专利名称：高含沙洪水揭河底期间胶泥块内力变化过程监测方法
技术领域：
本发明涉及一种水エ模型试验的监测方法，其IPC国际专利分类号为E02B1/02， 特别涉及一种模拟高含沙洪水“揭河底”过程中胶泥块在揭起、翻转期间的内力变化过程监测方法。
背景技术：
在含沙量高的河流，例如在黄河小北干流及渭河等河段，在高含沙洪水作用下，河床往往会发生剧烈的集中冲刷，在前期经过一定时期淤积、沉淀，密度较大、強度较高的“胶泥层”，有时会从床面上被揭掀而起，像卷“地毯” 一样被卷起，成块、成片地露出水面，面积可达几平方米甚至十几平方米，然后在短时间内破碎、坍落，被水流冲散带走，这种现象也被称为“揭河底”，是黄河“高含沙水流运动的特有现象之一”。“揭河底”现象往往发生造成河床強烈下切，甚至，河床一次冲深几米乃至近十米。“揭河底”冲刷往往引起河道主槽的迁徙，使工程着溜部位不断地变化，容易造成河道工程沉蛰、坍塌，増加汛期防汛抢险的复杂性；特别是由于河槽大幅度冲刷，大河水位下降，致使沿河机电灌站脱流，严重影响到沿岸 エ农业生产。上世纪七十年代以来，这ー现象就受到国内外水利工作者的高度关注，并开展了大量的研究，为人们进ー步认识“揭河底”现象奠定了基础，但由于“揭河底”现象发生的随机性，很难在实际中测得到跟随性较强的“揭河底”实测资料，这ー问题的研究也只能从试验模拟中突破。江恩慧等提出了“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”，该ー技术在2010年10月获得了国家实用新型专利授权(ZL 200920217654. 4)，为开展“揭河底”模拟试验提供了基础。 此外，还利用不同级配的粉煤灰来模拟河床分层淤积结构，特别是利用极细粉煤灰模拟“揭河底”发生时的胶泥块，基于“揭河底”模拟试验装置，在水槽试验中成功模拟了真正意义上的“揭河底”现象，申请的“高含沙洪水揭河底模拟试验方法” 2011年也获得了国家发明专利授权(ZL200910177288. 9)。原型观测、现场录像及室内模拟试验均表明，“胶泥块”被揭起、翻转、露出水面过程中，有时胶泥块会出现折断的情况，有时也会看到“胶泥块”揭起后整块土体塌落水中而不会断裂散落。为了进一歩弄清个中原因，必须深入研究黄河高含沙洪水“揭河底”期间胶泥块内力的变化过程。而目前，模型本身根本无法对“胶泥块”本身应カ的变化过程进行监测，水槽实验和模型试验也没有一套有效的监测技术与方法。本发明为黄河高含沙洪水“揭河底”期间胶泥块内力变化过程的监测提供了一套切实可行的监测装置与方法。
发明内容
本次发明内容是在实用新型专利“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”(ZL200920217654. 4)及发明专利“高含沙洪水揭河底模拟试验方法”(ZL 200910177288. 9)基础上，针对“胶泥块”被揭起、翻转、露出水面过程中“胶泥块”本身内部应カ的变化过程进行实时监测，本发明的技术方案是
一种高含沙洪水揭河底期间胶泥块内力变化过程的监测方法，包括以下步骤(I)制作模具盒根据胶泥块的不同尺寸，制作一系列不同规格的有机玻璃模具盒；在所述模具盒的前后两端各固定I根钢支架，在所述钢支架上面固定放置一根滑杆；在所述模具盒的左右两侧及底部设置多个固定螺栓，在所述固定螺栓的前端打眼，上系高强度碳纤维；将多个单点式薄膜压力传感器放置在模具盒内，每个所述单点式薄膜压力传感器的下部和左右两侧通过系在所述固定螺栓上的所述高强度碳纤维固定，上部通过高强度碳纤维固定在所述滑杆上。(2)胶泥块的预制采用中值粒径小于0. Olmm的极细粉煤灰或天然极细沙，放入一个较大的容器内， 加水，用搅拌器将其充分搅拌均匀，制成含沙量为800 1000kg/m3的浆体，待用；调整所述单点式薄膜压力传感器，使其垂直立放于胶泥块的受压区；拉紧所述单点式薄膜压力传感器上的上下左右4条高强度碳纤维，使其稳固；将连接所述单点式薄膜压力传感器的数据线从所述模具盒的尾部上方引出；将所述浆体逐渐倒入模具盒里，停放12小时，使其固结， 制成I父泥块。(3)试验系统布设在试验水槽的底部铺设中值粒径为0. 05mm的粗颗粒粉煤灰模拟河床上的粗沙层，在所述模拟的粗沙层上预留胶泥块设计尺寸大小的空间；将连接有所述单点式薄膜压力传感器的所述胶泥块放入预留空间，将所述数据线与数据采集仪相连接。⑷放水试验放水进行试验，布置在胶泥块中的所述单点式薄膜压力传感器对揭河底过程中胶泥块在揭起前、提起瞬间以及翻转期间相应部位的内力变化进行实时采集；基于三个断面的实时内力监测数据，结合有限元理论及数学模型，计算胶泥块内部的三维受压、拉情况， 生成胶泥块内力变化的三维波谱图。本发明的高含沙洪水揭河底期间胶泥块内力变化过程的监测方法，结构简单，操作方便，能够实时、准确地监测胶泥块本身内部的应力变化情况，为进一步深入研究黄河 “揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法和装置，为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基础，为制定黄河防洪预案和防汛工程的规划设计，提供了重要的依据和参考。
图I为本发明的模具盒主视2为本发明的模具盒俯视3为本发明的模具盒侧视4为本发明采用的单点式薄膜压力传感器示意5为本发明的监测装置示意中，I为模具盒，2为钢支架，3为滑杆，4为高强度碳纤维，5为单点式薄膜压力传感器，6为粗砂层，7为胶泥块，8为数据采集仪，V为水流方向，d为胶泥块厚度。
具体实施例方式本发明的高含沙洪水揭河底期间胶泥块内力变化过程的监测方法，具体实施时， 包括以下步骤(I)专用模具盒制作根据胶泥块7的不同尺寸，设计制作一系列不同规格的有机玻璃模具盒1，如图 I-图3所示。模具盒I两边各固定I根钢支架2，上面放置一根滑杆3。试验采用单点式薄膜压力传感器5 (见图4所示)，设计传感器布设网络图，传感器5位置可以通过滑杆3移动.模具盒I的左右两侧及底部设置多个固定螺栓，前端打眼，上系高强度碳纤维4，每个单点式薄膜压力传感器5都通过上下左右4根高强度碳纤维5固定，确保每个传感器5都布置在模具盒I的上半部分，使测压传感器5完全处于胶泥块7的受压区，并垂直固定于设计的监测位置，且稳定。(2)胶泥块的预制利用中值粒径小于0. Olmm的极细粉煤灰或天然沙制成含沙量为800 IOOOkg/ m3的浆体，用搅拌器将其充分搅拌均匀，待用；调整单点式薄膜传感器5，使其垂直立放于胶泥块7的受压区；拉紧上下左右4条高强度碳纤维5，使其稳固；将连接单点式薄膜传感器 5的数据线从模具盒I的尾部上方引出；将搅拌好的浆体逐渐倒入模具盒I里，停放12小时，使其固结，制成胶泥块7。(3)试验系统布设依据“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”及“高含沙洪水揭河底模拟试验方法”，在水槽底部铺设厚度为15cm以上的粗颗粒粉煤灰(中值粒径约为0. 05mm)以模拟河床上的粗沙层6，在粗沙层6上预留胶泥块7设计尺寸大小的空间；将连接有压力传感器5的预制胶泥块7放入预留空间，数据线直接与数据采集器8相连接(如图5所示)。(4)放水试验放水进行试验，布置在胶泥块7中的单点式薄膜式压力传感器5可以对“揭河底” 过程中胶泥块在揭起前、提起瞬间以及翻转期间相应部位的内力变化进行实时采集；基于三个断面的实时内力监测数据，结合有限元理论及数学模型等计算工具，计算胶泥块7整体内部的三维受压、拉情况，生成胶泥块内力变化的三维波谱图。
权利要求
1. ー种高含沙洪水揭河底期间胶泥块内力变化过程的监测方法和监测装置，包括以下步骤(1)制作模具盒根据胶泥块的不同尺寸，制作一系列不同规格的有机玻璃模具盒；在所述模具盒的前后两端各固定I根钢支架，在所述钢支架上面固定放置一根滑杆；在所述模具盒的左右两侧及底部设置多个固定螺栓，在所述固定螺栓的前端打眼，上系高強度碳纤维；将多个单点式薄膜压カ传感器放置在模具盒内，每个所述单点式薄膜压カ传感器的下部和左右两侧通过系在所述固定螺栓上的所述高强度碳纤维固定，上部通过高强度碳纤维固定在所述滑杆上；(2)胶泥块的预制采用中值粒径小于0. Olmm的极细粉煤灰或天然极细沙，放入一个较大的容器内，加水，用搅拌器将其充分搅拌均匀，制成含沙量为800 1000kg/m3的浆体，待用；调整所述单点式薄膜压カ传感器，使其垂直立放于胶泥块的受压区；拉紧所述单点式薄膜压カ传感器上的上下左右4条高强度碳纤维，使其稳固；将连接所述单点式薄膜压カ传感器的数据线从所述模具盒的尾部上方引出；将所述浆体逐渐倒入模具盒里，停放12小时，使其固结，制成胶泥块；(3)试验系统布设在试验水槽的底部铺设中值粒径为0. 05mm的粗颗粒粉煤灰模拟河床上的粗沙层，在所述模拟的粗沙层上预留胶泥块设计尺寸大小的空间；将连接有所述单点式薄膜压カ传感器的所述胶泥块放入预留空间，将所述数据线与数据采集仪相连接；(4)放水试验放水进行试验，布置在胶泥块中的所述单点式薄膜压カ传感器对揭河底过程中胶泥块在揭起前、提起瞬间以及翻转期间相应部位的内力变化进行实时采集；基于三个断面的实时内力监测数据，结合有限元理论及数学模型，计算胶泥块内部的三维受压、拉情况，生成胶泥块内力变化的三维波谱图。
全文摘要
本发明涉及一种河工模型，其IPC国际专利分类号为E02B1/02，特别涉及一种高含沙洪水“揭河底”冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监测方法。该模拟监测方法利用有机玻璃模具盒预制胶泥块，在胶泥块底部排布片状薄膜式压力传感器，通过数据线与数据采集仪连接，可实现对水流压力信号的实时采集。本发明的模拟监测方法，结构简单，操作方便，能够实时、准确地监测胶泥块底部的水流紊动情况，为进一步深入研究黄河“揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法和装置，为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基础，为制定黄河防洪预案和防汛工程的规划设计，提供了重要的依据和参考。
文档编号E02B1/02GK102605738SQ201210063068
公开日2012年7月25日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者万强, 何鲜峰, 刘燕, 夏修杰, 宁兵, 张杨, 张清, 曹永涛, 李军华, 江恩慧, 潘丽, 董其华, 董文胜, 赵新建, 赵连军, 郭西方, 顾霜妹, 颜小飞 申请人:黄河水利委员会黄河水利科学研究院