CN104818686B - 水库溃坝模拟实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种水库溃坝模拟实验装置，包括四节变坡水槽、高度可调的移动支撑架和轨道底座，变坡水槽下端与移动支撑架连接，移动支撑架底端设置在轨道底座上；所述四节变坡水槽分别为稳水槽、上游水槽、库区水槽和下游水槽，四节变坡水槽依次转动连接，本水库溃坝模拟实验装置可以较为精确的模拟不同上下游边界条件时水库溃坝过程，库区及上下游河道的水流特性，且装置简单，使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟实验装置，尤其涉及一种水库溃坝模拟实验装置。
背景技术
水库安全是水工建筑物设计和管理的核心问题，但是安全和经济又是相互依存，相互制约的。水库的防洪设计标准和稳定安全系数的大小，通常是由其效益大小和失事后的影响大小等因素决定，况且我国的大坝多建于上个世纪，经过近50多年的运行使得溃坝的风险逐渐增大，尤其是高库大坝，一旦失事其社会危害十分巨大，因此研究大坝的溃坝问题显得更加重要。在溃坝的理论研究上，1957年, Stoker运用特征线理论，导出了平底，无阻力棱柱体矩形河道，下游有静止水体条件下坝体瞬间全溃的溃坝洪水波理论。1970年，Su和Barnes讨论了下游无水时河道断面几何形状和河床阻力对静水体突泄运动的影响。1982年, 谢任之在吸收前人经验的基础上, 推出了可用于各种情况的瞬间全溃的坝址峰顶流量计算的“统一公式”。 在溃坝的试验研究中，M.A.Cruchaga，P.K.Stansby等对不同密度的水体在重力作用下瞬间塌落的过程进行了试验研究，Martin等进行了矩形水柱在重力作用下瞬间全溃的试验研究，并提出了相对残余水深与无量纲时间等无量纲数的概念，也取得了一定的成果，但是目前的实验装置只能实现单一影响因素对溃坝水流影响的研究，无法实现多种影响因素如上游流量水位条件、上游河床坡度及糙率、库区水位及糙率、下游河床坡度及糙率以及溃坝方式等对溃坝水流状态的影响，因此目前迫切需要一种能够实现不同上下游边界条件下不同溃坝方式时溃坝水流特性研究的实验装置。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种水库溃坝模拟实验装置，该水库溃坝模拟实验装置可以较为精确的模拟不同上下游边界条件时水库溃坝过程，库区及上下游河道的水流特性，且装置简单，使用方便。
为了解决上述技术问题，本发明的水库溃坝模拟实验装置包括四节变坡水槽、高度可调的移动支撑架和轨道底座，变坡水槽下端与移动支撑架连接，移动支撑架底端设置在轨道底座上；所述四节变坡水槽分别为稳水槽、上游水槽、库区水槽和下游水槽，四节变坡水槽依次转动连接。
所述稳水槽包括一侧开口的稳水槽本体、进水管、阀门、涡街流量计、溢流板、稳流板，溢流板和稳流板分别位于水槽上、下游，稳水槽本体一侧设置进水管，进水管上设置阀门、涡街流量计。所述上游水槽包括水槽底板、加糙板、侧板，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板。所述库区水槽包括水槽底板、加糙板、侧板、上游闸门、坝体闸门，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板，上游闸门与坝体闸门分别位于库区水槽的上、下游。所述下游水槽包括水槽底板、加糙板、侧板、下游闸门，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板，下游闸门位于下游水槽的下游处。
所述移动支撑架包括底板、滚轮、制动塞、高度可调的立柱和顶板，底板对称的两侧上各连接若干个滚轮，底板上设置使滚轮制动的制动塞和立柱，所述立柱刻有刻度标注，立柱上端连接顶板，顶板与水槽底板连接。
所述轨道底座包括底座、水平校准螺母、制动槽、轨道、第二固定螺母，所述轨道与底座通过第二固定螺母连接，底座四个角处设置水平校准螺母，制动槽位于底座上，制动槽两侧刻有刻度标，移动支撑架上的滚轮放置在轨道上，制动槽与移动支撑架上的制动塞的位置、大小相匹配。
所述水槽底板预留凹槽，加糙板插入水槽底板预留的凹槽内。
所述坝体闸门包括两个叠梁门、提手、光滑膜、连接块、止水材料，所述两个叠梁门之间通过连接块可拆卸连接，两个叠梁门之间设有止水材料，上端的叠梁门顶端设置提手，坝体闸门的上游侧黏贴光滑膜。
所述上游闸门、坝体闸门、下游闸门两侧对应的侧板上设置闸门槽，闸门槽两侧刻有刻度标注，上游闸门、坝体闸门、下游闸门均通过第三固定螺母固定。
所述侧板为透明玻璃板。
所述侧板外侧上黏贴坐标纸，坐标纸横轴方向与水槽底板平行。
采用这种水库溃坝模拟实验装置，由于四节变坡水槽依次转动连接，变坡水槽下端与移动支撑架连接，移动支撑架底端设置在轨道底座上，通过移动支撑架及变坡水槽实现水槽坡度的调节；由于两个叠梁门之间通过连接块可拆卸连接，上端的叠梁门顶端设置提手，通过叠梁门的不同抽离方式实现坝体全溃或部分溃时溃坝水流状态的模拟；由于水槽底板上可拆卸连接加糙板，通过加糙板的更换实现上下游河床糙率的改变；由于上游闸门、下游闸门两侧对应的侧板上设置闸门槽，闸门槽两侧刻有刻度标注，上游闸门、坝下游闸门均通过第三固定螺母固定，通过上、下游闸门开度的控制实现不同水位流量条件对溃坝水流影响的研究。本发明结构巧妙，操作方便，能够实现不同上下游边界条件下不同溃坝方式时溃坝水流的模拟研究。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明水库溃坝模拟实验装置的整体立面图。
图2是本发明水库溃坝模拟实验装置的整体俯视图。
图3是本发明水库溃坝模拟实验装置中移动支撑架示意图。
图4是本发明水库溃坝模拟实验装置中轨道底座局部示意图。
图5是本发明水库溃坝模拟实验装置中坝体闸门示意图。
图6是本发明水库溃坝模拟实验装置中水槽底板局部示意图。
图7是本发明水库溃坝模拟实验装置中加糙板局部示意图。
图8是本发明水库溃坝模拟实验装置中闸门槽局部示意图。
图9是本发明水库溃坝模拟实验装置中稳流板示意图。
其中有：1. 稳水槽本体；2. 溢流板；3. 稳流板；4. 第一固定螺母；5. 连杆；6.侧板；7. 坐标纸；8. 水槽底板；9. 加糙板；10. 顶板；11. 上立柱；12. 下立柱；13. 底板；14. 轨道底座；15. 上游闸门；16. 坝体闸门；17. 下游闸门；18. 固定塞；19. 滚轮；20.制动塞；21. 提手；22. 叠梁门；23. 连接块；24. 底座；25. 水平校准螺母；26. 制动槽；27. 轨道；28. 第二固定螺母；29. 闸门槽；30. 第三固定螺母。
具体实施方式
如图1至图9所示，本发明的一种水库溃坝模拟实验装置，水库溃坝模拟实验装置包括四节变坡水槽、移动支撑架和轨道底座14，变坡水槽下端与移动支撑架连接，每个变坡水槽由两个移动支撑架支撑，移动支撑架底端设置在轨道底座14上。
所述四节变坡水槽包括稳水槽、上游水槽、库区水槽和下游水槽，四节变坡水槽依次通过链接部件转动连接，链接部件包括连杆5、第一固定螺母4、连接板以及止水材料，各水槽通过连杆5连接，并通过第一固定螺母4固定，各水槽连接处设置连接板和止水材料，各节水槽可以绕其两端相应的连杆5转动，便于水槽坡度的调节。所述稳水槽包括一侧开口的稳水槽本体1、进水管、阀门、涡街流量计、溢流板2、稳流板3，溢流板2和稳流板3分别位于水槽上、下游，用于得到稳定的满足实验要求的水流，稳水槽本体1一侧设置进水管，进水管上设置阀门、涡街流量计，阀门用于控制上游入流流量，涡街流量计便于监测入流流量。所述上游水槽包括水槽底板8、加糙板9、侧板6，水槽底板8上可拆卸连接加糙板9，水槽底板8两侧上固定连接侧板6。所述库区水槽包括水槽底板8、加糙板9、侧板6、上游闸门15、坝体闸门16，水槽底板8上可拆卸连接加糙板9，水槽底板8两侧上固定连接侧板6，上游闸门15与坝体闸门16分别位于库区水槽的上、下游。所述下游水槽包括水槽底板8、加糙板9、侧板6、下游闸门17，水槽底板8上可拆卸连接加糙板9，水槽底板8两侧上固定连接侧板6，下游闸门17位于下游水槽的下游处。
上述侧板6为透明玻璃板，侧板6外侧上黏贴坐标纸7，坐标纸7横轴方向与水槽底板8平行，通过坐标纸7可以快速读取水深，水波位置等基本参数。
所述移动支撑架包括底板13、滚轮19、制动塞20、高度可调的立柱和顶板10，底板13对称的两侧上各连接若干个滚轮19，底板13上设置使滚轮19制动的制动塞20和立柱，立柱上端连接顶板10，顶板10与水槽底板8连接，所述立柱包括下立柱12与上立柱11，下立柱12与上立柱11为圆柱体，可以在下立柱12内部上下移动，并有相应的固定塞18固定，上立柱11刻有刻度标注，用于量取立柱的高度，计算相邻移动支撑架之间的相对距离，从而方便水槽坡度的计算。
所述轨道底座14包括底座24、水平校准螺母25、制动槽26、轨道27、第二固定螺母28，所述轨道27与底座24通过第二固定螺母28连接，底座24四个角处设置水平校准螺母25，制动槽26位于底座24上，移动支撑架上的滚轮19放置在轨道27上，制动槽26与移动支撑架上的制动塞20的位置相匹配。移动支撑架可以在滚轮19带动下沿着底座轨道14自由滚动，并通过制动塞20可以将移动支撑架固定在轨道27的任意位置，制动槽26两侧刻有刻度标注，便于读取相邻两个移动支撑架之间的相对距离，从而方便水槽坡度的计算。
所述水槽底板8预留凹槽，加糙板9插入水槽底板8预留的凹槽内。加糙板9尺寸与各节水槽底板8预留凹槽尺寸相符，加糙板9表面粗糙不平，通过改变表面的粗糙程度可以改变加糙板9的糙率，实验所需的加糙板9根据实验要求在实验前预先制作完成，实验时，只需将加糙板9插入水槽底板8预留的凹槽内即可，加糙板9制作、安装及拆卸方便，通过更改加糙板9有利于不同上下游河床糙率对溃坝水流的影响的研究。
所述坝体闸门16包括两个叠梁门22、提手21、光滑膜、连接块23、止水材料，所述两个叠梁门22之间通过连接块23可拆卸连接，两个叠梁门22之间设有止水材料，上端的叠梁门22顶端设置提手21，坝体闸门16的上游侧黏贴光滑膜，以减小向上抽离坝体闸门16时对库区水体的剪切作用。采用两个叠梁门22作为坝体可以模拟坝体全溃或部分馈两种工况下的溃坝水流，具体为：若两个叠梁门22之间安装连接块23，则通过提手21可以同时向上抽离两个叠梁门22，模拟坝体全溃时的溃坝水流；若两个叠梁门22之间不安装连接块23，则通过提手21只能向上抽离上端的叠梁门22，下端的叠梁门22相当于残余坝体，模拟坝体部分溃时的溃坝水流。
所述上游闸门15、坝体闸门16、下游闸门17两侧对应的侧板上设置闸门槽29，上游闸门15、坝体闸门16、下游闸门17均通过第三固定螺母30固定。通过控制闸门的高度可以控制水位，闸门槽29两侧刻有刻度标注，可以方便的读取闸门开度及相应边界处的水位。
实验装置使用步骤：本发明中涉及一种用于溃坝水流特性研究的实验装置，该装置可以实现不同上下游边界条件下不同溃坝方式时溃坝水流特性的模拟，具体包括：上游来流条件、库区水位、下游水位条件、上、下游河道及库区坡度、上、下游河道及库区糙率、坝体全溃或部分溃对溃坝水流特性的影响。
实验开始前，需要根据研究目的确定实验所需的工况，具体包括上游来流条件、库区水位、上游河道坡度及糙率，库区坡度及糙率、下游河道坡度及糙率，溃坝方式。
该装置需要在相对平整的实验场地进行，同时能够满足实验要求的供水流量及实验废水的处理，实验前需要根据实验研究的工况预制完成实验所需糙率的加糙板9。
实验开始时，将该实验装置安置在一个相对平整的实验场地，通过轨道底座14四个角上的水平校准螺母25将实验装置调平，将预制完成的满足相应糙率要求的加糙板9插入于各节水槽底板8预留的凹槽内。然后根据实验工况要求调节各节变坡水槽的坡度，一般库区水槽保持水平状态，具体调节方法为：移动支撑水槽的两个移动支撑架，使其在轨道27上来回移动，同时调节移动支撑架上立柱11的高度便于支撑水槽，通过上立柱11的刻度标尺可以读取并计算同一水槽两个支撑架之间的相对高度差，通过轨道底座14的制动槽26两侧的刻度标尺计算相邻两个移动支撑架之间的距离，则水槽坡度S=/，反复调节移动支撑架在轨道底座14的位置以及上立柱11的高度直到水槽坡度满足实验要求，通过移动支撑架下立柱12的固定塞18固定上立柱11的高度，确保移动支撑架高度不再发生变化，通过旋转移动支撑架底板13上的制动塞20，将其固定在轨道底座14上的制动槽26内，确保移动支撑架位置不再发生变化，一般建议先调节下游水槽坡度，然后依次调节库区水槽、上游水槽及稳水槽的坡度。
完成水槽坡度调节后，开启上游闸门15及坝体闸门16，将下游闸门17顶端开到实验工况所需的相应的高度，其高度值大小由闸门槽29两侧的刻度标注得到，通过第三固定螺母30将下游闸门17固定，然后通过稳水槽的进水管向下游水槽蓄水，直到下游水槽内的水位满足实验工况的要求，然后关闭坝体闸门16，继续通过稳水槽的进水管向库区水槽蓄水，直到库区水位满足实验工况的要求，库区水位值大小可以由水槽两侧透明玻璃板上黏贴的坐标纸7读取，亦可以通过坝体闸门16的闸门槽29两侧的刻度标注读取，关闭上游闸门15，待库区水槽内的水位稳定。
待库区水槽内的水体稳定后，通过作用于坝体闸门16的提手21上的力迅速向上抽离坝体闸门16，若坝体闸门16的两个叠梁门22之间有连接块23连接，此时两个叠梁门22均被快速抽离，则为坝体全溃时的溃坝水流模拟，若坝体闸门16的两个叠梁门22之间未安装连接块23，则此时只有上端的叠梁门22被抽离，则为坝体部分溃时的溃坝水流模拟，同时，通过相关设备及检测装置可以得到溃坝过程中各个位置的水流流速、压强、水位等数据，而水位、水波位置等基本数据可以通过水槽两侧透明玻璃板上的坐标纸7直接读取，从而可以进一步研究分析溃坝水流的运动规律。
上述所述的溃坝模拟未涉及到上游入流流量对溃坝水流特性的影响，若在快速抽离坝体闸门16前，开启上游闸门15，同时通过稳水槽继续向水槽内供水，进水管的流量大小由进水管阀门开度及涡街流量计监测与控制，且保证其数值大小满足实验工况的要求，然后再快速向上抽离坝体闸门16模拟溃坝过程，从而可以分析上游入流流量对溃坝水流的影响。
一组实验工况完成后，开启上游闸门15、坝体闸门16、下游闸门17，将各节水槽内的水放空，然后只需按照实验工况的要求更换加糙板9，调节各节水槽坡度以及设置相应的上下游边界条件，然后开展另一组工况的实验模拟，这里不再赘述。
本申请中没有详细说明的技术特征为现有技术。上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：包括四节变坡水槽、高度可调的移动支撑架和轨道底座，变坡水槽下端与移动支撑架连接，移动支撑架底端设置在轨道底座上；所述四节变坡水槽分别为稳水槽、上游水槽、库区水槽和下游水槽，四节变坡水槽依次转动连接；所述移动支撑架包括底板、滚轮、制动塞、高度可调的立柱和顶板，底板对称的两侧上各连接若干个滚轮，底板上设置使滚轮制动的制动塞和立柱，所述立柱刻有刻度标注，立柱上端连接顶板，顶板与水槽底板连接。
2.根据权利要求1所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述稳水槽包括一侧开口的稳水槽本体、进水管、阀门、涡街流量计、溢流板、稳流板，溢流板和稳流板分别位于稳水槽上、下游，稳水槽本体一侧设置进水管，进水管上设置阀门、涡街流量计；所述上游水槽包括水槽底板、加糙板、侧板，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板；所述库区水槽包括水槽底板、加糙板、侧板、上游闸门、坝体闸门，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板，上游闸门与坝体闸门分别位于库区水槽的上、下游；所述下游水槽包括水槽底板、加糙板、侧板、下游闸门，水槽底板上可拆卸连接加糙板，水槽底板两侧上固定连接侧板，下游闸门位于下游水槽的下游处。
3.根据权利要求1所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述轨道底座包括底座、水平校准螺母、制动槽、轨道、第二固定螺母，所述轨道与底座通过第二固定螺母连接，底座四个角处设置水平校准螺母，制动槽位于底座上，制动槽两侧刻有刻度标，移动支撑架上的滚轮放置在轨道上，制动槽与移动支撑架上的制动塞的位置、大小相匹配。
4.根据权利要求2所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述水槽底板预留凹槽，加糙板插入水槽底板预留的凹槽内。
5.根据权利要求2所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述坝体闸门包括两个叠梁门、提手、光滑膜、连接块、止水材料，所述两个叠梁门之间通过连接块可拆卸连接，两个叠梁门之间设有止水材料，上端的叠梁门顶端设置提手，坝体闸门的上游侧黏贴光滑膜。
6.根据权利要求2所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述上游闸门、坝体闸门、下游闸门两侧对应的侧板上设置闸门槽，闸门槽两侧刻有刻度标注，上游闸门、坝体闸门、下游闸门均通过第三固定螺母固定。
7.根据权利要求 2所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述侧板为透明玻璃板。
8.根据权利要求2所述的水库溃坝模拟实验装置，其特征在于：所述侧板外侧上黏贴坐标纸，坐标纸横轴方向与水槽底板平行。
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