河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法

摘要

本发明公开一种河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法。装置部分包括用于测定散粒体物理模型滑动失稳坡度的滑动失稳测定仪，用于固定滑动失稳测定仪的滑动失稳测定器的固定架，用于限定散粒体物理模型四周及下边缘的散粒块石物理模型安置结构，用于改变散粒块石模型安置结构角度的模拟装置变角度的支承结构，用于将其他结构固定以及实现散粒块石模型安置结构角度变化的模拟装置的底座，用于固定植物桩物理模型以及实现植物桩物理模型正常位置的植物桩物理模型安置结构。可对不同岸坡坡度，不同散粒块石类型以及植物桩的不同栽植密度、排列方式下河流、库岸防护结构的稳定性进行研究。为河流、库岸防护结构的设计与施工提供充分的试验依据。

说明书

技术领域

本发明涉及一种河流、库岸生态防护结构稳定及工作性状的室内模拟装置及试验方法领域，特别涉及河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法。

背景技术

河流、库岸的生态防护结构关系到河库岸坡的稳定以及河流、水库的生态问题。然而，现阶段大量采用开孔式混凝土连锁砖、钢丝(土工格栅)石笼网垫、生态混凝土等材料的河库岸坡防护技术，虽然满足了防护的要求，被视为“生态护坡技术”。但实际上它们的生态效果是较差的。从材料的生态性上讲，混凝土、土工材料等人工材料在使用过程中可能产生一些对河流水质有污染的物质，材料本身是不够生态的；从价格和安全性上讲，这些材料的价格一般较高、强度易随时间衰减、发生老化和锈蚀等原因，这些技术还存在工程造价较高、长期安全性能较差的缺点；从能源利用上讲，生产这些人工材料通常需要消耗较多的能源，甚至比较严重地污染环境，不符合可持续发展的理念。

随着公众环保意识的增强，提高河流、库岸防护技术的生态性逐渐成为主流。如何将植物、天然块石等天然材料应用到实际的河流、库岸防护工程中正逐渐成为从事护岸领域研究的学者十分关注的问题，因为首先这些天然材料本身就是生态的，与环境的相容性好，为护坡工程产生良好的生态效果奠定了重要的基础；其次，具有材料来源广泛、工程造价低、施工工艺简单等优点；再者，护坡工程的耐久性好。这是因为选用的天然块石都是坚硬、抗风化能力强的岩石，在工程设计服务年限内可以不考虑石料强度衰减的因素，而且，植物茎秆生长变粗和分株作用将使植物对块石位移的限制作用会进一步增强，导致坡面防护体系的整体安全稳定性增加。

为研究天然块石、植物等材料如何组合才能够发挥最佳的防护效果，通常采用的是现场试验法，现场试验一般具有试验周期长、试验经费投入高等缺点，并且受自然环境中风荷载、冻融等外力的影响大，难以取得有效资料。为了克服现场试验法的不足，本发明提出一种河流、库岸生态防护结构稳定及工作性状的室内模拟装置及试验方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法。

为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法，其特征在于:主要包括滑动失稳测定仪、固定架、散粒块石物理模型安置系统、支承结构、底座和植物桩物理模型安置系统。

所述散粒块石物理模型安置系统包括限定侧板、带孔橡胶垫、底板和承插式限定侧板。

所述底板的板面上，开有若干个条形通孔。所述底板的两端分别安装有铰接管I和铰接管II。所述底板的下方固定有铰接管III。三块所述限定侧板和一块承插式限定侧板围成矩形框。三块所述限定侧板固定在底板的板面上。承插式限定侧板的两端插接在限定侧板的内壁。承插式限定侧板相对于铰接管II，更靠近铰接管I。所述带孔橡胶垫覆盖在所述底板的板面上。所述带孔橡胶垫开有与若干个条形通孔对应的通孔。

所述底座具有一个水平的上表面。所述底座具有两条相互平行的行走轨道。底座的相邻的两个角上，均具有竖直的铰接杠。这两个铰接杠处于行走轨道的尽头。

所述支承结构包括行走车和两根支承杆。所述行走车位于轨道上。通过丝杠驱动行走车沿行走轨道滑动。所述支承杆的一端铰接在行走车上、另一端铰接在铰接管III的两头。

植物桩物理模型安置系统包括若干上排架固定杆、下排架固定杆、植物桩物理模型固定管、上排架插销和下排架插销

所述上排架固定杆和下排架固定杆的杆体上，均具有若干铰接孔。所述上排架固定杆的两端和下排架固定杆的两端，均焊接有空心铰接管。

所述植物桩物理模型固定管的下端，具有卡槽。所述植物桩物理模型固定管的上端，具有插孔。所述植物桩物理模型固定管的侧面，具有上下两个贯通孔。这两个贯通孔均穿过卡槽。

若干根植物桩物理模型固定管的卡槽夹住一根上排架固定杆和一根下排架固定杆。采用插销插入贯通孔和上、下排架固定杆上的铰接孔，使得一根上排架固定杆、一根下排架固定杆和若干植物桩物理模型固定管铰接在一起。

所述铰接杠从上到下具有三个铰接点。铰接管I的两端铰接在最上方的交接点。若干上排架固定杆一端的空心铰接管并排铰接在中间的铰接点。若干下排架固定杆一端的空心铰接管并排铰接在最下方的铰接点。

所述铰接管II的两端分别铰接在一个铰接条上。若干上排架固定杆另外一端的空心铰接管并排铰接在铰接条上。若干下排架固定杆另外一端的空心铰接管并排铰接在铰接条上。

所述固定架包括悬臂、固定柱和电源。

所述固定柱下端固定在散粒块石物理模型安置系统的一侧。所述固定柱相对于铰接管I，更靠近铰接管II。所述悬臂的一端固定在固定柱上，且高度可调。所述悬臂的另一端位于底板的上方。

所述滑动失稳测定仪、导电触头，滑动失稳测头，指示灯，紧固卡口、导线和卡钳。

所述卡钳在自然状态下，分支A和分支B分离。所述分支A和分支B的内侧具有导电触点。在受压状态下，当散粒体物理模型出现下滑时，分支A和分支B靠近，直至二者的导电触点结合。所述指示灯由电源供电。指示灯的一根导线断开，断开的两端分别连接分支A和分支B上的导电触点。

对待分支A通过紧固卡口固定在所述悬臂上。所述分支B下端安装固定杆。所述固定杆下端固定有滑动失稳测头。所述滑动失稳测头是片状。实验时，滑动失稳测头埋入所述底板上方的散粒块石中。

本发明还公开一种基于上述装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1〕组装好装置，在植物桩物理模型固定管内插好需要数量的植物桩物理模型，植物桩物理模型的选材需具有一定刚度，可承受散粒体物理模型的下滑力，且不发生变形，如选用镀锌铁丝。通过调整丝杠来驱动行走车，使得散粒块石物理模型安置系统水平。将散粒块石物理模型均匀铺撒到散粒块石物理模型安置系统的矩形框中。

2〕检验滑动失稳测定仪的工作可靠性。

3〕丝杆驱动行走车移动，使得散粒块石物理模型安置系统倾斜。当其倾斜到一定角度时，散粒体物理模型会出现整体或局部下滑失稳或者颗粒滚落现象，此时，在散粒体物理模型下滑力的作用下，上述滑动失稳测定仪中滑动失稳测头会被推动，进而使两个导电触头触碰到一起，电源形成通路，指示灯亮起，此时可配合使用水平尺以及量角器测得散粒体物理模型的坡面滑动角度。

本发明的技术效果是毋庸置疑的：

(1)散粒块石物理模型安置结构中可以放入多种模拟材料，可以对不同设计情况下的河流、库岸生态防护结构稳定及工作性状进行模拟。

(2)由于植物桩物理模型安置结构为可旋转部件，因此可以对实际情况下，植物在岸坡上的生长方向进行模拟，有利于模拟的真实性。

(3)模拟装置构造简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明提出的一种河流、库岸生态防护结构稳定及工作性状的室内模拟装置的结构示意图；

图2为本发明中滑动失稳测定仪的结构示意图；

图3为滑动失稳测定器的固定架的结构示意图；

图4为散粒块石物理模型安置结构的结构示意图；

图5为散粒块石物理模型安置结构中带孔橡胶垫的结构示意图；

图6为散粒块石物理模型安置结构中底板的结构示意图；

图7为散粒块石物理模型安置结构中承插式限定侧板的结构示意图；

图8为模拟装置变角度的支承结构的结构示意图；

图9为模拟装置的底座的结构示意图；

图10为植物桩物理模型安置结构的结构示意图；

图11为植物桩物理模型固定方式示意图。

图中：滑动失稳测定仪(110)、导电触头(111)，滑动失稳测头(112)，指示灯(113)，紧固卡口(114)、导线(115)、卡钳(116)

固定架(120)、悬臂(121)、固定柱(122)、电源(123)

散粒块石物理模型安置系统(130)、限定侧板(131)、带孔橡胶垫(132)、底板(133)、铰接管I(1331)、铰接管II(1332)、铰接管III(1333)、条形通孔(1334)、承插式限定侧板(134)

支承结构(140)、支承杆(141)、行走车(142)

底座(150)、丝杆(151)、铰接杠(152)、行走轨道(153)

植物桩物理模型安置系统(160)、上排架固定杆(161)、下排架固定杆(162)、植物桩物理模型固定管(163)、插销(164)、铰接条(165)、空心铰接管(166)、植物桩物理模型(167)。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。

实施例1：

本实施例公开一种河库岸坡生态防护结构工作性能模拟装置及方法，主要包括滑动失稳测定仪110、固定架120、散粒块石物理模型安置系统130、支承结构140、底座150和植物桩物理模型安置系统160。

所述散粒块石物理模型安置系统130包括限定侧板131、带孔橡胶垫132、底板133和承插式限定侧板134。

所述底板133的板面上，开有若干个条形通孔1334。所述底板133的两端分别安装有铰接管1331和铰接管1332。所述底板133的下方固定有铰接管1333。三块所述限定侧板131和一块承插式限定侧板134围成矩形框。三块所述限定侧板131固定在底板133的板面上。承插式限定侧板134的两端插接在限定侧板131的内壁。承插式限定侧板134相对于铰接管1332，更靠近铰接管1331。所述带孔橡胶垫132覆盖在所述底板133的板面上。所述带孔橡胶垫132开有与若干个条形通孔1334对应的通孔1321。

所述底座150具有一个水平的上表面。所述底座150具有两条相互平行的行走轨道153。底座150的相邻的两个角上，均具有竖直的铰接杠152。这两个铰接杠152处于行走轨道153的尽头。

所述支承结构140包括行走车142和两根支承杆141。所述行走车142位于轨道153上。通过丝杠151驱动行走车142沿行走轨道153滑动。所述支承杆141的一端铰接在行走车142上、另一端铰接在铰接管1333的两头。

植物桩物理模型安置系统160包括若干上排架固定杆161、下排架固定杆162、植物桩物理模型固定管163、上排架插销164和下排架插销165

所述上排架固定杆161和下排架固定杆162的杆体上，均具有若干铰接孔。所述上排架固定杆161的两端和下排架固定杆162的两端，均焊接有空心铰接管166。

所述植物桩物理模型固定管163的下端，具有卡槽1631。所述植物桩物理模型固定管163的上端，具有插孔1633。所述植物桩物理模型固定管163的侧面，具有上下两个贯通孔1632。这两个贯通孔1632均穿过卡槽1631。

若干根植物桩物理模型固定管163的卡槽1631夹住一根上排架固定杆161和一根下排架固定杆162。采用插销164插入贯通孔1632和上、下排架固定杆上的铰接孔，使得一根上排架固定杆161、一根下排架固定杆162和若干植物桩物理模型固定管163铰接在一起。

所述铰接杠152从上到下具有三个铰接点。铰接管1331的两端铰接在最上方的交接点。若干上排架固定杆161一端的空心铰接管166并排铰接在中间的铰接点。若干下排架固定杆162一端的空心铰接管166并排铰接在最下方的铰接点。

所述铰接管1332的两端分别铰接在一个铰接条165上。若干上排架固定杆161另外一端的空心铰接管166并排铰接在铰接条165上。若干下排架固定杆162另外一端的空心铰接管166并排铰接在铰接条165上。

所述固定架120包括悬臂121、固定柱122和电源123。

所述固定柱122下端固定在散粒块石物理模型安置系统130的一侧。所述固定柱122相对于铰接管1331，更靠近铰接管1332。所述悬臂121的一端固定在固定柱122上，且高度可调。所述悬臂121的另一端位于底板133的上方。

所述滑动失稳测定仪110、导电触头111，滑动失稳测头112，指示灯113，紧固卡口114、导线115和卡钳116。

所述卡钳116在自然状态下，分支A和分支B分离。所述分支A和分支B的内侧具有导电触点。在受压状态下，当散粒体物理模型出现下滑时，分支A和分支B靠近，直至二者的导电触点结合。所述指示灯113由电源123供电。指示灯113的一根导线115断开，断开的两端分别连接分支A和分支B上的导电触点。

对待分支A通过紧固卡口114固定在所述悬臂121上。所述分支B下端安装固定杆117。所述固定杆117下端固定有滑动失稳测头112。所述滑动失稳测头112是片状。实验时，滑动失稳测头112埋入所述底板133上方的散粒块石中。

实施例2：

本实施例的主要结构同实施例1，进一步地：

滑动失稳测定仪用于测定岸坡防护结构物理模型中散粒体物理模型发生的滑动失稳破坏。通过滑动失稳测定器的固定架与散粒块石物理模型安置结构固定。

滑动失稳测定器固定架为承插结构，其安装是在布置完生态岸坡防护结构物理模型后进行的，这样可以便于物理模型的布置。

散粒块石物理模型安置结构包括限定板、带孔橡胶垫和底板，其与模拟装置变角度的支承结构、植物桩物理模型安置结构和模拟装置的底座相连；散粒块石物理模型安置结构中的散粒块石物理模型限定板处在散粒块石物理模型安置结构的最上层，其包括限定侧板、限定下底板和承插式限定侧板。

限定板中的限定下底板的大小为500×500mm，其表面开有289个贯穿孔，贯穿孔的平面形状为两个半圆(半径5mm)加一个长方形(5×10mm)，各贯穿孔的形心距均为25mm。

限定侧板与限定下底板固接，其围合区域的大小为450×450mm，高度为50mm。

承插式限定侧板为可活动部件，其高度可根据不同工况下的试验进行切割调整，调整范围在0～50mm之间。

带孔橡胶垫，其平面尺寸为500×500mm，厚度为2mm。表面开有289个圆形贯穿孔，孔径为1mm。圆形贯穿孔的位置与上述散粒块石物理模型限定板中限定下底板表面所开贯穿孔的形心一致。

除与模拟装置的底座和模拟装置变角度的支承结构的固定轴外，底板的平面尺寸为500×500mm，表面开有289个贯穿孔，贯穿孔的平面形状为两个半圆(半径5mm)加一个长方形(5×10mm)，各贯穿孔的形心距均为25mm。

此外，散粒块石物理模型安置结构开有18个贯穿孔，两侧各9个，呈对称分布，用于将上述散粒块石物理模型安置结构中的限定板、带孔橡胶垫和底板固定为一个整体。

植物桩物理模型安置结构位于散粒块石物理模型安置结构下部，其与散粒块石物理模型安置结构和底座相连，其为可旋转结构，包括植物桩物理模型固定管和两块形状大小一致的排架。植物桩物理模型固定管上端部开有一非贯穿孔，孔径为1mm。两块形状大小一致的排架，每块排架除两侧与底座相连的固定轴外，包括17根植物桩物理模型固定管的固定杆，每根固定杆的横断面厚度可以保证上述植物桩物理模型安置结构中的植物桩物理模型固定管的插入与固定。

模拟装置变角度的支承结构位于植物桩物理模型安置结构下部，其与散粒块石物理模型安置结构和底座相连；模拟装置变角度的支承结构包括行走车和支承杆，支承杆为可旋转结构。

底座位于整个模拟装置的下部，起到连接与固定整个模拟装置的作用，其包括丝杆、其他结构固定柱、上述模拟装置变角度支承结构的行走车的限位柱及行走车的轨道。

实施例3：

本实施例公开一种基于实施例1所述装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

1〕组装好装置，在植物桩物理模型固定管内插好需要数量的植物桩物理模型，植物桩物理模型的选材需具有一定刚度，可承受散粒体物理模型的下滑力，且不发生变形，如选用镀锌铁丝。通过调整丝杠来驱动行走车，使得散粒块石物理模型安置系统水平。将散粒块石物理模型均匀铺撒到散粒块石物理模型安置系统的矩形框中。值得说明的是，不可碰弯植物桩物理模型，若植物桩物理模型被碰弯，可在散粒块石物理模型被整平前将植物桩物理模型调直。散粒块石物理模型的铺撒上表面需基本水平且与限定板上沿平齐。当植物桩物理模型过密时，可少量多次铺撒，并配合土工刀将散粒块石物理模型上表面敷平。

2〕检验滑动失稳测定仪的工作可靠性：滑动失稳测定仪的电源接通后，对其可靠性进行检验，手动使导电触头接触后，若指示灯亮起，则滑动失稳测定仪有效，可以进行接下来的试验。如果指示灯无反应，则需对电源是否有电、导线是否连接完整以及导电触头是否可以正常导电进行检查。此外，还需对滑动失稳测定仪上的转动、滑动部件进行检查，确保其可以正常工作，必要时涂抹润滑油。

滑动失稳测定仪安装：当散粒块石物理模型布置完成后，使用固定架将滑动失稳测定仪固定到散粒块石物理模型安置结构上，接通电源后，将滑动失稳测头插入散粒体物理模型内，并保持滑动失稳测头的下沿与散粒体物理模型的下沿有可以保证滑动失稳测头正常摆动的距离。滑动失稳测头需对准两列植物桩物理模型之间的中线，不可出现偏斜。

3〕丝杆驱动行走车142移动，使得散粒块石物理模型安置系统倾斜。实施例中，需要缓慢、匀速、间歇地旋转丝杆，旋转丝杆的同时即时观察防护体物理模型的变化及指示灯是否亮起。为保证试验精准度，丝杆每旋转一周，间歇一次，时间30s左右，如岸坡防护体物理模型未出现变化则继续旋转丝杆，直至岸坡防护体物理模型出现变化。

当散粒块石物理模型安置系统倾斜到一定角度时，散粒体物理模型会出现整体或局部下滑失稳或者颗粒滚落现象，此时，在散粒体物理模型下滑力的作用下，上述滑动失稳测定仪中滑动失稳测头会被推动，进而使两个导电触头触碰到一起，电源形成通路，指示灯亮起，此时可配合使用水平尺以及量角器测得散粒体物理模型的坡面滑动角度，而散粒块石物理模型单个颗粒的滚落依靠目测判断。