本发明公开了一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法，装置包括玻璃水槽、水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元；水循环单元与玻璃水槽连通；水控制单元设置在水循环单元出水口内，用于精确控制流量、水位；堆石体测试单元设置在玻璃水槽的下游端；计算机控制系统分别与水控制单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元连接；数据采集单元用于采集实验参数，样本采集单元用于采集堆石体的相关样本，采集得到的数据均保存在中心数据集单元内。本发明有助于辨析堆石体溃口发展路径及机理，明确风险孕育机制，为工程安全评估提供基础依据。
1.一种堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：包括玻璃水槽（1）、水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元和沉沙池（4）、自动尾水翻页闸门（24）、尾水闸门自动控制系统（25）、计算机控制系统（27）；所述的堆石体测试单元内设置有堆石体（14），堆石体（14）上设置有防渗黏土层和石料压重区；
所述的沉沙池（4）设置在所述的玻璃水槽（1）下游部、通过所述的自动尾水翻页闸门（24）与所述的玻璃水槽（1）连通；所述的自动尾水翻页闸门（24）上设置有尾水闸门自动控制系统（25）；所述的沉沙池（4）设置有冲沙闸（3）和出水口（28），出水口（28）的出水由回水廊道循环至所述的水循环单元；所述的尾水闸门自动控制系统（25）由电机、带RS485通讯端口的伺服驱动器组成，通过RS485集线器和RS485/RS232转换器连接计算机控制系统（27）的RS232串口端，结合计算机控制系统（27）采集的下游实时水位信息对下游水位形成精确的闭环反馈控制；
所述的水循环单元与所述的玻璃水槽（1）连通；所述的水控制单元设置在所述的水循环单元出水口内，用于精确控制流量、水位；所述的堆石体测试单元设置在所述的玻璃水槽（1）的下游端；所述的计算机控制系统（27）分别与所述的水控制单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元连接；所述的数据采集单元用于采集实验的冲刷形状指标、冲刷深度指标、冲刷展宽指标、冲刷长度指标、各座标位置的水深指标、流速指标；所述的样本采集单元用于采集堆石体的相关样本；采集得到的数据均保存在所述的中心数据集单元内。
2.根据权利要求1所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的水循环单元包括循环水箱（2）、泵机设备（5）、第一引水管道（6）、第二引水管道（7）、第一稳流器（10）、第二稳流器（11）、第一进水口（12）、第二进水口（13），水流首先由所述的泵机设备（5）汇聚到设置在所述的实验装置上方的循环水箱（2）内，所述的循环水箱（2）下端分别与所述的第一引水管道（6）和第二引水管道（7）连接，所述的第一引水管道（6）和第二引水管道（7）末端分别与所述的第一稳流器（10）、第二稳流器（11）连接，所述的第一稳流器（10）、第二稳流器（11）的出口与分别与设置在所述的玻璃水槽（1）内的第一进水口（12）、第二进水口（13）连接、并与玻璃水槽（1）的底板平齐，经所述的第一稳流器（10）、第二稳流器（11）三道减压整流后，从而保证第一进水口（12）、第二进水口（13）的出流平顺。
3.根据权利要求2所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的第一稳流器（10）、第二稳流器（11）均由三层空腔构成，每层空腔设一段开口，每个空腔开口错开，用于消减水流能量、稳定流态。
4.根据权利要求1所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的水控制单元包括支持RS485通讯及MODBUS标准协议的第一电磁流量计（8）和第二电磁流量计（9），分别设置在所述的水循环单元内的第一引水管道（6）、第二引水管道（7）内，并通过RS485集线器、RS485/RS232转换器（26）连接到计算机控制系统（27）的RS232串口端，通过计算机控制系统（27）操作实现流量指令下发及数据读取。
5.根据权利要求1所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的数据采集单元包括带螺纹伸缩机构的细杆（15）、网格支架（16）、自动水位测量仪（17）、纵向滑轨（18）、纵向滑轨支撑（19）、横向滑轨（20）、超声地形自动测量仪（21）、托板（22）、流场实时流量仪（23）；所述的堆石体（14）设置在所述的玻璃水槽（1）的下游端，堆石体（14）垂直上方由低到高依次设置有自动水位测量仪（17）、超声地形自动测量仪（21）、流场实时流量仪（23）；所述的带螺纹伸缩机构的细杆（15）两端用橡胶包裹，用于实验中调节螺纹伸缩机构使细杆（15）顶住所述的玻璃水槽（1）内壁上不致脱落，并均匀选取细杆（15）中部的5个结点架设绑定所述的自动水位测量仪（17）；所述的网格支架（16）由所述的细杆（15）搭建而成，当所述的细杆（15）安装完毕则网格支架（16）即搭建好；所述的纵向滑轨（18）固定安装在所述的玻璃水槽（1）外壁上，所述的超声地形自动测量仪（21）安装在所述的横向滑轨（20）上，可灵活横向移动，所述的横向滑轨（20）安装在所述的纵向滑轨支撑（19）上，所述的纵向滑轨支撑（19）与纵向滑轨（18）活动嵌接，用于支撑所述的横向滑轨（20）移动，使所述的超声地形自动测量仪（21）能在二维平面内自由移动；所述的托板（22）移动架立在所述的玻璃水槽（1）两侧翼顶端，用于固定安装所述的流场实时流量仪（23）。
6.根据权利要求5所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的带螺纹伸缩机构的细杆（15）共设置有7条。
7.根据权利要求1所述的堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：所述的样本采集单元用于采集网格支架（16）横断面上的石料参数信息。
8.一种利用权利要求1所述的堆石体冲刷模拟实验装置进行堆石体冲刷模拟实验的实验数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：设计实验组的流量参数、下游预充水位参数、结构参数、护坡特性参数；将各参数输入计算机控制系统（27），后台同步参数到中心数据集单元的数据库中，建立工况记录；
在玻璃水槽（1）中按照堆石体（14）的参数填筑好实验堆石体模型；
步骤2：根据下游预充水位设计值，初步拟定第二电磁流量计（9）的出水值，利用下游自动尾水翻页闸门（24）联动调节使得下游水位保持稳定，通过尾水闸门自动控制系统（25）实现下游水位精确快速动态响应；逐渐开启第一电磁流量计（8）至上游流量设计值，开启自动水位测量仪（17）、超声地形自动测量仪（21）、流场实时流量仪（23），同步数据信息到中心数据集单元的数据库中；利用视频模式识别技术识别冲刷现象直至局部冲刷稳定，自动记录冲刷开始、局部冲刷稳定发生的时间；
步骤3：出现局部冲刷稳定状态后，给尾水闸门自动控制系统（25）发送调节下游水位至等于实时上游水位高程的指令，依靠尾水闸门自动控制系统（25）的快速响应，转化过流为淹没出流，定格冲刷形态，避免下游冲刷进一步发展；调节螺纹伸缩机构缩短细杆使网格支架（16）脱离玻璃水槽内壁，撤离自动水位测量仪（17）及网格支架（16），启动超声地形自动测量仪（21）扫描堆石体护坡面，采集各点的高程及坐标信息同步到中心数据集单元的数据库中；地形测量完毕后再次架设自动水位测量仪（17）及网格支架（16），采集冲刷处石料样本进行内业分析得到冲刷石料的粒径特征值并录入中心数据集单元的数据库中；
步骤4：适当减小上游来水流量使上游水位降低到堆石体模型高度以下，给尾水闸门自动控制系统（25）发送调节下游水位至设计预充水水位值的指令逐渐还原下游水位，给第一电磁流量计（8）发送调节流量至设计流量值的指令逐渐还原上游水位，恢复水位调节前的冲刷状态；
步骤5：冲刷每隔10s进行一次数据采集、样本采集，直至堆石体（14）达到稳定状态，重复步骤3、步骤4，后续样本的选取位置不局限于冲刷处，按照网格支架（16）的网格点坐标进行全局采样，石料样本及视频资料经处理同步到中心数据集单元的数据库中，得完整中心数据集。
一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法
技术领域
[0001] 本发明属于水工水力学和岩土力学特性测试技术领域，特别涉及一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法。
背景技术
[0002] 堆石坝因其技术安全、经济合理、环境友好、施工便利、易于维护等诸多优势已广泛应用于山区洪枯流量比大、洪枯水位变幅大的河流，临时断面过水度汛的导流方式日益被采用。根据工程实际和模型实验观测，其临时断面下游护坡在过水条件下的失事多以下游坡面石料的局部冲蚀破坏为始，冲刷破坏不仅直接危及堆石体结构稳定，且会增加后续基坑清理等工作量，冲刷槽的位置分布及冲刷量直接威胁堆石体结构安全。
[0003] 国际大堆石体委员会(ICOLD)1995年在世界范围内（中国除外）37座堆石坝、主要溃坝模式的统计分析指出漫顶是最主要的模式。堆石坝漫顶导致洪水冲刷堆石体顶部形成溃口，溃口扩大引起堆石体下游坡塌落，破坏坝体结构稳定；坝体过水期间，由于下游坡面溢流及其堆石体渗透水流的交互作用，坝体结构受到渗透侵蚀、水流冲刷、饱和孔隙水压力等因素综合破坏，如预防措施不合理，易发生表面冲蚀或浅层滑动造成结构破坏或渗透破坏，最终发生溃决，可见洪水冲刷堆石体是堆石坝体失事的最主要风险来源，堆石坝体的临时断面过水度汛时下游护坡的冲刷破坏机理是值得深入研究的重要课题。
[0004] 目前国内外相关模型实验装置多是考察水工建筑物下游区平底护面或长河道泥沙的冲刷特性，尚无直接测量堆石体过水时在一定冲刷状态下的相关水力指标、冲刷形态、冲刷尺寸、失稳石料颗粒级配及分布的冲刷实验装置。
发明内容
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种堆石体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法。
[0006] 本发明的实验装置所采用的技术方案是：一种堆石体冲刷模拟实验装置，其特征在于：包括玻璃水槽、水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元和沉沙池、自动尾水翻页闸门、尾水闸门自动控制系统、计算机控制系统；所述的堆石体测试单元内设置有堆石体，其上设置有防渗黏土层和石料压重区；所述的沉沙池设置在所述的玻璃水槽下游部、通过所述的自动尾水翻页闸门与所述的玻璃水槽连通；所述的自动尾水翻页闸门上设置有尾水闸门自动控制系统；所述的沉沙池设置有冲沙闸和出水口，出水口的出水由回水廊道循环至所述的水循环单元；所述的尾水闸门自动控制系统由电机、带RS485通讯端口的伺服驱动器组成，通过RS485集线器和RS485/RS232转换器连接计算机控制系统的RS232串口端，结合计算机控制系统采集的下游实时水位信息对下游水位形成精确的闭环反馈控制；所述的水循环单元与所述的玻璃水槽连通；所述的水控制单元设置在所述的水循环单元出水口内，用于精确控制流量、水位；所述的堆石体测试单元设置在所述的玻璃水槽的下游端；所述的计算机控制系统分别与所述的水控制单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元连接；所述的数据采集单元用于采集实验的冲刷形状指标、冲刷深度指标、冲刷展宽指标、冲刷长度指标，各座标位置的水深指标、流速指标，所述的样本采集单元用于采集堆石体的相关样本，采集得到的数据均保存在所述的中心数据集单元内。
[0007] 作为优选，所述的水循环单元包括循环水箱、泵机设备、第一引水管道、第二引水管道、第一稳流器、第二稳流器、第一进水口、第二进水口，水流首先由所述的泵机设备汇聚到设置在所述的实验装置上方的循环水箱内，所述的循环水箱下端分别与所述的第一引水管道和第二引水管道连接，所述的第一引水管道和第二引水管道末端分别与所述的第一稳流器、第二稳流器连接，所述的第一稳流器、第二稳流器的出口与分别与设置在所述的玻璃水槽内的第一进水口、第二进水口连接、并与玻璃水槽的底板平齐，经所述的第一稳流器、第二稳流器三道减压整流后，从而保证第一进水口、第二进水口的出流平顺。
[0008] 作为优选，所述的第一稳流器、第二稳流器均由三层空腔构成，每层空腔设一段开口，每个空腔开口错开，用于消减水流能量、稳定流态。
[0009] 作为优选，所述的水控制单元包括支持RS485通讯及MODBUS标准协议的第一电磁流量计和第二电磁流量计，分别设置在所述的水循环单元内的第一引水管道、第二引水管道内，并通过RS485集线器、RS485/RS232转换器连接到计算机控制系统的RS232串口端，通过计算机控制系统操作实现流量指令下发及数据读取。
[0010] 作为优选，所述的数据采集单元包括带螺纹伸缩机构的细杆、网格支架、自动水位测量仪、纵向滑轨、纵向滑轨支撑、横向滑轨、超声地形自动测量仪、托板、流场实时流量仪；所述的堆石体设置在所述的玻璃水槽下游端，其垂直上方由低到高依次设置有自动水位测量仪、超声地形自动测量仪、流场实时流量仪；所述的带螺纹伸缩机构的细杆两端用橡胶包裹，用于实验中调节螺纹伸缩机构使细杆顶住所述的玻璃水槽内壁上不致脱落，并均匀选取细杆中部的5个结点架设绑定所述的自动水位测量仪；所述的网格支架由所述的细杆搭建而成，当所述的细杆安装完毕则网格支架即搭建好；所述的纵向滑轨固定安装在所述的玻璃水槽外壁上，所述的超声地形自动测量仪安装在所述的横向滑轨上，可灵活横向移动，所述的横向滑轨安装在所述的纵向滑轨支撑上，所述的纵向滑轨支撑与纵向滑轨活动嵌接，用于支撑所述的横向滑轨移动，使所述的超声地形自动测量仪能在二维平面内自由移动；所述的托板移动架立安装在所述的玻璃水槽两侧翼顶端，用于固定安装所述的流场实时流量仪。
[0011] 作为优选，所述的带螺纹伸缩机构的细杆共设置有7条。
[0012] 作为优选，所述的样本采集单元用于采集数据采集单元内设置的网格支架横断面上的典型石料信息。
[0013] 作为优选，所述的堆石体上游依次铺设有防渗黏土层和石料压重区，满足弹性力学相似要件，实验将堆石体的高度指标、宽度指标、上下游坡度指标、防渗结构指标、分区特性指标、石料特性指标、护坡特性指标作为控制变量。
[0014] 本发明的方法所采用的技术方案是：一种堆石体冲刷模拟实验的实验数据采集方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0015] 步骤1：设计实验组的流量参数、下游预充水位参数、结构参数、护坡特性参数；将各参数输入计算机控制系统，后台同步参数到中心数据集单元的数据库中，建立新工况记录；在玻璃水槽中按照堆石体的参数填筑好实验堆石体模型；
[0016] 步骤2：根据下游预充水位设计值，初步拟定第二电磁流量计的出水值，利用下游自动尾水翻页闸门联动调节使得下游水位保持稳定，通过尾水闸门自动控制系统实现下游水位精确快速动态响应；逐渐开启第一电磁流量计至上游流量设计值，开启自动水位测量仪、超声地形自动测量仪、流场实时流量仪，同步数据信息到中心数据集单元的数据库中；利用视频模式识别技术识别冲刷现象直至局部冲刷稳定，自动记录冲刷开始、局部冲刷稳定发生的时间；
[0017] 步骤3：出现局部冲刷稳定状态后，给尾水闸门自动控制系统发送调节下游水位至等于实时上游水位高程的指令，依靠尾水闸门自动控制系统的快速响应，转化过流为淹没出流，定格冲刷形态，避免下游冲刷进一步发展；调节螺纹伸缩机构缩短细杆使其脱离玻璃水槽内壁，撤离自动水位测量仪及网格支架，启动超声地形自动测量仪扫描堆石体护坡面，采集各点的高程及坐标信息同步到中心数据集单元的数据库中；地形测量完毕后再次架设自动水位测量仪及网格支架，采集冲刷处石料样本进行内业分析得到冲刷石料的粒径特征值并录入中心数据集单元的数据库中；
[0018] 步骤4：适当减小上游来水流量使上游水位降低到堆石体模型高度以下，给尾水闸门自动控制系统发送调节下游水位至设计预充水水位值的指令逐渐还原下游水位，给第一电磁流量计发送调节流量至设计流量值的指令逐渐还原上游水位，恢复水位调节前的冲刷状态；
[0019] 步骤5：冲刷每隔10s进行一次数据采集、样本采集，直至堆石体达到稳定状态，重复步骤3、步骤4，后续样本的选取位置不局限于冲刷处，按照网格支架的网格点坐标进行全局采样，石料样本及视频资料经处理同步到中心数据集单元的数据库中，得完整中心数据集。
[0020] 本发明的有益效果是在保持堆石体原有冲刷状态和不扰动邻近观测点取样的情况下，直接采集堆石体过水条件下的相关水力指标、冲刷形态、冲刷失稳石料的颗粒级配及分布等参数，建立包含各相关参数的中心数据集，通过数据接口的二次开发以可视化图形展现方式方便快捷地对冲刷及其溃决机理进行分析。避免传统模型实验中复杂人工操作、低数据采集率和多类数据不易同时采集的弊端，具有原理明确、高效观测、结果精确、操作智能、简单易用的特点。
附图说明
[0021] 图1：本发明实施例的实验装置结构主视图；
[0022] 图2：本发明实施例的实验装置A-A截面侧视图；
[0023] 图3：本发明实施例的堆石体模型断面示意图；
[0024] 图4：本发明实施例的实验装置自动控制系统结构图；
[0025] 图5：本发明实施例的尾水闸门自动控制系统结构图；
[0026] 图6：本发明实施例的中心数据集单元数据结构图；
[0027] 图7：本发明实施例的堆石体冲刷模拟实验实施图。
具体实施方式
[0028] 为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
[0029] 请见图1、图2、图3、图4和图5，本发明提供的一种堆石体冲刷模拟实验装置，包括玻璃水槽1、水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元和沉沙池4、自动尾水翻页闸门24、尾水闸门自动控制系统25、计算机控制系统27；堆石体测试单元内设置有堆石体14；堆石体14上游依次铺设有防渗黏土及压重石料，满足弹性力学相似要件，实验将堆石体的高度指标、宽度指标、上下游坡度指标、防渗结构指标、分区特性指标、石料特性指标、护坡特性指标作为控制变量；沉沙池4设置在玻璃水槽1底部、通过自动尾水翻页闸门24内玻璃水槽1连通；自动尾水翻页闸门24上设置有尾水闸门自动控制系统25；沉沙池4设置有冲沙闸3和出水口28，出水口28的出水由回水廊道循环至水循环单元；尾水闸门自动控制系统25由电机、带RS485通讯端口的伺服驱动器组成，通过RS485集线器和RS485/RS232转换器连接计算机控制系统27的RS232串口端，结合电脑采集的下游实时水位信息对下游水位形成精确的闭环反馈控制；水循环单元包括循环水箱2、泵机设备5、第一引水管道6、第二引水管道7、第一稳流器10、第二稳流器11、第一进水口12、第二进水口13，第一稳流器10、第二稳流器11均由三层混凝土空腔构成，每层空腔设一段开口，每个空腔开口错开，用于消减水流能量、稳定流态；水流首先由泵机设备5汇聚到设置在实验装置上方的循环水箱2内，循环水箱2下端分别与第一引水管道6和第二引水管道7连接，第一引水管道6和第二引水管道7末端分别与第一稳流器10、第二稳流器11连接，第一稳流器10、第二稳流器11的出口与分别与设置在玻璃水槽1内的第一进水口12、第二进水口13连接、并与玻璃水槽1的底板平齐，经第一稳流器10、第二稳流器11三道减压整流后，从而保证第一进水口12、第二进水口13的出流平顺；水控制单元包括支持RS485通讯及MODBUS标准协议的第一电磁流量计8和第二电磁流量计9，分别设置在水循环单元内的第一引水管道6、第二引水管道7内，并通过RS485/RS232转换器26连接到计算机控制系统27的RS232串口端，通过计算机控制系统27操作实现流量指令下发及数据读取；数据采集单元包括带螺纹伸缩机构的细杆15、网格支架16、自动水位测量仪17、纵向滑轨18、纵向滑轨支撑19、横向滑轨
20、超声地形自动测量仪21、托板22、流场实时流量仪23；带螺纹伸缩机构的细杆15共设置有7条；堆石体14设置在玻璃水槽1的下游端，其垂直上方由低到高依次设置有自动水位测量仪17、超声地形自动测量仪21、流场实时流量仪23；带螺纹伸缩机构的细杆15两端用橡胶包裹，用于实验中调节螺纹伸缩机构使细杆15顶住玻璃水槽1内壁上不致脱落，并均匀选取细杆15中部的5个结点架设绑定自动水位测量仪17；网格支架16由细杆15搭建而成，当细杆
15安装完毕则网格支架16即搭建好；纵向滑轨18固定安装在玻璃水槽1外壁上，超声地形自动测量仪21安装在横向滑轨20上，可灵活横向移动，横向滑轨20安装在纵向滑轨支撑19上，纵向滑轨支撑19与纵向滑轨18活动嵌接，用于支撑横向滑轨20移动，使超声地形自动测量仪21能在二维平面内自由移动；托板22移动架立在玻璃水槽1两侧翼顶端，用于固定安装流场实时流量仪23；样本采集单元用于采集数据采集单元内设置的网格支架16横断面上的典型石料；水循环单元与玻璃水槽1连通；水控制单元设置在水循环单元出水口内，用于精确控制流量、水位；堆石体测试单元设置在玻璃水槽1的下游端；计算机控制系统27分别与水控制单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元连接；数据采集单元用于采集实验的冲刷形状、冲刷深度、冲刷展宽、冲刷长度，各座标位置的水深、流速等参数指标，样本采集单元用于采集数据采集单元内设置的网格支架16横断面上的典型石料信息，采集得到的数据均保存在中心数据集单元内。
[0030] 本实施例在堆石体14下游区玻璃水槽1边壁顶放置活动托板22，托板22上架设流场实时测量仪，调整视野对象为堆石体护坡面，为得到更精准的流速数据，事先在水体中放入特殊示踪粒子。
[0031] 本实施例在在堆石体护面上方架设多个自动水位测量仪(AWMS)组成网格阵列，利用非接触式超声水位传感器，实现水上测量，对水面无干扰，适用清水与浑水，使用无线传输模块（或RS485集线器）实现多路水位无线同步采集到数据库中，使用拉格朗日二维插值算法得到网格范围内各处水位信息。在自动水位测量仪上方架设流场实时测量仪(VDMS)，利用粒子跟踪测速技术(PTV)进行可视范围同步测速及监控，同步数据到后台计算机。在护面重点冲刷区域上方布设滑轨式超声地形自动测量仪(TTMS)，在每个冲刷间隔周期后进行一次堆石体护坡面扫描，连接电脑生成三维地形图及点的座标高程等信息，绘制等高线，自动计算冲淤量。所有仪器采集数据信息均传输给计算机控制系统（本实施例为电脑）的可视化界面，方便监测及输入控制命令。
[0032] 本实施例在堆石体护坡面上方架设横向7行网架，支撑自动水位测量仪并起到空间座标定位作用，在每个冲刷间隔周期后采集堆石体护坡面上各网格座标位置处的典型石料，对堆石体的冲坑槽特征石料进行重点采集分析，必要时可适当增加或减少采集的密集程度。
[0033] 请见图6，本实施例在服务器上建立中心数据集单元，其数据集结构包括工况特征、堆石体结构、护坡特征、冲刷参数、水深参数、流速参数和石料参数，工况特征又包括流量和下游预充水水位，堆石体结构又包括堆石体高度、宽度、横向跨度、防渗结构和分区特征，护坡特征又包括石料级配、黏度系统、抗剪力、密实度，冲刷参数又包括工况名、冲刷形状、冲刷深度、冲刷展宽、冲刷长度和视频记录，水深参数又包括工况名、坐标位置和水深，流速参数又包括工况名、坐标位置和流速值，石料参数又包括工况名、坐标位置和石料粒径；本实施例通过电脑端输入的相关设计参数指令自动存入中心数据集单元，通过传感器采集的各类数据信息先传输到电脑端，利用接口技术提取转化并加载到中心数据集单元，根据需要可随时调取更新。通过软件调用中心数据集单元参数进行分析，对各断面可生成石料粒径、石料运移、冲槽尺寸、溃口尺寸、堆石体深度及水力指标的时域三维图，对各座标点可生成相应时域二维图，同时可输出多个专项报表：堆石体结构参数表、石料参数表、冲刷参数表等，通过对比各时域图可得石料运移分布特征、冲刷形态演变特征、溃口发展特征，结合相关水力指标可建立量化分析模型。
[0034] 请见图7，本发明提供的一种堆石体冲刷模拟实验的实验数据采集方法，包括以下步骤：
[0035] 步骤1：设计实验组的流量、下游预充水位、堆石体结构参数、特性参数等，将各参数输入计算机控制系统27，后台同步参数到数据库，建立工况记录。在玻璃水槽中按照堆石体的分区、石料级配、断面特征等参数填筑好实验堆石体模型。安装细杆至边架上的固定位置，调节螺纹伸缩机构使细杆顶住两侧边壁不致脱落，在各细杆上按要求布设自动水位测量仪。在水槽边壁的纵向滑轨上架设超声地形测量仪，托板上架设流场实时测量仪，调整流场实时测量仪视角并固定使正对护坡面水流。
[0036] 步骤2：根据下游预充水位设计值，初步拟定第二电磁流量计9的出水值，利用下游自动尾水翻页闸门24联动调节使得下游水位保持稳定，通过尾水闸门自动控制系统25实现下游水位精确快速动态响应；逐渐开启第一电磁流量计8至上游流量设计值，开启自动水位测量仪17（20HZ）、超声地形自动测量仪21、流场实时流量仪23（1HZ），同步数据信息到中心数据集单元的数据库中；利用基于开源OPENCV接口开发的视频模式识别技术识别冲刷现象直至局部冲刷稳定，自动记录冲刷发生时间，局部冲刷稳定时间。
[0037] 步骤3：出现局部冲刷稳定状态后，给尾水闸门自动控制系统25发送调节下游水位至等于实时上游水位高程的指令，依靠尾水闸门自动控制系统25的快速响应，转化过流为淹没出流，定格冲刷形态，避免下游冲刷进一步发展；调节螺纹伸缩机构缩短细杆使其脱离玻璃水槽内壁，暂时撤离自动水位测量仪17及网格支架16，启动超声地形自动测量仪21扫描堆石体护坡面，采集各点的高程及坐标信息同步到中心数据集单元的数据库中；地形测量完毕后再次架设自动水位测量仪17及网格支架16，采集冲刷处石料样本进行内业分析得到冲刷石料的粒径特征值并录入中心数据集单元的数据库中；
[0038] 步骤4：适当减小上游来水流量使上游水位降低到堆石体模型高度以下，给尾水闸门自动控制系统25发送调节下游水位至设计预充水水位值的指令逐渐还原下游水位，给第一电磁流量计8发送调节流量至设计流量值的指令逐渐还原上游水位，恢复水位调节前的冲刷状态；
[0039] 步骤5：冲刷每隔10s进行一次数据采集、样本采集，直至堆石体14达到稳定状态，重复步骤3、步骤4，后续样本的选取位置不局限于冲刷处，按照网格支架16的网格点坐标进行全局采样，石料样本及视频资料经处理同步到中心数据集单元的数据库中，得完整中心数据集。
[0040] 本发明是在保持堆石体原有冲刷状态和不扰动邻近观测点取样的情况下，直接采集堆石体过水条件下相关水力指标、冲刷形态、失稳石料颗粒级配及分布等参数的冲刷实验装置，建立包含各相关参数指标的中心数据集，有助于辨析堆石体各时域图，得石料运移分布特征、冲刷形态演变特征、溃口发展特征及其形态演变特征，结合水力指标建立量化冲刷分析模型，本发明有助于辨析堆石体溃口发展路径及机理，明确风险孕育机制，为工程安全评估提供基础参数。
[0041] 尽管本说明书较多地使用了水循环单元、水控制单元、堆石体测试单元、数据采集单元、样本采集单元、中心数据集单元和玻璃水槽1、循环水箱2、冲沙闸3、沉沙池4、泵机设备5、第一引水管道6、第二引水管道7、第一电磁流量计8、第二电磁流量计9、第一稳流器10、第二稳流器11、第一进水口12、第二进水口13、堆石体14、带螺纹伸缩机构的细杆15、网格支架16、自动水位测量仪17、纵向滑轨18、纵向滑轨支撑19、横向滑轨20、超声地形自动测量仪21、托板22、流场实时流量仪23、自动尾水翻页闸门24、尾水闸门自动控制系统25、RS485/RS232转换器26、计算机控制系统27、出水口28等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。
使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
[0042] 应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
[0043] 应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
