CN109403265A - 模拟漫顶溃决的试验装置及试验方法 - Google Patents

模拟漫顶溃决的试验装置及试验方法 Download PDF

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苏安双
杨小川
常俊德
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于泳
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Abstract

本发明涉及一种模拟漫顶溃决的试验装置及试验方法，本发明的模拟漫顶溃决的试验装置包括模型箱、沉渣池、供水箱，以及引水单元和数据采集单元；于模型箱内设有坝体模型，于模型箱相对于坝体模型背水面的一端形成有排水口；沉渣池与排水口连通，并于沉渣池的一端构造有量水构筑物；供水箱位于模型箱的另一端，于其顶部形成有溢水口；储水池与量水构筑物连通，而引水单元构成储水池中的水向供水箱内的输送；数据采集单元包括设于坝体模型周边的图像采集装置，以及设于引冲槽处的流速检测装置。本发明的模拟漫顶溃决的试验装置，不仅可以准确真实地反映坝体实物的溃决机理、溃口的发展过程；同时，也可实现循环水对供水箱的持续供水而节约水资源。

Description

模拟漫顶溃决的试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及土工试验装置技术领域，特别涉及一种模拟漫顶溃决的试验装置，同时，本发明还涉及一种该试验装置的试验方法。
背景技术
水利工程是关乎人民生命安全和国家财产安全的重要工程，水库大坝在发挥重要作用的同时也存在溃决的风险，为了更好的设计水利工程并深入研究溃坝机理，对土石坝、堤防及边坡的坡面冲刷破坏的试验必不可少。
目前，对于土石坝、堤防工程漫顶溃决的试验主要包括室内小尺度的试验模型试验和在室外进行的原位溃坝试验。因室内的溃坝试验模型与实际坝体差别较大，致使试验所测得的溃口流量及坝体的变化过程不准确，无法真实反映实际坝体的变化情况。而在室外进行的原位溃坝试验所需的试验费用较高且耗时较长，同时也不易控制试验过程。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种模拟漫顶溃决的试验装置，以提高试验结果的准确性。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种模拟漫顶溃决的试验装置，包括：
模型箱，于所述模型箱内设有顶部构造有引冲槽的坝体模型，于所述模型箱相对于所述坝体模型背水面的一端形成有排水口；
沉渣池，与所述排水口连通，并于所述沉渣池的一端构造有量水构筑物；
供水箱，相对于所述排水口，位于所述模型箱的另一端，于所述供水箱的顶部形成有供水流溢出至所述模型箱的溢水口；
储水池，与所述量水构筑物连通，以承纳所述沉渣池流出的水流；
引水单元，连通于所述储水池与所述供水箱之间，以构成所述储水池中的水向所述供水箱内的输送；
数据采集单元，包括设置于所述坝体模型周边的图像采集装置，以及设置于所述引冲槽处的流速检测装置。
进一步的，所述模型箱的两相对侧为透明板。
进一步的，所述引水单元包括连通于所述储水池与所述供水箱之间的输水管，以及串联于所述输水管上的水泵和流量计，还包括与所述水泵联接的变频器。
进一步的，所述输水管包括主管，连接于所述主管的两端、并分别位于所述储水池内的进水管和位于所述供水箱内的出水管，所述出水管为与所述主管并联且并排布置的多个。
进一步的，所述出水管竖直布置于所述主管上，并于所述出水管的自由端构造有面向所述供水箱的底部、并与所述供水箱的底部间隔布置的出水口。
进一步的，于所述溢水口处构造有向所述模型箱下倾设置的导流板。
进一步的，所述量水构筑物为形成于所述沉渣池侧壁上的三角形缺口堰。
进一步的，所述三角形缺口堰的缺口夹角为90°。
相对于现有技术，本发明具有以下优势：
本发明所述的模拟漫顶溃决的试验装置，通过采用小比尺的试验模型不仅可以准确真实地反映坝体实物的溃决机理、溃口的发展过程及其影响因素；同时，将量水构筑物与储水池连通设置，可实现循环水对供水箱的持续供水而节约水资源，而设置的数据采集单元则有助于采集多个角度的变化数据而能够提高试验结果的准确性；此外，本试验装置还可以进行堤防、边坡漫顶冲刷等试验，并可以多次重复利用而节约试验成本。
本发明的另一目的在于提出一种模拟漫顶溃决的试验方法，包括以下步骤：
a、在模型箱内堆筑坝体模型；
b、开启流速仪及图像采集装置；
c、启动引水单元，以将供水池内的水经由供水箱输送到模型箱内；
d、通过所述流速仪采集引冲槽处的流速，通过所述图像采集装置记录坝体模型的坡面和坝体模型的变化过程，并通过量水构筑物获取引冲槽处的流量。
进一步的，获取步骤d中引冲槽处流量的计算公式其中Ce流量系数，θ为三角形缺口堰的缺口夹角，he为堰顶水头。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例一所述的模拟漫顶溃决的试验装置的结构示意图；
图2为图1的纵向剖视图；
图3为本发明实施例一所述的三角形缺口堰的结构示意图；
附图标记说明：
1-储水池，2-三角形缺口堰，3-沉渣池，4-摄像头，5-模型箱，51-排水口，6-坝体模型，61-引冲槽，7-流速仪，8-供水箱，81-导流板，9-出水管，10-底座，11-变频器，12-主管，13-进水管，14-水泵。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
实施例一
本发明涉及一种模拟漫顶溃决的试验装置，在其整体结构上，主要包括模型箱、沉渣池、供水箱，以及引水单元和数据采集单元，其中，于模型箱内设有顶部构造有引冲槽的坝体模型，于模型箱相对于坝体模型背水面的一端形成有排水口；沉渣池与排水口连通，并于沉渣池的一端构造有量水构筑物；而供水箱相对于排水口，位于模型箱的另一端，并于供水箱的顶部形成有供水流溢出至模型箱的溢水口。本发明的储水池与量水构筑物连通，以承纳沉渣池流出的水流；而引水单元连通于储水池与供水箱之间，以构成储水池中的水向供水箱内的输送；数据采集单元具体包括设置于坝体模型周边的图像采集装置，以及设置于引冲槽处的流速检测装置。
基于如上整体结构，本实施例的模拟漫顶溃决的试验装置的一种示例性结构如图1及图2中所示，基于图2状态下所示，本实施例的储水池1及沉渣池3均位于模型箱5的左端，而供水箱8则位于模型箱5的右端。具体结构上，如图1中所示，本实施例的模型箱5具体被构造成矩形状，且模型箱5的顶部敞口设置，而为了便于模型箱5的水流排出至沉渣池3，模型箱5的左端也敞口设置，且此敞口即构成了前述的排水口51。另外，为了便于观察，模型箱5的两相对侧的观测侧面(也即图1状态下所示的前后侧)由透明的有机玻璃板构成。
此外，为了便于前述的沉渣池3及储水池1的设置，于模型箱5的底部设有以支撑该模型箱5的底座10，具体制造时，该底座10可由“H”型钢焊接而成。进一步地，于底座10的底部设有间隔布置的多个调整地脚，以便于调整模型箱5的水平度而提高试验效果。需要说明的是，模型箱5除了被构造成矩形状，也可被构造成五边形、六边形等其他结构形状，此时，模型箱5两侧的观测侧面也宜采用玻璃板制成；另外，模型箱5的左端也可不敞口设置，此时，排水口51可为形成于模型箱5左端面上的局部开口。
本实施例中，为了节约空间，前述的供水箱8具体被构造于模型箱5中，并位于模型箱5的右端。且为了便于制造，本实施例中，在模型箱5的右端设有连接于两相对侧的玻璃板之间的分隔板，此玻璃板与模型箱5的右侧板以及两玻璃板即围构成了本实施例的供水箱8。另外，为了保证供水箱8的水流只能向左溢出至模型箱5内，分隔板低于模型箱5的右壁板设置。除此之外外，为了避免供水箱8内溢出到模型箱5的水流直接冲刷坝体模型6，如图1中所示，于分隔板的顶部构造有沿其宽度方向布置、并向模型箱5下倾布置的导流板81。进一步地，该导流板81被构造成弧形板，以缓冲水流向模型箱5内的下流速度。需要说明的是，供水箱8除了在模型箱5的基础上进行构造，也可为单独的箱体，并把该箱体放置于模型箱5的右端即可，此时，也宜于箱体的左壁板上设置上述的导流板81。
如图1中所示，本实施例的沉渣池3被构造成与模型箱5具有相同宽度的矩形状，并与模型箱5的排水口51相接设置。且为了提高模型箱5的水流于沉渣池3中的流动速度，沉渣池3低于模型箱5设置，具体地，本实施例的沉渣池3的底部与底座10的底部平齐设置。此外，为了便于加工制造，前述的量水构筑物具体为构造于沉渣池3左侧壁上的三角形缺口堰2。而为了进一步提高水流于沉渣池3中的沉渣效果，该三角形缺口堰2的缺口夹角具体为90°。需要说明的是，本实施例的量水构筑物除了采用三角形缺口堰2，也可采用矩形缺口堰或等宽堰；另外，三角形缺口堰2的缺口夹角除了设置为90°，也可视具体情况而作相应调整。
本实施例的储水池1整体也被构造为矩形状，以便于加工制造。且为了便于整体布局，储水池1囊括沉渣池3而与模型箱5相邻设置，如此可使经由三角形缺口堰2流出的水直接回流到储水池1内，如此设置可实现水流于该试验装置中的循环利用，儿节约水资源。当然，储水池1也可设于沉渣池3的一侧，并通过管路连通三角形缺口堰2与储水池1，也可使沉渣池3中的水回流至储水池1中。
由图1中所示，本实施例的引水单元具体包括连通于储水池1与供水箱8之间的输水管，以及串联于输水管上的水泵14和图中未示出的流量计，还包括与水泵14联接的变频器11。且为了提高输送效果，本实施例的输水管包括主管12，连接于主管12的两端、并分别位于储水池1内的进水管13和位于供水箱8内的出水管9。本实施例中，为了进一步提高供水箱8于模型箱5内溢水的均匀性，出水管9为与主管12并联且并排布置的多个，本实施例中，出水管9优选为并排布置的三个。
除此之外，为了进一步提高溢出效果，如图2中所示，出水管9竖直布置于主管12上，并于出水管9的自由端构造有面向供水箱8的底部、并与供水箱8的底部间隔布置的出水口。除此之外，由图1中所示，为了提高储水池1的水向供水箱8内的输送速度，本实施例的进水管13与出水管9等径设置，且也为与主管12并联且并排布置的三个。
本实施例中的图像采集装置具体包括计算机，以及与计算机联接而环坝体模型6设置的多个摄像头4。由图1中所示，其中，本实施例的摄像头4具体设置为四个，并分别位于坝体模型6的迎水面、背水面以及坝体模型6的两相对侧。当然，摄像头4的数量和具体设置位置均可根据试验需求而作相应调整。流速检测装置具体采用SI-3LTMSVR电波流速仪7雷达传感器，以提高对引冲槽61处流量的检测精度。
本模拟漫顶溃决的试验装置通过采用小比尺的试验模型，不仅可以准确真实地反映坝体实物的溃决机理、溃口的发展过程及其影响因素；同时，将三角形缺口堰2与储水池1连通设置，可实现循环水对供水箱8的持续供水而节约水资源，而设置的多个摄像头4则有助于从多角度采集试验数据而提高试验结果的准确性；此外，本试验装置还可以进行堤防、边坡漫顶冲刷等试验，并可以多次重复利用而节约试验成本，从而使得本试验装置有着很好的实用性。
实施例二
本发明涉及一种模拟漫顶溃决的试验方法，包括以下步骤：
a、在模型箱5内堆筑坝体模型6；
b、开启流速仪7及图像采集装置；
c、启动引水单元，以使供水池内的水经由供水箱8输送到模型箱5内；
d、通过流速仪7采集引冲槽61处的流速，通过图像采集装置记录坝体模型6的坡面和坝体模型6的变化过程，并通过量水构筑物获取引冲槽61处的流量。
其中，获取步骤d中引冲槽61处流量的计算公式其中，Ce流量系数，θ为三角形缺口堰2的缺口夹角，he为堰顶水头，为了简化计算，也可采用经验公式：Q＝1.343h2.47而获取引冲槽61处的流量。
本模拟漫顶溃决的试验方法，通过采用如实施例一所述的模拟漫顶溃决的试验装置，不仅操作简便，同时也能准确模拟出真实坝体的漫顶溃决工况，从而能够有效指导坝体设计并预防坝体发生漫顶溃决现象。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于，包括：
模型箱(5)，于所述模型箱(5)内设有顶部构造有引冲槽(61)的坝体模型(6)，于所述模型箱(5)相对于所述坝体模型(6)背水面的一端形成有排水口(51)；
沉渣池(3)，与所述排水口(51)连通，并于所述沉渣池(3)的一端构造有量水构筑物；
供水箱(8)，相对于所述排水口(51)，位于所述模型箱(5)的另一端，于所述供水箱(8)的顶部形成有供水流溢出至所述模型箱(5)的溢水口；
储水池(1)，与所述量水构筑物连通，以承纳所述沉渣池(3)流出的水流；
引水单元，连通于所述储水池(1)与所述供水箱(8)之间，以构成所述储水池(1)中的水向所述供水箱(8)内的输送；
数据采集单元，包括设置于所述坝体模型(6)周边的图像采集装置，以及设置于所述引冲槽(61)处的流速检测装置。
2.根据权利要求1所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述模型箱(5)的两相对侧为透明板。
3.根据权利要求1所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述引水单元包括连通于所述储水池(1)与所述供水箱(8)之间的输水管，以及串联于所述输水管上的水泵(14)和流量计，还包括与所述水泵(14)联接的变频器(11)。
4.根据权利要求3所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述输水管包括主管(12)，连接于所述主管(12)的两端、并分别位于所述储水池(1)内的进水管(13)和位于所述供水箱(8)内的出水管(9)，所述出水管(9)为与所述主管(12)并联且并排布置的多个。
5.根据权利要求4所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述出水管(9)竖直布置于所述主管(12)上，并于所述出水管(9)的自由端构造有面向所述供水箱(8)的底部、并与所述供水箱(8)的底部间隔布置的出水口。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：于所述溢水口处构造有向所述模型箱(5)下倾设置的导流板(81)。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述量水构筑物为形成于所述沉渣池(3)侧壁上的三角形缺口堰(2)。
8.根据权利要求1所述的模拟漫顶溃决的试验装置，其特征在于：所述三角形缺口堰(2)的缺口夹角为90°。
9.一种模拟漫顶溃决的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、在模型箱(5)内堆筑坝体模型(6)；
b、开启流速仪(7)及图像采集装置；
c、启动引水单元，以将供水池内的水经由供水箱(8)输送到模型箱(5)内；
d、通过所述流速仪(7)采集引冲槽(61)处的流速，通过所述图像采集装置记录坝体模型(6)的坡面和坝体模型(6)的变化过程，并通过量水构筑物获取引冲槽(61)处的流量。
10.根据权利要求9所述的模拟漫顶溃决的试验方法，其特征在于：获取步骤d中引冲槽(61)处流量的计算公式为：其中Ce流量系数，θ为三角形缺口堰(2)的缺口夹角，he为堰顶水头。
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