專利名稱：高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種水工模型，特別涉及一種模擬高含沙洪水揭河底及固結(jié)黏性 土起動的高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置。
技術(shù)背景在黃河小北干流及渭河等河段，當通過高含沙量洪水時，河床往往會發(fā)生劇烈的 集中沖刷，在前期經(jīng)過一定時期淤積、沉淀，密度較大、強度較高的“膠泥層”，有時會從床面 上被揭掀而起，像卷“地毯” 一樣被卷起，成塊、成片地露出水面，面積可達幾平方米甚至十 幾平方米，然后在短時間內(nèi)破碎、坍落，被水流沖散帶走。群眾把這種高含沙洪水條件下河 床的劇烈沖刷現(xiàn)象形象地稱為“揭河底”。黃河“高含沙水流運動的特有現(xiàn)象之一”。由于 “揭河底”現(xiàn)象形成條件比較特殊，包括長年工作在黃河岸邊的水利工作者和沿黃群眾，能 真正親眼目睹“揭河底”現(xiàn)象的人很少，因而素有黃河百年奇觀之稱。一旦發(fā)生這種情況，河 床往往發(fā)生強烈下切，嚴重者一次洪峰可以將河床沖深幾米乃至近十米?！敖液拥住睕_刷具 有強烈的沖刷造槽作用，能很好地恢復(fù)河道過洪能力；但同時沖刷又往往引起河道主槽的 遷徙，使工程著溜部位不斷地變化，容易造成河道工程沉蟄、坍塌，增加汛期防汛搶險的復(fù) 雜性；特別是由于河槽大幅度沖刷，大河水位下降，致使沿河機電灌站脫流，嚴重影響到沿 岸工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。上世紀七十年代以來，這一現(xiàn)象就受到國內(nèi)外水利工作者的高度關(guān)注，并開 展了大量的研究，為人們進一步認識“揭河底”現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，但由于“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生 的隨機性，很難在實際中測得到跟隨性較強的“揭河底”實測資料，制約了“揭河底”沖刷指 標的建立。為此，不得不通過模型試驗研究此問題。然而，目前還沒有人成果模擬黃河“揭 河底”的相關(guān)報道。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足而提供一種成功模擬黃河“揭 河底”現(xiàn)象，為研究黃河“揭河底”現(xiàn)象提供水力參數(shù)的高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置。本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的提供一種高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置，該試驗裝置包括試驗水槽，在試驗水 槽上布置有模擬河床，所述模擬河床由兩層組成下層為采用中值粒徑0. 05mm的粗顆粒粉 煤灰模擬的粗沙層，厚度為40 45cm，上層為采用中值粒徑小于0. Olmm的極細粉煤灰模 擬的“膠泥層”，厚度為1 3cm，模擬河床的床面比降為4%。；在試驗水槽外面設(shè)置有攪拌 池，在攪拌池中設(shè)置有潛水泵，潛水泵通過水槽循環(huán)管道與試驗水槽相連接，在水槽循環(huán)管 道上安裝有電磁流量計和自動控制閥門，試驗水槽的左端為渾水進口段，右端為渾水出口 段，并且渾水出口段與退水池相接通，退水池通過水槽循環(huán)管道與試驗水槽相接通，在渾水 出口段與試驗水槽之間設(shè)有平板間門，試驗水槽安裝有水位測針和移動測橋，移動測橋安 裝有流速儀，用于在不同部位跟隨測量水力泥沙參數(shù)。本實用新型具有如下積極效果由于“揭河底”現(xiàn)象具有較強的隨機性，很難在原型上獲得詳細的水力參數(shù)，因此若對此問題開展深入系統(tǒng)的研究，必須開展室內(nèi)控制的水 槽試驗。本實用新型為研究黃河“揭河底”現(xiàn)象這一難題提供了可行的試驗方法和裝置，為 研究固結(jié)黏性土的起動這一水利行業(yè)難題提供了可行的試驗方法；為認清“揭河底”現(xiàn)象發(fā) 生機理、建立“揭河底，，沖刷指標奠定了基礎(chǔ)，對河流泥沙的學(xué)科發(fā)展起到了 一定的積極作用。

圖1為本實用新型的試驗裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
如圖1所示，高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置包括試驗水槽1，在試驗水槽上布置 有模擬河床(圖中未示出)，所述模擬河床由兩層組成下層為采用中值粒徑0. 05mm的粗 顆粒粉煤灰模擬的粗沙層，厚度為40 45cm，上層為采用中值粒徑小于0. Olmm的極細粉煤 灰模擬的“膠泥層”，厚度為1 3cm，模擬河床的床面比降為4%。；試驗水槽1外面設(shè)置有 攪拌池2，在攪拌池2中設(shè)置有潛水泵3，潛水泵3通過水槽循環(huán)管道4與試驗水槽1相連 接，在水槽循環(huán)管道4上安裝有電磁流量計5和自動控制閥門6，試驗水槽1的左端為渾水 進口段7，右端為渾水出口段8，并且渾水出口段與退水池9相接通，退水池9通過水槽循環(huán) 管道4與試驗水槽1相接通，在渾水出口段8與試驗水槽1之間設(shè)有平板間門10，試驗水槽 1安裝有水位測針11和移動測橋12，在移動測橋12上安裝有流速儀，用于在不同部位跟隨 測量水力泥沙參數(shù)。利用該試驗裝置，進行高含沙洪水揭河底模擬試驗(1)、選用三組級配的粉煤灰模擬河床分層通過原型現(xiàn)場調(diào)研及對“揭河底”河段河床的現(xiàn)場開挖，證實“揭河底”河段河床 是成層淤積的，因此在試驗中河床也必須采用分層的形式。利用粉煤灰作為模型沙，選取鄭 州熱電廠粉煤灰作為模型沙，經(jīng)嚴格水力分選之后，采用中值粒徑小于0.01mm的極細粉煤 灰模擬淤積物的膠泥塊，即“膠泥層”，采用中值粒徑0. 03mm的細粉煤灰模擬懸沙，采用中 值粒徑0. 05mm的粗顆粒粉煤灰模擬松散體床沙，即粗沙層；將厚度為40 45cm的所述粗 顆粒粉煤灰鋪于試驗水槽底部，代表粗沙層；在粗沙層上鋪制厚度為1 3cm的極細顆粒粉 煤灰模擬“膠泥層”。(2)、絮凝固結(jié)“膠泥層”的澆鑄模擬方法，利用澆鑄方式模擬“膠泥塊”絮凝固結(jié) 方式如何模擬河床上存在的“膠泥塊”也是該方案的關(guān)鍵點之一，天然情況下不同支流發(fā) 生不同的洪水時，由于泥沙來源、洪水含沙量及泥沙級配的不同，造成河道成層理淤積。特 別是，當所來的洪水極細顆粒泥沙含量較高時，受極細顆粒泥沙顆粒的絮凝作用，泥沙淤積 成塊，并在一定的時期內(nèi)，逐漸固結(jié)、壓密，形成“膠泥塊”。在試驗中可采取在澆鑄的方式來 模擬“膠泥塊”。首先將中值粒徑小于0. Olmm的極細粉煤灰倒在的盛著水的桶里，制成含沙量 800 1000kg/m3的漿體，然后利用攪拌器將極細粉煤灰漿體充分攪拌均勻，并將其澆濤在 水槽內(nèi)的粗顆粒粉煤灰層上預(yù)留的空間內(nèi)，經(jīng)過2 3個小時的凝結(jié)，使其逐漸固結(jié)形成膠 泥塊，以模擬固結(jié)成塊的“膠泥層”，在含水率為10% 45%的條件下，固結(jié)成塊的極細粉煤灰粘結(jié)力約為28 35Kpa，滿足原型膠泥塊的粘結(jié)力25 40KPa的要求，保證了試驗?zāi)z 泥塊自身的粘結(jié)力與原型基本相似。(3)、高含沙水流塑造模擬方法試驗必須在專用試驗裝置中開展，專用試驗裝置的結(jié)構(gòu)如附圖1所示。該試驗 水槽長31. 5m,寬0. 80m，試驗系統(tǒng)的進口利用上海虹橋潛水式排污泵抽水，清水時流量最 大可達541/s，進口流量采用電磁流量計進行控制。水槽進口、試驗段、尾門水位由測針測 量。試驗采用平板式間門控制，水出間門后進入退水池，隨即就抽回進口攪拌池，構(gòu)成整個 試驗水槽自循環(huán)系統(tǒng)。試驗中將中值粒徑0. 03mm的細粉煤灰加入攪拌池內(nèi)配成含沙量為 100 300kg/m3的高含沙水流，充分攪拌均勻，以保證水流進入試驗水槽，即為完全的高含 沙水流，以此模擬黃河的天然高含沙洪水。(4)、高含沙洪水“揭河底”試驗方法試驗初始水槽床面比降為4%。，地形鋪制完成24h后，開始進行試驗，其中進口含 沙量為100kg/m3，循環(huán)后，不斷加大進口流量，觀測水槽重點試驗段水流流態(tài)變化，并利用 相關(guān)儀器測量相關(guān)水力泥沙參數(shù)，直至“揭河底”現(xiàn)象的發(fā)生，獲得跟隨性較強的高含沙洪 水“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的水力泥沙參數(shù)?！澳z泥塊”的應(yīng)該有一定的剛度為了保證”揭河底”現(xiàn)象發(fā)生時淤積物成塊的揭 起，試驗?zāi)M中“揭河底”一般要滿足一定的剛度，一般塊厚1cm 3cm，塊越厚，揭起時需要 的能量越大。在試驗前期的地形制作中，先鋪制40 45cm厚粗顆粒粉煤灰，利用斷面板控制水 槽床面比降為4%。，并用水浸濕填壓密實。在粗顆粒粉煤灰層上面按設(shè)計膠泥塊的尺寸預(yù)留 空間，將來在此填充極細粉煤灰，以此模擬膠泥塊。地形鋪制完成24h后，開始放水，在試驗放水前，對試驗期間的攝錄像進行了充分 的準備。試驗開始利用進口控制閥門，將水槽的進口流量控制為201/s，水槽內(nèi)的水位和 流態(tài)一直都比較穩(wěn)定，只有在水槽膠泥塊的前端處水流紊動比較劇烈，試驗人員用手去摸 這些位置，發(fā)現(xiàn)在膠泥塊上面撒的很薄一層的粗粉煤層首先發(fā)生了沖刷，且膠泥塊(“透鏡 體”)的前端也隨之發(fā)生了沖刷，并形成了沖刷坑，這種膠泥層前緣的局部沖刷非常類似橋 墩的局部沖刷過程。由于膠泥塊抗沖性強，但膠泥塊沒有被沖散，大約持續(xù)了十分鐘，發(fā)現(xiàn) 水槽內(nèi)膠泥塊沒有被揭起，遂通過閥門將進口流量調(diào)至271/s，隨著流量的增加，水槽發(fā)生 了一定的變化，膠泥塊的前端沖刷坑進一步增大，但是仍沒有“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生。因此將 流量繼續(xù)增大，調(diào)至301/s，流量剛持續(xù)沒有幾分鐘，發(fā)現(xiàn)鋪細粉煤灰的試驗段流態(tài)有顯著 的變化，水槽內(nèi)好象有一道水提形成，片刻，一膠泥塊(0. 3mX0. 3mX0. 02m)被水流揭起露 出水面。用手摸了一下水槽底部，發(fā)現(xiàn)鋪制細膠泥塊位置已經(jīng)被揭空了，周圍相應(yīng)的發(fā)生了 局部淘刷，同時一些特別薄的膠泥塊也被揭走了，但是并沒有露出水面，只是用手去摸的時 候才發(fā)現(xiàn)已經(jīng)被沖走了。最后，將流量也逐漸增大至401/s，此時一些板結(jié)的較大的膠泥塊 也被揭起露出水面。當鋪制的膠泥塊相應(yīng)揭起完后，停水宣告試驗結(jié)束。
權(quán)利要求一種高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置，其特征在于該試驗裝置包括試驗水槽(1)，在試驗水槽(1)上布置有模擬河床，所述模擬河床由兩層組成下層為采用中值粒徑0.05mm的粗顆粒粉煤灰模擬的粗沙層，厚度為40～45cm，上層為采用中值粒徑小于0.01mm的極細粉煤灰模擬的“膠泥層”，厚度為1～3cm，模擬河床的床面比降為4‰；在試驗水槽(1)外面設(shè)置有攪拌池(2)，在攪拌池(2)中設(shè)置有潛水泵(3)，潛水泵(3)通過水槽循環(huán)管道(4)與試驗水槽(1)相連接，在水槽循環(huán)管道(4)上安裝有電磁流量計(5)和自動控制閥門(6)，試驗水槽(1)的左端為渾水進口段(7)，右端為渾水出口段(8)，并且渾水出口段與退水池(9)相接通，退水池(9)通過水槽循環(huán)管道(4)與試驗水槽(1)相接通，在渾水出口段(8)與試驗水槽(1)之間設(shè)有平板閘門(10)，試驗水槽(1)安裝有水位測針(11)和移動測橋(12)，移動測橋(12)安裝有流速儀，用于在不同部位跟隨測量水力泥沙參數(shù)。
專利摘要本實用新型涉及一種高含沙洪水揭河底模擬試驗裝置，包括試驗水槽，在試驗水槽上布置有模擬河床，所述模擬河床由兩層組成下層為采用中值粒徑0.05mm的粗顆粒粉煤灰模擬的粗沙層，厚度為40～45cm，上層為采用中值粒徑小于0.01mm的極細粉煤灰模擬的“膠泥層”，厚度為1～3cm，模擬河床的床面比降為4‰；試驗水槽的左端為渾水進口段，右端為渾水出口段，并且渾水出口段與退水池相接通，退水池通過水槽循環(huán)管道與試驗水槽相接通，在渾水出口段與試驗水槽之間設(shè)有平板閘門。本實用新型為研究黃河“揭河底”現(xiàn)象這一難題提供了可行的試驗裝置，為認清“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生機理、建立“揭河底”沖刷指標奠定了基礎(chǔ)，對河流泥沙的學(xué)科發(fā)展起到了一定的積極作用。
文檔編號E02B1/02GK201610538SQ20092021765
公開日2010年10月20日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日
發(fā)明者萬強, 劉杰, 劉燕, 盧冬梅, 夏修杰, 常華, 應(yīng)一梅, 張林忠, 張清, 曹永濤, 李軍華, 江恩慧, 王婷, 范建強, 荊凱, 董其華, 趙新建, 趙連軍, 顧霜妹, 黃鴻海 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學(xué)研究院