[发明专利]淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验系统及实验方法

说明书

本发明公开了一种淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验系统，包括水槽，水槽的前端连接有水池；水槽后端部设有用于模拟淤地坝下游坡面的坡面模拟机构；水槽内连接有抽水管，抽水管连接有变频水泵，变频水泵的出水口连接有通水管路，通水管路上设有流量计，通水管路延伸至水槽后端部，通水管路的末端连接有扁平状的鸭嘴出水装置，实验板处设有速度测量系统。本发明还公开了相应的实验方法，克服了按现有常规实验思路无法在实验室内进行淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验的问题，能准确地得到实验结果，获得定量化的冲刷形态数据，对特定材料是否满足特定淤地坝下游坡面的实际需要具有有效指导意义，为提高淤地坝工程质量，防范淤地坝损坏提供具体的前瞻指引。

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其涉及一种在实验室内进行淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验的技术。

背景技术

淤地坝是指在水土流失地区各级沟道中，以拦泥淤地为目的而修建的坝工建筑物，其拦泥淤成的地叫坝地。在流域沟道中，用于淤地生产的坝叫淤地坝或生产坝。

在黄土高原地区建设淤地坝，对有效控制水土流失、减少入黄泥沙、提高水资源利用率、促进农村产业结构调整、确保退耕还林还草成果及实施荒山封育具有重要的作用，受到当地群众和地方政府的欢迎，显示了强大的生命力。

当洪水来临时，如图1所示，淤地坝上游水位不断升高，直至漫顶溢流。坝体下游坡面在漫顶之后将被坡面水流冲刷，如果坝体材料抗冲刷性能不足将引起淤地坝的变形、开裂甚至垮塌。

因此，在淤地坝设计阶段，十分有必要在实验室内检验淤地坝下游坡面的抗冲刷能力。但是，研究表明坝高12.0～30.0m的淤地坝在设计水位和校核水位时，其下游坡面上最大流速达到10.0～20.0m/s，而且水体里还要携带大量泥沙(含沙量最高时达到800kg/m3)，如此高的流速和含沙量对在实验内检验坝体下游坡面的抗冲刷性能提出了巨大挑战。

按常规的实验思路，应制作按比例缩小的模型进行实验。但淤地坝的模型缩小后，坝顶溢流下来的水流到坝底的速度显然远远小于真实的淤地坝下游坡面处的水流速度。因此，按常规的实验思路，无法模拟水流对坝体材料的真实冲刷状况。如果采用1：1的模型进行实验，则实验室不具备如此宽阔的场地条件。

冲刷力的大小取决于水流给淤地坝下游坡面各处带来的剪切应力的大小。实验中，应模拟剪切应力最大的部位所受到的流场情况(流速、流量以及水流形态)来模拟水流，但目前不仅缺少能够有效模拟淤地坝下游坡面流场情况的技术，也缺少对淤地坝下游坡面受到最大剪切应力的部位的认识，因此也难以确定最合适的模拟部位；只有确定了正确的模拟部位，才能进行有效的淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于模拟淤地坝下游坡面流场的可变宽度鸭嘴扁出水口，能够有效模拟淤地坝下游坡面受到最大剪切应力的部位处的流场，进行淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验。

为实现上述目的，本发明提供了一种淤地坝下游坡面抗冲刷性能实验系统，以水的流动方向为前向，包括水槽，水槽的前端连接有用于储存含沙水的水池，水池内水的含沙量与作为模拟对象的淤地坝处的水的含沙量相同；

水槽用于将水引流回水池；水槽后端部设有用于模拟淤地坝下游坡面的坡面模拟机构；

坡面模拟机构包括实验板，实验板后高前低且其前端与水槽的槽底相接；实验板的材料与淤地坝下游坡面的材料相同，实验板相对水平面的倾角与淤地坝下游坡面受到最大剪切应力的部位的倾角相同；

水槽内连接有抽水管，抽水管连接有变频水泵，变频水泵的出水口连接有通水管路，通水管路上设有流量计，通水管路延伸至水槽后端部，通水管路的末端连接有扁平状的鸭嘴出水装置，鸭嘴出水装置位于实验板后端上方且其出水端与实验板相邻，鸭嘴出水装置的出水方向朝向实验板后端上表面，且鸭嘴出水装置的出水方向与实验板所在平面之间的夹角小于 3°；实验板处设有速度测量系统。