[发明专利]河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统及其量测方法

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程河流动力学领域基础试验研究中的一种河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统及其量测方法。

背景技术

河岸侧蚀崩塌现象广泛分布于世界各大江河之中，我国的长江、黄河等河流也经常会发生河岸侧蚀崩塌现象，尤其是在汛期和汛后表现最为突出，是一种危害很大的自然灾害。河岸侧蚀崩塌往往酿成重大险情，严重威胁着两岸人民的生命和财产安全。此外，河岸侧蚀崩塌往往还会引起河道产生横向变形，导致河势剧烈变化，给防洪、航道、港口等方面均造成重大不利影响，也给河道治理工程带来许多困难，这方面的实例举不胜数。由此可见，河岸侧蚀崩塌问题是防洪抢险和河道治理中最严重的问题之一，而通过试验研究河岸侧蚀崩塌的过程及其力学机制是一个重要而紧迫的问题，可为河岸侧蚀崩塌的预测提供技术支撑。

大江大河的河床变形包括垂向冲淤以及由河岸侧蚀崩塌引发的横向变形两方面。目前，关于垂向河床冲淤变形的研究成果较多也较成熟，而关于河岸侧蚀崩塌引起的河床横向变形的研究则相对较少，包括河岸侧蚀崩塌变化规律的认识、数学描述方式以及模拟试验研究均滞后于垂向河床冲淤变化。从现阶段情况看，河岸侧蚀崩塌虽属治河工程领域中倍受关注的问题，但试验研究手段和量测方法均不够，以往河床冲淤变化试验研究所采用的测量仪器多针对水下河床地形的垂向冲淤变化，而对于河岸侧蚀崩塌的方便有效测量仪器及其量测方法则非常欠缺，这已逐渐成为研究河岸侧蚀崩塌力学机制的一大技术瓶颈。

发明内容

针对这一问题，本发明将提出一种能够方便有效测量河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统及其量测方法，从而为河岸侧蚀崩塌力学机理及其预报方法的深入研究提供技术支撑。

本发明提供了如下的技术方案：

一种河岸侧蚀崩塌速率的试验测量系统，包括：河岸模型上的示踪网格、拍摄装置和图像处理系统；所述拍摄装置的拍摄范围覆盖所述河岸模型上的示踪网格，所述拍摄装置与所述图像处理系统相连接。

进一步的，所述河岸模型上的示踪网格上涂有白色示踪剂。

进一步的，图像处理系统包括：图像采样模块、图像分割模块、崩岸点识别模块、坐标提取模块和坐标转换模块；

所述图像采样模块采集所述拍摄装置拍摄的图像信息；

所述图像分割模块通过对图像进行分割处理，形成二值化图像；

所述崩岸点识别模块对分割后的图像进行崩岸点识别；

所述坐标提取模块提取出河岸侧蚀崩塌后的最新岸线网格节点位置坐标；

所述坐标转换模块将提取到的最新岸线网格节点位置坐标与初始岸线位置坐标对比，计算出河岸侧蚀崩退距离；然后用河岸侧蚀崩退距离除以时间间隔，便可获得河岸侧蚀崩塌速率。

一种河岸侧蚀崩塌速率的试验量测方法，包括如下步骤：

S1、试验准备，用颜色较深的模型沙精确制作出河岸侧蚀崩塌模型，所述河岸侧蚀崩塌模型侧面为具有倾角的梯型；然后在迎水面岸坡上用白色示踪剂进行均匀网格标记，形成等间距示踪网格，白色示踪剂由滑石粉掺兑20～40％左右的水搅拌而成，然后将白色示踪剂装入塑料瓶内，并在瓶盖上用针尖开一小孔，使得白色示踪剂可以挤射出为准，均匀网格事先通过尺子在岸坡上用细线标出，然后再用白色示踪剂进行逐一标示，从而形成等间距的白色示踪网格，其中纵向网格线尽量设置为垂直水流流向，亦即平行于河岸侧蚀崩退方向；最后，将拍摄装置布置于水面上方，并与斜坡垂直，并采用较长焦距镜头以保证网格图像变形较小，并通过传输线将高清摄像头与计算机测量系统相连；

S2、进行侧蚀崩塌试验，采集模型网格灰度图像进行二值化处理；在河岸侧蚀崩塌试验过程中，受水流冲刷作用，迎水面岸坡不断崩退，包含白色示踪网格的土体不断坍塌入水中并被带走，通过计算机控制摄像头连续采集模型网格灰度图像，并对图像进行畸变校正；为了提取网格图像，首先需要通过下式进行二值化图像分割：

G(i,j)≥T(i,j)，G(i,j)＝255

G(i,j)＜T(i,j)，G(i,j)＝0

上式中，G(i,j)为图像中像素坐标为(i,j)处的灰度值，灰度值范围为(0-255)，0为黑色，255为白色；T(i,j)为进行二值化分割的阈值；设置该阈值时，要保证网格的连续性，同时也要尽量去除图像噪声；