專利名稱：一種測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于生態護岸領域，具體的說是一種測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置。
背景技術：
草皮護坡是生態型護岸技術的一種，主要采取在堤岸表面種植人工草皮的方法達到保護岸坡土體的目的。在一定強度的河道徑流沖刷作用下，草皮護坡可能發生破壞，需要對草皮護坡的破壞方式、極限水流條件等進行試驗研究。現場試驗能夠較好的與工程實際結合，試驗結果也較為可靠，但現場試驗條件一般較難控制，且試驗費用高昂，因此選擇在室內水槽進行草皮護坡抗沖性能模型試驗研究。
通過物理模型進行水力模型試驗揭示水流運動規律和解決工程問題是實際工作中常用的手段。水力模型試驗是將原型實物按照相似原理縮制(或放大)為模型，在模型中預演或重演與原型相似的自然現象并進行觀測，然后將觀測結果再按相似原理引申于原型并作出判斷。
在進行流體運動的模型試驗時，兩種相似的流體運動遵循力學相似的三個條件幾何和邊界相似，運動相似和動力相似。幾何和邊界相似是指原型和模型兩個流動的幾何形狀相似，即模型水流各對應幾何尺寸都是按同一比例由原型水流塑制而成，和兩個流動的邊界條件相同。運動相似是指原型和模型兩個流動中各對應質點的運動情況是相似的，即要求原型和模型對應質點的速度方向相同、大小保持同一比例。動力相似是指作用于原型和模型兩個流動相應點的各種不同性質的作用力都各自成同一比例關系。
根據有關資料顯示，草皮在水流較深的情況下，可以承受6m/s的短期流速，而一般室內明渠均勻流緩坡水槽的流速不超過1.5～2m/s，難以滿足試驗要求。在現有的草皮護坡抗沖試驗中常使用聚乙烯、聚丙烯絲等人工材料植被模型，但使用人工植被模型代替天然植被所涉及的模型相似律問題極其復雜，難以給予明確及合理的解答。

發明內容
本發明的目的就是針對現有測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置存在的缺點，提出一種可以產生草皮護坡破壞所需大流速水流的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置。
本發明的目的可通過以下技術方案來實現一種測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，包括水庫、水泵、試驗水槽、排水管、供水管，供水管上設有閥及流量計，試驗水槽為一橫截面為矩形的封閉有壓水槽，在試驗水槽的底部設有植被模型箱安裝孔，在植被模型箱安裝孔位置處可拆卸連接有植被模型箱或活動底板。
本發明的目的還可以通過以下技術措施來進一步實現前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其中所述的供水管為封閉的供水管道，供水管的一端通過水泵與水庫連通，另一端通過變徑過渡水管與試驗水槽的進水端連通，試驗水槽的出水端通過變徑過渡水管與排水管連通。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其中所述過渡水管兩端的截面分別為圓形和矩形。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其中所述活動底板設在封閉有壓水槽的中部。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，在所述的試驗水槽上植被模型箱安裝孔的兩端設有空氣壓差計安裝口，空氣壓差計安裝在該兩端的孔中。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其中所述植被模型箱為人工培育的天然草本植被模型箱或加筋草本植被模型箱。
前述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其中所述試驗水槽為有機玻璃有壓水槽，最大可承受7m的水頭壓力。
測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置裝有具有矩形斷面的封閉水槽，能夠產生的斷面平均流速最大可達6.75m/s。草皮護坡沖刷試驗對象選用人工培育的天然草本植被，試驗水流與作用于護坡上的原體水流具有近似相同的流速大小和方向。由沖刷試驗得到的草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速作為模型試驗結果可以直接向實際河道水流推廣。
由此可見本發明的優點為由于選用了自然生長的草本植被原型和采用了具有矩形斷面的有壓水槽，可模擬河道大流速沖刷水流，很好的克服了室內水槽難以產生大流速水流的難題，成功模擬了河道徑流對草皮護坡的沖刷過程，簡便可靠的實現了模型試驗結果向原型水流的直接推廣，具有相當的工程實用價值。
本發明的優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示和解釋，這些實施例，是參照附圖僅作為例子給出的。


圖1為本發明的結構示意圖；
圖2為有機玻璃水槽結構示意圖；圖3為安裝模型箱后的有機玻璃水槽結構示意圖；圖4為圖2的1-1剖面圖；圖5為植被模型箱結構示意圖；圖6為測壓管孔口位置關系圖；圖7為水稻土植被區床面切應力隨流速變化趨勢圖；圖8為水稻土植被區床面切應力與時間關系曲線圖；圖9為紅壤植被區床面切應力隨流速變化趨勢圖；具體實施方式
圖1所示為測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，由水庫11、水管12、水泵13、閥門14、電滋流量計15、壓水管16、過渡水管21、有機玻璃水槽22、支架17、排水管18組成。水庫11用于提供水源，水泵13為離心式清水泵，最大設計流量Q＝486m3/h，揚程14m。電滋流量計15為LDZ-4B型電磁流量計，最大量程500m3/h，電滋流量計15用于控制試驗流量。支架17用于支撐有機玻璃水槽22，有機玻璃水槽22具有矩形斷面，其長、寬、高的尺寸分別為3.7m、0.2m、0.1m，斷面面積為0.02m2，當水泵13達到最大設計流量時可以產生6.75m/s流速的水流。有機玻璃水槽22兩端接有過渡水管21，過渡水管21兩端的截面分別為圓形和矩形，水管12的截面為圓形，過渡水管21用于將圓形管過渡到方形管。有機玻璃水槽22中部設有活動底板23，活動底板23可以拆卸，拆卸后可裝入有植被模型箱25，植被模型箱25為天然草本植被模型箱25，植被模型箱25的結構如圖5所示，可用A、B兩種尺寸模型箱，其尺寸如表1所示，表1模型箱尺寸(單位m)

植被高度修剪至與有機玻璃水槽22高度相等，植被模型箱25頂面與有機玻璃水槽22底面齊平。在活動底板23區域設有測壓孔口24，用于測量植被區的水頭損失，計算床面切應力值，測壓孔口24設在活動底板23區域的上下游兩端，測壓管孔口24位置見圖6，其中1、4孔口分別在有機玻璃水槽22上下管壁處各開一孔，測壓管各孔口間距為l14＝1.857m，植被段長度l23＝0.700m，孔口距植被區上下游邊界的距離分別為l12＝0.579m，l34＝0.578m。測壓孔口24上接入空氣壓差計19，用于測量植被區水頭損失，從而計算出床面切應力。
在某一流量下，有機玻璃水槽22的壁面切應力τ壁可根據下式由實測的水頭損失Δh求得

在進行草皮護坡抗沖試驗時，將活動底板23拆卸后裝入植被模型箱25，啟動水泵13，調節閥門14和電磁流量計15從零逐級增至設計流量，待流速穩定后，開始沖刷草皮，記錄沖刷歷時和空氣壓差計讀數，計算草皮護坡破壞時的床面切應力和摩阻流速，計算過程如下如圖6，設植被區的上下游邊界所在過水斷面分別為2-2、3-3斷面，l12、l23、l14、l34分別為各測點與各斷面之間間距。在某一流量下，由安裝在1、4孔口之間的空氣壓差計19可以測得1-4段的平均水頭損失 則1-4段的平均壁面切應力由下式計算τ14=Δh14l14ρgR---(2)]]>考慮到植被段的床面糙率與水槽壁面糙率的差異，2-3段的流體所受到的水流總切力F23應等于植被床面所受水流切力與該段水槽壁面所受水流切力之和，即有F23＝(2H+B)l23τ壁+Bl23τV(3)對1-4段流體進行受力平衡分析可知，2-3段流體所受到的水流切力F23應等于1-4段流體所受到的水流總切力F14，減去1-2段和3-4段流體所受到的水流切力F12、F34，即F23＝F14-F12-F34(4)其中，F14＝2(B+H)l14τ14F12＝2(B+H)l12τ壁F34＝2(B+H)l34τ壁將各段流體所受的水流切力值代入上式，有(2H+B)l23τ壁+Bl23τV＝2(B+H)l14τ14-2(B+H)τ壁l12-2(B+H)τ壁l34(5)整理式(6)可以得到2-3段植被區的平均床面切應力 對應的摩阻流速用下式計算
U*=τVρ---(7)]]>其中τV-植被區床面切應力(N/m2)；ρ-水的密度，ρ＝1.0×103kg/m3；Δh14，Δh14上，Δh14下-1-4段平均水頭差，1-4段頂面測點間水頭差，1-4段底板測點間水頭差；F12，F23，F34，F34-1-2，2-3，1-4，3-4段流體所受到的水流切力；l12，l23，l14，l34-1-2，2-3，1-4，3-4段的測點間距。
實施例一試驗選擇了以水稻土種植，生長期分別為1.5個月、2.5個月、4.0個月的六組草皮，其中天然草皮和三維植被網加筋草皮各三組。試驗最大設計流速為4.0m/s。考慮到實際河道中水位變動以及降雨入滲可能對邊坡土體強度及植被生存造成影響，進而影響植被的抗沖性能及護坡效果，為此在沖刷試驗開始前先將植被箱連同草皮用靜水淹沒浸泡24h。
試驗時先以0.5m/s的增幅很快地將流速從1.0m/s逐級加載到4.0m/s，記錄各級流速下的植被區水頭損失，以此計算出各級流速下的床面切應力值，并將試驗結果點繪于圖7，得到植被區床面切應力與流速的關系曲線。
待達到最大設計流速后，開始沖刷歷時計時，以0.5h為時間間隔測量水頭損失，并計算出各時刻的床面切應力值，將試驗結果點繪于圖8，得到植被區床面切應力與時間的關系曲線。圖中曲線顯示，在草皮破壞之前植被區床面切應力先隨沖刷時間的增加而減小，而后趨于穩定。
當草皮護坡發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此計算出草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速U*，見表2。
表2草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速(水稻土)

由此可說明，如果在實際河道中采用了表中某種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當實際河道中的摩阻流速小于表中相應的摩阻流速時，采用該草皮進行護坡抵擋水流沖刷的時間大于表中相應的沖刷歷時；當河道的摩阻流速恰等于表中相應的摩阻流速時，在經過表中相應的沖刷歷時后，該種草皮護坡將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于表中相應的摩阻流速時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
以表中生長期為4.0個月的天然草皮護坡為例，當試驗水流以4.0m/s流速持續沖刷8.5h后，該草皮護坡發生沖蝕破壞，計算得到其破壞時的床面切應力大小為313.0N/m2，摩阻流速為0.56m/s。說明如果在實際河道中采用了該種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當河道的摩阻流速不超過0.56m/s時，采用該草皮護坡抵擋水流沖刷的時間在8.5h以上；當河道的摩阻流速恰等于0.56m/s時，該種草皮護坡在抵擋水流沖刷8.5h后將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于0.56m/s時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
因此，本此試驗所得到的一系列各組草皮護坡破壞點處的床面切應力和相應的摩阻流速及沖刷歷時均可應用于實際河道中，作為生態護岸工程設計的依據。
實施例二試驗選擇了以紅壤種植，生長期分別為1.5個月、2.5個月、4.0個月的六組草皮，其中天然草皮和三維植被網加筋草皮各三組。試驗最大設計流速為2.0m/s。考慮到實際河道中水位變動以及降雨入滲可能對邊坡土體強度及植被生存造成影響，進而影響植被的抗沖性能及護坡效果，為此在沖刷試驗開始前先將植被箱連同草皮用靜水淹沒浸泡12h。
試驗時先以0.5m/s的增幅很快地將流速從1.0m/s逐級加載到2.0m/s，記錄各級流速下的植被區水頭損失，以此計算出各級流速下的床面切應力值，并將試驗結果點繪于圖9，得到植被區床面切應力與流速平方的關系曲線。
當草皮護坡發生破壞時，記錄植被區水頭損失，由此計算出草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速U*，見表3。
表3草皮護坡破壞時的床面切應力值和摩阻流速(紅壤)

由此可說明，如果在實際河道中采用了表中某種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當實際河道中的摩阻流速小于表中相應的摩阻流速時，采用該草皮進行護坡抵擋水流沖刷的時間大于表中相應的沖刷歷時；當河道的摩阻流速恰等于表中相應的摩阻流速時，在經過表中相應的沖刷歷時后，該種草皮護坡將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于表中相應的摩阻流速時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
以表中生長期為1.5個月的天然草皮護坡為例，當試驗水流以2m/s流速持續沖刷7.5h后，該草皮護坡發生沖蝕破壞，計算得到其破壞時的床面切應力大小為41.7N/m2，摩阻流速為0.20m/s。說明如果在實際河道中采用了該種形式的草皮護坡，在生長狀況和淹沒條件都相同的情況下，當河道的摩阻流速不超過0.20m/s時，采用該草皮護坡抵擋水流沖刷的時間在7.5h以上；當河道的摩阻流速恰等于0.20m/s時，該種草皮護坡在抵擋水流沖刷7.5h后將發生沖蝕破壞；當河道的摩阻流速大于0.20m/s時，該種草皮護坡將即刻發生破壞。
因此，本此試驗所得到的一系列各組草皮護坡破壞點處的床面切應力和相應的摩阻流速及沖刷歷時均可應用于實際河道中，作為生態護岸工程設計的依據。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
權利要求
1.一種測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，包括水庫、水泵、試驗水槽、排水管、供水管，供水管上設有閥及流量計，其特征在于所述的試驗水槽為一橫截面為矩形的封閉有壓水槽，在試驗水槽的底部設有植被模型箱安裝孔，在植被模型箱安裝孔位置處可拆卸連接有植被模型箱或活動底板。
2.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于所述的供水管為封閉的供水管道，供水管的一端與通過水泵與水庫連通，另一端通過變徑過渡水管與試驗水槽的進水端連通，試驗水槽的出水端通過變徑過渡水管與排水管連通。
3.如權利要求2所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于所述過渡水管兩端的截面分別為圓形和矩形。
4.如權利要求1或2所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于所述活動底板設在有壓水槽的中部。
5.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于在所述的試驗水槽上植被模型箱安裝孔的兩端設有空氣壓差計安裝口，空氣壓差計安裝在該兩端的孔中。
6.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于所述植被模型箱為人工培育的天然草本植被模型箱或加筋草本植被模型。
7.如權利要求1所述的測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，其特征在于所述試驗水槽為有機玻璃有壓水槽，其最大承受水頭壓力為7米。
全文摘要
本發明屬于生態護岸領域，具體的說是一種測定河道草皮護坡抗沖性能的試驗裝置，包括水庫、水泵、試驗水槽、排水管、供水管，供水管上設有閥及流量計，試驗水槽為一橫截面為矩形的封閉水槽，在試驗水槽的底部設有植被模型箱安裝孔，在植被模型箱安裝孔位置處可拆卸連接有植被模型箱或活動底板。采用了矩形斷面的有壓水槽，可產生大流速水流，以人工培育的草皮護坡破壞時的床面切應力和摩阻流速作為模型試驗成果，成功模擬了河道徑流對草皮護坡的沖刷過程，很好的克服了室內水槽難以產生大流速水流的難題，簡便可靠的實現了模型試驗結果向原型水流的直接推廣，具有相當的工程實用價值。
文檔編號E02B3/12GK101074557SQ200610040379
公開日2007年11月21日 申請日期2006年5月19日 優先權日2006年5月19日
發明者張瑋, 鐘春欣, 應翰海, 龔靜怡 申請人:河海大學