专利名称：一种测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于生态护岸领域，具体的说是一种测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置。
背景技术：
草皮护坡是生态型护岸技术的一种，主要采取在堤岸表面种植人工草皮的方法达到保护岸坡土体的目的。在一定强度的河道径流冲刷作用下，草皮护坡可能发生破坏，需要对草皮护坡的破坏方式、极限水流条件等进行试验研究。现场试验能够较好的与工程实际结合，试验结果也较为可靠，但现场试验条件一般较难控制，且试验费用高昂，因此选择在室内水槽进行草皮护坡抗冲性能模型试验研究。
通过物理模型进行水力模型试验揭示水流运动规律和解决工程问题是实际工作中常用的手段。水力模型试验是将原型实物按照相似原理缩制(或放大)为模型，在模型中预演或重演与原型相似的自然现象并进行观测，然后将观测结果再按相似原理引申于原型并作出判断。
在进行流体运动的模型试验时，两种相似的流体运动遵循力学相似的三个条件几何和边界相似，运动相似和动力相似。几何和边界相似是指原型和模型两个流动的几何形状相似，即模型水流各对应几何尺寸都是按同一比例由原型水流塑制而成，和两个流动的边界条件相同。运动相似是指原型和模型两个流动中各对应质点的运动情况是相似的，即要求原型和模型对应质点的速度方向相同、大小保持同一比例。动力相似是指作用于原型和模型两个流动相应点的各种不同性质的作用力都各自成同一比例关系。
根据有关资料显示，草皮在水流较深的情况下，可以承受6m/s的短期流速，而一般室内明渠均匀流缓坡水槽的流速不超过1.5～2m/s，难以满足试验要求。在现有的草皮护坡抗冲试验中常使用聚乙烯、聚丙烯丝等人工材料植被模型，但使用人工植被模型代替天然植被所涉及的模型相似律问题极其复杂，难以给予明确及合理的解答。
发明内容
本实用新型的目的就是针对现有测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置存在的缺点，提出一种可以产生草皮护坡破坏所需大流速水流的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置。
本实用新型的目的可通过以下技术方案来实现一种测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，包括水库、水泵、试验水槽、排水管、供水管，供水管上设有阀及流量计，试验水槽为一横截面为矩形的封闭有压水槽，在试验水槽的底部设有植被模型箱安装孔，在植被模型箱安装孔位置处可拆卸连接有植被模型箱或活动底板。
本实用新型的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其中所述的供水管为封闭的供水管道，供水管的一端通过水泵与水库连通，另一端通过变径过渡水管与试验水槽的进水端连通，试验水槽的出水端通过变径过渡水管与排水管连通。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其中所述过渡水管两端的截面分别为圆形和矩形。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其中所述活动底板设在封闭有压水槽的中部。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，在所述的试验水槽上植被模型箱安装孔的两端设有空气压差计安装口，空气压差计安装在该两端的孔中。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其中所述植被模型箱为人工培育的天然草本植被模型箱或加筋草本植被模型箱。
前述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其中所述试验水槽为有机玻璃有压水槽，最大可承受7m的水头压力。
测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置装有具有矩形断面的封闭水槽，能够产生的断面平均流速最大可达6.75m/s。草皮护坡冲刷试验对象选用人工培育的天然草本植被，试验水流与作用于护坡上的原体水流具有近似相同的流速大小和方向。由冲刷试验得到的草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速作为模型试验结果可以直接向实际河道水流推广。
由此可见本实用新型的优点为由于选用了自然生长的草本植被原型和采用了具有矩形断面的有压水槽，可模拟河道大流速冲刷水流，很好的克服了室内水槽难以产生大流速水流的难题，成功模拟了河道径流对草皮护坡的冲刷过程，简便可靠的实现了模型试验结果向原型水流的直接推广，具有相当的工程实用价值。
本实用新型的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。
图1为本实用新型的结构示意图；
图2为有机玻璃水槽结构示意图；图3为安装模型箱后的有机玻璃水槽结构示意图；图4为图2的1-1剖面图；图5为植被模型箱结构示意图；图6为测压管孔口位置关系图；图7为水稻土植被区床面切应力与时间关系曲线图；图8为水稻土植被区床面切应力随流速变化趋势图；图9为红壤植被区床面切应力与时间关系曲线图；具体实施方式
图1所示为测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，由水库11、水管12、水泵13、阀门14、电滋流量计15、压水管16、过渡水管21、有机玻璃水槽22、支架17、排水管18组成。水库11用于提供水源，水泵13为离心式清水泵，最大设计流量Q＝486m3/h，扬程14m。电滋流量计15为LDZ-4B型电磁流量计，最大量程500m3/h，电滋流量计15用于控制试验流量。支架17用于支撑有机玻璃水槽22，有机玻璃水槽22具有矩形断面，其长、宽、高的尺寸分别为3.7m、0.2m、0.1m，断面面积为0.02m2，当水泵13达到最大设计流量时可以产生6.75m/s流速的水流。有机玻璃水槽22两端接有过渡水管21，过渡水管21两端的截面分别为圆形和矩形，水管12的截面为圆形，过渡水管21用于将圆形管过渡到方形管。有机玻璃水槽22中部设有活动底板23，活动底板23可以拆卸，拆卸后可装入有植被模型箱25，植被模型箱25为天然草本植被模型箱25，植被模型箱25的结构如图5所示，可用A、B两种尺寸模型箱，其尺寸如表1所示，表1模型箱尺寸(单位m)
植被高度修剪至与有机玻璃水槽22高度相等，植被模型箱25顶面与有机玻璃水槽22底面齐平。在活动底板23区域设有测压孔口24，用于测量植被区的水头损失，计算床面切应力值，测压孔口24设在活动底板23区域的上下游两端，测压管孔口24位置见图6，其中1、4孔口分别在有机玻璃水槽22上下管壁处各开一孔，测压管各孔口间距为l14＝1.857m，植被段长度l23＝0.700m，孔口距植被区上下游边界的距离分别为l12＝0.579m，l34＝0.578m。测压孔口24上接入空气压差计19，用于测量植被区水头损失，从而计算出床面切应力。
在某一流量下，有机玻璃水槽22的壁面切应力τ壁可根据下式由实测的水头损失Δh求得
在进行草皮护坡抗冲试验时，将活动底板23拆卸后装入植被模型箱25，启动水泵13，调节阀门14和电磁流量计15从零逐级增至设计流量，待流速稳定后，开始冲刷草皮，记录冲刷历时和空气压差计读数，计算草皮护坡破坏时的床面切应力和摩阻流速，计算过程如下如图6，设植被区的上下游边界所在过水断面分别为2-2、3-3断面，l12、l23、l14、l34分别为各测点与各断面之间间距。在某一流量下，由安装在1、4孔口之间的空气压差计19可以测得1-4段的平均水头损失 则1-4段的平均壁面切应力由下式计算τ14=Δh14l14ρgR---(2)]]>考虑到植被段的床面糙率与水槽壁面糙率的差异，2-3段的流体所受到的水流总切力F23应等于植被床面所受水流切力与该段水槽壁面所受水流切力之和，即有F23＝(2H+B)l23τ壁+Bl23τV(3)对1-4段流体进行受力平衡分析可知，2-3段流体所受到的水流切力F23应等于1-4段流体所受到的水流总切力F14，减去1-2段和3-4段流体所受到的水流切力F12、F34，即F23＝F14-F12-F34(4)其中，F14＝2(B+H)l14τ14F12＝2(B+H)l12τ壁F34＝2(B+H)l34τ壁将各段流体所受的水流切力值代入上式，有(2H+B)l23τ壁+Bl23τV＝2(B+H)l14τ14-2(B+H)τ壁l12-2(B+H)τ壁l34(5)整理式(6)可以得到2-3段植被区的平均床面切应力 对应的摩阻流速用下式计算
U*=τvρ---(7)]]>其中tV——植被区床面切应力(N/m2)；ρ——水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；Δh14，Δh14上，Δh14下——1-4段平均水头差，1-4段顶面测点间水头差，1-4段底板测点间水头差；F12，F23，F14，F34——1-2，2-3，1-4，3-4段流体所受到的水流切力；l12，l23，l14，l34——1-2，2-3，1-4，3-4段的测点间距。
实施例一试验选择了以水稻土种植，生长期分别为1.5个月、2.5个月、4.0个月的六组草皮，其中天然草皮和三维植被网加筋草皮各三组。试验最大设计流速为4.0m/s。考虑到实际河道中水位变动以及降雨入渗可能对边坡土体强度及植被生存造成影响，进而影响植被的抗冲性能及护坡效果，为此在冲刷试验开始前先将植被箱连同草皮用静水淹没浸泡24h。
试验时先以0.5m/s的增幅很快地将流速从1.0m/s逐级加载到4.0m/s，记录各级流速下的植被区水头损失，以此计算出各级流速下的床面切应力值，并将试验结果点绘于图7，得到植被区床面切应力与流速的关系曲线。
待达到最大设计流速后，开始冲刷历时计时，以0.5h为时间间隔测量水头损失，并计算出各时刻的床面切应力值，将试验结果点绘于图8，得到植被区床面切应力与时间的关系曲线。图中曲线显示，在草皮破坏之前植被区床面切应力先随冲刷时间的增加而减小，而后趋于稳定。
当草皮护坡发生破坏时，记录植被区水头损失，由此计算出草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速U*，见表2。
表2草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速(水稻土)
由此可说明，如果在实际河道中采用了表中某种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当实际河道中的摩阻流速小于表中相应的摩阻流速时，采用该草皮进行护坡抵挡水流冲刷的时间大于表中相应的冲刷历时；当河道的摩阻流速恰等于表中相应的摩阻流速时，在经过表中相应的冲刷历时后，该种草皮护坡将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于表中相应的摩阻流速时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
以表中生长期为4.0个月的天然草皮护坡为例，当试验水流以4.0m/s流速持续冲刷8.5h后，该草皮护坡发生冲蚀破坏，计算得到其破坏时的床面切应力大小为313.0N/m2，摩阻流速为0.56m/s。说明如果在实际河道中采用了该种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当河道的摩阻流速不超过0.56m/s时，采用该草皮护坡抵挡水流冲刷的时间在8.5h以上；当河道的摩阻流速恰等于0.56m/s时，该种草皮护坡在抵挡水流冲刷8.5h后将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于0.56m/s时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
因此，本此试验所得到的一系列各组草皮护坡破坏点处的床面切应力和相应的摩阻流速及冲刷历时均可应用于实际河道中，作为生态护岸工程设计的依据。
实施例二试验选择了以红壤种植，生长期分别为1.5个月、2.5个月、4.0个月的六组草皮，其中天然草皮和三维植被网加筋草皮各三组。试验最大设计流速为2.0m/s。考虑到实际河道中水位变动以及降雨入渗可能对边坡土体强度及植被生存造成影响，进而影响植被的抗冲性能及护坡效果，为此在冲刷试验开始前先将植被箱连同草皮用静水淹没浸泡12h。
试验时先以0.5m/s的增幅很快地将流速从1.0m/s逐级加载到2.0m/s，记录各级流速下的植被区水头损失，以此计算出各级流速下的床面切应力值，并将试验结果点绘于图9，得到植被区床面切应力与流速平方的关系曲线。
当草皮护坡发生破坏时，记录植被区水头损失，由此计算出草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速U*，见表3。
表3草皮护坡破坏时的床面切应力值和摩阻流速(红壤)
由此可说明，如果在实际河道中采用了表中某种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当实际河道中的摩阻流速小于表中相应的摩阻流速时，采用该草皮进行护坡抵挡水流冲刷的时间大于表中相应的冲刷历时；当河道的摩阻流速恰等于表中相应的摩阻流速时，在经过表中相应的冲刷历时后，该种草皮护坡将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于表中相应的摩阻流速时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
以表中生长期为1.5个月的天然草皮护坡为例，当试验水流以2m/s流速持续冲刷7.5h后，该草皮护坡发生冲蚀破坏，计算得到其破坏时的床面切应力大小为41.7N/m2，摩阻流速为0.20m/s。说明如果在实际河道中采用了该种形式的草皮护坡，在生长状况和淹没条件都相同的情况下，当河道的摩阻流速不超过0.20m/s时，采用该草皮护坡抵挡水流冲刷的时间在7.5h以上；当河道的摩阻流速恰等于0.20m/s时，该种草皮护坡在抵挡水流冲刷7.5h后将发生冲蚀破坏；当河道的摩阻流速大于0.20m/s时，该种草皮护坡将即刻发生破坏。
因此，本此试验所得到的一系列各组草皮护坡破坏点处的床面切应力和相应的摩阻流速及冲刷历时均可应用于实际河道中，作为生态护岸工程设计的依据。
除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围之内。
权利要求1.一种测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，包括水库、水泵、试验水槽、排水管、供水管，供水管上设有阀及流量计，其特征在于所述的试验水槽为一横截面为矩形的封闭有压水槽，在试验水槽的底部设有植被模型箱安装孔，在植被模型箱安装孔位置处可拆卸连接有植被模型箱或活动底板。
2.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于所述的供水管为封闭的供水管道，供水管的一端与通过水泵与水库连通，另一端通过变径过渡水管与试验水槽的进水端连通，试验水槽的出水端通过变径过渡水管与排水管连通。
3.如权利要求2所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于所述过渡水管两端的截面分别为圆形和矩形。
4.如权利要求1或2所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于所述活动底板设在有压水槽的中部。
5.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于在所述的试验水槽上植被模型箱安装孔的两端设有空气压差计安装口，空气压差计安装在该两端的孔中。
6.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于所述植被模型箱为人工培育的天然草本植被模型箱或加筋草本植被模型。
7.如权利要求1所述的测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，其特征在于所述试验水槽为有机玻璃有压水槽，其最大承受水头压力为7米。
专利摘要本实用新型属于生态护岸领域，具体的说是一种测定河道草皮护坡抗冲性能的试验装置，包括水库、水泵、试验水槽、排水管、供水管，供水管上设有阀及流量计，试验水槽为一横截面为矩形的封闭水槽，在试验水槽的底部设有植被模型箱安装孔，在植被模型箱安装孔位置处可拆卸连接有植被模型箱或活动底板。采用了矩形断面的有压水槽，可产生大流速水流，以人工培育的草皮护坡破坏时的床面切应力和摩阻流速作为模型试验成果，成功模拟了河道径流对草皮护坡的冲刷过程，很好的克服了室内水槽难以产生大流速水流的难题，简便可靠的实现了模型试验结果向原型水流的直接推广，具有相当的工程实用价值。
文档编号E02B3/12GK2926313SQ20062007149
公开日2007年7月25日 申请日期2006年5月19日 优先权日2006年5月19日
发明者张玮, 钟春欣, 应翰海, 龚静怡 申请人:河海大学