CN108731893B - 一种水下振动台全向造流管道系统 - Google Patents

Abstract

一种水下振动台全向造流管道系统，涉及土木、水利等振动台与流场模拟试验技术领域，采用流线型结构以及闸门、导流叶片等控制实现了试验水池的全向造流。其次，采用“L”型汇流区既可保证水流在横向出流、回流，也可保证水流在纵向出流、回流。再次，采用导流叶片与挡板可有效实现试验区域划分与试验区水流方向的控制，在保证不同方向造流的前提下实现了水池的高效利用。最后，采用双向贯流泵且布置于造流水池下层，可保证出流水体的整流长度，流量的有效控制以及全方向造流的需求。上述功能配合水下振动台(台阵)可实现超大、超长结构物的地震‑水动力耦合试验，保证不同水流方向的快速高效加载。

Description

一种水下振动台全向造流管道系统

技术领域

本发明涉及土木、水利等振动台与流场模拟试验技术领域，是一种可实现全方向造流的管道系统。

背景技术

随着近海、海岸结构物、跨海大桥的不断修建，以及涉水工程在地震过程中破坏现象的不断发生，工程界与科学界逐渐关注水动力与地震的耦合激励机制与结构的地震响应规律。未来振动台的发展趋势逐渐由无水发展为有水，且逐渐由静水发展为动水。

在水动力当中，流(包括河流、海流)的作用不可忽略，尤其对水深较大的结构物(如深水码头、海上风电、跨海大桥等近海结构物)，流的影响程度十分显著。另外，不同的结构物，或结构物的不同流向，海流的作用程度也并不一致。比如，对于大跨桥梁桥墩，不同的海流方向会呈现串列多柱体、并列多柱体以及斜向布置多柱体的差异，其尾流的形态差异显著，流固耦合作用各不相同。目前，海流模拟装置中多采用单一的流道造出某一特定方向的正向或反向流，以模拟潮流的涨潮与退潮过程。对于海上风电等海洋结构，由于结构的轴对称特性，不同方向的海流作用差异几乎可忽略不计；对于建筑体量较小的海洋平台，则可通过试验过程中调整模型的角度实现不同海流方向的加载。因此，该类结构物可在单一流场环境中进行模型试验。然而，对于模型尺度较大的振动台(台阵)试验，尤其是大跨桥梁、水下隧道、港口码头等结构物，其结构建筑体量较大，且不同方向上的尺度差异较大，其不同方向流的作用对结构的流固耦合特性及地震响应影响相差较大，且通过试验过程中模型方向的调整实现不同方向流的模拟十分困难。

因此，有必要提出一种可实现不同方向水流模拟的装置，已满足大尺度长距离结构物的振动台试验需求。

发明内容

本申请旨在提出一种适用于土木、水利等工程领域，实现全方向造流的系统，以满足大尺度长距离结构物振动台物理模型试验需求。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种水下振动台全向造流管道系统，包括造流水池、回流口、出流口、回流管道、双向贯流泵、汇流区、闸门、闸墩、导流叶片、挡板，其中造流水池分为两层，上层是试验区域，下层是回流区域，造流水池下层回流区域包含回流口、出流口、回流管道、双向贯流泵；其中，回流口连接回流管道，回流管道再连接双向贯流泵，双向贯流泵再连接回流管道，回流管道再连接出流；汇流区下半部分连接造流水池下层，与回流口、出流口相连，上半部分连接造流水池上层，与闸门、闸墩相连；闸门、闸墩设置多个，分布在造流水池上层试验区四边，挡板设置在造流水池上层试验区，造流水池上层试验区经挡板隔水后形成了局部流场与外部流场。

进一步的，汇流区包括两个，为“L”型结构，轴对称设置于造流水池外侧，高度与造流水池上层与下层整体高度一致。汇流区中间宽两端窄，最宽处为回流管道三倍。

进一步的，回流口与出流口、汇流区均为流线型结构。回流口、出流口、回流管道、双向贯流泵的个数根据造流流速需求进行设定。

所述的闸门位于闸墩的中部，且包含自动启闭装置；闸墩的前部设置导流叶片，导流叶片由4～8片可转动钢制叶片组成，高度比闸门高度略高；根据不同的造流方向需求，导流叶片角度可进行方向调整。

进一步的，闸门、闸墩的个数、宽度、高度根据设计水深、承载能力以及试验需求进行设置。闸门、闸墩的个数在造流水池长边布置26个，短边布置13个。

所述的挡板为模块化隔构式结构物，由多个板块拼凑而成，高度是设计水深的1.25倍。

本发明的有益效果是：

一种水下振动台全向造流管道系统采用流线型结构以及闸门、导流叶片等控制实现了试验水池的全向造流，具有突出的有益效果。首先，具有流线型设计的回流口、出流口、汇流区实现水流高效地汇流、导流、整流、泄流，保证了水体在汇流过程中的压力均衡与流态稳定，也保证了水体分流过程中等量分配，实现各个管道、闸门出口流量均衡。其次，采用“L”型汇流区既可保证水流在横向出流、回流，也可保证水流在纵向出流、回流，其是实现全向造流的基础。再次，采用导流叶片与挡板可有效实现试验区域划分与试验区水流方向的控制，在保证不同方向造流的前提下实现了水池的高效利用。最后，采用双向贯流泵且布置于造流水池下层，可保证出流水体的整流长度，流量的有效控制以及全方向造流的需求。上述功能配合水下振动台(台阵)可实现超大、超长结构物的地震-水动力耦合试验，保证不同水流方向的快速高效加载。

附图说明

图1一种水下振动台全向造流管道系统横剖面图；

图2一种水下振动台全向造流管道系统下层横剖面图；

图3一种水下振动台全向造流管道系统上层横剖面图；

图4一种水下振动台全向造流管道系统纵剖面图；

图5一种水下振动台全向造流管道系统侧剖面图；

图6一种水下振动台全向造流管道系统上下斜向造流示意图；

图7一种水下振动台全向造流管道系统左右斜向造流示意图；

图中1、造流水池；2、回流口；3、出流口；4、回流管道；5、双向贯流泵；6、汇流区；7、闸门；8、闸墩；9、导流叶片；10、挡板；11、局部流场；12、外部流场。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细说明。

由附图1和附图2可知，本发明水下振动台全向造流管道系统由造流水池1、回流口2、出流口3、回流管道4、双向贯流泵5、汇流区6、闸门7、闸墩8、导流叶片9、挡板10构成。其中造流水池1分为两层，由钢筋混凝土材料建造而成，上层是试验区域，下层是回流区域，上下两层的层高根据造流能力、振动台基础、试验场地范围需求确定。

参见附图2，造流水池1下层回流区域包含回流口2、出流口3、回流管道4、双向贯流泵5；其中，回流口2连接回流管道4，回流管道4再连接双向贯流泵5，双向贯流泵5再连接回流管道4，回流管道4再连接出流3；回流口2与出流口3均为流线型设计，轨迹与水流迹线一致；回流管道4为钢管或钢筋混凝土管道，具有较强的抗渗与抗压能力，其直径根据过流能力进行确定；回流口2、出流口3、回流管道4、双向贯流泵5个数根据造流流速需求进行设定；回流口2与出流口3外端均连接汇流区6。本发明中，汇流区6包括两个，为“L”型结构，设置于造流水池1外侧，轴对称布置，高度与造流水池1(包括上层与下层)高度一致；汇流区6中间宽两端窄，最宽处为回流管道4三倍，流线型设计，利于水流的汇集、导流、整流；汇流区6为钢筋混凝土结构，具有较强的抗渗与抗压能力。

参见附图3、4和5，汇流区6下半部分连接造流水池下层，与回流口2、出流口3相连，上半部分连接造流水池1上层，与闸门7、闸墩8相连；闸门7、闸墩8设置多个，分布在造流水池1上层试验区四边，闸门7、闸墩8的个数、宽度、高度根据设计水深、承载能力以及试验需求进行设置，本发明中长边布置26个，短边布置13个；闸门7位于闸墩8的中部，且包含自动启闭装置；闸墩8的前部设置导流叶片9，导流叶片9由4～8片可转动钢制叶片组成，高度比闸门7高度略高；根据不同的造流方向需求，导流叶片9角度可进行方向调整。

参见附图1、6和7，造流水池1上层试验区设置挡板10，挡板10为模块化隔构式结构物，由多个板块拼凑而成，板块之间及板块与底部的密封要求较高，高度是设计水深的1.25倍，根据斜向造流需求，挡板10可按照指定角度、指定位置进行安装、拆卸；造流水池1上层试验区经挡板隔水后形成了局部流场11与外部流场12。

该实施例中，造流水池长134m，宽度65m，高度11m，上层试验区5m，设计水深3m，下层回流区6m；回流管道4与双向贯流泵5直径4m，总流量最大可达270m3/s；汇流区6最大宽度为12m；闸门7高度3.5m，导流叶片高度4m，闸墩8高度5m；挡板10高度4m。

参见附图1、2、6和7，本发明水下振动台全向造流管道系统运行过程中，水流由一侧汇流区6进行导流、整流与分流，其流线型结构可将水流等水量导流至回流口2；回流口2可将水体导流至回流管道4，经过双向贯流泵5的动力作用，将水体推动至出流口3，经过出流口3导流流出进入另一侧汇流区6；汇流6区的流线型结构可将水流良好汇集，减少压力失衡或较大旋涡，并将汇集的水流导流至打开的闸门7处，并由导流叶片9与挡板10控制出流方向。双向贯流泵5可实现顺向与逆向水体驱动，配合导流叶片9与挡板10，可实现任意方向流场模拟，最终实现全向造流。

Claims (5)

1.一种水下振动台全向造流管道系统，其特征是：包括造流水池(1)、回流口(2)、出流口(3)、回流管道(4)、双向贯流泵(5)、汇流区(6)、闸门(7)、闸墩(8)、导流叶片(9)、挡板(10)，其中造流水池(1)分为两层，上层是试验区域，下层是回流区域，造流水池(1)下层回流区域包含回流口(2)、出流口(3)、回流管道(4)、双向贯流泵(5)，其中，回流口(2)连接回流管道(4)，回流管道(4)再连接双向贯流泵(5)，双向贯流泵(5)再连接回流管道(4)，回流管道(4)再连接出流(3)；汇流区(6)下半部分连接造流水池下层，与回流口(2)、出流口(3)相连，上半部分连接造流水池(1)上层，与闸门(7)、闸墩(8)相连；闸门(7)、闸墩(8)设置多个，分布在造流水池(1)上层试验区四边，挡板(10)设置在造流水池(1)上层试验区，造流水池(1)上层试验区经挡板隔水后形成了局部流场(11)与外部流场(12)；

汇流区(6)包括两个，为“L”型结构，轴对称设置于造流水池(1)外侧，高度与造流水池(1)上层与下层整体高度一致；

汇流区(6)中间宽两端窄，最宽处为回流管道(4)三倍；

回流口(2)与出流口(3)、汇流区(6)均为流线型结构；

闸门(7)位于闸墩(8)的中部，且包含自动启闭装置；闸墩(8)的前部设置导流叶片(9)，导流叶片(9)由4～8片可转动钢制叶片组成，高度比闸门(7)高度略高；根据不同的造流方向需求，导流叶片(9)角度可进行方向调整。

2.根据权利要求1所述的水下振动台全向造流管道系统，其特征是：回流口(2)、出流口(3)、回流管道(4)、双向贯流泵(5)的个数根据造流流速需求进行设定。

3.根据权利要求1所述的水下振动台全向造流管道系统，其特征是：闸门(7)、闸墩(8)的个数、宽度、高度根据设计水深、承载能力以及试验需求进行设置。

4.根据权利要求3所述的水下振动台全向造流管道系统，其特征是：闸门(7)、闸墩(8)的个数在造流水池(1)长边布置26个，短边布置13个。

5.根据权利要求1所述的水下振动台全向造流管道系统，其特征是：挡板(10)为模块化隔构式结构物，由多个板块拼凑而成，高度是设计水深的1.25倍。