专利名称：一种水工模型制作方法
技术领域：
本发明涉及一种水工模型制作方法，属于水利工程技术领域，其IPC国际专利分 类号为E02B 1/02。
背景技术：
小浪底库区模型是“模型黄河”的重要组成部分。整个模型从小浪底大坝至三门 峡水文站，原型库段长约125km，高程从155m至^5m，模型包括库区100%的干流原始库容 及近95%的支流库容。依据所选用的几何比尺(水平比尺300，垂直比尺60)缩尺后，模型 长约440m，模型平均宽度约15m，高约2. 4m0模型分为动床和定床两部分。初期模型建设主 要是模型定床部分的制作，动床部分主要是在每组次试验之前进行。在小浪底库区初期定床模型制作时，采用通常的断面模板地形制作技术，遇到了 一系列的问题由于小浪底水库是典型的峡谷型水库，库区边坡非常陡，模型经过变态处理 后，边坡变的更加陡峻，大部分库段的边坡都在70°以上，部分库段甚至接近90°，使得模 型断面模板的埋置及取出的过程中模型回填土经常产生坍塌，回填土的密实度和地形制作 的精度难以达到要求，时常不得不返工，加大工作量，导致工作延误，难以保质保量的完成 模型定床部分的制作。模型定床部分制作的滞后将势必影响小浪底水库拦沙期防洪减淤运 用方式研究和小浪底库区模型试验研究工作，进而拖延整个小浪底水库拦沙期防洪减淤运 用方式研究项目的顺利开展。针对上述情况，通过多次摸索尝试，开发了利用逆向法进行地 形制作的方法。该方法不仅可用于小浪底库区模型，也适用于所有边坡陡峻，或地形高差较 大水工实体模型地形制作中。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种能够无需在回填土下埋 置断面板的地形制作方法，从而使模型回填土的密实度不受影响，保证模型的精确度。本发 明的技术方案如下一种水工模型制作方法，包括以下主要步骤(1)将高程坐标系的坐标原点设置在河道断面的上方；(2)采用逆向地形制作装置确定每个河道断面所述逆向地形制作装置包括横 梁、支架、高程控制系统和河道断面形态控制线四部分；所述横梁由金属型材加工而成，最 大垂向挠度0. 5mm，在横梁上沿水平方向加工有刻度；所述支架用于支撑所述横梁，为两个 伸缩式支架，在所述支架与横梁的连接处，设有水平调整螺栓和垂直调整螺栓，用以调整横 梁相对于支架的水平和垂直位置；所述高程控制系统由多个高程控制杆组成，所述高程控 制杆由方形金属型材制成，高程控制杆的下端为尖头，在所述尖头上加工有一个小孔；在高 程控制杆上沿垂直方向加工有刻度；每个所述高程控制杆与所述横梁连接处均设有水平调 整螺栓和垂直调整螺栓，用于调整每个所述高程控制杆相对于横梁的水平和垂直位置；所 述河道断面形态控制线是一根软细线；
(3)以所述横梁作为水平基准线，用横梁上水平方向的刻度控制河道断面的水平 起点距首先，根据河道断面的具体情况，调整所述支架与横梁连接处的水平调整螺栓，将 支架布设在横梁的两端或河道主槽中；接着，调整所述支架的垂直高度，使横梁与上述坐标 原点等高；然后，调整支架与横梁连接处的垂直调整螺栓，使横梁保持水平；(4)完成河道断面上每一个高程控制点的高程控制杆的安装、调整根据河道断 面各高程控制点与所述坐标原点的水平距离，调整所述高程控制杆与所述横梁连接处的水 平调整螺栓，确定各高程控制杆在横梁上的水平位置；根据河道断面各高程控制点与横梁 的相对高程，调整所述高程控制杆与所述横梁连接处的垂直调整螺栓，确定各高程控制杆 下端的尖头位置；(5)将所述河道断面形态控制线依次穿过每个高程控制杆尖端的所述小孔，形成 一个完整的河道断面。优选地，所述横梁和高程控制杆由铝或不锈钢型材制成。本发明的模型制作方法，采用逆向法地形制作原理，是一个投资少、操作容易、无 特殊技术要求、适用范围限制小的技术，可以广泛的适用于边坡坡度大的水库实体模型制 作中去。
图1为现有技术的断面模板制作模型示意图。图2为本发明的水工模型制作方法的原理示意图。图3为本发明的逆向地形制作装置示意图。图4为本发明的高程控制杆与横梁连接处的局部放大中，1为横梁，2为支架，3为高程控制杆，4为河道断面形态控制线，5为支架高度 调整螺栓，6为支架水平调整螺栓，7为支架垂直调整螺栓，8为高程控制杆垂直调整螺栓，9 为高程控制杆水平调整螺栓。
具体实施例方式通常情况下，制作河道断面模型的断面模板的形态如图1所示，断面模板的材料 一般为三合板。受三合板强度和规格(l.MmX2.4m)的限制，一个断面模板的最大模型垂 直高差不易超过lm，平均模型垂直高差不易超过0. 5m，模型水平距离不超过2. 4m,通常一 个完整的断面由若干个断面模板组合而成。同时为了便于地形制作时断面模板的埋置，地 形制作时可以沿图中粗虚线将断面模板的左、右两个下角锯下，不影响地形制作的精度。一 般情况下，在模型定床地形制作完成后断面模板均需取出，以防止模型漏水。通常情况下，每一个断面模板都有一个如图1所示的坐标系，原点位于断面模板 的左下角。假设原点O的模型坐标为(Xtl，％)，河道断面高程控制点的模型坐标为(Xi，yi)， χ坐标代表模型起点距，y坐标代表模型高程。河道断面高程控制点的模型相对高程Iii = yi-yQ，相对起点距Ii = Xii。。为了保证模型制作的精度，在断面模板的埋置安装过程中，需要通过反复校核断 面模板上控制点的模型起点距及高程。在地形起伏变化大的模型制作时，由于断面模板不 易固定，更大大地增加断面模板埋置安装的工作量。
在制作边坡陡峻或地形高差较大的水工实体模型时，例如黄河小浪底库区模型的 制作，库区模型经过变态处理后，边坡变的更加陡峻，大部分库区断面在不到0. 5m的水平 距离内，高差高达an以上。原有的地形制作方法遇到许多施工难题，例如断面模板强度明 显不足，模板固定难度大，特别是在断面模板的埋置及取出的过程中模型回填土经常产生 坍塌，需要反复进行回填制作，浪费了大量的人力物力，并且难以保证回填土的密实度和地 形制作的精度。针对这一难题，经过多次尝试，提出了本发明的水工模型制作方法。其原理 如图2所示。本发明的水工模型制作方法与现有的模型制作方法的不同在于，图1所示的断面 模板的坐标原点0被平移到图2所示的0'处，地形制作的主要控制部分(除支架外)均被 移动到河道断面的上方，即无需在回填土下埋置模板。故不会引起模型回填土坍塌，保证了 模型回填土的密实度不受影响。如图2所示，本发明的模型制作方法中，河道断面高程控制点的模型相对高程 h' i = y' Cryi,相对起点距 Ii = Xi-X'。。在水利工程实体模型制作时，由横梁作为水平基准线，沿水平方向加工的刻度可 以控制河道断面的起点距；高程控制系统中的每个高程控制杆可以上、下、左、右移动，通过 其沿垂直的刻度准确控制每一个高程控制点的模型相对高程；支架可以布设在横梁两端或 河道主槽中，通过前后移动确定河道中断面的位置；河道断面形态控制线直接依次穿过每 个高程控制杆尖端小孔，形成一个完整的河道断面。施工人员可据此制作河道断面，进而制 作整个实体模型。根据上述原理，本发明的水工模型制作方法，步骤如下(1)将高程坐标系的坐标原点设置在河道断面的上方，具体高度可根据断面的实 际情况确定。(2)采用专用的逆向地形制作装置确定每个河道断面。本发明专用的所述逆向地 形制作装置，即逆向地形制作仪，包括横梁1、支架2、高程控制系统和河道断面形态控制线 4四部分。所述横梁1由铝或不锈钢等金属型材加工而成，最大垂向挠度0. 5mm，在横梁1上 沿水平方向加工有刻度。所述支架2用于支撑所述横梁1，为两个伸缩式支架，可以通过液 压油缸、丝杠、高度调整螺栓5或其他装置调整支架2的高度。在所述支架2与横梁1的连 接处，设有水平调整螺栓6和垂直调整螺栓7，其中的水平调整螺栓6，用以调整横梁1相对 于支架2的水平位置，其中的垂直调整螺栓7，可以调整横梁1相对于支架2的垂直位置，在 具体应用时，主要用来对横梁1进行微调，使横梁1保证水平。所述高程控制系统由多个高 程控制杆3组成，所述高程控制杆3由方形的铝或不锈钢等金属型材(IXlcm)制成。为了 准确控制高程点的位置，高程控制杆3的下端为尖头，在所述尖头上加工有一个小孔。在高 程控制杆3上沿垂直方向加工有刻度，用于控制每个高程控制点的模型相对高程。每个所 述高程控制杆3与所述横梁1连接处均设有手动水平位移及垂直升降装置，可以选用水平 调整螺栓9和垂直调整螺栓8，也可以是现有的其他调整装置，本领域技术人员可以根据自 己的情况自由选用，用于调整每个所述高程控制杆3相对于横梁1的水平和垂直位置。所 述河道断面形态控制线4是一根具有一定强度的软细线，可以选用金属线，也可以选用非 金属线。(3)以所述横梁1的作为水平基准线，用横梁1上水平方向的刻度控制河道断面的水平起点距首先，根据河道断面的具体情况，调整所述支架2与横梁1连接处的水平调整 螺栓6，将支架2布设在横梁1的两端或河道主槽中；接着，调整所述支架2的垂直高度，使 横梁1与上述坐标原点等高；然后，调整支架2与横梁1连接处的垂直调整螺栓7，使横梁1 保持水平。 (4)完成河道断面上每一个高程控制点的高程控制杆3的安装、调整根据河道断 面各高程控制点与坐标原点的水平距离，调整所述高程控制杆3与所述横梁1连接处的水 平调整螺栓9，确定各高程控制杆3在横梁1上的水平位置；根据河道断面各高程控制点与 横梁1的相对高程，调整所述高程控制杆3与所述横梁1连接处的垂直调整螺栓8，确定各 高程控制杆3下端的尖头位置。 (5)将所述河道断面形态控制线4依次穿过每个高程控制杆3尖端的所述小孔，形 成一个完整的河道断面。施工人员可以根据该控制线进行模型地形的制作。本发明的模型制作方法，具有以下显著的优点1)安装容易，操作方便本方法采用的逆行地形制作仪的操作安装非常容易，没有特殊的技术要求，安装 的过程中只需一台水准仪配合进行水平基准线的高程测量，整个逆向法地形制作仪的安装 制作一个河道断面的时间只需要10分钟。2)可重复使用，投资少，简单易行由于构思巧妙，所有部件采购加工都比较方便，容易实施。单台逆向法地形制作仪 价值约1000元，加之可重复使用，大大的降低了模型地形制作的成本。就小浪底库区模型 制作而言，节省成本达到20万元以上。3)工作效率显著提高与原来的断面模板相比，由于逆向法地形制作仪无需地下埋置，不会对回填土的 密实度产生影响，更不可能引起回填土坍塌。就此一项，至少缩短了小浪底库区模型地形制 作时间的75%以上。加之，逆向法地形制作仪容易安装，操作方便，也大大地推进了地形制 作的进度。工作的总体效率可以提高5倍以上。4)精度高同样，由逆向法地形制作仪无需地下埋置，回填土无坍塌，且逆向法地形制作仪的 控制系统稳定，不易产生变形，从而保证了模型地形制作的精度。
权利要求
1.一种水工模型制作方法和装置，其特征在于，包括以下主要步骤(1)将高程坐标系的坐标原点设置在河道断面的上方；(2)采用逆向地形制作装置确定每个河道断面所述逆向地形制作装置包括横梁(1)、 支架O)、高程控制系统和河道断面形态控制线四部分；所述横梁(1)由金属型材加工 而成，最大垂向挠度0. 5mm，在横梁⑴上沿水平方向加工有刻度；所述支架(2)用于支撑 所述横梁(1)，为两个伸缩式支架，在所述支架( 与横梁(1)的连接处，设有水平调整螺栓 (6)和垂直调整螺栓(7)，用以调整横梁(1)相对于支架O)的水平和垂直位置；所述高程 控制系统由多个高程控制杆⑶组成，所述高程控制杆⑶由方形金属型材制成，高程控制 杆(3)的下端为尖头，在所述尖头上加工有一个小孔；在高程控制杆C3)上沿垂直方向加工 有刻度；每个所述高程控制杆( 与所述横梁(1)连接处均设有水平调整螺栓(9)和垂直 调整螺栓(8)，用于调整每个所述高程控制杆C3)相对于横梁(1)的水平和垂直位置；所述 河道断面形态控制线(4)是一根软细线；(3)以所述横梁(1)作为水平基准线，用横梁(1)上水平方向的刻度控制河道断面的水 平起点距首先，根据河道断面的具体情况，调整所述支架( 与横梁(1)连接处的水平调 整螺栓(6)，将支架( 布设在横梁(1)的两端或河道主槽中；接着，调整所述支架O)的 垂直高度，使横梁(1)与上述坐标原点等高；然后，调整支架( 与横梁(1)连接处的垂直 调整螺栓(7)，使横梁(1)保持水平；(4)完成河道断面上每一个高程控制点的高程控制杆( 的安装、调整根据河道断面 各高程控制点与所述坐标原点的水平距离，调整所述高程控制杆C3)与所述横梁(1)连接 处的水平调整螺栓(9)，确定各高程控制杆C3)在横梁(1)上的水平位置；根据河道断面各 高程控制点与横梁(1)的相对高程，调整所述高程控制杆C3)与所述横梁(1)连接处的垂 直调整螺栓(8)，确定各高程控制杆C3)下端的尖头位置；(5)将所述河道断面形态控制线(4)依次穿过每个高程控制杆( 尖端的所述小孔，形 成一个完整的河道断面。
2.根据权利要求1所述的水工模型制作方法，其特征在于，所述横梁(1)和高程控制杆 (3)由铝或不锈钢型材制成。
全文摘要
本发明涉及一种水工模型制作方法，属于水利工程技术领域，其工PC国际专利分类号为E02B 1/02。适用于边坡陡峻，或地形高差距较大的水工模型的制作。该方法采用的专用地形制作仪，由横梁、高程控制系统、支架、河道断面形态线四部分组成。制作水工模型时，首先在河道断面的上方确定坐标系坐标原点；由横梁作为水平基准线，沿水平方向加工的刻度控制河道断面的起点距；高程控制系统中的每个高程控制杆可以上、下、左、右移动，通过其沿垂直的刻度准确控制每一个高程控制点的模型相对高程；河道断面形态控制线直接依次穿过每个高程控制杆尖端小孔，形成一个完整的河道断面。施工人员可据此制作河道断面，进而制作整个实体模型。
文档编号E02B1/02GK102140786SQ20111000247
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月7日 优先权日2011年1月7日
发明者于国卿, 仝逸峰, 兰华林, 张俊华, 张晓华, 徐烁, 李书霞, 李昆鹏, 李涛, 江珍, 王丽梅, 王仲梅, 王婷, 王岩, 石标钦, 蒋思奇, 赵银亮, 陈书奎, 顾列亚, 马怀宝 申请人:河海大学, 黄河水利委员会黄河水利科学研究院