CN114942199A - 一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法，装置包括储水箱、水泵、试验土体、不透水隔板、流速测量装置、试验土体监测装置；针对堤坝涌浪侵蚀或漫顶冲刷室内模型试验，通过模拟观测不同条件（水位、流量）下不同类型土体（黏土、壤土或砂土）侵蚀或冲刷发展变化过程，获取土质堤坝的冲刷临界流速，为分析不同类型土体的侵蚀冲刷演化规律和破坏严重程度提供条件。

Description

一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法。

背景技术

极端强降雨预测预报困难，超标准洪水不可避免，面对突发超标准洪水时的堤坝防洪风险问题突出。对土石堤坝而言，高水位时的涌浪侵蚀和漫顶冲刷是引起堤坝溃决的重要原因；但侵蚀冲刷并不一定必然造成溃决，如2021年“7·20”暴雨期间，郑州郭家咀水库就经历了漫而未溃的情况。研究表明，对不同的砂砾石粒径或块石大小，均存在不冲和启动临界流速；对黏性土体而言，其抗冲流速与粘聚力、密实度及土的种类、水深等都有关系，难以通过计算分析，试验获取其启动临界流速基本是唯一手段。因此，通过试验研究土质堤坝材料在涌浪侵蚀或漫顶冲刷下的启动临界流速和发展变化过程，以增强突发洪水事件时堤坝应急处置的针对性，对提升堤坝自然灾害防御水平，保障“水库不垮坝、重要堤防不决口”具有重要科学价值和现实意义。

现有的已有试验装置均是对土坝漫顶溃决的研究，观测的是大坝溃口规律及溃决发展过程，受尺寸及观测手段限制，无法观测到土质堤坝的冲刷临界流速，更无法有效观测到不同类型土体的侵蚀冲刷发展变化过程和冲刷严重程度随时间、水深等的变化规律。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，包括：

储水箱，通过控制水位模拟堤坝临水侧的库水位或河道水位高低，所述储水箱的水位高度可调，且其中一侧设置有出水口，用于高水位时的涌浪或漫顶出流；

水泵，进口端与水源连通，出口端通过管道与储水箱相连通，用于为储水箱提供实验用水，并可通过流量控制调节调控储水箱中水位高度及出流大小；

试验土体，堆设在所述储水箱的出水口一侧，根据所需分析堤坝工程的实际情况压实填筑并设置倾斜坡度，用于模拟实体堤坝；

不透水隔板，竖直设置在试验土体两侧，且不透水隔板的高度高于试验土体的最高高度，用于控制漫顶出流范围；

流速测量装置，沿所述试验土体坡度方向设置并通过铰接装置连接到支架上，用于监测模拟堤坝的试验土体在漫顶侵蚀/冲刷过程中不同位置处的水体流速；

试验土体监测装置，被配置为测量沿水流方向不同位置处的试验土体侵蚀/冲刷深度的变化情况。

在一些实施例中，所述流速测量装置采用流速测量板，所述流速测量板为对称结构的中间厚两端薄的弧形板，其中流速测量板的上表面平整，下表面为弧形结构；

在一些实施例中，所述不透水隔板上设置有支架，所述流速测量板上部铰接设置在支架上，下端自然落下位于试验土体的坡面上，其中所述铰轴水平面设置；

所述流速测量板的下端设置有传感器，用于感应流速测量板下端在冲刷水流顶托下的抬升高度。

在一些实施例中，所述流速测量板受水流动能顶托影响，会克服铰接摩擦力及重力上抬一定高度，所述流速测量板下端的抬升高度与流速关系预先率定，并通过流速仪矫正。

优选的，所述流速测量板的材质为有机塑料。

在一些实施例中，所述试验土层监测装置采用测量米尺，所述支架上开设有多个用于安装测量米尺的通孔，所述测量米尺竖直穿设在所述支架的通孔中，且可上下自由移动。

在一些实施例中，所述试验土体能够根据模拟情况选用粘土、壤土或砂土不同性状土体。

在一些实施例中，所述试验土体坡顶和坡脚为平台结构，坡度能够根据模拟情况设置。

在一些实施例中，所述储水箱的出水口处设置有可移动的闸门，通过所述闸门实现出水口的开启大小或关闭。

在一些实施例中，所述不透水隔板沿储水箱出水口侧垂直设置，且不透水隔板与储水箱的连接处密封。

在另一些实施例中，所述试验土体监测装置也可采用摄像头监控，通过摄像头采集试验土体侵蚀/冲刷过程中的高度变化情况。

第二方面，还提供一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验方法，包括：

S1、在储水箱的出水口侧竖直设置一对不透水隔板，并将不透水隔板与储水箱的连接处密封；

S2、在两个不透水隔板之间堆设试验土体并压实，所述试验土体根据模拟情况设置为所需坡度，且接触储水箱的坡顶处堆设成平台结构；

S3、在两个不透水隔板上搭设支架，所述支架沿水流方向间隔距离均匀布设，然后在支架上安装测量米尺以及流速测量板；

S4、开启水泵，并通过水泵调控流量和水位超高，当水位及入水流量达到实验条件，开启出水口，水流顺着试验土体坡度往下冲刷；

根据不同土质体设置不同间隔时段通过测量米尺测量冲刷深度变化，根据经验，对于黏质土体，可按次/5分测量频次；对于砂质土体，因冲刷速度较快，测量频次应加密，如可按次/分测量；具体根据试验发展情况进行；

S5、试验完成后，采用坡脚的全断面米尺架对冲刷坡面进行完整测量，以获取最终冲刷形态；

S6、不同土质（黏性土和砂性土）、不同坡度、不同漫顶水位、不同冲刷流量、不同冲刷时间，对这5个变量可分别进行模拟分析。

有益效果：本发明提供的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法，模拟涌浪或漫顶水头、流量等影响条件，对不同条件下的土质堤坝涌浪侵蚀或漫顶冲刷过程进行观测和测定。本发明创造性地通过设计堤坝侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，通过采用流速测量板、观测米尺等观测土体侵蚀/冲刷严重程度的时空分布，模拟并记录土质堤坝侵蚀/冲刷破坏全过程，可由此判断冲刷发生的临界流速条件，为突发洪水事件时堤坝灾害防御及应急处置提供技术支持。

本发明可以针对堤坝涌浪侵蚀或漫顶冲刷室内模型试验，通过模拟观测不同条件（水位、流量）下不同类型土体（黏土、壤土或砂土）侵蚀或冲刷发展变化过程，获取土质堤坝的冲刷临界流速，为分析不同类型土体的侵蚀冲刷演化规律和破坏严重程度提供条件。

附图说明

图1为实施例中堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置的结构示意图；

图中：水泵1、储水箱2、试验土体3、不透水隔板4、流速测量装置5、传感器6、支架7、测量米尺8、储水箱出水口2-1。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以还包括不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作，因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

实施例一

一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，包括：

储水箱2，通过控制水位模拟堤坝临水侧的库水位或河道水位高低，所述储水箱2的水位高度可调，且其中一侧设置有出水口，用于高水位时的涌浪或漫顶出流；

水泵1，进口端与水源连通，出口端通过管道与储水箱2相连通，用于为储水箱2提供实验用水，并可通过流量控制调节调控储水箱2中水位高度及出流大小；

试验土体3，堆设在所述储水箱2的出水口一侧，根据所需分析堤坝工程的实际情况压实填筑并设置倾斜坡度，用于模拟实体堤坝；

不透水隔板4，竖直设置在试验土体3两侧，且不透水隔板4的高度高于试验土体的最高高度，用于控制漫顶出流范围；

流速测量装置5，沿所述试验土体3坡度方向设置并通过铰接装置连接到支架7上，用于监测模拟堤坝的试验土体3在漫顶侵蚀/冲刷过程中不同位置处的水体流速；

试验土层监测装置，被配置为测量沿水流方向不同位置处的试验土体3侵蚀/冲刷深度的变化情况。

在一些实施例中，所述流速测量装置5采用流速测量板，所述流速测量板为对称结构的中间厚两端薄的弧形板，其中流速测量板的上表面平整，下表面为弧形结构；

所述不透水隔板4上设置有支架7，所述流速测量板上部铰接设置在支架7上，下端自然落下位于试验土体3的坡面上，其中所述铰轴水平面设置；

所述流速测量板的下端设置有传感器6，用于感应流速测量板下端在冲刷水流顶托下的抬升高度。

进一步的，所述流速测量板的材质为有机塑料。

在一些实施例中，通过铰接装置与支架7相连的流速测量板，其受水流动能顶托影响，会克服铰接摩擦力及重力上抬一定高度，所述流速测量板下端的抬升高度与流速关系预先率定，并通过流速仪矫正。该装置的优势还在于不需要电源且设置方便，室内试验和野外测量均可随用随设。

当然在另一些实施例中，如果在室内进行试验的话，所述流速测量装置（5）也可以采用流速仪。

在一些实施例中，所述试验土层监测装置采用测量米尺8，所述支架7上开设有多个用于安装测量米尺8的通孔，所述测量米尺8竖直穿设在所述支架7的通孔中，且可上下自由移动。

在一些实施例中，所述试验土体3能够根据模拟情况选用粘土、壤土或砂土各种不同性状土体。

在一些实施例中，所述试验土体3坡顶和坡脚为平台结构，坡度能够根据模拟情况设置。

在一些实施例中，所述储水箱2的出水口处设置有可移动的闸门，通过所述闸门实现出水口的开启大小或关闭。

在一些实施例中，所述不透水隔板4沿储水箱2出水口侧垂直设置，且不透水隔板4与储水箱2的连接处密封。

在另一些实施例中，所述试验土层监测装置也可采用摄像头监控，通过摄像头采集试验土体3侵蚀/冲刷过程中的高度变化情况。当然这种方案不适合户外。

实施例二

本实施例是实施例一中的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置的试验方法，包括以下步骤：

S1、在储水箱2的出水口侧竖直设置一对不透水隔板4，并将不透水隔板4与储水箱2的连接处密封；

S2、在两个不透水隔板4之间堆设试验土体3并压实，所述试验土体3根据模拟情况设置为所需坡度，且接触储水箱2的坡顶处堆设成平台结构；

S3、在两个不透水隔板4上搭设支架7，所述支架7沿水流方向间隔距离均匀布设，然后在支架7上安装测量米尺8以及流速测量板；

S4、开启水泵1，并通过水泵1调控流量和水位超高，当水位及入水流量达到实验条件，开启出水口，水流顺着试验土体3坡度往下冲刷；

根据不同土质体设置不同间隔时段通过测量米尺8测量冲刷深度变化，根据经验，对于黏质土体，可按次/5分测量频次；对于砂质土体，因冲刷速度较快，测量频次应加密，如可按次/分测量；具体根据试验发展情况进行；

S5、试验完成后，采用坡脚的全断面米尺架对冲刷坡面进行完整测量，以获取最终冲刷形态；

S6、不同土质（黏性土和砂性土）、不同坡度、不同漫顶水位、不同冲刷流量、不同冲刷时间，对这5个变量可分别进行模拟分析。

本发明提供的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置及试验方法，通过试验研究土质堤坝材料在涌浪侵蚀或漫顶冲刷下的启动临界流速和发展变化过程，以增强突发洪水事件时堤坝应急处置的针对性，对提升堤坝自然灾害防御水平，保障“水库不垮坝、重要堤防不决口”具有重要科学价值和现实意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，包括：

储水箱（2），通过控制水位模拟堤坝临水侧的库水位或河道水位高低，所述储水箱（2）的水位高度可调，且其中一侧设置有出水口，用于高水位时的涌浪或漫顶出流；

水泵（1），进口端与水源连通，出口端通过管道与储水箱（2）相连通，用于为储水箱（2）提供实验用水，并可通过流量控制调节调控储水箱（2）中水位高度及出流大小；

试验土体（3），堆设在所述储水箱（2）的出水口一侧，根据所需分析堤坝工程的实际情况压实填筑并设置倾斜坡度，用于模拟实体堤坝；

不透水隔板（4），竖直设置在试验土体（3）两侧，且不透水隔板（4）的高度高于试验土体的最高高度，用于控制漫顶出流范围；

流速测量装置（5），沿所述试验土体（3）坡度方向设置，用于监测模拟堤坝的试验土体（3）在漫顶侵蚀/冲刷过程中不同位置处的水体流速；

试验土体监测装置，被配置为测量沿水流方向不同位置处的试验土体（3）侵蚀/冲刷深度的变化情况。

2.根据权利要求1所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述流速测量装置（5）采用流速测量板，所述流速测量板为对称结构的中间厚两端薄的弧形有机塑料板，其中流速测量板的上表面平整，下表面为弧形结构；

所述不透水隔板（4）上设置有支架（7），所述流速测量板上部铰接设置在支架（7）上，下端自然落下位于试验土体（3）的坡面上，其中所述铰轴水平面设置；

所述流速测量板的下端设置有传感器（6），用于感应流速测量板下端在冲刷水流顶托下的抬升高度。

3.根据权利要求2所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述流速测量板受水流动能顶托影响，会克服铰接摩擦力及重力上抬一定高度，所述流速测量板下端的抬升高度与流速关系预先率定，并通过流速仪矫正。

4.根据权利要求2所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验土层监测装置采用测量米尺（8），所述支架（7）上开设有多个用于安装测量米尺（8）的通孔，所述测量米尺（8）竖直穿设在所述支架（7）的通孔中。

5.根据权利要求1所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验土体（3）能够根据模拟情况选用黏土、壤土或砂土不同性状土体。

6.根据权利要求1所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验土体（3）坡顶和坡脚为平台结构，坡度能够根据模拟情况设置。

7.根据权利要求1所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述储水箱（2）的出水口处设置有可移动的闸门，通过所述闸门实现出水口的开启大小或关闭。

8.根据权利要求1所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述不透水隔板（4）沿储水箱（2）出水口侧垂直设置，且不透水隔板（4）与储水箱（2）的连接处密封。

9.根据权利要求1或4所述的堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验装置，其特征在于，所述试验土体监测装置（8）同时采用摄像头监控，通过摄像头采集试验土体（3）侵蚀/冲刷过程中的高度变化情况。

10.一种堤坝漫顶侵蚀/冲刷过程模拟试验方法，其特征在于，包括：

S1、在储水箱（2）的出水口侧竖直设置一对不透水隔板（4），并将不透水隔板（4）与储水箱（2）的连接处密封；

S2、在两个不透水隔板（4）之间堆设试验土体（3）并压实，所述试验土体（3）根据模拟情况设置为所需坡度，且接触储水箱（2）的坡顶处堆设成平台结构；

S3、在两个不透水隔板（4）上搭设支架（7），所述支架（7）沿水流方向间隔距离均匀布设，然后在支架（7）上安装测量米尺（8）以及流速测量板；

S4、开启水泵（1），并通过水泵（1）调控流量和水位超高，当水位及入水流量达到实验条件，开启出水口，水流顺着试验土体（3）坡度往下冲刷；

根据不同土质体设置不同间隔时段通过测量米尺（8）测量冲刷深度变化，根据经验，对于黏质土体，可按次/5分测量频次；对于砂质土体，因冲刷速度较快，测量频次应加密，如可按次/分测量；具体根据试验发展情况进行；

S5、试验完成后，采用坡脚的全断面米尺架对冲刷坡面进行完整测量，以获取最终冲刷形态；

S6、不同土质、不同坡度、不同漫顶水位、不同冲刷流量、不同冲刷时间，对这5个变量可分别进行模拟分析。

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