CN103196650B - 一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，其特征在于，包括：快速提升闸门装置、上蓄水池段、涌潮段、下蓄水池段顺序连接；所述的快速提升闸门装置包括：闸门、门槽、滑轮、重物、重物支撑台、卷扬机、门槽限位器，所述的闸门、滑轮、重物由钢丝绳连接，门槽限位器在闸门升至最高位置时限制闸门滑出门槽，所述的重物支撑平台在充水准备阶段用以支撑重物，所述的卷扬机用以在试验准备阶段提升重物。属于水利工程模型试验领域。本发明要解决的技术问题是提供一种在水利模型试验中拟涌潮的装置和方法。本发明提供了的方法可以测量涌潮冲击结构物动水压力；并且具有方法可靠，测量精确，重复性好的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置和方法，尤其是一种利用快速提升闸门在通道中形成高水位，大流速冲击涌潮的方法，属于水利工程模型试验领域。
背景技术
在海岸及江河湖泊等出入口区域经常承受浪、潮等交替冲击，水工控流设施及相关建筑物承受巨大的冲击力易引发结构破坏性事故。近年来海啸事故频发，其破坏性也越来越严重，给沿岸设施造成了极其严重的破坏，全方位对超强涌潮全真模拟，真实模拟其超强冲击荷载一直成为该项试验的重大难题。目前尚无有效的方法快速简便地进行强涌潮高潮速控制模拟，仅能通过大范围水域系统及多泵系统进行低潮头、底流速涌潮模拟，由于模拟的潮头潮速强度有限，为强潮荷载的测量分析带来巨大偏差，为挡潮建筑物工程设计荷载采用带来极大误差，涌潮反演效果不明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题就是提供一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置和方法。
一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，包括快速提升闸门装置、上蓄水池段、涌潮段、下蓄水池段顺序连接。
所述的快速提升闸门装置包括：闸门、门槽、滑轮、重物、重物支撑台、门槽限位器，
所述的闸门、滑轮、重物由钢丝绳连接，门槽限位器在闸门升至最高位置时限制闸门滑出门槽，
所述的重物支撑平台在充水准备阶段用以支撑重物，
所述的卷扬机用以在试验准备阶段提升重物。
所述的上蓄水池段包括：上蓄水池、进水调节阀、出水调节门、上回水槽，所述的出水调节门上游连接上蓄水池，下游连接上回水槽。
所述的涌潮段包括：涌潮生成口、涌潮通道、涌潮通道进水调节阀、测潮装置、涌潮分流门、涌潮冲击结构物；
所述的测潮装置包括：流速仪、潮位仪；所述的涌潮冲击结构物上布设压力传感器。
所述的下蓄水池段包括：下游水池、下游进水调节阀、下回水槽。
所述的重物重量计算公式为（3～5）×[闸门重+门槽摩擦系数×ρg（上蓄水池水位-涌潮通道水位）×闸门面积]，优选地为3×[闸门重+门槽摩擦系数×ρg（上蓄水池水位-涌潮通道水位）×闸门面积]。发明人试验多个方案，配备了不同重量的重物，当重物小于上述重量时，冲量不足，闸门在打开后半段速度较慢；当重物大于上述重量时闸门撞击门槽限位器极易造成损坏。
所述的涌潮生成口的收缩角为10～15度，优选地为13度。发明人经过多个方案比较后发现：当涌潮生成口的收缩角小于10度时，基本无收缩，涌潮高度很难达到设计要求；涌潮生成口的收缩角大于15度时出口处会形成显著漩涡，涌潮在通道内行进时形态受到影响，不能满足准确模拟的需要。因此发明人发现涌潮生成口的收缩角为10～15度比较合适。
所述的涌潮通道长度是宽度的10～15倍，优选地为10倍。发明人经过多个方案比较后发现：当涌潮通道长度小于宽度的10倍时不能生成涌浪，当涌潮通道长度大于宽度的15倍时，所生成的涌浪发生明显的衰减不能满足模拟的需要。
一种在水工模型试验中测量涌潮对涌潮冲击结构物动水压力的方法，其特征在于：首先利用上述装置将涌潮冲击结构物固定在测试位置，调整上蓄水池水位使之和涌潮通道内水位形成计算获得的水位差，水位差计算公式为Δh＝v2/2g。然后通过多次试验生成涌浪确定上蓄水池水位与涌潮通道内水位差。
开始试验时，将涌潮通道水位和下游水池水位设定为设计工况水位。迅速移除支撑平台，重物下坠到一定高度时惯性冲量拉起闸门。闸门打开后上蓄水池水流迅速通过涌潮生成口产生涌潮，涌潮通过涌潮通道的约束，形成预定的潮型，潮速、潮高，冲击涌潮冲击结构物，多出的水流通过涌潮分流门分流，并通过潮头高度及流速测量仪实时监测涌潮实际数据。同时记录涌潮冲击结构物上布设的压力传感器压力值。
本发明有如下有益效果：
（1）本发明提供了一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置；
（2）本发明提供了一种在水工模型试验中测量涌潮对涌潮冲击结构物动水压力的方法；
（3）本发明具有方法可靠，测量精确，重复性好的优点。
附图说明
图1为发明装置的纵向剖面示意图；
图2为发明装置的俯视示意图；
本发明的设备包括：1上蓄水池，11重物支撑台，12重物，121卷扬机，13滑轮，14钢丝绳，13滑轮，15门槽限位器，16门槽，17闸门，18进水调节阀，19出水调节门，191上回水槽，2涌潮通道，21涌潮生成口，22涌潮通道进水调节阀，23测潮装置，24涌潮冲击结构物，25涌潮分流门，3下游水池，31下游进水调节阀，32下回水槽。
具体实施方式
实施例一
下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，包括快速提升闸门装置、上蓄水池段、涌潮段、下蓄水池段顺序连接。
所述的快速提升闸门装置包括：闸门17、门槽16、滑轮13、重物12、重物支撑台11、门槽限位器15、卷扬机121，
所述的闸门17、滑轮13、重物12由钢丝绳14连接，门槽限位器15在闸门17升至最高位置时限制闸门17滑出门槽16，
所述的重物支撑平台11在充水准备阶段用以支撑重物12，
所述的卷扬机121用以在试验准备阶段提升重物12。
所述的上蓄水池段包括：上蓄水池1、进水调节阀18、出水调节门19、上回水槽191，所述的出水调节门19上游连接上蓄水池1，下游连接上回水槽191。
所述的涌潮段包括：涌潮生成口21、涌潮通道2、涌潮通道进水调节阀22、测潮装置23、涌潮分流门25、涌潮冲击结构物24；
所述的测潮装置23包括：流速仪、潮位仪；所述的涌潮冲击结构物24上布设压力传感器。
所述的下蓄水池段包括：下游水池3、下游进水调节阀31、下回水槽32。
所述的重物重量计算公式为3×[闸门重+（上蓄水池水位-涌潮通道水位）×门槽摩擦系数]。
所述的涌潮通道长度是宽度的10倍。
所述的涌潮生成口的收缩角为13度。
一种在水工模型试验中测量涌潮对涌潮冲击结构物动水压力的方法：
a.利用一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置将涌潮冲击结构物24固定在测试位置，调整上蓄水池1水位使之和涌潮通道2内水位形成计算获得的水位差，水位差计算公式为Δh＝v2/2g。然后通过多次试验生成涌浪确定上蓄水池1水位与涌潮通道2内水位差；
b.开始试验时，将涌潮通道2水位和下游水池3水位设定为设计工况水位；
c.迅速移除重物支撑台11，重物12下坠到一定高度时惯性冲量拉起闸门17；
d.闸门打开后上蓄水池1水流迅速通过涌潮生成口21产生涌潮，涌潮通过涌潮通道2的约束，形成预定的潮型，潮速、潮高，冲击涌潮冲击结构物24，多出的水流通过涌潮分流门25分流，并通过测潮装置23实时监测涌潮实际数据；
e.同时记录涌潮冲击结构物24上布设的压力传感器压力值。
实施例二
一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，包括快速提升闸门装置、上蓄水池段、涌潮段、下蓄水池段顺序连接。
所述的快速提升闸门装置包括：闸门17、门槽16、滑轮13、重物12、重物支撑台11、门槽限位器15、卷扬机121，
所述的闸门17、滑轮13、重物12由钢丝绳14连接，门槽限位器15在闸门17升至最高位置时限制闸门17滑出门槽16，
所述的重物支撑平台11在充水准备阶段用以支撑重物12，
所述的卷扬机121用以在试验准备阶段提升重物12。
所述的上蓄水池段包括：上蓄水池1、进水调节阀18、出水调节门19、上回水槽191，所述的出水调节门19上游连接上蓄水池1，下游连接上回水槽191。
所述的涌潮段包括：涌潮生成口21、涌潮通道2、涌潮通道进水调节阀22、测潮装置23、涌潮分流门25、涌潮冲击结构物24；
所述的测潮装置23包括：流速仪、潮位仪；所述的涌潮冲击结构物24上布设压力传感器。
所述的下蓄水池段包括：下游水池3、下游进水调节阀31、下回水槽32。
所述的重物重量计算公式为5×[闸门重+（上蓄水池水位-涌潮通道水位）×门槽摩擦系数]。
所述的涌潮通道长度是宽度的15倍。
所述的涌潮生成口的收缩角为15度。
一种在水工模型试验中测量涌潮对涌潮冲击结构物动水压力的方法：
a.利用一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置将涌潮冲击结构物24固定在测试位置，调整上蓄水池1水位使之和涌潮通道2内水位形成计算获得的水位差，水位差计算公式为Δh＝v2/2g。然后通过多次试验生成涌浪确定上蓄水池1水位与涌潮通道2内水位差；
b.开始试验时，将涌潮通道2水位和下游水池3水位设定为设计工况水位；
c.迅速移除重物支撑台11，重物12下坠到一定高度时惯性冲量拉起闸门17；
d.闸门打开后上蓄水池1水流迅速通过涌潮生成口21产生涌潮，涌潮通过涌潮通道2的约束，形成预定的潮型，潮速、潮高，冲击涌潮冲击结构物24，多出的水流通过涌潮分流门25分流，并通过测潮装置23实时监测涌潮实际数据；
e.同时记录涌潮冲击结构物24上布设的压力传感器压力值。
实施例三
本实施例其他与实施例二相同，只是所述的重物重量计算公式为4×[闸门重+（上蓄水池水位-涌潮通道水位）×门槽摩擦系数]。
实施例四
本实施例其他与实施例二相同，只是所述的涌潮通道长度是宽度的12.5倍。
实施例五
本实施例其他与实施例二相同，只是所述的涌潮生成口的收缩角为10度。
Claims (4)
1.一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，其特征在于，包括：快速提升闸门装置、上蓄水池段、涌潮段、下蓄水池段顺序连接；
所述的快速提升闸门装置包括：闸门、门槽、滑轮、重物、重物支撑平台、卷扬机、门槽限位器，
所述的闸门、滑轮、重物由钢丝绳连接，门槽限位器在闸门升至最高位置时限制闸门滑出门槽，
所述的重物支撑平台在充水准备阶段用以支撑重物，
所述的卷扬机用以在试验准备阶段提升重物；
所述的上蓄水池段包括：上蓄水池、进水调节阀、出水调节门、上回水槽，所述的出水调节门上游连接上蓄水池，下游连接上回水槽；
所述的涌潮段包括：涌潮生成口、涌潮通道、涌潮通道进水调节阀、测潮装置、涌潮分流门、涌潮冲击结构物；
所述的测潮装置包括：流速仪、潮位仪；所述的涌潮冲击结构物上布设压力传感器；
所述的下蓄水池段包括：下游水池、下游进水调节阀、下回水槽；
所述的重物重量计算公式为(3～5)×[闸门重+门槽摩擦系数×ρg(上蓄水池水位-涌潮通道水位)×闸门面积]。
2.根据权利要求1所述的一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，其特征在于：所述的涌潮生成口的收缩角为10～15度。
3.根据权利要求1所述的一种在水工模型试验中模拟涌潮的装置，其特征在于：所述的涌潮通道长度是宽度的10～15倍。
4.一种利用权利要求1-3之一所述的在水工模型试验中模拟涌潮的装置测量涌潮对涌潮冲击结构物动水压力的方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.利用所述在水工模型试验中模拟涌潮的装置将涌潮冲击结构物固定在测试位置，调整上蓄水池水位使之和涌潮通道内水位形成计算获得的水位差，
然后通过多次试验生成涌浪确定上蓄水池水位与涌潮通道内水位差；
b.开始试验时，将涌潮通道水位和下游水池水位设定为设计工况水位；
c.迅速移除重物支撑平台，重物下坠到一定高度时惯性冲量拉起闸门；
d.闸门打开后上蓄水池水流迅速通过涌潮生成口产生涌潮，涌潮通过涌潮通道的约束，形成预定的潮型，潮速、潮高，冲击涌潮冲击结构物，多出的水流通过涌潮分流门分流，并通过潮头高度及流速测量仪实时监测涌潮实际数据；
e.同时记录涌潮冲击结构物上布设的压力传感器压力值。
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