高含沙洪水揭河底胶泥块底部水流紊动结构监测方法

摘要

本发明涉及一种河工模型，特别涉及一种高含沙洪水“揭河底”冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监测方法。该模拟监测方法利用有机玻璃模具盒预制胶泥块，在胶泥块底部排布片状薄膜式压力传感器，通过数据线与数据采集仪连接，可实现对水流压力信号的实时采集。本发明的模拟监测方法，结构简单，操作方便，能够实时、准确地监测胶泥块底部的水流紊动情况，为进一步深入研究黄河“揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法和装置，为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基础，为制定黄河防洪预案和防汛工程的规划设计，提供了重要的依据和参考。

说明书

技术领域：

本发明涉及一种河工模型，其IPC国际专利分类号为E02B1/02，特别涉及 一种高含沙洪水“揭河底”冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监测方法。

背景技术：

在含沙量高的河流，例如在黄河小北干流及渭河等河段，在高含沙洪水作 用下，河床往往会发生剧烈的集中冲刷，在前期经过一定时期淤积、沉淀，密 度较大、强度较高的“胶泥层”，有时会从床面上被揭掀而起，像卷“地毯” 一样被卷起，成块、成片地露出水面，面积可达几平方米甚至十几平方米，然 后在短时间内破碎、坍落，被水流冲散带走，这种现象也被称为“揭河底”。 “揭河底”现象往往发生造成河床强烈下切，甚至，河床一次冲深几米乃至近 十米。“揭河底”冲刷往往引起河道主槽的迁徙，使工程着溜部位不断地变化， 容易造成河道工程沉蛰、坍塌，增加汛期防汛抢险的复杂性；特别是由于河槽 大幅度冲刷，河道水位下降，致使沿河机电灌站脱流，严重影响到沿岸工农业 生产。由于“揭河底”现象发生的随机性较强，很难在实际中测得到跟随性较 好的资料，这一问题的研究也只能从试验模拟中突破。

江恩慧等提出了“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”，该一技术在2010年 10月获得了国家实用新型专利授权(ZL 200920217654.4)，为开展“揭河底” 模拟试验提供了基础。此外，还利用不同级配的粉煤灰来模拟河床分层淤积结 构，特别是利用极细粉煤灰模拟“揭河底”发生时的胶泥块，基于“揭河底” 模拟试验装置，在水槽试验中成功模拟了真正意义上的“揭河底”现象，申请 的“高含沙洪水揭河底模拟试验方法”2011年也获得了国家发明专利授权(ZL 200910177288.9)。

大量的试验表明，当遇高含沙水流时，水流在造床过程中，一旦遇到抗冲 性很强的胶泥块，必将在胶泥块前端发生流态的极大改变，在水流顶冲到胶泥 块以后，形成下潜水流，水流在能量转换的过程中，形成强大的载能涡漩，淘 刷胶泥层前端可动性较强的粗沙，待胶泥层前缘部分暴露之后，下潜水流必将 继续淘刷下层粗沙层，而且强大的紊动作用会使水流下伸到胶泥层下继续挖掘 压在胶泥层下面的粗沙层，并逐步使胶泥层前端悬空部分增加，由水流紊动能 产生的掀动力矩也会逐渐增加，这一过程如图1所示。

胶泥块底部水流紊动能产生的上举力是“揭河底”发生的主要动力，但由 于天然河流中我们根本无法监测到胶泥块底部水流紊动结构的实际情况，只能 借助与水槽实验或模型试验开展基础理论研究。而在水槽实验或模型试验的过 程中，胶泥块往往采用天然的极细沙或极细粉煤灰固结而成，如何在胶泥块底 部固定测压传感器，如何设计一套切实可行的实时监测胶泥块底部的水流紊动 结构，是后续进一步深入研究的关键技术难题之一。本发明为高含沙洪水“揭 河底”冲刷期胶泥块底部水流紊动结构研究提供了一套可行的监测与试验研究 方法。

发明内容：

在国家实用新型专利“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”(ZL 20092 0217654.4)及国家发明专利“高含沙洪水揭河底模拟试验方法”(ZL 20091 0177288.9)基础上，针对进一步要深入开展的理论研究一胶泥块底部水流紊动 结构的发展、载能涡漩动能的传递过程等基础研究，本发明提供一种高含沙洪 水揭河底冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监测方法。

本发明的方法包括以下步骤：

(1)胶泥块预制

根据胶泥块设计尺寸的大小，制作一系列不同规格的有机玻璃模具盒；采 用中值粒径小于0.01mm的极细粉煤灰或天然极细沙，放入一个较大的容器内， 加水，用搅拌器将其充分搅拌均匀，制成含沙量为800～1000kg/m³的浆体；

(2)压力传感器连接

在所述有机玻璃模具盒底部，排布片状薄膜式压力传感器，涂刷亲水性底 基处理胶，然后将搅拌均匀的所述浆体倒入所述有机玻璃模具盒内，将连接所 述片状薄膜式压力传感器的数据线从胶泥块中后部引出；放置12小时，使浆体 固结成胶泥块；

(3)试验系统布设

在试验水槽的底部铺设中值粒径为0.05mm的粗颗粒粉煤灰模拟河床上的 粗沙层，在所述模拟的粗沙层上预留胶泥块设计尺寸大小的空间；将底部布设 有所述片状薄膜式压力传感器的所述胶泥块放入预留空间，从胶泥块尾部引出 来的所述片状薄膜式压力传感器的数据线直接与数据采集仪相连接；

放水进行试验，所述片状薄膜式压力传感器即可实现对水流压力信号的实 时采集，通过数据采集仪生成胶泥块底部水流紊动结构的监测数据。

本发明的高含沙洪水“揭河底”冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监 测方法，结构简单，操作方便，能够实时、准确地监测胶泥块底部的水流紊动 情况，为进一步深入研究黄河“揭河底”现象这一难题提供了可行的试验方法 和装置，为认清“揭河底”现象发生机理、建立“揭河底”冲刷指标奠定了基 础，为制定黄河防洪预案和防汛工程的规划设计，提供了重要的依据和参考。

附图说明：

图1为水流对胶泥块周围及底部淘刷示意图

图2为本发明的试验装置示意图

图中，1为水流淘刷，2为胶泥块，3为粗砂层，4为片状薄膜式压力传感 器，5为数据采集仪，V为水流方向。

具体实施方式

本发明的高含沙洪水揭河底冲刷期胶泥块底部水流紊动结构的模拟监测方 法，具体实施时，包括以下步骤：

(1)胶泥块预制

根据胶泥块2尺寸的大小，设计制作一系列不同规格的有机玻璃模具盒； 采用极细粉煤灰或天然极细沙(中值粒径小于0.01mm)，放入一个较大的容器 内，加水，用搅拌器并将其充分搅拌均匀，制成含沙量为800～1000kg/m³的浆体。

(2)压力传感器连接

根据需要，设计传感器布设网络图。本具体实施方式采用片状薄膜式压力 传感器，设计布设区域即可。在所述模具盒底部网络节点部位，排布片状薄膜 式压力传感器4，涂刷亲水性底基处理胶，然后将搅拌均匀的浆体逐渐倒入模具 盒里，连接片状薄膜式压力传感器4的数据线从胶泥块2中后部引出；停放12 小时，使所述浆体固结成胶泥块2。

(3)试验系统布设

在根据实用新型专利“高含沙洪水揭河底模拟试验装置”(ZL 20092 0217654.4)及发明专利“高含沙洪水揭河底模拟试验方法”(ZL 20091 0177288.9)，在试验水槽底部铺设厚度为15cm以上的粗颗粒粉煤灰(中值粒径 约为0.05mm)以模拟河床上的粗沙层3，在粗沙层3上预留胶泥块2设计尺寸 大小的空间；将底部布设有片状薄膜式压力传感器4的预制胶泥块2放入预留 空间，从胶泥块2尾部引出来的数据线直接与数据采集仪5相连接。

放水进行试验，片状薄膜式压力传感器即可实现对水流压力信号的实时采集， 通过数据采集仪生成胶泥块2底部水流紊动结构的监测数据。