CN204238170U - 一种明渠基岩冲刷模型试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种明渠基岩冲刷模型试验装置。所述一种明渠基岩冲刷模型试验装置包括储水槽、水箱、水泵、模拟明渠和回水槽，所述储水槽的进水口与回水槽的出水口通过回水管连通，所述水箱设置在储水槽的上方，水箱的进水口通过进水管与储水槽的出水口连通，水泵设置在进水管上，水箱的出水口通过下倾式出水管与模拟明渠连通，在下倾式水管内设有调节水流量的弧形挡门，模拟明渠的出水口通向回水槽，在模拟明渠内从进水口向出水口依次设有水流速测定装置和用于放置原型基石的顶样装置。该装置能够在明渠条件下产生高速水流，可以对原型基岩进行高速水流条件下的冲刷试验，从而得到基岩起动抗冲流速以及基岩冲刷率等数据。

Description

一种明渠基岩冲刷模型试验装置

技术领域

本实用新型涉及水利工程实验技术领域，具体是一种明渠基岩冲刷模型试验装置。

背景技术

基岩冲刷问题一直是水利工程界一个尚未解决的难题，其影响因素众多，物理过程复杂，涉及到流体力学、固体力学、岩石力学以及工程水文地质等多种学科。未衬砌导流明渠冲刷，溢洪道、泄洪洞冲刷等涉及的关键问题都是基岩冲刷。就近七、八十年的研究成果看，尽管基岩冲刷问题已经有了一些相关的研究，但是各家分析问题的观点都不尽相同，方法也存在这样那样的缺陷和局限性，目前仍没有一套成熟的理论分析方法和统一的模拟手段，对基岩冲刷的研究仍处于探索阶段。工程师对导流基岩是否衬砌没有确切明晰的计算公式和理论，对冲刷危害的评估仍旧主要依靠个人经验和工程类比。由于缺乏这一方面的研究，一些岩质条件较好，本不需要加固的基岩却采取了大量的加固衬砌措施，浪费了大量的人力、物力和财力，却得不到很好的工程效果。另一方面，如果基岩确实存在遭受严重冲刷的可能性，就可能导致施工期间安全事故，威胁人民生命财产安全。随着我国水利建设除险加固工程的深入，对基岩冲刷问题的研究，已经成为一个紧迫而必要的科研课题。

基岩河床冲刷十分复杂，从冲刷的过程、冲刷分类到冲刷机理，都存在着许多尚未解决的难题，目前还没有一种完善的方法能够很好的解决基岩冲刷问题。已有的研究主要可以分为理论分析、数值模拟、模型试验三个方面。

理论分析方面，关于基岩冲刷破坏的机制，现己普遍接受的观点是，岩缝中的脉动压力及其传播是造成基岩破坏的两个主要原因。一般把破坏机理表述为3个过程：第一，岩石解体，河床基岩在挑流水舌的动水压力下沿节理裂隙或节理面水力断裂；第二，岩石的出穴，当岩块上瞬时上举力大于岩块在水中的自重和岩块间的咬合力时，岩块则在座穴内晃动，最后出穴；第三，球磨成坑，随岩块的拔出，冲坑开始形成，同时出穴的岩块在坑内旋滚下碰撞、破碎，最后冲出坑外沉积，冲坑范围则迅速增大。国外还有学者把水荷载作用下的岩体破坏机理表述为三个过程：磨蚀(球磨)、完整岩石裂隙化、单个岩块的移动。数值模拟方面，现有的基岩冲刷模型一般是对常规的河流泥沙模型加入基岩冲刷控制方程，进行一些改进。通过引入河道床面抗冲条件，结合基岩破坏机理和水沙动力学特性，运用已有的水动力学模型与河床辅助控制方程，对破碎基岩为主的非沙质河流冲刷进行数值模拟计算。在基岩模型试验研究方面，国外以概化水槽模型试验居多。国内也有大量相关的模型试验研究。南京水利科学研究院通过采用松散碎石、松散节理块、放大岩块及加大岩块容重等模拟方法对石门拱坝下游岩石河床冲刷进行模拟研究，得出用加大岩块容重方法能较好地模拟原型的冲刷过程。湖南省水利水电勘测设计研究总院通过对比分析江垭溢流坝历次岩石冲刷的模型试验成果及国内其他一些工程的原、模型资料，认为采用抗冲流速或岩块粒径放大的模拟方法比单纯按岩块粒径几何尺寸缩小模拟更接近实际。

整体而言，工程实际情况多变、复杂，不可能简单的用理论冲刷公式来描述，因此，现有的理论分析方法更多的是一种定性的研究，在工程实际应用中还存在许多问题。而对于数值模拟研究，现阶段采用平面二维水动力数学模型模拟宽浅河道散粒体泥沙运移问题的应用较为成熟，但对于河床以基岩或破碎基岩为主的非沙质河床的数值模拟还有待提高。模型试验是研究基岩河床冲刷的重要手段之一，特别对一些三维性较强的问题，理论计算困难很大，通过模型试验的方法进行观测更为有效。利用模型试验预测冲刷的位置、形状和深度是经常采用的方法。

在基岩模型试验研究中，一个最重要的变量就是确定基岩的抗冲流速，从而选取模型冲料的当量粒径。而基岩抗冲流速影响因素众多，不同种类的岩石其抗冲特性不同，目前对基岩抗冲流速值的确定仍旧主要依靠个人经验和工程类比，抗冲流速值的确定缺少直接的原型基岩起动抗冲流速试验来支持。而原型基岩的起动冲刷试验本身具有较大的难度，一方面，在原型河道中，河床基岩与河床的沙卵石不同，起动抗冲流速较大，一般达到2m/s以上，要进行基岩起动抗冲流速试验或者是冲刷试验，需要试验系统能够产生2m/s以上的高速水流；另一方面，基岩试样的选取、安置、调整需要专门的设计。目前针对基岩冲刷模型试验的装置几乎没有。

发明内容

本实用新型的目的即是为了解决基岩冲刷试验中遇到的困难之处，提出一种明渠基岩冲刷模型试验装置，该试验装置可以实现在明渠高速水流条件下，进行基岩的各类冲刷试验，为基岩冲刷研究提供有效的技术支持。

本实用新型提供的技术方案：所述一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：该试验装置包括储水槽、水箱、水泵、模拟明渠和回水槽，所述储水槽的进水口与回水槽的出水口通过回水管连通，所述水箱设置在储水槽的上方，水箱的进水口通过进水管与储水槽的出水口连通，水泵设置在进水管上，水箱的出水口通过下倾式出水管与模拟明渠连通，在下倾式水管内设有调节水流量的弧形挡门，模拟明渠的出水口通向回水槽，在模拟明渠内从进水口向出水口依次设有水流速测定装置和用于放置原型基石的顶样装置，顶样装置固定置于模拟明渠底部，且固定置于顶样装置内的原型基石与模拟明渠的底面平齐。

本实用新型较优的技术方案：在水箱内设有水位调节装置，所述水位调节装置是由固定在水箱底部的中空状固定圆筒、嵌设在固定圆筒内的中空状升降圆筒和升降电机组成，在固定圆筒底部设有溢水口，其溢水口正对储水槽的槽口，所述升降圆筒与固定圆筒密封套接，升降电机置于水箱外，并通过传动机构与升降圆筒的控制端连接，控制升降圆筒沿着固定圆筒的内壁上下移动，在升降圆筒的顶部设有溢水槽，溢水槽底部为空心状，直接通向固定圆筒的溢水口。

本实用新型较优的技术方案：所述弧形挡门置于下倾式出水管内，其控制把手置于水管外，并通过控制手柄调节弧形挡门的开合。

本实用新型进一步的技术方案：在模拟明渠上还设有摄像系统，所述摄像系统的摄像头正对顶样装置。

本实用新型进一步的技术方案：所述顶样装置包括方形或圆柱形卡槽外壳，在卡槽外壳内设有卡槽，在卡槽内设有橡胶活塞，橡胶活塞通过调节螺栓固定在卡槽的底部，并在调节螺栓的作用下沿着卡槽上下移动，在卡槽外壳的底部设有螺栓控制手柄。

本实用新型较优的技术方案：所述传动机构是由升降缆绳和升降滑轮组成。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型设有循环水系统，并在水库循环系统高处设有水箱，通过水泵将水输送到高处的水箱内，然后再从高处向下输送水，产生一个高速水流，在低处设有模拟明渠，并在明渠底部放置原型基石，然后通过高速水流对原型基石进行冲刷试验，从而得到基岩起动抗冲流速以及基岩冲刷率等数据，为基岩冲刷研究提供支持，而且冲刷试验后的水再次进入循环水系统，继续使用；

(2)本实用新型水箱的水位可以随意调节，在水箱内设有套设在一起的两个圆筒，外部的圆筒底部通向循环水系统，内部的圆筒的顶部设有出水口，其高度可以随意调整，通过该圆筒来调节水箱的水位，不同水位的出水流速也会不同，可以根据试验需要的流速来调整水箱的水位；

(3)本实用新型在水箱出水管的位置设有弧形挡门，可以控制出水的处的水位高度，可以很方便的调节出水管的水流速度；

(4)本实用新型在模拟明渠路段还设有流速测定装置和摄像系统，流速测定装置可以对明渠试验段断面流速进行观测；摄像系统可以对试验过程中基岩冲刷过程进行摄像记录，可以为整个试验提供更多的试验素材；

(5)本实用新型的原型基石是通过顶样装置安装在模拟明渠的底部，顶样装置为顶部带有卡槽的立方体形或圆柱形，试验前将基岩试样放置与其大小一致的卡槽内，通过升降螺杆来控制橡胶活塞，从而可以调整试样在卡槽内的高度使其表面与水槽底部齐平，使整个试验更加方便，并且可以固定住原型基石，不让其随意乱动，使测试更加准确。

本实用新型结构简单，测试方便，可以实现在明渠高速水流条件下，进行基岩的各类冲刷试验，为基岩冲刷研究提供有效的技术支持，且整个试验比较准确。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2是水箱的结构示意图；

图3是方形顶样装置的结构示意图；

图4是圆形顶样装置的结构示意图。

图中：1—储水槽，2—水箱，3—水泵，4—模拟明渠，5—回水槽，6—回水管，7—进水管，8—下倾式出水管，9—顶样装置，9-1—卡槽外壳，9-2—卡槽，9-3—橡胶活塞，9-4—调节螺栓，9-5—螺栓控制手柄，10—水位调节装置，10-1—固定圆筒，10-2—升降圆筒，10-3—升降电机，10-4—溢水口，10-5—传动机构，10-6—溢水槽，11—弧形挡门，12—摄像系统，13—水流速测定装置。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型中的技术方案清楚、完整地描述。如图1中所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，包括储水槽1、水箱2、水泵3、模拟明渠4和回水槽5，所述储水槽1和回水槽5可以为两个大小相同的敞口式水池，储水槽1的进水口与回水槽5出水口通过回水管6连通，可以保证试验过程中水流的循环使用；所述水箱通过钢铁打造，底部通过钢筋混凝土固定，所述水箱2设置在储水槽1的上方高处的位置，水箱2的进水口通过进水管7与储水槽1的出水口连通；所述水泵3高扬程潜水泵，可以根据试验需要配置泵的功率和扬程，水泵3设置在进水管7上，在试验过程中通过水泵3将储水槽1内的水抽到高处的水箱2中，确保流入模拟明渠4内的水源是从高处流下，增加水流的速度，水箱2中水头高度与明渠试验段水头高度差最大为6m。模拟明渠4的高度低于水箱2的出水口，模拟明渠4的进水口通过下倾式出水管8与水箱2的出水口连通，模拟明渠4的出水口通向回水槽5，可以使整个试验过程中的水回收到回水槽4内，再通过回水管6返回到储水槽1内，可以使整个试验过程中的水循环使用，不造成浪费，为了控制下倾式出水管8出的流速，在该水管内设有可以随意调节的弧形挡门11，弧形挡板11的控制把手设置在水管外壁，通过控制把手来调节弧形挡板11的开关以及关闭的范围，从而控制下倾式水管8处水流速度。

如图1所示本实用新型为了方便计算试验数据和收集试验资料，在模拟明渠4内从进水口向出水口依次设有水流速测定装置13、用于放置原型基石的顶样装置9和摄像系统12，所述水流速测定装置13可以由ADV或PIV构成，对明渠试验段断面流速进行观测；如图3和图4所示，所述顶样装置9包括方形或圆柱形卡槽外壳9-1，在卡槽外壳内设有卡槽9-2，卡槽外壳9-1固定置于模拟明渠4的底部，在模拟明渠4的底面开设有与卡槽外口9-1槽口大小相同的开口，卡槽外壳9-1的槽口与模拟明渠4的底面平齐，在卡槽9-2内设有橡胶活塞9-3，橡胶活塞9-3通过调节螺栓9-4固定在卡槽9-2的底部，并在调节螺栓9-4的作用下沿着卡槽9-2上下移动，在卡槽外壳9-1的底部设有螺栓控制手柄9-5，试验时，将采集的原型基石置于卡槽9-2内，并通过调节螺栓9-4来调节橡胶活塞9-3的高度，从而调节原型基石的高度，确保原型基石与模拟明渠4的底面平齐。所述摄像系统由高清粒子摄像机构成，其摄像头正对顶样装置9，对试验过程中基岩冲刷过程进行摄像记录。

如图1所示，在水箱2内设有水位调节装置10，所述水位调节装置10是由固定在水箱2底部的中空状固定圆筒10-1、嵌设在固定圆筒10-1内的中空状升降圆筒10-2和升降电机10-3组成，在固定圆筒10-1底部设有溢水口10-4，其溢水口10-4正对储水槽1的槽口，所述升降圆筒10-2与固定圆筒10-1密封套接，水不会从升降圆筒10-2与固定圆筒10-1之间漏出。所述升降电机10-3置于水箱2外，并通过传动机构10-5与升降圆筒10-2的控制端连接，所述传动机构10-5是由升降缆绳和升降轮组成，升降滑轮置于箱体外，升降缆绳采用防水绳，一端卷设在升降轮上，另一端固定在升降圆筒10-2，在升降电机10-3的控制下升降轮开始转动，通过收紧或放松升降缆绳来控制升降圆筒10-2沿着固定圆筒10-1的内壁上下移动。在升降圆筒10-2的顶部设有溢水槽10-6，溢水槽10-6底部为空心状当水箱2内的水位高于升降圆筒10-2的溢水槽10-6时，便会通过溢水槽10-6中空部分流入升降圆筒10-2内，然后再流向固定圆筒10-1内，最后通过固定圆筒10-1底部的溢水口10-4流向储水槽1内，可以将水箱2内多余的水也回收到储水槽1内。水位调节装置10主要是调整水箱中的水位高度，从而达到调整明渠试验段的流速大小的目的。

本实用新型其中一个实施例的具体操作流程如下：

(1)试验开始前，对模拟明渠4的流速大小进行率定，确定高水头水箱2中水位以及弧形挡门11开度与试验段流速大小关系曲线；

(2)将原型基岩试样拍照称重，并将其放置顶样装置9内，并通过卡槽将其卡主，然后通过调节螺栓9-4来控制橡胶活塞，调整试样在卡槽内的高度使其表面与模拟明渠4的底部齐平；

(3)根据步骤(1)中测定的高水头水箱中水位以及弧形挡门开度与试验段流速大小关系曲线，按设计的试验组次流速大小确定高水头水箱水位高度及弧形挡门开度，使明渠试验段中产生试验设计的流速大小；

(4)通过水流速测定装置13对试验中的模拟明渠4中流速大小进行复准校核；

(5)通过摄像系统12对基岩冲刷过程进行观测；

(6)试验结束后再将顶样装置9中的基岩试样取出拍照称重，得到试验过程中的基岩冲刷数据。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：该试验装置包括储水槽(1)、水箱(2)、水泵(3)、模拟明渠(4)和回水槽(5)，所述储水槽(1)的进水口与回水槽(5)的出水口通过回水管(6)连通，所述水箱(2)设置在储水槽(1)的上方，水箱(2)的进水口通过进水管(7)与储水槽(1)的出水口连通，水泵(3)设置在进水管(7)上，水箱(2)的出水口通过下倾式出水管(8)与模拟明渠(4)连通，在下倾式水管(8)内设有调节水流量的弧形挡门(11)，所述模拟明渠(4)的出水口通向回水槽(5)，在模拟明渠(4)内从进水口向出水口依次设有水流速测定装置(13)和用于放置原型基石的顶样装置(9)，顶样装置(9)固定置于模拟明渠(4)底部，且固定置于顶样装置(9)内的原型基石与模拟明渠(4)的底面平齐。

2.根据权利要求1所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：在水箱(2)内设有水位调节装置(10)，所述水位调节装置(10)是由固定在水箱(2)底部的中空状固定圆筒(10-1)、嵌设在固定圆筒(10-1)内的中空状升降圆筒(10-2)和升降电机(10-3)组成，在固定圆筒(10-1)底部设有溢水口(10-4)，其溢水口(10-4)正对储水槽(1)的槽口，所述升降圆筒(10-2)与固定圆筒(10-1)密封套接，升降电机(10-3)置于水箱(2)外，并通过传动机构(10-5)与升降圆筒(10-2)的控制端连接，控制升降圆筒(10-2)沿着固定圆筒(10-1)的内壁上下移动，在升降圆筒(10-2)的顶部设有溢水槽(10-6)，溢水槽(10-6)底部为空心状，直接通向固定圆筒(10-1)的溢水口(10-4)。

3.根据权利要求1或2所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：所述弧形挡门(11)置于下倾式出水管(8)内，其控制把手置于水管外，并通过控制手柄调节弧形挡门(11)的开合。

4.根据权利要求1或2所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：在模拟明渠(4)上还设有摄像系统(12)，所述摄像系统(12)的摄像头正对顶样装置(9)。

5.根据权利要求1或2所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：所述顶样装置(9)包括方形或圆柱形卡槽外壳(9-1)，在卡槽外壳(9-1)内设有卡槽(9-2)，在卡槽(9-2)内设有橡胶活塞(9-3)，橡胶活塞(9-3)通过调节螺栓(9-4)固定在卡槽(9-2)的底部，并在调节螺栓(9-4)的作用下沿着卡槽(9-2)上下移动，在卡槽外壳(9-1)的底部设有螺栓控制手柄(9-5)。

6.根据权利要求2所述的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，其特征在于：所述传动机构(10-5)是由升降缆绳和升降滑轮组成。