[发明专利]一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法

说明书

技术领域

本发明属于水工水力学和岩土力学特性测试技术领域，特别涉及一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法。

背景技术

堆石坝因其技术安全、经济合理、环境友好、施工便利、易于维护等诸多优势已广泛应用于山区洪枯流量比大、洪枯水位变幅大的河流，临时断面过水度汛的导流方式日益被采用。根据工程实际和模型实验观测，其临时断面下游护坡在过水条件下的失事多以下游坡面石料的局部冲蚀破坏为始，冲刷破坏不仅直接危及堆石体结构稳定，且会增加后续基坑清理等工作量，冲刷槽的位置分布及冲刷量直接威胁堆石体结构安全。

国际大堆石体委员会(ICOLD)1995年在世界范围内（中国除外）37座堆石坝、主要溃坝模式的统计分析指出漫顶是最主要的模式。堆石坝漫顶导致洪水冲刷堆石体顶部形成溃口，溃口扩大引起堆石体下游坡塌落，破坏坝体结构稳定；坝体过水期间，由于下游坡面溢流及其堆石体渗透水流的交互作用，坝体结构受到渗透侵蚀、水流冲刷、饱和孔隙水压力等因素综合破坏，如预防措施不合理，易发生表面冲蚀或浅层滑动造成结构破坏或渗透破坏，最终发生溃决，可见洪水冲刷堆石体是堆石坝体失事的最主要风险来源，堆石坝体的临时断面过水度汛时下游护坡的冲刷破坏机理是值得深入研究的重要课题。

目前国内外相关模型实验装置多是考察水工建筑物下游区平底护面或长河道泥沙的冲刷特性，尚无直接测量堆石体过水时在一定冲刷状态下的相关水力指标、冲刷形态、冲刷尺寸、失稳石料颗粒级配及分布的冲刷实验装置。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法。

本发明的实验装置所采用的技术方案是：一种堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：包括玻璃水槽、水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元和沉沙池、自动尾水翻页闸门、尾水闸门自动控制系统、计算机控制系统；所述的堆石体测试单元内设置有堆石体，其上设置有防渗黏土层和石料压重区；所述的沉沙池设置在所述的玻璃水槽下游部、通过所述的自动尾水翻页闸门与所述的玻璃水槽连通；所述的自动尾水翻页闸门上设置有尾水闸门自动控制系统；所述的沉沙池设置有冲沙闸和出水口，出水口的出水由回水廊道循环至所述的水循环单元；所述的尾水闸门自动控制系统由电机、带RS485通讯端口的伺服驱动器组成，通过RS485集线器和RS485/RS232转换器连接计算机控制系统的RS232串口端，结合计算机控制系统采集的下游实时水位信息对下游水位形成精确的闭环反馈控制；所述的水循环单元与所述的玻璃水槽连通；所述的水控制单元设置在所述的水循环单元出水口内，用于精确控制流量、水位；所述的堆石体测试单元设置在所述的玻璃水槽的下游端；所述的计算机控制系统分别与所述的水控制单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元连接；所述的数据采集单元用于采集实验的冲刷形状指标、冲刷深度指标、冲刷展宽指标、冲刷长度指标，各座标位置的水深指标、流速指标，所述的样本采集单元用于采集堆石体的相关样本，采集得到的数据均保存在所述的中心数据集单元内。

作为优选，所述的水循环单元包括循环水箱、泵机设备、第一引水管道、第二引水管道、第一稳流器、第二稳流器、第一进水口、第二进水口，水流首先由所述的泵机设备汇聚到设置在所述的实验装置上方的循环水箱内，所述的循环水箱下端分别与所述的第一引水管道和第二引水管道连接，所述的第一引水管道和第二引水管道末端分别与所述的第一稳流器、第二稳流器连接，所述的第一稳流器、第二稳流器的出口与分别与设置在所述的玻璃水槽内的第一进水口、第二进水口连接、并与玻璃水槽的底板平齐，经所述的第一稳流器、第二稳流器三道减压整流后，从而保证第一进水口、第二进水口的出流平顺。

作为优选，所述的第一稳流器、第二稳流器均由三层空腔构成，每层空腔设一段开口，每个空腔开口错开，用于消减水流能量、稳定流态。

作为优选，所述的水控制单元包括支持RS485通讯及MODBUS标准协议的第一电磁流量计和第二电磁流量计，分别设置在所述的水循环单元内的第一引水管道、第二引水管道内，并通过RS485集线器、RS485/RS232转换器连接到计算机控制系统的RS232串口端，通过计算机控制系统操作实现流量指令下发及数据读取。