。
图5为本发明的有压段内设置格栅的结构示意图。
图6为本发明的过渡段和尾部段横截端面结构示意图。
图7为本发明的试验段横截端面结构示意图。
图8为本发明的泄槽装置一侧设置第二升降机构的整体结构示意图。
图9为本发明的合页结构的结构示意图。
图10为本发明的转轴机构侧视的结构示意图。
图11为本发明的转轴机构俯视的结构示意图。
图12为本发明的第一升降机构的结构示意图。
图13为本发明的蓄水装置即水箱的水位值与流速之间的关系曲线示意图。
图中：1-蓄水装置、2-泄槽装置、3-回水池、4-汇水池、5-水泵、6-进水电磁阀、7-水位观察管、8-有压段、9-转轴结构、10-支撑架、11-第一升降结构、12-过渡段、13-试验段、14-尾部段、15-凹槽、16-转轴、17-水平面段、18-可调整面段、19-第一挡水面段、20-第二挡水面段、21-铰接系统、22-螺钉、23-蜂巢约束系统盘、24-第二升降结构、25-轴承座、26-台座、27-轴杆、28-基座、29-换向结构、30-丝杆、31-螺帽、32-承载横梁、33-传动轴、34-转轮、35-连通结构、36-退水管、37-退水电磁阀、38-压力传感器、39-进水管、40-控制装置。
具体实施方式
实施例1:
参照图1，基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，包括以下方法
获取蜂巢约束系统抗冲刷性能的多种影响因素；
建立蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型；
根据获取的蜂巢约束系统抗冲刷性能影响因素，确定试验工况，根据确定的试验工况在建立的蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型中进行模拟试验；
分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合；
将确定的具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中。
上述实施例中对不同试验工况进行模拟试验，通过观察记录各工况蜂巢约束系统盘的损坏程度，分析各因素对蜂巢约束系统抗冲性的影响规律，确定出抗冲刷性能最强的多因素的优化配置组合，然后将确定的具有最佳抗冲性的多因素的优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中，促进蜂巢约束系统在水环境治理工程的推广及应用，节省了水环境治理工程成本。
其中获取蜂巢约束系统抗冲刷性能的多种影响因素是结合工程实际对现有的若干类影响抗冲刷性因素中进行敏感性分析，选取多类最主要的影响抗冲刷性的因素，作为本次试验的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素；结合选取的多类抗冲刷性主要影响因素确定多因素试验工况，然后采用建立的蜂巢约束系统生态驳岸试验模型中进行模拟试验；分析各类因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律为：分析不同试验工况的抗冲刷强度，选取每类因素试验工况中抗冲刷性强的影响因素，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合为：将每类试验工况中抗冲刷性强的因素组合在一起，形成抗冲刷性强的多因素配置组合。
本实施例及以下实施例中所述的试验工况即为本试验中的试验组次。
实施例2:
进一步的，所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂试验模型的损坏程度进行判断。
进一步的，建立蜂巢约束系统生态驳岸模型之前还包括：
进行蜂巢约束系统抗冲性多因素敏感性分析，确定蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素。
进一步的，所述的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素包括：
①蜂巢约束系统中草皮状态；其中草皮状态包括是否有草皮和有草皮时的草皮月龄；
②蜂巢约束系统中的填料级配；
③蜂巢约束系统生态驳岸坡比。
进一步的，根据所得到的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素，确定试验工况，所述的试验工况包括：
蜂巢约束系统中无草皮情况下，不同坡比、不同填料的试验工况；
蜂巢约束系统中有草皮不同月龄情况下，不同坡比、不同填料的试验工况。
进一步的，根据确定的不同试验工况，通过控制各工况的水流流速，进行模拟试验，分析各工况下主要影响因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合。
进一步的，所述的控制各工况的水流流速包括建立该模型的水位流速关系，根据水位流速关系调整试验模型水位，从而控制水流流速。
进一步的，所述的蜂巢约束系统生态驳岸模型，包括蜂巢约束系统盘23，所述的蜂巢约束系统盘23包括土工格栅制作的蜂巢格室，所述的蜂巢格室内根据不同试验工况填充填料、种植草皮，所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂巢约束系统盘的损坏程度进行判断。
其中，所述的蜂巢约束系统盘是模拟实际河道中蜂巢约束生态边坡的主体结构，蜂巢土工格栅固定在矩形槽内，根据不同工况，在蜂巢土工格栅内填充入相应的级配填料，培养不同龄期的草皮，从而形成各工况对应的蜂巢约束系统盘模型，然后分别将各工况的蜂巢约束系统盘模型放入本发明中的蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型内进行模拟试验。
分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合。
将确定的最佳抗冲刷因素的优化配置组合应用于目标蜂巢约束系统生态驳岸设计中。
实施例3:
本实施例以实际试验过程来详细的叙述本发明的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法：
草皮：实际试验时，选取适合本地气候的专用草籽高羊茅与黑麦草进行种植，在预先制作的试验段中培育草皮。
高羊茅与黑麦草两都是冷季型草坪，其中高羊茅的耐热性优异于黑麦草，而黑麦草的耐寒性又优于高羊茅。高羊茅较矮，颜色碧绿，生长旺盛，抗性佳；黑麦草颜色浓绿，分蘖性好，长势快，耐修剪，两种混播在一起就起到锦上添花的效果，能快速形成质地紧密，颜色油绿，根系发达的草毯。因此，使用混播，效果更好，故试验选用高羊茅与黑麦草混播培育试验用草皮。试验中选择高羊茅与黑麦草混播的播种量为20g/m2，混播比例高羊茅草籽占比60％，黑麦草草籽占比40％。
试验时，蜂巢约束系统盘培养了2月龄草皮和6月龄草皮，用于试验。
填料：
由于河道岸坡塌岸、滑坡等将危及堤防险工的安全，因此，在选择蜂巢约束系统填料时，应避免使用软土类与膨胀土类填料，而粉砂性土类填料由于在蜂巢约束系统内不能充分压实，无法达到设计的压实度，且粉砂性填料的可种植性差，试验草皮在粉砂性填料中无法正常生长，因此，在考虑填料自身抗冲性能与可种植性的基础上，试验选用一般粘性土作为蜂巢约束系统填料。
由于抗冲流速与填充材料的种类、填料颗粒的组成和可种植性等因素的不同都会对抗冲流速造成影响，因此，试验研究蜂巢约束系统在不同级配填料工况下，对护岸边坡抗冲流速的影响，并提出合理的级配关系。
填充料全部采用植被土时，其抗冲能力较弱，但有利于草皮生长；而当碎石较多时，其抗冲能力增强，但草皮生长就会受到抑制。为了兼顾填料自身的抗冲能力和填料的可种植性，最终选择在蜂巢约束系统中填入植被土与碎石的混合料，实际试验时确定3种不同配比的填充料进行模拟试验。
填料1：为100％的植被土；
填料2：为占比50％的植被土+占比50％的大碎石，大碎石直径为20mm～40mm；
填料3：为占比35％的植被土+占比20％小碎石+占比45％的大碎石，其中，小碎石直径为10mm～20mm，大碎石直径为20mm～40mm，详见表1。
表1填充料配比
名称 植被土 10mm～20mm 20mm～40mm
填料1 100％ 0 0
填料2 50％ 0 50％
填料3 35％ 20％ 45％
蜂巢约束系统生态驳岸坡比:
常规的生态驳岸坡比即实际中为护岸边坡，通常情况下，护岸边坡越缓，越有利于边坡稳定，因此，在本试验中，针对常见1:3和1:2两种岸坡坡度进行模拟试验，分析护岸坡度对抗冲流速的影响。
流速选择：
考虑到常规的草皮护坡抗冲流速在1m/s～1.5m/s之间，浆砌石、钢筋石笼等抗冲流速为5m/s左右，因此，在上述试验中，针对不同条件下的岸坡，最低流速为1m/s，按1m/s流速递增，最大流速为5m/s。
试验组次：
(1)无草皮护坡，填料1、填料2、填料3工况下，1m/s流速下冲刷破坏，则无草皮各填料工况下1m/s以上流速冲刷试验无需再做；
(2)2个月龄期草皮，坡比1:2，
填料1工况，3m/s流速发生破坏，则3m/s以上流速冲刷试验无需再做；
填料2和填料3工况，2m/s流速未发生破坏，则1m/s流速冲刷试验无需再做，4m/s流速发生破坏，则5m/s流速冲刷试验无需再做。
(3)2个月龄期草皮，坡比1:3，
填料1工况，2m/s流速未发生破坏，则1m/s流速冲刷试验无需再做，3m/s流速发生破坏，则3m/s以上流速冲刷试验无需再做；
填料2工况，2m/s流速未发生破坏，则1m/s流速冲刷试验无需再做，3m/s流速发生破坏，则3m/s以上流速冲刷试验无需再做；
填料3工况，2m/s流速下冲刷破坏，则2m/s以上流速冲刷试验无需再做。
(4)2个月龄期草皮试验发现，填料3在夏季对草皮生长影响特别明显，在实际工程中也不利于草皮种植与培育，因此，在6个月龄期试验中，不再进行填料3草皮的冲刷试验。
(5)6个月龄期草皮，坡比1:2，
填料1工况，3m/s流速未发生破坏，则3m/s以下流速冲刷试验无需再做，4m/s流速发生破坏，则5m/s流速冲刷试验无需再做；
填料2工况，3m/s流速未发生破坏，3m/s以下流速冲刷试验无需再做。
(6)6个月龄期草皮，坡比1:3，
填料1工况，3m/s流速未发生破坏，则3m/s以下流速冲刷试验无需再做，4m/s流速发生破坏，则5m/s流速冲刷试验无需再做；
填料2工况，3m/s流速未发生破坏，3m/s以下流速冲刷试验无需再做。
根据已完成的试验结果对试验组次进行筛选，调整后的试验组次如表2：
表2试验组次表
Figure BDA0002939749600000111
试验结果：
通过不同工况的蜂巢约束系统盘放入蜂巢约束系统生态驳岸模型中试验后统计的试验结果如下表3；
表3试验结果汇总表
Figure BDA0002939749600000121
Figure BDA0002939749600000131
通过上述的表格可以看出：
草皮影响：
(1)在无草皮覆盖时，蜂格约束系统的抗冲流速小于1m/s，抗冲性能十分脆弱，不建议在工程实际中应用。
(2)草皮龄期对蜂格约束系统的抗冲性能影响较大，在草皮长势较好时，2个月龄期草皮抗冲流速可达3m/s，6个月龄期草皮抗冲流速可达到4m/s。
(3)草皮龄期越长越有利于提高护岸边坡的抗冲性能。
填料级配影响：
(1)2个月龄期草皮正常生长状态下：
1)蜂格约束系统在填料1工况下，抗冲流速介于2m/s-3m/s之间；
2)蜂格约束系统在填料2工况下，抗冲流速介于3m/s-4m/s之间；
3)蜂格约束系统在填料3工况下，抗冲流速介于3m/s-4m/s之间；
4)填料2与填料3的抗冲流速相近；填料1的抗冲流速小于填料2与填料3的抗冲流速。但填料3可种植性较差，在外界条件不利时对草皮生长拟制作用明显，而填料2草皮在不同生长条件下均表现出良好的抗冲性能，因此，填料2既能提高护岸抗冲流速，又不影响草皮正常生长，将其作为推荐填料配比。
(2)6个月龄期草皮正常生长状况下：
1)蜂格约束系统在填料1工况下抗冲流速介于3m/s-4m/s；
2)蜂格约束系统在填料2工况下，抗冲流速介于4m/s-5m/s；
3)保持岸坡坡度不变，填料1抗冲流速小于填料2抗冲流速。
坡比影响：
在填料集配、草皮生长龄期不变的条件下，试验测得1:2或1:3的护岸坡度对蜂格约束系统的抗冲流速影响不大。
综上所述，根据在一定流速范围内不同抗冲刷性能最佳的因素类型的试验数值，得到组成最佳抗冲刷因素的优化配置组合为：填料2+长月龄草皮+1:2以下坡度下的抗冲刷性能最强，将本发明的方法得到最佳最佳抗冲刷因素的优化配置组合应用于目标蜂巢约束系统生态驳岸设计中，促进了蜂巢约束系统在水环境治理工程的推广及应用，节省了水环境治理工程成本。
实施例4
参照图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11和图12，建立蜂巢约束系统生态驳岸模型，蜂巢约束系统生态驳岸试验模型包括包括蓄水装置1、泄槽装置2、回水池3、供水装置和控制装置40，所述泄槽装置2的入水端与蓄水装置1的出水口连通，泄槽装置2的出水端连接供水装置，所述蓄水装置1内的底部设置有压力传感器38，所述蓄水装置1上设置有水位观察管7，所述蓄水装置1的底部设置有退水口，退水口处连接有退水管36，退水管36另一端与供水装置连通，退水管36上连接有退水电磁阀37，所述供水装置、退水电磁阀37和压力传感器38与控制装置40电信号连接，所述蓄水装置1的出水口设置在蓄水装置1的侧壁上，且位于蓄水装置1底部有一定距离。
上述实施例中，蓄水装置1，用于模拟模拟实际生态驳岸河道上游水库，开闸后，水可以在一定流速下通过泄槽装置2。
泄槽装置2，用于模拟实际生态驳岸，其中实际的生态驳岸为两侧多为斜坡驳岸，为控制模型规模，节约水资源，本发明中的模型中泄槽装置2只模拟实际河道一侧的斜坡驳岸，在斜坡驳岸上设置蜂巢约束系统，通过对各影响因素不同工况下蜂巢约束岸坡的冲刷状况进行多次模拟试验，分析各因素对抗冲性的影响规律，确定具有最佳抗冲刷性的多因素最优配置组合。
回水池3，用于对流过泄槽装置2的水体的回收。
汇水池4，用于储存水，保证蓄水装置1内水的充足。
连通结构，用于回水池3和汇水池4连通形成水循环结构，可以节约水资源。
控制装置40，用于智能控制进入蓄水装置1内的水流量，使其进入泄槽装置2内的水流速度始终保持在所需水流速度值，其中控制装置40为现有技术，为PLC可编程控制器，同时PLC可编程器中包括可以输入值的PID模块，PID模块也为现有技术。
第一升降结构11，用于调整泄槽装置2的底部纵度，使模型满足均匀流，保证泄槽装置2从进水端到出水端的流速一致。
第二升降结构24，用于调整泄槽装置2一侧有斜坡驳岸的倾斜角度，进行不同坡比的冲刷性能的模拟试验。
本实施例中水流速度控制原理如下：
S1：试验在蓄水装置1底板设置压力传感器38，并将压力传感器38的数据传送至控制装置40，控制装置40用来控制供水装置的进水和退水电磁阀37的出水；压力传感器38对蓄水装置1水位进行实时监测，根据压力传感器38实时压力与设计的压力值参数差异，调整供水装置的进水和退水电磁阀37的出水，从而控制水流的速度。
S2：试验在蓄水装置1底板设置压力传感器38，并将压力传感器38数据传送至控制装置40，控制装置40用来控制供水装置的供水量；压力传感器38对蓄水装置1水位进行实时监测，根据实时压力与控制装置40内压力传感器38设计压力参数的差异，调整供水装置的供水量。
蓄水装置1的出水口设置在蓄水装置1的侧壁上，且位于蓄水装置1底部以上一定距离，实际试验中出水口设置在蓄水装置1底部以上1.0m处，以减小蓄水装置1进水口水体对出水口水体流态的干扰。
上述实施例中压力传感器38采用现有的传感器，只要能实现本发明的中的功能属于本发明的保护范围，通过上述控制原理方法可以进行智能控制水流速度保证了试验的数据的准确性，同时节省了人力物力及试验时间，比人工去控制水位控制泄槽装置2的流速更加的方便准确。
进一步的，所述的供水装置包括汇水池4、水泵5、进水管39，水泵5设置在汇水池4内，水泵5的出水口通过进水管39与蓄水装置1入水口连通，水泵5与控制装置40电信号连接。
参照图2，进一步的，所述的水泵5为变频水泵，变频水泵与控制装置40电信号连接。
本实施例中水流速度控制原理如下：
试验开始时，水泵5以最大功率运行，控制装置40自动关闭退水电磁阀37；当蓄水装置1底部压力传感器38实时压力高于设计压力参数时，控制装置40自动减小水泵5运行频率，使水泵5输出流量减小，蓄水装置1水位降低；当蓄水装置1底部压力传感器38实时压力低于设计压力参数时，控制装置40自动增大水泵5运行频率，使水泵5输出流量增大，蓄水装置1水位升高；
试验结束时，关闭水泵5，打开退水电磁阀37放空蓄水装置1。
通过本实施例的结构及方法控制蓄水装置1内的水位值，控制结构简单，实际使用时控制水流速度值准确。
参照图3，进一步的，所述的供水装置包括汇水池4、水泵5、进水管39，水泵5设置在汇水池4内，水泵5的出水口通过进水管39与蓄水装置1入水口连通，所述进水管39上设置有进水电磁阀6，进水电磁阀6与控制装置40电信号连接。
本实施例中水流速度控制原理如下：
试验开始时，开启水泵5，通过控制装置40开启进水电磁阀6，关闭退水电磁阀37；
当蓄水装置1底部压力传感器38实时压力高于设计压力参数时，控制装置40自动将退水电磁阀37调大，进水电磁阀6不动，从而实现通过增大退水流量降低蓄水装置1水位。如果当退水电磁阀37全部开启后，蓄水装置1底部压力传感器38压力仍然高于设计压力参数时，则控制装置40自动将进水电磁阀6开度调小，从而实现减小进水流量，增大退水流量来降低蓄水装置1水位；试验过程中当出现蓄水装置1底部压力传感器38实时压力低于设计压力参数时，控制装置40自动将退水电磁阀37调小，进水电磁阀6不动，从而实现通过减小退水流量升高蓄水装置1水位；如果当退水电磁阀37全部关闭后，蓄水装置1水位仍然低于设计压力参数时，则控制装置40自动将进水电磁阀6开度调大，从而实现增大进水流量，减小退水流量来升高蓄水装置1水位；
试验结束时关闭水泵5，通过控制装置40，开启退水电磁阀37，和进水电磁阀6。
本实施例通过控制装置40控制进水电磁阀6调整蓄水装置1内的水位，节省了水泵5设备的需求成本，同时也可以进行准确的控制水流速度。
进一步的，所述的回水池3和汇水池4之间设置有将其二者连通的连通结构，所述退水管36另一端与连通结构连通。
上述实施例中在回水池3和回水池4之间设置连通结构35将其二者连通，有利于水的再循环利用，节约了水资源，连通结构35可以为暗渠，或者是连通管道，蓄水装置1底部的退水管36可与连通结构35连通。
进一步的，所述的泄槽装置2的底部连接有多个支撑架10，所述泄槽装置2的出水端底部还连接有第一升降结构11，所述泄槽装置2的进水端的底部还连接有转轴结构9，转轴结构9的底部固定连接在支撑架10上。
进一步的，所述的转轴结构9包括轴承座25、台座26和轴杆27，台座26固定连接在支撑架10上，台座26上表面沿垂直水流方向设置有两个轴承座25，两个轴承座25之间采用轴杆27进行连接，泄槽装置2进水端底部固定连接在两个轴承座25之间的轴杆27上。
参照图12，进一步的，所述的第一升降结构11包括基座28、换向结构29、丝杆30、螺帽31、承载横梁32、传动轴33和转轮34，所述基座28设置有两个，两两个基座28上均固定连接有换向结构29，传动轴33贯穿两个换向结构29，传动轴33的一端连接转轮34，所述两个换向结构29竖直方向上均连接有丝杆30，两个丝杆30上均连接有螺帽31，两个螺帽31之间固定连接承载横梁32，所述泄槽装置2的出水端底部位于承载横梁32上。
上述实施例中支撑架10用于支撑泄槽装置2，泄槽装置2的出水端底部还连接的第一升降结构11用于调整泄槽装置2的底板坡度，使其流过泄槽装置2从进水端到出水端整段的流速一致，保证泄槽内的水流为明渠均匀流，从而泄槽装置2从进水端到出水端整段的流速一致，保证整个模拟试验中流过蜂巢约束系统盘的流速一致，保证试验数据的准确性；转轴结构9用于在进行调整泄槽装置2的底板坡度(即纵坡)，同时也可支撑泄槽装置2的进水端，具体是通过在支撑架10上固定连接台座26，然后在台座26上表面沿垂直水流方向固定连接两个轴承座25，通过轴杆27连接两个轴承座25，然后将泄槽装置2进水端底部固定连接在轴杆27上，在调整第一升降结构11时，泄槽装置2的进水端将绕着轴杆27上下移动，从而达到调整整个泄槽装置2的纵坡，保证泄槽装置2中水流为明渠均匀流。
上述实施例中基座28用于支撑泄槽装置2出水端，同时在两个基座28上固定换向结构29，换向结构29采用蜗轮蜗杆结构，然后在换向结构29上连接丝杆30，两个丝杆30上均连接有螺帽31，两个螺帽31之间固定连接承载横梁32，泄槽装置2出水端的底部位于承载横梁32上，当需要进行调整整个泄槽装置2的底板坡度时，转动转轮34，转轮34带动传动轴33转动，传动轴33带动丝杆30转动，从而使丝杆30上的螺帽31在丝杆30上上下移动，进而使承载横梁32上的泄槽装置2上下移动调整倾斜度，以满足试验的需求，通过该结构进行调整泄槽装置2的坡度，操作简单，省时省力。
进一步的，所述的泄槽装置2包括过渡段12、试验段13和尾部段14，过渡段12、试验段13和尾部段14之间依次固定连接，过渡段12和尾部段14的结构相同，试验段13内设置有凹槽15，凹槽15内放置蜂巢约束系统盘23。
进一步的，所述的蓄水装置1的出水口设置有压段8，有压段8与泄槽装置2之间通过柔性件密封连接，所述有压段8为两端开口的一体成型筒状结构，其中有压段8的端面结构与过渡段12端面结构相同，且二者通过柔性件密封连接。
进一步的，所述的过渡段12、试验段13和尾部段14均为两端及顶部开口的凹槽15结构，所述过渡段12、试验段13和尾部段14的底部均设置有水平面段17和连接在水平面段17一侧的可调整面段18，所述水平面段17的另一侧垂直连接有第一挡水面段19，所述过渡段12、试验段13和尾部段14底部的水平面段17一侧与可调整面段18一侧活动连接，所述过渡段12、试验段13和尾部段14底部的可调整面段18向外延伸的一侧垂直与水平面设置有第二挡水面段20，所述第二挡水面段20与第一挡水面段19顶部高度保持一致，所述试验段13底部的可调整面段18上开有用于放置蜂巢约束系统盘23的凹槽15。
进一步的，所述的水平面段17一侧与可调整面段18一侧通过铰接系统21铰接，铰接系统21包括第一面板和第二面板，第一面板和第二面板之间通过转轴16转动连接，第一面板和第二面板分别通过螺钉22固定在水平面段17与可调整面段18的底部，水平面段17与可调整面段18的连接处还通过密封胶密封。
进一步的，所述过渡段12、试验段13和尾部段14上的第二挡水面段20一侧壁上还分别固定连接有第二升降结构24，第二升降结构24的底部连接在支撑架10上。
上述实施例中泄槽装置2内设置有过渡段12、试验段13和尾部段14，过渡段12用于调整水流流态，使水体逐渐过渡为均匀流。其中不同工况的蜂巢约束系统盘23放置在试验段13内的凹槽15内，蜂巢约束系统盘的高度为凹槽15的深度，放入蜂巢约束系统盘后盘面与过渡段12尾部段14的槽面平行，保证整个泄槽装置2内的水流流态。
蓄水装置1的出水口连接有压段8，用于控制进入斜槽装置2内的水流流态有压段8与泄槽装置2之间的柔性件密封用于保证不漏水，其中柔性件可采用柔性橡胶或者橡皮泥阻塞缝隙，有压段8为两端开口的一体成型筒状结构，底部和两侧与过渡段12的底部及两侧断面结构一致，进一步保证进入过渡段12、试验段13和尾部段14内的水流流态，保证试验的可靠性。
过渡段12、试验段13和尾部段14均为两端及顶部开口的凹槽结构，用于模拟明渠河道，水平面段17用于模拟实际河道底部，可调整面段18用于模拟实际河道边坡，其中可调整面段18和水平面段17可以固定连接，制作成多个不同坡比的边坡，也可以是活动连接，进行不同边坡坡比的调整，优选可调整面段18和水平面段17活动连接，试验时方便操作，根据不同坡比的需求调整可调整面段18和水平面段17之间的夹角，即可调整试验边坡坡比，实际试验时选择坡比为1:3和1:2，进行试验。
其中有压段8为一体式结构，底部的水平面段17与斜面18、顶面16、竖直第一挡水面19依次固定连接，有压段8可根据实际试验时泄槽装置2内可调整面段18所确定的不同坡比进行制作，第一挡水面段19用于阻挡水平面段17一侧的水，第二挡水面段20用于阻挡可调整面段18一侧的水，第二挡水面段20与第一挡水面段19的顶部高度保持一致。
蓄水装置1出水口为有压出水口，为了尽快将有压流调整为明渠均匀流，在泄槽装置2前端设置有压段8，且有压段8与斜槽装置2的过流断面保持一致，均为梯形断面。同时为了调整水流的均匀性，模型设计时，在有压段8内的梯形进口断面内设置纵向格栅，参见图4，通过该结构控制水流流态的稳定。
可调整面段18和水平面段17活动连接时，具体在水平面段17一侧与可调整面段18一侧连接处的底部设置铰接系统21，然后通过螺钉22将第一面板和第二面板与可调整面段18和水平面段17进行固定，从而实现可调整面段18和水平面段17绕着转轴16可调整角度，可调整面段18和水平面段17之间的缝隙通过密封胶密封，保证在进行可调整面段18调整坡比后不会漏水。
为调整可调整面段18，在过渡段12、试验段13和尾部段14上的第二挡水面段20外侧设置有水平凸台，水平凸台与第二升降结构24连接，第二升降结构24可采用液压杆、螺杆或丝杠，本实施例中采用螺杆，见图7，水平凸台上设有矩形螺孔，与螺杆通过活动螺帽连接，矩形螺孔长边与水流方向垂直，以保证可调整面段18在转动时的水平及垂直向移动。螺杆的底部通过固定螺丝连接在支撑架上，在泄槽装置2的底部可设置多个支撑架10，过渡段12、试验段13和尾部段14上的第二升降结构24固定在底部的支撑架上，转动可调整面段18，并采用第二升降结构24进行固定，从而调整试验边坡坡比，该结构边坡坡比调整操作简单，试验效率高。
实施例5：
本发明的蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型设计满足以下条件：
其中将蓄水装置1成为钢板水箱或其他材质水箱，均不影响本发明的范围。
(1)模型比尺
整体模型按重力相似准则设计，根据原型水流特性、几何尺寸并结合试验场地及仪器设备等条件，模型几何比尺为：Lr＝1，则相应的其它水力要素比尺为：
流量比尺：Qr＝Lr 2.5＝1.0；
流速比尺：Vr＝Lr 0.5＝1.0；
时间比尺：Tr＝Lr 0.5＝1.0。
(2)边界条件
1)模型护岸形式
本发明中生态驳岸在断面型式上可应用于缓坡型自然护岸、斜坡式人工护岸、复合式人工护岸。在试验段13内采用蜂巢约束系统盘模拟护岸边坡，并在蜂巢约束系统土工格栅内填充不同填料，种植草皮。
2)模型岸坡的种类
岸坡种类采用一般粘性土类岸坡，分别由黄土、含碎石的黄土共三种作为风格约束系统填料，试验时分别进行有草皮护岸和无草皮护岸的冲刷试验。
3)模型护岸的平面形态
试验中，为了便于冲刷流速的控制，在模型设计时，采用直线型斜槽。
4)模型护岸的高度
由于模型比尺为1:1，试验最大流速为5m/s，模型横断面设计较大时，试验需要流量较大，在模型设计时，为了兼顾试验需要护岸高度与试验水泵能提供的最大流量，将护岸断面高度设计为26cm。
5)模型护岸的坡度
本发明中的生态驳岸在结构型式上主要为缓坡护岸，护岸坡度设计为1:2和1:3，即可调整面段18的坡比为1:2和1:3。
6)模型护岸的长度
本次试验模型主要由钢板水箱1+有压段8+泄槽装置2(过渡段12、试验段13和尾部段14)，有压段8长1.2m，泄槽装置2总长10m，其中过渡段12长6.5m，试验段13长2m，尾部段14长1.5m，为了便于流态控制，泄槽装置2的槽段护岸形状保持一致。
7)模型中采用材料
本次模型试验中所用草皮品种、龄期与原型一致；蜂巢约束系统盘23中其填料与原型一致。
(3)模型设计试验模型中，蓄水装置1为钢板水箱，钢板水箱高度为3.5m，钢板水箱长度和宽度为3m，即钢板水箱最大容积约为31.5m3。有压段长度设计为1.2m，过渡段长度为6.5m，为了便于观察水流流态，有压段和过渡段均采用有机玻璃制作，试验段长度确定为2m，尾部段长度为1.5m，为了避免蜂巢系统盘荷载对试验段泄槽的影响及填料可能对试验段及尾部段带来的破坏，试验段及尾部段采用钢板制作。
根据模型设计参数，试验模型需要最大流量约为1410m3/h。
压力进水管直径为0.5m，采用厚度0.8cm的螺旋钢管焊接而成。
水箱退水管直径为0.1m，采用厚度0.5cm的钢管焊接而成。
(4)模型流速控制
本试验模型根据水位流速关系，通过控制水箱水位，从而控制泄槽水体流速，参见表1。模型安装完毕后，试验开始前通过调试钢板水箱水位、测定泄槽进口段流速，得到钢板水箱水位与泄槽压力进口流速的关系曲线，见图13。调试时，流速通过手持流速仪测定，水位通过水位观察管7读取。
表1水箱水位流速率定结果(水箱底板为0m水位)
Figure BDA0002939749600000241
Figure BDA0002939749600000251
模型设计时，为控制试验段水体流速，通过调整泄槽底板纵坡，保证水体为明渠均匀流。在泄槽进口端底部设置转轴，转轴固定在行架上，行架下游端由第一升降结构11控制，试验时通过第一升降结构11调节泄槽尾部高程，来改变泄槽底板坡度，用于控制水体流态。
泄槽底板纵度应根据明渠均匀流公式进行调整，1:2及1:3不同坡比条件下试验流速与底板坡度对应关系见下表2和表3。
表2 1:3边坡流速与底板坡度对应表
流速v(m/s) 渠道坡降J
1.0 0.0019
2.0 0.0077
3.0 0.0172
4.0 0.0306
5.0 0.0479
表3 1:2边坡流速与底板坡度对应表
流速v(m/s) 渠道坡降J
1.0 0.00192
2.0 0.00768
3.0 0.0173
4.0 0.0307
5.0 0.048
以下为明渠均匀流水力计算公式：
断面流速：v＝C(Ri)0.5
谢才系数：C＝1/n×R1/6
水力半径：R＝A/X
过水断面湿周：X＝B1+2h(1+m2)0.5
过水断面面积：A＝(B1+B2)×h/2
其中，C：谢才系数；i：泄槽底板坡度；n：糙率系数，本试验泄槽过渡段为有机玻璃，n取0.0085；R：水力半径；A：过水断面面积；X：过水断面湿周；h：泄槽水深；B1：过水断面底宽；B2：过水断面顶宽，B2＝B1+mh，m为边坡系数；h：泄槽水深。
本试验根据水箱水位与泄槽压力进口流速关系曲线12，确定各流速对应水位，并根据水箱水位与传感器压力关系，通过控制装置控制进入水箱流量，进一步控制水箱水位，水位压力关系结果表4；
表4压力传感器控制参数表
流速(m/s) 水位(m) 压力传感器压力值(KPa)
1 1.077 10.55
2 1.305 12.79
3 1.542 15.11
4 1.99 19.50
5 2.515 24.65
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细的说明，但本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，其都在该技术的保护范围内。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：包括以下方法
获取蜂巢约束系统抗冲刷性能的多种影响因素；
建立蜂巢约束系统生态驳岸抗冲刷试验模型；
根据获取的蜂巢约束系统抗冲刷性能影响因素，确定试验工况，根据确定的试验工况进行模拟试验；
分析各因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合；
将确定的具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合应用于生态驳岸工程设计中。
2.根据权利要求1所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂试验模型的损坏程度进行判断。
3.根据权利要求2所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：建立蜂巢约束系统生态驳岸模型之前还包括：
进行蜂巢约束系统抗冲性多因素敏感性分析，确定蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素。
4.根据权利要求3所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素包括：
①蜂巢约束系统中草皮状态；
②蜂巢约束系统中的填料级配；
③蜂巢约束系统生态驳岸坡比。
5.根据权利要求4所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：根据所得到的蜂巢约束系统抗冲性的主要影响因素，确定试验工况，所述的试验工况包括：
蜂巢约束系统中无草皮情况下，不同坡比、不同填料的试验工况；
蜂巢约束系统中有草皮不同月龄情况下，不同坡比、不同填料的试验工况。
6.根据权利要求5所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：根据确定的不同试验工况，通过控制各工况的水流流速，进行模拟试验，分析各工况下主要影响因素对蜂巢约束系统抗冲刷性的影响规律，确定具有最佳抗冲性的多因素优化配置组合。
7.根据权利要求6所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的控制各工况的水流流速包括建立该模型的水位流速关系，根据水位流速关系调整试验模型水位，从而控制水流流速。
8.根据权利要求2所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的蜂巢约束系统生态驳岸模型，包括蜂巢约束系统盘，所述的蜂巢约束系统盘包括土工格栅制作的蜂巢格室，所述的蜂巢格室内根据不同试验工况填充填料、种植草皮，所述的蜂巢约束系统抗冲刷性能通过控制试验模型水流流速，观察记录蜂巢约束系统盘的损坏程度进行判断。
9.根据权利要求1所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的蜂巢约束系统生态驳岸试验模型包括包括蓄水装置(1)、泄槽装置(2)、回水池(3)、供水装置和控制装置(40)，所述泄槽装置(2)的入水端与蓄水装置(1)的出水口连通，泄槽装置(2)的出水端连接供水装置，所述蓄水装置(1)内的底部设置有压力传感器(38)，所述蓄水装置(1)上设置有水位观察管(7)，所述蓄水装置(1)的底部设置有退水口，退水口处连接有退水管(36)，退水管(36)另一端与供水装置连通，退水管(36)上连接有退水电磁阀(37)，所述供水装置、退水电磁阀(37)和压力传感器(38)与控制装置(40)电信号连接，所述蓄水装置(1)的出水口设置在蓄水装置(1)的侧壁上，且位于蓄水装置(1)底部有一定距离。
10.根据权利要求1所述的基于模型试验的蜂巢约束系统抗冲性多因素优化配置方法，其特征是：所述的供水装置包括汇水池(4)、水泵(5)、进水管(39)，水泵(5)设置在汇水池(4)内，水泵(5)的出水口通过进水管(39)与蓄水装置(1)入水口连通，水泵(5)与控制装置(40)电信号连接。
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