專利名稱：高含沙洪水揭河底期間膠泥塊內(nèi)力變化過程監(jiān)測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水エ模型試驗(yàn)的監(jiān)測(cè)方法，其IPC國(guó)際專利分類號(hào)為E02B1/02， 特別涉及一種模擬高含沙洪水“揭河底”過程中膠泥塊在揭起、翻轉(zhuǎn)期間的內(nèi)力變化過程監(jiān)測(cè)方法。
背景技術(shù)：
在含沙量高的河流，例如在黃河小北干流及渭河等河段，在高含沙洪水作用下，河床往往會(huì)發(fā)生劇烈的集中沖刷，在前期經(jīng)過一定時(shí)期淤積、沉淀，密度較大、強(qiáng)度較高的“膠泥層”，有時(shí)會(huì)從床面上被揭掀而起，像卷“地毯” 一樣被卷起，成塊、成片地露出水面，面積可達(dá)幾平方米甚至十幾平方米，然后在短時(shí)間內(nèi)破碎、坍落，被水流沖散帶走，這種現(xiàn)象也被稱為“揭河底”，是黃河“高含沙水流運(yùn)動(dòng)的特有現(xiàn)象之一”?！敖液拥住爆F(xiàn)象往往發(fā)生造成河床強(qiáng)烈下切，甚至，河床一次沖深幾米乃至近十米?！敖液拥住睕_刷往往引起河道主槽的遷徙，使工程著溜部位不斷地變化，容易造成河道工程沉蟄、坍塌，増加汛期防汛搶險(xiǎn)的復(fù)雜性；特別是由于河槽大幅度沖刷，大河水位下降，致使沿河機(jī)電灌站脫流，嚴(yán)重影響到沿岸 エ農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。上世紀(jì)七十年代以來，這ー現(xiàn)象就受到國(guó)內(nèi)外水利工作者的高度關(guān)注，并開展了大量的研究，為人們進(jìn)ー步認(rèn)識(shí)“揭河底”現(xiàn)象奠定了基礎(chǔ)，但由于“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生的隨機(jī)性，很難在實(shí)際中測(cè)得到跟隨性較強(qiáng)的“揭河底”實(shí)測(cè)資料，這ー問題的研究也只能從試驗(yàn)?zāi)M中突破。江恩慧等提出了“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)裝置”，該ー技術(shù)在2010年10月獲得了國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)(ZL 200920217654. 4)，為開展“揭河底”模擬試驗(yàn)提供了基礎(chǔ)。 此外，還利用不同級(jí)配的粉煤灰來模擬河床分層淤積結(jié)構(gòu)，特別是利用極細(xì)粉煤灰模擬“揭河底”發(fā)生時(shí)的膠泥塊，基于“揭河底”模擬試驗(yàn)裝置，在水槽試驗(yàn)中成功模擬了真正意義上的“揭河底”現(xiàn)象，申請(qǐng)的“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)方法” 2011年也獲得了國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)(ZL200910177288. 9)。原型觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)錄像及室內(nèi)模擬試驗(yàn)均表明，“膠泥塊”被揭起、翻轉(zhuǎn)、露出水面過程中，有時(shí)膠泥塊會(huì)出現(xiàn)折斷的情況，有時(shí)也會(huì)看到“膠泥塊”揭起后整塊土體塌落水中而不會(huì)斷裂散落。為了進(jìn)一歩弄清個(gè)中原因，必須深入研究黃河高含沙洪水“揭河底”期間膠泥塊內(nèi)力的變化過程。而目前，模型本身根本無法對(duì)“膠泥塊”本身應(yīng)カ的變化過程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，水槽實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)也沒有一套有效的監(jiān)測(cè)技術(shù)與方法。本發(fā)明為黃河高含沙洪水“揭河底”期間膠泥塊內(nèi)力變化過程的監(jiān)測(cè)提供了一套切實(shí)可行的監(jiān)測(cè)裝置與方法。

發(fā)明內(nèi)容
本次發(fā)明內(nèi)容是在實(shí)用新型專利“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)裝置”(ZL200920217654. 4)及發(fā)明專利“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)方法”(ZL 200910177288. 9)基礎(chǔ)上，針對(duì)“膠泥塊”被揭起、翻轉(zhuǎn)、露出水面過程中“膠泥塊”本身內(nèi)部應(yīng)カ的變化過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，本發(fā)明的技術(shù)方案是
一種高含沙洪水揭河底期間膠泥塊內(nèi)力變化過程的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟(I)制作模具盒根據(jù)膠泥塊的不同尺寸，制作一系列不同規(guī)格的有機(jī)玻璃模具盒；在所述模具盒的前后兩端各固定I根鋼支架，在所述鋼支架上面固定放置一根滑桿；在所述模具盒的左右兩側(cè)及底部設(shè)置多個(gè)固定螺栓，在所述固定螺栓的前端打眼，上系高強(qiáng)度碳纖維；將多個(gè)單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器放置在模具盒內(nèi)，每個(gè)所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器的下部和左右兩側(cè)通過系在所述固定螺栓上的所述高強(qiáng)度碳纖維固定，上部通過高強(qiáng)度碳纖維固定在所述滑桿上。(2)膠泥塊的預(yù)制采用中值粒徑小于0. Olmm的極細(xì)粉煤灰或天然極細(xì)沙，放入一個(gè)較大的容器內(nèi)， 加水，用攪拌器將其充分?jǐn)嚢杈鶆?，制成含沙量?00 1000kg/m3的漿體，待用；調(diào)整所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器，使其垂直立放于膠泥塊的受壓區(qū)；拉緊所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器上的上下左右4條高強(qiáng)度碳纖維，使其穩(wěn)固；將連接所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器的數(shù)據(jù)線從所述模具盒的尾部上方引出；將所述漿體逐漸倒入模具盒里，停放12小時(shí)，使其固結(jié)， 制成I父泥塊。(3)試驗(yàn)系統(tǒng)布設(shè)在試驗(yàn)水槽的底部鋪設(shè)中值粒徑為0. 05mm的粗顆粒粉煤灰模擬河床上的粗沙層，在所述模擬的粗沙層上預(yù)留膠泥塊設(shè)計(jì)尺寸大小的空間；將連接有所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器的所述膠泥塊放入預(yù)留空間，將所述數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀相連接。⑷放水試驗(yàn)放水進(jìn)行試驗(yàn)，布置在膠泥塊中的所述單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器對(duì)揭河底過程中膠泥塊在揭起前、提起瞬間以及翻轉(zhuǎn)期間相應(yīng)部位的內(nèi)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；基于三個(gè)斷面的實(shí)時(shí)內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元理論及數(shù)學(xué)模型，計(jì)算膠泥塊內(nèi)部的三維受壓、拉情況， 生成膠泥塊內(nèi)力變化的三維波譜圖。本發(fā)明的高含沙洪水揭河底期間膠泥塊內(nèi)力變化過程的監(jiān)測(cè)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)膠泥塊本身內(nèi)部的應(yīng)力變化情況，為進(jìn)一步深入研究黃河 “揭河底”現(xiàn)象這一難題提供了可行的試驗(yàn)方法和裝置，為認(rèn)清“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理、建立“揭河底”沖刷指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，為制定黃河防洪預(yù)案和防汛工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，提供了重要的依據(jù)和參考。


圖I為本發(fā)明的模具盒主視2為本發(fā)明的模具盒俯視3為本發(fā)明的模具盒側(cè)視4為本發(fā)明采用的單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器示意5為本發(fā)明的監(jiān)測(cè)裝置示意中，I為模具盒，2為鋼支架，3為滑桿，4為高強(qiáng)度碳纖維，5為單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器，6為粗砂層，7為膠泥塊，8為數(shù)據(jù)采集儀，V為水流方向，d為膠泥塊厚度。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的高含沙洪水揭河底期間膠泥塊內(nèi)力變化過程的監(jiān)測(cè)方法，具體實(shí)施時(shí)， 包括以下步驟(I)專用模具盒制作根據(jù)膠泥塊7的不同尺寸，設(shè)計(jì)制作一系列不同規(guī)格的有機(jī)玻璃模具盒1，如圖 I-圖3所示。模具盒I兩邊各固定I根鋼支架2，上面放置一根滑桿3。試驗(yàn)采用單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器5 (見圖4所示)，設(shè)計(jì)傳感器布設(shè)網(wǎng)絡(luò)圖，傳感器5位置可以通過滑桿3移動(dòng).模具盒I的左右兩側(cè)及底部設(shè)置多個(gè)固定螺栓，前端打眼，上系高強(qiáng)度碳纖維4，每個(gè)單點(diǎn)式薄膜壓力傳感器5都通過上下左右4根高強(qiáng)度碳纖維5固定，確保每個(gè)傳感器5都布置在模具盒I的上半部分，使測(cè)壓傳感器5完全處于膠泥塊7的受壓區(qū)，并垂直固定于設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)位置，且穩(wěn)定。(2)膠泥塊的預(yù)制利用中值粒徑小于0. Olmm的極細(xì)粉煤灰或天然沙制成含沙量為800 IOOOkg/ m3的漿體，用攪拌器將其充分?jǐn)嚢杈鶆?，待用；調(diào)整單點(diǎn)式薄膜傳感器5，使其垂直立放于膠泥塊7的受壓區(qū)；拉緊上下左右4條高強(qiáng)度碳纖維5，使其穩(wěn)固；將連接單點(diǎn)式薄膜傳感器 5的數(shù)據(jù)線從模具盒I的尾部上方引出；將攪拌好的漿體逐漸倒入模具盒I里，停放12小時(shí)，使其固結(jié)，制成膠泥塊7。(3)試驗(yàn)系統(tǒng)布設(shè)依據(jù)“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)裝置”及“高含沙洪水揭河底模擬試驗(yàn)方法”，在水槽底部鋪設(shè)厚度為15cm以上的粗顆粒粉煤灰(中值粒徑約為0. 05mm)以模擬河床上的粗沙層6，在粗沙層6上預(yù)留膠泥塊7設(shè)計(jì)尺寸大小的空間；將連接有壓力傳感器5的預(yù)制膠泥塊7放入預(yù)留空間，數(shù)據(jù)線直接與數(shù)據(jù)采集器8相連接(如圖5所示)。(4)放水試驗(yàn)放水進(jìn)行試驗(yàn)，布置在膠泥塊7中的單點(diǎn)式薄膜式壓力傳感器5可以對(duì)“揭河底” 過程中膠泥塊在揭起前、提起瞬間以及翻轉(zhuǎn)期間相應(yīng)部位的內(nèi)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；基于三個(gè)斷面的實(shí)時(shí)內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元理論及數(shù)學(xué)模型等計(jì)算工具，計(jì)算膠泥塊7整體內(nèi)部的三維受壓、拉情況，生成膠泥塊內(nèi)力變化的三維波譜圖。
權(quán)利要求
1. ー種高含沙洪水揭河底期間膠泥塊內(nèi)力變化過程的監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)裝置，包括以下步驟(1)制作模具盒根據(jù)膠泥塊的不同尺寸，制作一系列不同規(guī)格的有機(jī)玻璃模具盒；在所述模具盒的前后兩端各固定I根鋼支架，在所述鋼支架上面固定放置一根滑桿；在所述模具盒的左右兩側(cè)及底部設(shè)置多個(gè)固定螺栓，在所述固定螺栓的前端打眼，上系高強(qiáng)度碳纖維；將多個(gè)單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器放置在模具盒內(nèi)，每個(gè)所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器的下部和左右兩側(cè)通過系在所述固定螺栓上的所述高強(qiáng)度碳纖維固定，上部通過高強(qiáng)度碳纖維固定在所述滑桿上；(2)膠泥塊的預(yù)制采用中值粒徑小于0. Olmm的極細(xì)粉煤灰或天然極細(xì)沙，放入一個(gè)較大的容器內(nèi)，加水，用攪拌器將其充分?jǐn)嚢杈鶆颍瞥珊沉繛?00 1000kg/m3的漿體，待用；調(diào)整所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器，使其垂直立放于膠泥塊的受壓區(qū)；拉緊所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器上的上下左右4條高強(qiáng)度碳纖維，使其穩(wěn)固；將連接所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器的數(shù)據(jù)線從所述模具盒的尾部上方引出；將所述漿體逐漸倒入模具盒里，停放12小時(shí)，使其固結(jié)，制成膠泥塊；(3)試驗(yàn)系統(tǒng)布設(shè)在試驗(yàn)水槽的底部鋪設(shè)中值粒徑為0. 05mm的粗顆粒粉煤灰模擬河床上的粗沙層，在所述模擬的粗沙層上預(yù)留膠泥塊設(shè)計(jì)尺寸大小的空間；將連接有所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器的所述膠泥塊放入預(yù)留空間，將所述數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀相連接；(4)放水試驗(yàn)放水進(jìn)行試驗(yàn)，布置在膠泥塊中的所述單點(diǎn)式薄膜壓カ傳感器對(duì)揭河底過程中膠泥塊在揭起前、提起瞬間以及翻轉(zhuǎn)期間相應(yīng)部位的內(nèi)力變化進(jìn)行實(shí)時(shí)采集；基于三個(gè)斷面的實(shí)時(shí)內(nèi)力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合有限元理論及數(shù)學(xué)模型，計(jì)算膠泥塊內(nèi)部的三維受壓、拉情況，生成膠泥塊內(nèi)力變化的三維波譜圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種河工模型，其IPC國(guó)際專利分類號(hào)為E02B1/02，特別涉及一種高含沙洪水“揭河底”沖刷期膠泥塊底部水流紊動(dòng)結(jié)構(gòu)的模擬監(jiān)測(cè)方法。該模擬監(jiān)測(cè)方法利用有機(jī)玻璃模具盒預(yù)制膠泥塊，在膠泥塊底部排布片狀薄膜式壓力傳感器，通過數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)采集儀連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水流壓力信號(hào)的實(shí)時(shí)采集。本發(fā)明的模擬監(jiān)測(cè)方法，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)膠泥塊底部的水流紊動(dòng)情況，為進(jìn)一步深入研究黃河“揭河底”現(xiàn)象這一難題提供了可行的試驗(yàn)方法和裝置，為認(rèn)清“揭河底”現(xiàn)象發(fā)生機(jī)理、建立“揭河底”沖刷指標(biāo)奠定了基礎(chǔ)，為制定黃河防洪預(yù)案和防汛工程的規(guī)劃設(shè)計(jì)，提供了重要的依據(jù)和參考。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102605738SQ201210063068
公開日2012年7月25日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者萬強(qiáng), 何鮮峰, 劉燕, 夏修杰, 寧兵, 張楊, 張清, 曹永濤, 李軍華, 江恩慧, 潘麗, 董其華, 董文勝, 趙新建, 趙連軍, 郭西方, 顧霜妹, 顏小飛 申請(qǐng)人:黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院