水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置及其试验方法

1.本发明属于生态试验方法的技术领域，具体涉及一种水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置及其试验方法。


背景技术：

2.随着我国对生态环境的重视，传统的水泥硬化河道治理模式已经不能满足当下城市河道改造的新需求，采用土工网+植物的新型生态河道治理工程应用越来越广泛。但是生态河道治理工程的稳定性一直人们关注的重点。生态护坡河道长时间在水流冲刷的作用下，对边坡的侵蚀较严重，可能造成生态边坡失稳破坏。利用加筋型三维土工网垫与不同植被的结合护坡是近年来生态护坡的一种新模式，但是目前该领域的研究机理还较少，为此开展在河道水流作用下的三维土工网垫生态护坡室内冲刷模型试验研究及稳定性分析就显示十分必要。
3.目前国内外学者针对土工网垫的冲刷模型试验研究开展了部分研究工作，取得了一些进展，目前常见的冲刷模型槽多为单一功能的模型试验装置，只能单一分析河堤的某一种坡度、或者分析单一长度的河道等，现有的室内试验模型的可变调节因素较少，重复多次试验存在成本高，浪费资源等问题，但是影响河道生态护坡及其稳定性的因素角度，如河堤的坡度系数、河道的坡度、河道的长度、水流的速度等。如果想实现多因素的分析，就需要制作多台不同的冲刷模型槽，这样会造成试验成本增加，试验设备资源的浪费。
4.现有的水流冲刷生态河堤室内模型试验平台水槽大都是垂直侧壁，不可调节，无法模拟河道河堤的放坡系数。另外目前常见的水槽长度为固定长度，无法适应多长度的不同河道模拟试验，为此在研究不同河堤坡度、不同河道长度时需要制作多台模型槽，导致试验成本增加。
5.河道的坡降比是影响河道水流速度的重要因素，在模型试验中考虑不同的河道坡降系数是模型试验的重要变量，传统的水槽多为固定支撑底座，水槽为水平放置，水槽末端连接高压水箱的水龙头开关，直接进行冲刷，无法自由改变水槽河道的坡度，多通过人为抬高模型槽。选取更高的底座支撑，使用起来不太方便。
6.河道的坡降比是影响河道水流速度的重要因素，在模型试验中考虑不同的河道坡降系数是模型试验的重要变量，传统的水槽多为固定支撑底座，水槽为水平放置，水槽末端连接高压水箱的水龙头开关，直接进行冲刷，无法自由改变水槽河道的坡度，多通过人为抬高模型槽。选取更高的底座支撑，使用起来不太方便。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置及其试验方法，从而可以实现模拟不同河堤坡度、不同的河床长度及不同的河床坡度等工况，从而实现一个平台实现多功能参数的模拟，以解决或改善上述的问题。
8.为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
9.一方面，一种水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置，其包括两端开口的水槽；位于水槽底部的两端均安装可升降的支撑底座装置；支撑底座与用于调节水槽坡度的滑板固定连接；
10.水槽前端开口处安装有用于调节水槽内水位的水位挡板，水槽末端上部设置配备有流速表的高压水箱，与高压水箱连通的水龙头连接水管向下延伸至水槽底部；
11.水槽内间隔安装至少两个用于装填泥土和网垫的盒子；盒子与水槽侧板平行设置，位于盒子的背面安装可移动侧向支撑架，侧向支撑架下方连接带有扣板刹车的第一定向滑轮，第一定向滑轮与定向滑轨滑动相连，用于模拟河道两边不同的河堤坡度。
12.进一步地，水槽下部安装圆形滑轨，圆形滑轨与设置于伸缩板上的第二定向滑轮滑动配合，用于实现伸缩板的伸缩；伸缩板两侧分别与外侧板活动连接。
13.进一步地，伸缩板边缘的四个角上均安装合页。
14.进一步地，水槽侧板和伸缩板的外侧板端部内侧设有用于安装水位挡板的凹形卡槽。
15.进一步地，水槽为顶部和两端开口的长方形盒体，长方形盒体的尺寸为长2500mm，宽600mm，高300mm。
16.进一步地，盒子安装于水槽内部距离边缘200mm的位置上，且盒子的尺寸为长度900mm，宽度600mm，高度300mm。
17.进一步地，伸缩板的长1500mm，宽600mm。
18.一方面，水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置及其试验方法，包括：
19.s1、根据施工需求在盒子侧板内铺设填土，覆盖三维土工加筋网垫并在其上方回填土试样，种植高羊茅，定期施加营养液，待植被长到预设高度，开始水槽冲刷三维网垫生态护坡河堤冲刷试验；
20.s2、调节水槽底部的伸缩板，控制伸缩长度为500mm，固定伸缩板位置并与水槽的底板形成一体；
21.s3、通过调节两个支撑底座装置，调节水槽两端的高度，直至水槽两端的高度差达到预设值，且将水槽形成预设的倾斜坡度；
22.s4、通过调节盒子侧板背后的可移动的侧向支撑架，使盒子侧板的坡度系数达到预设比；
23.s5、将水槽伸缩板的两外侧板展开并固定，将可升降的水位挡板固定安装在两侧板的凹形卡槽内，并调节上升高度为预设值；
24.s6、流速监测仪实时测定水流的流速，先进行水流速度为v1的冲刷，每次试验持续冲刷30min；
25.s7、同时，采用高速摄像机实时拍摄盒子侧板内填土的流失量以及三维土工网垫的出露状况；
26.确定坡面流含砂率每1min接取500ml左右的浑水试样，用量筒精确测定其体积，用电子天平秤其质量，最后用置换法换算出各试样的含砂率；
27.测定坡面流水面宽度；
28.s8、对比分析其他多组不同试验方案中的各种监测数据指标。
29.进一步地，s1根据施工需求在盒子侧板内铺设填土，并覆盖三维土工加筋网垫并在其上方回填土试样，种植高羊茅，定期施加营养液，待植被长到预设高度，开始水槽冲刷三维网垫生态护坡河堤冲刷试验，包括：
30.在铺设三维土工网垫之前，在水槽底部填约8cm厚的土并通过水准仪和水准尺确保土层厚度相同及坡面水平；填土釆用人工分层填筑分层夯实，并采用超填削坡的方式进行；水槽边坡内的填土通过相同表面积内填相同重量的土控制，并通过体积和对应含水率下的密度以及压实度计算填土重量。
31.进一步地，采用四种水流速度v1、v2、v3、v4；两种草皮和1:1、1:2两个河堤坡度，共进行32组试验；
32.在试验中分别采用水质分析系统分析表层土体水土流失状况，采用高速摄像机和测量工具测定蚀沟的变化规律、网垫处土体的孔隙水压压力以及植物网垫土层的抗剪强度等；对比分析成龄期的天然草皮和网垫保护的草皮在不同水流冲刷下的侵蚀特征；并在不同水槽长度下，以模拟天然河道不同长度探究对河道边坡冲刷的影响，可伸缩范围为2500-4000mm。
33.本发明提供的水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置及其试验方法，具有以下有益效果：
34.1、本发明可以实现模拟不同河堤坡度、不同的河床长度及不同的河床坡度等工况，从而实现一个平台实现多功能参数的模拟，可用于分析河道河堤的坡度系数、河道长度及河道坡度等对生态护坡的河堤冲刷效果的影响。
35.2、本发明将水槽底部的固定支撑改成可调节高度的升降支撑底座装置，不仅可使河堤水槽试验平台的高度实现任意调节，而且可以实现模拟河道天然坡度的不同情形，实现模拟自然界不同河道坡度的目的，从而实现一台装置模拟不同河道坡度的目的，同时也可为分析河道坡度对两侧河堤生态护坡抗冲刷效果，揭示河道坡度与生态护坡河堤冲刷的内在联系，从而为后续的河道生态护坡工程设计提供参考数据，克服了服传统的水槽无法自动调节坡度的问题，使得本实验的研究更加符合实际情形。
36.3、通过冲刷水槽上设计的伸缩板结构，可以实现冲刷水槽的长度改变，从而模拟不同的河道长度，分析河道长度对水流速度、河堤两侧生态护坡结构的冲刷效果的影响，使得本发明装置可以多次重复利用于不同长度的室内模型试验研究，避免了传统的固定长度冲刷水槽多为一次性的使用，造成浪费，可以有效降低试验成本。另外通过伸缩板的长度调节，可用于模拟生态护坡河堤在不同长度河道中水流冲刷对其侵蚀、流速、生态护坡稳定性的影响，从而为生态河堤护坡工程设计及施工提供参考。
37.4、盒子背部设置定向滑轮，定向滑轮和定向滑轨的配合，可模拟河道两边的河堤坡道不同的河堤坡度，从而实现河堤侧板多角度调节，实现模拟自然界河道多种常见的河堤坡度；且可分析河堤的坡度系数与其冲刷强度的内在联系，使得本发明装置可以多次重复利用于不同的河堤坡度的模型试验研究，避免了传统的固定侧板模拟固定的河堤坡度，也可以避免模型试验平台无法多次使用的缺陷，可有效降低试验成本。
38.5、滑槽前方出口处的水位挡板具有升降功能，通过调节挡板的高度，使得河道内的储水位高度发生变化，从而实现调节河道水深的功能，而传统的固定高度模式无法实现水位高度的调节功能，本发明可以实现模拟不同的河道水深对生态河道护坡工程的冲刷的
影响，从而可以模拟不同的水深条件下生态护坡河堤的抗冲刷效果分析，为现场生态护坡工程设计、施工提供参加数据。
附图说明
39.图1为试验平台装置结构示意图。
40.图2为试验平台安装结构底部示意图。
41.图3、4为河道河堤生态护坡植草图。
42.图5为调节试验水槽高度与倾斜角度结构示意图。
43.图6为河堤侧板后背侧向支撑装置示意图。
44.图7为河道底板长度伸缩调节板示意图。
45.图8河道底板长度伸长后固定形成水槽模型示意图。
46.其中，1、水槽；2、支撑底座装置；3、滑板；4、水位挡板；5、高压水箱；6、连接水管；7、盒子；8、侧向支撑架；9、第一定向滑轮；10、定向滑轨；11、圆形滑轨；12、第二定向滑轮；13、伸缩板；14、合页；15、外侧板；16、凹形卡槽。
具体实施方式
47.下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
48.根据本技术的实施例一，参考图1-图8，本方案的水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置，其包括水槽1，水槽1的顶部和两端均为开口设置，且水槽1呈长方体状，其尺寸为长2500mm，宽600mm，高300mm，用于模拟河道。
49.位于水槽1底部的两端均安装可升降的支撑底座装置2，支撑底座装置2为可伸缩的支撑杆，支撑底座装置2可实现水槽1两端高度的调节，并可实现水槽1两端一定的高度差。
50.支撑底座装置2可使河堤水槽1试验平台的高度实现任意调节，且可以实现模拟河道天然坡度的不同情形，实现模拟自然界不同河道坡度的目的。
51.支撑底座装置2与用于调节水槽1坡度的滑板3固定连接，滑板3下安装有多个万向轮，两个滑板3可根据需求进行移动，以改变水槽1的坡度和水槽1位置的移动。
52.水槽1前端开口处安装有用于调节水槽1内水位的水位挡板4，通过调节水位挡板4以控制水槽1内的水位，实现模拟河道河水深度。
53.通过调节水位挡板4的高度，使得河道内的储水位高度发生变化，从而实现调节河道水深的功能，水位挡板4可以实现模拟不同的河道水深对生态河道护坡工程的冲刷的影响，从而可以模拟不同的水深条件下生态护坡河堤的抗冲刷效果分析，为现场生态护坡工程设计、施工提供参加数据。
54.水槽1末端上部设置配备有流速表的高压水箱5，与高压水箱5连通的水龙头连接水管6向下延伸至水槽1底部，在具体应用时，当打开水箱阀门，可以直接通过阀门上的流速表读取水流的速度。
55.水槽1内间隔安装至少两个用于装填泥土和网垫的盒子7，盒子7安装于水槽1内部距离边缘200mm处，且为竖直安装。
56.盒子7的尺寸为长度900mm，宽度600mm，高度300mm，盒子7用于装泥土和网垫用于模拟河道两侧的河堤。
57.盒子7与水槽1侧板平行设置，位于盒子7的背面安装可移动侧向支撑架8，侧向支撑架8下方连接带有扣板刹车的第一定向滑轮9，第一定向滑轮9与定向滑轨10滑动相连，用于模拟河道两边不同的河堤坡度。
58.第一定向滑轮9在定向滑轨10上运动以任意改变盒子7侧板的角度，从而模拟河道两边的河堤坡道不同的河堤坡度，从而实现不同河堤坡度的任意工况模拟。
59.本发明在盒子7背部设置第一定向滑轮9，第一定向滑轮9和定向滑轨10的配合，可模拟河道两边的河堤坡道不同的河堤坡度，以实现河堤侧板多角度调节，并实现模拟自然界河道多种常见的河堤坡度。
60.水槽1的下部安装有圆形滑轨11，采用第二定向滑轮12连接伸缩板13，伸缩板13长1500mm，宽600，伸缩滑板3的边缘四角安装合页14，用于当伸缩板13伸到最大长度后，将伸缩板13两边的外侧板15向外翻转至与其垂直，从而让伸长的伸缩板13与竖立的侧板形成滑槽平台
61.在原有的2500mm长的水槽1侧挡板和伸缩板13的侧挡板端部内侧设有凹形卡槽16用于可升降水位挡板4的安装，从而可以调节水位高度。
62.根据本技术的实施例二，本方案的水流冲刷生态河堤室内模型试验平台装置的试验方法，具体如下：
63.由于影响生态护坡抗冲刷效果的因素较多，为分析河道河堤的坡度系数、河道长度及河道坡度等对生态护坡的河堤冲刷效果的影响，本发明设置了多个变量，具体分析变量因素变化对生态护坡河堤抗冲刷性能的影响。
64.冲刷试验中需观测多项内容包括：
65.坡面在冲刷过程中坡面流的变化趋势，包括坡面流流速；坡面流含砂率、侵蚀量随时间的变化；试验主要根据不同流速，不同河道长度、不同河道坡度及不同河堤坡度四个方面对三维土工网垫的抗冲刷性能开展研究工作。根据野外观察，试验选取以一个小时作为试验周期，每间隔15分钟测一组数值，观测自制河堤侧板内剩余土量、侵蚀沟的长度、宽度、数量、植物被冲刷的情形及在水槽1出口处收集泥沙分析泥沙的水土流失情况，从而来确定生态河堤护坡的抗冲刷性能。
66.本次试验分为32组，探究不同流速，不同河道长度、不同河道坡度及不同河堤坡度下生态河堤+土工网垫的抗冲刷冲刷能力，具体试验变量见表1。
67.本次以其中的某一组模型试验为例来进行详细说明，即水流速度为v1，水槽1坡度15
°
，河堤侧板坡度系数为1：1，植被类型高羊茅，有加筋三维土工网垫，水槽1伸缩板13长度为500mm，可升降水位挡板4高度为200mm为例进行说明，模型试验方法如下，其他实验工况的详细方案及设备操作见下表2所示。
68.本组试验的具体步骤包括：
69.步骤s1、按照施工需求在河堤侧板内铺设填土，覆盖三维土工加筋网垫并在其上方回填土试样，种植高羊茅，定期施加营养液，待植被长到合适高度，开始生态护坡河堤冲
刷试验；
70.步骤s2、调节水槽1底部的伸缩板13，伸缩长度为500mm，然后利用固定装置将其固定并与原水槽1底板形成一体；
71.步骤s3、通过调节水槽1底部安装的支撑底座装置2，使水槽1的前后产生高差，水槽1形成倾斜坡度15
°
；
72.步骤s4、通过调节河堤侧板背后的可移动支撑杆，使侧板的坡度系数为1：1；
73.步骤s5、将水槽1伸缩板13的两侧板展开并且固定，将水位挡板4固定安装在两侧板的凹形卡槽16内，并调节上升高度为200mm；
74.步骤s6、利用流速监测仪测定水流的流速，先进行水流速度为v1的冲刷，每次试验持续冲刷30min；
75.步骤s7、试验过程中利用高速摄像机拍摄河堤侧板内填土的流失情况以及三维土工网垫的出露情况、为确定坡面流含砂率每1min接取500ml左右的浑水试样，用量筒精确测定其体积，用电子天平秤其质量，最后用置换法换算出各试样的含砂率；在冲刷的过程中还需测定坡面流水面宽度；
76.步骤s8、对比分析其他不同试验方案中的各种监测数据指标，从而揭示河堤侧板在不同植被类型，不同水槽1坡度，不同坡度比，不同水槽1长度，不同水流速度，不同水流深度下的抗冲刷能力以及水土保持能力，从而为工程防治提供参考。
77.表1水流冲刷生态河堤模型室内模型试验变化因素方案
[0078][0079]
表2水流冲刷生态河堤模型室内模型试验方案
[0080]
[0081]
[0082][0083]
进一步地，试验还包括如下步骤：
[0084]
(1)试验模拟的是土质边坡在三维土工网垫护坡作用下的水力学特性及侵蚀特性，为最大限度还原室外工程实际，在铺设三维土工网垫之前，先在水槽1底部填约8cm厚的土并通过水准仪和水准尺确保土层厚度相同及坡面水平。填土釆用人工分层填筑分层夯实，超填削坡的方式进行；水槽1边坡内的填土通过相同表面积内填相同重量的土控制，而填土重量可以通过体积和对应含水率下的密度以及压实度计算得出。
[0085]
(2)试验前，在河堤侧板填铺好种植土后，在四块河堤侧板分别用两块铺设土工网垫并种植高羊茅，两块无土工网垫种植高羊茅草，然后调节河堤侧板后面的可移动侧向支撑，使得河堤坡度为1:1，试验水槽1长度为2500mm。
[0086]
(3)对草皮定期施加营养液，待草种长到一定长度，开始水槽1冲刷三维网垫生态护坡河堤冲刷试验。利用流速监测仪测定水流的流速，先进行水流速度为v1的冲刷，每次试验持续冲刷30min。为确定坡面流含砂率每1min接取500ml左右的浑水试样，用量筒精确测定其体积，用电子天平秤其质量，最后用置换法换算出各试样的含砂率。在冲刷的过程中还需测定坡面流水面宽度及观测三维土工网垫的出露情况，在冲刷结束后，测定以下数据：
[0087]
含砂量与侵蚀量的测定
[0088]
试验降雨过程中，每隔2min收集径流量试样，并称重，用来分析土壤侵蚀量的变化；同时每分钟接取500ml的浑水试样，试验结束后用比重瓶法测定泥砂含量，用来分析径
流中含砂率的变化。
[0089]
坡面流水深
[0090]
坡面流水作为基本水力学特性，在坡面流的研究中是不可忽略的。由于坡面流水深及浅，受接触面糖率影响大，目前，在各类关于薄层水流的试验中，除定床阻力试验，其余试验条件下均不易直接测得坡面流水深。在定床水力学试验中，根据经验公式可以得到试验中薄层流平均水深计算公式：
[0091]
h＝q
mjn
δ
1/6
/a
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0092]
式中，δ：床面粗糙度，mm；
[0093]
q：单宽流量，m3/(m
·
s)；
[0094]
a：过流断面面积，m2；
[0095]
j：坡降，数值为sinθ，θ是边坡坡度；
[0096]
m，n：参数，通过回归统计得到。
[0097]
雷诺数
[0098]
坡面流流态根据雷诺数分为层流、紊流和过渡流。流态为层流时，流体分层流动、互不混合，其质点沿着与流体底面相接触的固体表面作近乎沿平行方向的平滑直线运动。流体微元的运动轨迹没有大范围的不规则脉动，相邻层之间，只有流体分子热运动产生的能量交换。流态为紊流时，一般流体流速较大，流场中存在许多縦祸，流线几乎不可辨认。在素流中，流体微元运动无序、互相混杂。流体能量的损耗主要由紊动产生的附加切应力造成。根据一般明渠流的判断标准，坡面流可认为是二维明渠，本试验研究坡面流流态采用二维雷诺数判别法：当re＜500时，坡面流流态为层流；当re＞500时，坡面流流态为紊流；当为re＝500左右时，流态为过渡流。
[0099]
对于无压流动，雷诺数可按下式计算。
[0100]
re＝ur/v
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0101]
r＝a/χ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0102][0103]
式中，u：坡面流平均流速，m/s
[0104]
v：运动粘滞系数，cm2/s
[0105]
r：水力半径，m
[0106]
a：过流断面面积，m2[0107]
χ：湿周，固体边界与流体相接触部分的周长，m。
[0108]
在坡面流的分析过程中，由于其水深及浅，为研宄方便，通常用坡面流水深代替水力半径。流体流态不同时，影响阻力大小的因素和产生阻力的原因有很大不同，因此，分析坡面流阻力特性之前须先判断流态。
[0109]
darcy-weisbach公式是理论公式，虽然阻力系数λ和绝对粗糙度δ的关系式是通过相关试验得出的，但是colebrook-white公式(即阻力系数λ和绝对粗糙度δ的关系式)中阻力系数λ的取值周全的考虑了影响阻力系数的雷诺数re、绝对粗糙度δ等参数。大多数研宄者认为darcy-weisbach公式的计算分析结果是接近实际的，所以本文关于阻力系数的计算采用darcy-weisbach公式。
[0110]
λ＝8grj/u2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0111]
式中，g：重力加速度，n/kg；
[0112]
r:水力半径，m；
[0113]
j：sinθ，θ是边坡坡度
[0114]
u：坡面流流速，m/s。
[0115]
abrahams研究表明，darcy-weisbach阻力系数更适合表征坡面流阻力特性，此外阻力系数的表达形式物理概念明确、量纲和谐，所以本论文关于阻力系数的分析计算采用darcy-weisbach公式。
[0116]
本发明试验采用四种水流速度v1、v2、v3、v4；两种草皮和1:1、1:2两个河堤坡度，共进行32组试验。分别利用水质分析系统分析表层土体水土流失情况，利用高速摄像机及测量工具测定蚀沟的变化规律、网垫处土体的孔隙水压压力以及植物网垫土层的抗剪强度等。对比分析成龄期的天然草皮和网垫保护的草皮在不同水流冲刷下的侵蚀特征。同时，本试验装置也可以设置不同水槽1长度，以模拟天然河道不同长度来探究对河道边坡冲刷的影响，可伸缩范围为2500-4000mm。
[0117]
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。