CN104833570A - 一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置及其实验方法，属于桥梁水毁破坏实验研究技术领域。装置，包括槽体防回流系统、自循环系统、模拟水流系统及测试系统。实验方法：将外接水源连接至下层进水口，打开阀门，将水引入下层水箱；当水从上层水箱的喷水口溢出时，关闭阀门；将实验试件放入上层水箱内，按实验要求固定在安装位置上；将水泵出水口与上层水箱喷水口相连，启动水泵，将下层水箱内的水通过水泵抽水口抽出，并通过上层水箱的喷水口注入上层水箱，达到实验要求给定的水面高度时，关闭水泵；将水泵出水口与气液增压泵的输入端相连，并将喷水法兰连接至上层水箱的喷水口；启动水泵和螺旋式流速仪，通过多相调节器调节水流流速至实验要求的流速。

Description

一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置及其实验方法

技术领域

本发明属于桥梁水毁破坏实验研究技术领域，是涉及一种可用于模拟常水位流速和洪峰水位流速水流特性的自循环水箱装置，特别是涉及一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置及其实验方法。

背景技术

近几十年来，桥梁水毁的研究一直是涉及建筑学科和水利学科的跨学科前沿课题。国内外现有的水槽一般由环形水槽、剪切环和驱动三部分组成。1986年，天津水运工程科学研究所自制了环形水槽，利用该水槽研究了港口泥沙水利特性，计算分析河道泥沙运动现象。2012年，河海大学申请了一种双向环形水槽系统，该水槽宽200mm、高500mm，精度为1.0cm/s，流速在0～120cm/s。2013年同济大学发明的环形水槽有别于其他水槽，在于它的水流线速度调节可精确到1.0mm/s，但是这些水槽都不能解决多变的工程中桥梁水毁的相关实验问题。

水槽作为一种重要的桥梁相关水毁实验工具，几十年前人们就开始运用到研究桥梁工程施工中遇到的工程难题。水槽种类繁多，形状各异，功能更是千差万别，总体来说分为自循环与外循环水槽。自循环水槽，即为水槽及其附属装置形成封闭小范围水流循环系统，通过动力系统驱使水流在水槽内循环流动。外循环水槽，必须有固定的水源，需在水槽周边设有蓄水池或其他补水设施，使用动力系统将蓄水池或补水设施内的水体驱动到水槽内，流经水槽后再排入到蓄水池或其他补水设施内，从而形成水流外流的循环系统。相比外循环水槽而言，自循环水槽具有占地面积小、附属设施简单、可控性强、成本低等优点，但是现有的自循环水槽流速较小，回流影响流区域较大，导致实验拓展面较小，实验效果不理想，不能满足模拟多变的工程现场的实验要求。水槽按形状主要包括：直水槽、环形水槽、折返式直水槽和组合式循环水槽。例如浙江大学发明的折返式直水槽、杭州大学研制的组合式循环水槽，这两种水槽虽然保留了直水槽及环形水槽的某些优点，但是构造复杂。环形水槽最早由美国麻省理工学院研制，后佛罗里达大学进行了较大的改进，虽然这些水槽装置适合模拟河道内砂石、土流动现象的相关模拟，但是都不是模拟桥梁水毁的最佳选择。

现有的最先进的自循环水槽使用电机驱动叶轮作为动力输出系统，让水在水槽内流动，但是这种方法只能产生较低的流速，而且电机驱动叶轮作为水槽动力输出系统存在众多弊端。首先，电机的转数一般只有固定的几个功率档位可供调节，也就是说叶轮的转数有固定的范围，所以产生的流速也是固定的，当电机转数较低时产生的流速范围较小，一般流速要求为0.5m/s以下；其次，当转数升到一定值后，因叶轮转数过高会对上层水箱水流产生影响，造成槽口水流流态紊乱，出现回流现象，也一定程度上影响了水力学实验的结果；第三，由于电机转数过高会产生一定的振动现象，使水槽的整体性受到影响，一旦叶轮和水槽产生振动现象，水槽内的水产生的振动将影响水流流速，影响实验的进行。因此，现有的自循环水槽及相关实验装置的效率、适用性、耐久性以及装置内水流流态的稳定性都亟待提高。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置及其实验方法，本发明可用于模拟常水位流速和洪峰水位流速时不同特征的水流，研究不同水流流速对桥梁水毁的作用效果，并可防止桥梁水毁实验时的水流回流。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置，包括槽体防回流系统、自循环系统、模拟水流系统及测试系统；

所述槽体防回流系统，包括防回流板，防回流板的下端通过旋转轴设置在上层水箱内，在上层水箱的内侧轴向对称设置有两个低压直流电机，两个低压直流电机的动力输出轴分别与两条软钢丝绳的一端相连接，软钢丝绳的另一端分别与防回流板的上端相连接；所述低压直流电机与外接直流电机变压器相连接；

所述自循环系统，包括上层水箱、下层水箱、独立防震装置及水泵；所述上层水箱设置在下层水箱的上方，在上层水箱的左端面上设置有喷水口，在上层水箱与下层水箱之间的隔板的右侧设置有循环出水口；在下层水箱的左端面上设置有水泵抽水口，在下层水箱的右端面上设置有下层进水口，在下层进水口处设置有阀门；所述水泵设置在独立防震装置上，水泵的进水口与下层水箱的水泵抽水口相连接；

所述模拟水流系统，包括水泵、喷水法兰及具有多相调节器的气液增压泵；所述气液增压泵的输出端与喷水法兰相连接；

所述测试系统，包括若干个智能管道流量计和螺旋式流速仪；所述智能管道流量计分别设置在气液增压泵增压后的管道和喷水法兰上，螺旋式流速仪分别设置在实验试件安装位置的周围。

在所述防回流板位置的上层水箱外壁设置有固定度盘，在防回流板上设置有回流板旋转指针，所述回流板旋转指针与固定度盘相对应。

所述水泵的进水口通过连接软管和卡具与水泵抽水口相连接，水泵的出水口通过连接软管和卡具与喷水口或气液增压泵的输入端相连接。

采用所述的模拟桥梁水毁实验的水箱装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：将外接水源连接至下层进水口，打开下层水箱的阀门，将水引入下层水箱；当水从上层水箱的喷水口溢出时，关闭阀门；

步骤二：将实验试件放入上层水箱内，按实验要求固定在安装位置上；

步骤三：将水泵的出水口与上层水箱的喷水口相连接，启动水泵，将下层水箱内的水通过水泵抽水口抽出，并通过上层水箱的喷水口注入上层水箱，达到实验要求给定的水面高度时，关闭水泵；

步骤四：断开水泵出水口与喷水口之间的连接，将水泵出水口与气液增压泵的输入端相连接，并将喷水法兰连接至上层水箱的喷水口；启动水泵和螺旋式流速仪，通过多相调节器调节水流流速至实验要求的流速；根据螺旋式流速仪的读数调节防回流板，当螺旋式流速仪的读数显示上层水箱内水流无回流及侧向环流时，制动防回流板的低压直流电机，此时即可进行相关模拟实验。

本发明的有益效果：

1、本发明可用于模拟常水位流速和洪峰水位流速时不同特征的水流，研究不同水流流速对桥梁水毁的作用效果，并可防止桥梁水毁实验时的水流回流；

2、本发明适用于多种水流物理试验与教学展示试验，而且制造方便、便于装卸，更是模拟桥梁路桥结合部位水毁实验的有效装置；

3、本发明采用了水泵WORECHI-170F和气液增压泵STA100，并结合高精度的螺旋式流速仪实时读取上层水箱中的水流速度，水流速度测试可精度到0.1cm/s，从而获得更为精确的水流流速测定效果，准确校验了上层水箱内的实际流速，与此同时将流速范围扩大到0～360cm/s，并消除了横向环流；

4、本发明采用智能管道流量计LUGB DN-50监控向上层水箱内喷水的均匀性，并通过阀门控制水箱内水流流速，多挡切换灵活。

附图说明

图1为本发明的槽体防回流系统和自循环系统及与其相连的测试系统的结构示意图；

图2为本发明的模拟水流系统及与其相连的测试系统的结构示意图；

图3为工况5实验前的实验试件模型图；

图4为工况5破坏后的实验试件模型图；

图中：1-螺旋式流速仪，2-低压直流电机，3-软钢丝绳，4-上层水箱，5-阀门，6-下层进水口，7-循环出水口，8-回流板旋转指针，9-防回流板，10-水泵抽水口，11-喷水口，12-水泵，13-多相调节器，14-气液增压泵，15-喷水法兰，16-下层水箱，17-固定度盘，18-智能管道流量计，19-独立防震装置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。

如图1、图2所示，一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置，包括槽体防回流系统、自循环系统、模拟水流系统及测试系统；

所述槽体防回流系统，包括防回流板9，防回流板9的下端通过旋转轴设置在上层水箱4内，在上层水箱4的内侧轴向对称设置有两个小功率低压直流电机2，两个低压直流电机2的动力输出轴分别与两条软钢丝绳3的一端相连接，软钢丝绳3的另一端分别与防回流板9的上端相连接；所述低压直流电机2与外接直流电机变压器相连接；

所述自循环系统使水在上层水箱4、下层水箱16流动，从而进行水流的循环，达到节约水资源的目的，其包括上层水箱4、下层水箱16、独立防震装置19及水泵12；所述上层水箱4设置在下层水箱16的上方，在上层水箱4的左端面上设置有喷水口11，在上层水箱4与下层水箱16之间的隔板的右侧设置有循环出水口7；在下层水箱16的左端面上设置有水泵抽水口10，在下层水箱16的右端面上设置有下层进水口6，在下层进水口6处设置有阀门5；所述水泵12设置在独立防震装置19上，水泵12的进水口与下层水箱16的水泵抽水口10相连接；

所述模拟水流系统可实现不同流速水流的模拟，其包括水泵12、喷水法兰15及具有多相调节器13的气液增压泵14；所述气液增压泵14的输出端与喷水法兰15相连接；

所述测试系统，包括四个智能管道流量计18和三个螺旋式流速仪1；所述智能管道流量计18分别设置在气液增压泵14增压后的管道和喷水法兰15上，螺旋式流速仪1分别设置在实验试件安装位置的周围。智能管道流量计18用于测试进入喷水法兰15的水流和从喷水法兰15喷射出的水流流量，避免气液增压泵14和喷水法兰15的损坏；螺旋式流速仪1可实时监控上层水箱4内实验试件安装位置周围的水流流速。

在所述防回流板9位置的上层水箱4外壁设置有固定度盘17，在防回流板9上设置有回流板旋转指针8，所述回流板旋转指针8与固定度盘17相对应；防回流板9每转过一定角度，可直接从固定度盘17上读出角度值。

所述水泵12的进水口通过连接软管和卡具与水泵抽水口10相连接，水泵12的出水口通过连接软管和卡具与喷水口11或气液增压泵14的输入端相连接。

所述水泵12采用的型号为WORECHI-170F，气液增压泵14采用的型号为STA100，智能管道流量计18采用的型号为LUGB DN-50。

采用所述的模拟桥梁水毁实验的水箱装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤一：将外接水源连接至下层进水口6，打开下层水箱16的阀门5，将水引入下层水箱16；当水从上层水箱4的喷水口11溢出时，关闭阀门5；

步骤二：将实验试件放入上层水箱4内，按实验要求固定在安装位置上；

步骤三：将水泵12的出水口与上层水箱4的喷水口11相连接，启动水泵12，将下层水箱16内的水通过水泵抽水口10抽出，并通过上层水箱4的喷水口11注入上层水箱4，达到实验要求给定的水面高度时，关闭水泵12；

步骤四：断开水泵12出水口与喷水口11之间的连接，将水泵12出水口与气液增压泵14的输入端相连接，并将喷水法兰15连接至上层水箱4的喷水口11；启动水泵12和螺旋式流速仪1，通过多相调节器13调节水流流速至实验要求的流速，当水流改变时螺旋式流速仪1的读数将会改变，当满足实验要求的流速时，停止调节多相调节器13使水流流速固定；根据螺旋式流速仪1的读数调节防回流板9，即通过外接直流电机变压器向低压直流电机2输入直流电，低压直流电机2的动力输出轴转动，进而通过软钢丝绳3拉动防回流板9绕其旋转轴旋转，并通过固定度盘17和回流板旋转指针8读取防回流板9的旋转角度；当螺旋式流速仪1的读数显示上层水箱4内水流无回流及侧向环流时，制动防回流板9的低压直流电机2，此时即可进行相关模拟实验。

实施例1

本实施例中对桥梁路桥结合部位进行水毁模型试验研究。根据河床几何特征、河流流速、路桥结合部位工程特征等因素，当选择当桥台高度为5m时，几何相似比为25；当桥台高度为10m时，几何相似比为50，水流速度相似比则分别为5和7，即试验流速∶实际流速＝1∶5(或1∶7)，模型试验的流速为原型的五分之一或七分之一。设计了六种工况的相似试验，具体工况见表1。

表1 路桥结合部位的水毁模型试验工况

注：模型长度为路桥结合部位伸入河道的阻水段相似长度；水位高度为路桥结合部位伸入河道的阻水段相似高度；挑角为路桥结合部位与河流的交角；端头为路桥结合部位入水侧的形状；时间为水流冲刷时间；防护为路桥结合部位表面采用的防水毁构造措施；坡比为路桥结合部位高度与宽度的比。

试验过程为：将外接水源连接至下层进水口6，打开下层水箱16的阀门5，将水引入下层水箱16；当水从上层水箱4的喷水口11溢出时，关闭阀门5。将由硅砂、水泥及石膏拌合的路桥结合部位实验试件模型体放入上层水箱4内，按实验要求固定在安装位置上；将水泵12的出水口与上层水箱4的喷水口11相连接，经12小时稳定后，启动水泵12，将下层水箱16内的水通过水泵抽水口10抽出，并通过上层水箱4的喷水口11注入上层水箱4，达到实验要求给定的水面高度15cm(工况1、3、4、5、6)或17cm(工况2)时，关闭水泵12；断开水泵12出水口与喷水口11之间的连接，将水泵12出水口与气液增压泵14的输入端相连接，并将喷水法兰15连接至上层水箱4的喷水口11；启动水泵12和螺旋式流速仪1，水流经水泵12、气液增压泵14和喷水法兰15注入上层水箱4，应用智能管道流量计18监控水流流量的均匀性，通过多相调节器13调节水流流速至实验要求的流速并固定；根据螺旋式流速仪1的读数调节防回流板9；当螺旋式流速仪1的读数显示上层水箱4内水流无回流及侧向环流，并且水流流速达到0.3～0.6m/s时，制动防回流板9的低压直流电机2，此时即可进行桥梁水毁试验。此时开始，并记录相关试验数据。

以工况5为例，路桥结合部位水毁试验的迎水面和背水面堆积物厚度见表2，水毁破坏模型试验特征见图3和图4。

表2 路桥结合部位水毁试验工况5的堆积物情况

Claims (4)

1.一种模拟桥梁水毁实验的水箱装置，其特征在于包括槽体防回流系统、自循环系统、模拟水流系统及测试系统；

所述槽体防回流系统，包括防回流板，防回流板的下端通过旋转轴设置在上层水箱内，在上层水箱的内侧轴向对称设置有两个低压直流电机，两个低压直流电机的动力输出轴分别与两条软钢丝绳的一端相连接，软钢丝绳的另一端分别与防回流板的上端相连接；所述低压直流电机与外接直流电机变压器相连接；

所述自循环系统，包括上层水箱、下层水箱、独立防震装置及水泵；所述上层水箱设置在下层水箱的上方，在上层水箱的左端面上设置有喷水口，在上层水箱与下层水箱之间的隔板的右侧设置有循环出水口；在下层水箱的左端面上设置有水泵抽水口，在下层水箱的右端面上设置有下层进水口，在下层进水口处设置有阀门；所述水泵设置在独立防震装置上，水泵的进水口与下层水箱的水泵抽水口相连接；

所述模拟水流系统，包括水泵、喷水法兰及具有多相调节器的气液增压泵；所述气液增压泵的输出端与喷水法兰相连接；

所述测试系统，包括若干个智能管道流量计和螺旋式流速仪；所述智能管道流量计分别设置在气液增压泵增压后的管道和喷水法兰上，螺旋式流速仪分别设置在实验试件安装位置的周围。

2.根据权利要求1所述的模拟桥梁水毁实验的水箱装置，其特征在于在所述防回流板位置的上层水箱外壁设置有固定度盘，在防回流板上设置有回流板旋转指针，所述回流板旋转指针与固定度盘相对应。

3.根据权利要求1所述的模拟桥梁水毁实验的水箱装置，其特征在于所述水泵的进水口通过连接软管和卡具与水泵抽水口相连接，水泵的出水口通过连接软管和卡具与喷水口或气液增压泵的输入端相连接。

4.采用权利要求1所述的模拟桥梁水毁实验的水箱装置的实验方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一：将外接水源连接至下层进水口，打开下层水箱的阀门，将水引入下层水箱；当水从上层水箱的喷水口溢出时，关闭阀门；

步骤二：将实验试件放入上层水箱内，按实验要求固定在安装位置上；

步骤三：将水泵的出水口与上层水箱的喷水口相连接，启动水泵，将下层水箱内的水通过水泵抽水口抽出，并通过上层水箱的喷水口注入上层水箱，达到实验要求给定的水面高度时，关闭水泵；

步骤四：断开水泵出水口与喷水口之间的连接，将水泵出水口与气液增压泵的输入端相连接，并将喷水法兰连接至上层水箱的喷水口；启动水泵和螺旋式流速仪，通过多相调节器调节水流流速至实验要求的流速；根据螺旋式流速仪的读数调节防回流板，当螺旋式流速仪的读数显示上层水箱内水流无回流及侧向环流时，制动防回流板的低压直流电机，此时即可进行相关模拟实验。