CN109883647B - 一种动态测量溃坝演变过程方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态测量溃坝演变过程方法及装置，属于动态测量溃坝装置领域。一种动态测量溃坝演变过程方法及装置，为有效解决小比尺溃坝试验的尺寸效应问题和大比尺溃坝试验的场地难寻、耗时长、成本高和风险大等问题，设计了该溃坝离心模型试验机构，使其可以模拟100m级高坝的溃坝过程，从而为研究尾矿库的溃决机理及其影响因素，准确测定溃坝流量过程提供了先进手段；过去的溃坝试验基本是水槽试验，一直是用摄像机记录溃坝过程，但是这种方法没办法定量记录溃坝过程中溃口的发展，比如某一时刻溃口的宽度和深度，本发明提出的新的试验箱可以解决这个问题。

Description

一种动态测量溃坝演变过程方法及装置

技术领域

本发明涉及动态测量溃坝装置领域，尤其涉及一种动态测量溃坝演变过程方法及装置。

背景技术

溃坝，即坝体溃决。是水利工程的设计管理中具有重要地位课题之一，是一种灾害性的水流现象，所以研究溃坝的过程及其机理是非常有必要的，但是由于之前试验模型尺寸普遍偏小，模型与原型的应力水平相差过大，对于强度和变形特性与应力水平显著相关的尾矿库而言，其试验结果能否合理反映尾矿库的溃决机理和溃坝过程值得商榷。在国家有关部门支持下，申请人研究团队对该动态测量溃坝演变过程方法及装置进行了深入的研究，使其可以模拟100m级高坝的溃坝过程，从而为研究尾矿库的溃决机理及其影响因素，准确测定溃坝流量过程提供了先进手段。

现有的一种动态测量溃坝演变过程方法及装置，无法解决试验模型尺寸普遍偏小，模型与原型的应力水平相差过大，动态测量溃坝过程和准确测量溃坝流量。

发明内容

本发明的目的是为了解决无法解决试验模型尺寸普遍偏小，模型与原型的应力水平相差过大，动态测量溃坝过程和准确测量溃坝流量的问题，而提出的一种动态测量溃坝演变过程方法及装置。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种动态测量溃坝演变过程方法，包括以下步骤：

S1、启动动态测量溃坝演变过程装置上的电机，通过传动机构带动超声波测距机构上下运转，带动网格化激光测点机构前后运动；

S2、启动外部超重力场提供装置带动动态测量溃坝演变过程装置在超重力场下运转，并通过外部控制系统控制进入动态测量溃坝演变过程装置中的水流量；

S3、通过动态测量溃坝演变过程装置内部设置的矩形量水堰实时测量流量Q；

S4、使用超声波测距机构通过之前预先在溃坝试验专用模型箱内部矩形量水堰堰前水头的设置的超声波测点，测量矩形量水堰堰前水头H变化情况；

S5、启动溃坝试验专用模型箱上方设置的网格化激光测点装置，并通过预先在溃坝试验专用模型箱内部坝体前后左右四侧设置的激光测点组成网格测点，测量坝体在试验过程中的实时体积V₀；

S6、将S3、S4和S5中收集的数据带入下列公式中进行换算，从而将矩形量水堰和超声波测距装置测量的数据换算出下泄流量，并结合网格化激光测点装置得到的坝体体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积，从而分析出坝体溃决全过程中的溃决机理；

式中：Q为流量；B为矩形堰宽度；N为高速伺服离心装置加速度与重力加速度g之比；H为不包括行近流速水流的堰前水头；m₀为包含行近流速影响在内的薄壁矩形堰流量系数；

式中：V为坝体原体积，V₀为坝体实时体积，Q_砂为实时流量中的砂流量。

Q＝Q_水+Q_砂。

一种动态测量溃坝演变过程装置，应用于一种动态测量溃坝演变过程方法，包括：主体框架、自动水流控制机构和溃坝离心模型试验机构；

自动水流控制机构，所述自动水流控制机构安置于主体框架中，自动水流控制机构与溃坝离心模型试验机构连接；

溃坝试验专用模型箱，所述溃坝试验专用模型箱安置于主体框架内部左侧下方，溃坝试验专用模型箱与自动水流控制机构连接。

优选地，所述自动水流控制机构包括：水源控制机构、地面水流控制机构和试验水流控制机构；

所述水源控制机构包括：直接供水箱、补偿水箱、球阀和主供水管道，所述主体框架上表面左侧固定安装有直接供水箱，所述主体框架表面中部固定安装有补偿水箱，所述直接供水箱和补偿水箱都设置有两个，且补偿水箱底部高度高于直接供水箱，所述直接供水箱和补偿水箱出口处固定安装有球阀，所述球阀与主供水管道进口固定连接，所述主供水管道上设置有地面水流控制机构，所述主供水管道出口与试验水流控制机构连接；

所述地面水流控制机构包括：手动开关阀、流量计和伺服水阀，所述主供水管道上依次固定安装有手动开关阀、流量计和伺服水阀；

所述试验水流控制机构包括：接水环、高速伺服离心装置、大臂、进水管道和配重块，所述主供水管道出口处与接水环无接触连接，所述接水环固定安装在高速伺服离心装置上方，所述接水环左侧设置有喇叭口与进水管道进口处固定连接，所述进水管道出口处与溃坝试验专用模型箱固定连接，所述高速伺服离心装置上端与大臂中部固定连接，所述大臂左端与溃坝试验专用模型箱固定连接，所述大臂右端固定安装有配重块。

优选地，所述溃坝试验专用模型箱包括：箱体、高强内螺套、连接法兰、矩形量水堰、坝体、高透明度有机玻璃板和矩形量水堰出口，所述箱体由多块高强铝合金板组合而成，所述高强度铝合金板之间采用高强内螺套螺纹连接，所述箱体前侧固定安装有高透明度有机玻璃板，所述箱体右端下侧安装有连接法兰，所述连接法兰与进水管道出口处固定连接，所述箱体内部右侧设置有坝体，所述箱体内部左端固定安装有矩形量水堰，所述箱体左侧矩形量水堰上方设置有矩形量水堰出口，所述箱体左侧上端固定安装有传动机构，所述传动机构上端固定安装有超声波测距机构固定连接，所述传动机构右侧与网格化激光测点机构固定连接，所述箱体右端下部与大臂固定连接。

优选地，所述传动机构包括：电机、传动齿轮、转动齿轮、转动轴、限位齿轮、转动半齿轮、转动杆、传动杆、固定轴、连接轴、安装板、限位轴、限位外壳、活动轴和稳定柱，所述箱体上端左侧固定安装有安装板，所述安装板中部固定安装有电机，所述电机主轴前端与传动齿轮轴心固定连接，所述传动齿轮与转动齿轮啮合连接，所述转动齿轮轴心与转动轴中部固定连接，所述转动轴左右两端靠内一侧都与限位齿轮轴心固定连接，所述限位齿轮前侧与转动半齿轮后侧啮合连接，所述转动半齿轮轴心与限位轴中部固定连接，所述限位轴左右两端与转动杆后端固定连接，所述转动杆中部与固定轴左端活动连接，所述固定轴右端与传动杆中部固定连接，所述转动杆后端与连接轴靠外一端内侧活动连接，所述连接轴靠外一端活动套接在限位外壳内部，所述限位外壳下端与箱体上端固定连接，所述传动杆前端与活动轴靠内一端固定连接，所述活动轴靠外一端活动套接在限位外壳内部，所述转动轴左右两端与稳定柱上端靠内一侧活动连接，所述稳定柱下端与箱体上端固定连接，所述传动杆后端与超声波测距机构连接，所述连接轴与网格化激光测点机构连接。

优选地，所述超声波测距机构包括：传动块、移动柱、传动轴、超声波测距装置和固定柱，所述传动杆后端与传动轴中部固定连接，所述传动轴左右两端与传动块下端左右两侧活动连接，所述传动块上端内部固定套接有移动柱，所述移动柱后端活动套接在超声波测距装置内部，所述超声波测距装置后端左右两侧与固定柱上端固定连接，所述固定柱下端与限位轴靠外一端活动连接。

优选地，所述网格化激光测点机构包括：网格化激光测点装置、滚轮轴和稳定外壳，所述连接轴另一端与网格化激光测点装置前端左右两侧固定连接，所述网格化激光测点装置前后两端左右两侧与滚轮轴靠内一端活动连接，所述滚轮轴靠外一端活动套接在稳定外壳内部，所述稳定外壳下端与箱体上端左右两侧固定连接。

与现有技术相比，本发明提供了一种动态测量溃坝演变过程方法及装置，具备以下有益效果：

1.本发明为有效解决小比尺溃坝试验的尺寸效应问题和大比尺溃坝试验的场地难寻、耗时长、成本高和风险大等问题，设计了该溃坝离心模型试验机构，使其可以模拟100m级高坝的溃坝过程，从而为研究尾矿库的溃决机理及其影响因素，准确测定溃坝流量过程提供了先进手段；过去的溃坝试验基本是水槽试验，一直是用摄像机记录溃坝过程，但是这种方法没办法定量的记录溃坝过程中溃口的发展，比如某一时刻溃口的宽度和深度，本发明提出的新的试验箱可以解决这个问题，以网格形式布置网格化激光测点装置，实时的将坝体的变化传输到电脑里，过去测量溃口流量只能通过在入口装流量计或者下游用孔压计配合量水堰来测量，但这种方法并不准确，一个是测量误差，另外一个溃坝下泄的水其实是水砂混合物，现在用超声波测距装置测量矩形量水堰处堰上水头，通过矩形量水堰来换算下泄流量，结合激光测距得到的坝体体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积。

2.本发明还设置有溃坝试验专用模型箱，将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体，矩形量水堰内嵌于箱体内，矩形量水堰前部分就是模型的一部分，有效解决了溃坝模型布置和模型测量难以协调的难题；内嵌于箱体端板的矩形量水堰测量方法，有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大、泥石与水混流情况下无法正常工作的难题，实现了溃坝全过程溃口洪水流量的精确测量。溃坝试验专用模型箱内部有效尺寸为1.2×0.4×0.8m，箱体一侧为高透明度有机玻璃板，以便于试验过程中的图像采集，其它侧面板、顶盖及底板为厚度65mm的6061T6状态高强铝合金板，面板通过螺栓连接固定，可进行拆卸，螺栓孔设有高强内螺套，面板之间的接触部位设有密封条，确保试验过程中箱体不发生漏水。

3.本发明中还设置有传动机构，通过启动电机带动传动齿轮转动，从而带动转动齿轮转动，从而带动转动轴转动，从而带动限位齿轮转动，从而带动转动半齿轮转动，从而带动转动杆围绕固定轴转动，带动传动杆转动，从而带动超声波测距装置上下移动，带动连接轴前后移动，带动网格化激光测点装置前后移动，从而可以有效的对溃坝全过程溃口洪水流量的精确测量，结合网格化激光测点装置得到的坝体体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积。

4.本发明还设置有自动水流控制机构，主要由水源控制机构、地面水流控制机构、试验水流控制机构等三部分组成水源控制机构，作用是为溃坝试验提供足量和稳定的水流。恒定水位水箱为4个内径1.5m、高1.5m的高强度不锈钢圆柱水箱，安装在试验室屋顶，水箱最大储水量约10.6吨，其中2个作为直接供水箱，用于提供试验水流，另个作为补偿水箱，用于保证直接供水箱内水位恒定。补偿水箱高于直接供水箱，利用球阀控制两者之间约0.5m的水头差。试验水源被设置在高速伺服离心装置机室外，避免了在高速伺服离心装置大臂上设置贮水箱而影响高速伺服离心装置平衡的问题，保障了高速伺服离心装置的安全运行。地面水流控制机构向上与水源控制机构相连，向下将经过流量控制的水流输入高速伺服离心装置；该系统的功能是：充分利用其不承受离心加速度作用的有利工作条件，在地面普通重力场环境下对输入高速伺服离心装置的水流量进行控制，确保在这一环节将向高速伺服离心装置内输送的水流调控好；伺服水阀用于调节进入溃坝试验专用模型箱的入流量，流量计用于测量入流量并反馈信号参与对伺服水阀的控制。溃坝试验时，打开手动开关阀，远程控制打开伺服水阀，此时水流流经流量计和伺服水阀后进入到高速伺服离心装置大臂上的接水环水槽内，之后进入溃坝试验专用模型箱；通过流量计实时测量入流量的大小，监控信号反馈至控制系统，对伺服水阀的开口进行控制，使系统中的流量处于一个精度较高的水平；试验完毕后，远程控制系统关闭伺服水阀，然后关闭手动开关阀。试验水流控制机构安装在高速伺服离心装置上，由其中的接水环是本试验系统设计的重要创新，水流经地面水流控制机构进入接水环内，固定在地面上水管与高速旋转的接水环之间为无硬件接触，有效解决了固定件与旋转件之间的接触磨损和渗漏问题；同时，接水环和高速伺服离心装置大轴同轴，试验过程中接水环与高速伺服离心装置大轴同轴进行匀速圆周运动，保证了在高速伺服离心装置超重力场下，接水环结构以及其内的水流均匀受力，不仅提高了接水环结构安全性，而且环内水流能顺畅地从喇叭口进入管道后注入溃坝试验专用模型箱，实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡；另外，通过设置水流自动化控制系统，可根据试验需求，提供不同的流量过程，达到对入流过程的精准控制。该系统能在100倍重力场下持续、稳定提供原型为100-500m³/s流量的试验水流。

附图说明

图1为本发明提出的一种动态测量溃坝演变过程装置的整体结构示意图；

图2为本发明提出的一种动态测量溃坝演变过程装置的拆分结构示意图；

图3为本发明提出的一种动态测量溃坝演变过程装置的内部拆分结构示意图；

图4为本发明提出的一种动态测量溃坝演变过程装置的内部拆分结构示意图。

图中标号说明：

1箱体、2高强内螺套、3连接法兰、4矩形量水堰、5坝体、6高透明度有机玻璃板、7矩形量水堰出口、8超声波测距装置、9网格化激光测点装置、10电机、11传动齿轮、12转动齿轮、13转动轴、14限位齿轮、15转动半齿轮、16固定柱、17转动杆、18传动杆、19固定轴、20传动块、21移动柱、22传动轴、23连接轴、24安装板、25限位轴、26限位外壳、27活动轴、28稳定柱、29滚轮轴、30稳定外壳、31主体框架、32直接供水箱、33补偿水箱、34球阀、35主供水管道、36手动开关阀、37流量计、38伺服水阀、39接水环、40高速伺服离心装置、41大臂、42进水管道、43配重块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1：

一种动态测量溃坝演变过程方法，包括以下步骤：

S1、启动动态测量溃坝演变过程装置上的电机10，通过传动机构带动超声波测距机构上下运转，带动网格化激光测点机构前后运动；

S2、启动外部超重力场提供装置带动动态测量溃坝演变过程装置在超重力场下运转，并通过外部控制系统控制进入动态测量溃坝演变过程装置中的水流量；

S3、通过动态测量溃坝演变过程装置内部设置的矩形量水堰4实时测量流量Q；

S4、使用超声波测距机构通过之前预先在溃坝试验专用模型箱内部矩形量水堰4堰前水头的设置的超声波测点，测量矩形量水堰4堰前水头H变化情况；

S5、启动溃坝试验专用模型箱上方设置的网格化激光测点装置9，并通过预先在溃坝试验专用模型箱内部坝体5前后左右四侧设置的激光测点组成网格测点，测量坝体5在试验过程中的实时体积V₀；

S6、将S3、S4和S5中收集的数据带入下列公式中进行换算，从而将矩形量水堰4和超声波测距装置8测量的数据换算出下泄流量，并结合网格化激光测点装置9得到的坝体5体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积，从而分析出坝体5溃决全过程中的溃决机理；

式中：Q为流量；B为矩形堰宽度；N为高速伺服离心装置加速度与重力加速度g之比；H为不包括行近流速水流的堰前水头；m₀为包含行近流速影响在内的薄壁矩形堰流量系数；

式中：V为坝体原体积，V₀为坝体实时体积，Q_砂为实时流量中的砂流量。

Q＝Q_水+Q_砂。

本发明为有效解决小比尺溃坝试验的尺寸效应问题和大比尺溃坝试验的场地难寻、耗时长、成本高和风险大等问题，设计了该溃坝离心模型试验机构，使其可以模拟100m级高坝的溃坝过程，从而为研究尾矿库的溃决机理及其影响因素，准确测定溃坝流量过程提供了先进手段；过去的溃坝试验基本是水槽试验，一直是用摄像机记录溃坝过程，但是这种方法没办法定量的记录溃坝过程中溃口的发展，比如某一时刻溃口的宽度和深度，本发明提出的新的试验箱可以解决这个问题，以网格形式布置网格化激光测点装置9，实时的将坝体5的变化传输到电脑里，过去测量溃口流量只能通过在入口装流量计或者下游用孔压计配合量水堰来测量，但这种方法并不准确，一个是测量误差，另外一个溃坝下泄的水其实是水砂混合物，现在用超声波测距装置8测量矩形量水堰4处堰上水头，通过矩形量水堰4来换算下泄流量，结合激光测距得到的坝体5体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积。

实施例2：基于实施例1有所不同的是；

一种动态测量溃坝演变过程装置，应用于一种动态测量溃坝演变过程方法，包括：主体框架31、自动水流控制机构和溃坝离心模型试验机构；

自动水流控制机构，自动水流控制机构安置于主体框架31中，自动水流控制机构与溃坝离心模型试验机构连接；

溃坝试验专用模型箱，溃坝试验专用模型箱安置于主体框架31内部左侧下方，溃坝试验专用模型箱与自动水流控制机构连接。

溃坝试验专用模型箱包括：箱体1、高强内螺套2、连接法兰3、矩形量水堰4、坝体5、高透明度有机玻璃板6和矩形量水堰出口7，箱体1由多块高强铝合金板组合而成，高强度铝合金板之间采用高强内螺套2螺纹连接，箱体1前侧固定安装有高透明度有机玻璃板6，箱体1右端下侧安装有连接法兰3，连接法兰3与进水管道42出口处固定连接，箱体1内部右侧设置有坝体5，箱体1内部左端固定安装有矩形量水堰4，箱体1左侧矩形量水堰4上方设置有矩形量水堰出口7，箱体1左侧上端固定安装有传动机构，传动机构上端固定安装有超声波测距机构固定连接，传动机构右侧与网格化激光测点机构固定连接，箱体1右端下部与大臂41固定连接。

本发明还设置有溃坝试验专用模型箱，将模型布置和模型测量两部分有机融合为一体，矩形量水堰4内嵌于箱体内，矩形量水堰4前部分就是模型的一部分，有效解决了溃坝模型布置和模型测量难以协调的难题；内嵌于箱体1端板的矩形量水堰4测量方法，有效解决了管道流量计在坝体溃口流量变幅大、泥石与水混流情况下无法正常工作的难题，实现了溃坝全过程溃口洪水流量的精确测量。溃坝试验专用模型箱内部有效尺寸为1.2×0.4×0.8m，箱体一侧为高透明度有机玻璃板6，以便于试验过程中的图像采集，其它侧面板、顶盖及底板为厚度65mm的6061T6状态高强铝合金板，面板通过螺栓连接固定，可进行拆卸，螺栓孔设有高强内螺套2，面板之间的接触部位设有密封条，确保试验过程中箱体不发生漏水。

实施例3：基于实施例1和2有所不同的是；

传动机构包括：电机10、传动齿轮11、转动齿轮12、转动轴13、限位齿轮14、转动半齿轮15、转动杆17、传动杆18、固定轴19、连接轴23、安装板24、限位轴25、限位外壳26、活动轴27和稳定柱28，箱体1上端左侧固定安装有安装板24，安装板24中部固定安装有电机10，电机10主轴前端与传动齿轮11轴心固定连接，传动齿轮11与转动齿轮12啮合连接，转动齿轮12轴心与转动轴13中部固定连接，转动轴13左右两端靠内一侧都与限位齿轮14轴心固定连接，限位齿轮14前侧与转动半齿轮15后侧啮合连接，转动半齿轮15轴心与限位轴25中部固定连接，限位轴25左右两端与转动杆17后端固定连接，转动杆17中部与固定轴19左端活动连接，固定轴19右端与传动杆18中部固定连接，转动杆17后端与连接轴23靠外一端内侧活动连接，连接轴23靠外一端活动套接在限位外壳26内部，限位外壳26下端与箱体1上端固定连接，传动杆18前端与活动轴27靠内一端固定连接，活动轴27靠外一端活动套接在限位外壳26内部，转动轴13左右两端与稳定柱28上端靠内一侧活动连接，稳定柱28下端与箱体1上端固定连接，传动杆18后端与超声波测距机构连接，连接轴23与网格化激光测点机构连接。

超声波测距机构包括：传动块20、移动柱21、传动轴22、超声波测距装置8和固定柱16，传动杆18后端与传动轴22中部固定连接，传动轴22左右两端与传动块20下端左右两侧活动连接，传动块20上端内部固定套接有移动柱21，移动柱21后端活动套接在超声波测距装置8内部，超声波测距装置8后端左右两侧与固定柱16上端固定连接，固定柱16下端与限位轴25靠外一端活动连接。

网格化激光测点机构包括：网格化激光测点装置9、滚轮轴29和稳定外壳30，连接轴23另一端与网格化激光测点装置9前端左右两侧固定连接，网格化激光测点装置9前后两端左右两侧与滚轮轴29靠内一端活动连接，滚轮轴29靠外一端活动套接在稳定外壳30内部，稳定外壳30下端与箱体1上端左右两侧固定连接。

本发明中还设置有传动机构，通过启动电机10带动传动齿轮11转动，从而带动转动齿轮12转动，从而带动转动轴13转动，从而带动限位齿轮14转动，从而带动转动半齿轮15转动，从而带动转动杆17围绕固定轴19转动，带动传动杆18转动，从而带动超声波测距装置8上下移动，带动连接轴23前后移动，带动网格化激光测点装置9前后移动，从而可以有效的对溃坝全过程溃口洪水流量的精确测量，结合网格化激光测点装置9得到的坝体5体积变化，可以获知下泄流量中水和砂的各自体积。

实施例4：基于实施例1、2和3有所不同的是；

自动水流控制机构包括：水源控制机构、地面水流控制机构和试验水流控制机构；

水源控制机构包括：直接供水箱32、补偿水箱33、球阀34和主供水管道35，主体框架31上表面左侧固定安装有直接供水箱32，主体框架31表面中部固定安装有补偿水箱33，直接供水箱32和补偿水箱33都设置有两个，且补偿水箱33底部高度高于直接供水箱32，直接供水箱32和补偿水箱33出口处固定安装有球阀34，球阀34与主供水管道35进口固定连接，主供水管道35上设置有地面水流控制机构，主供水管道35出口与试验水流控制机构连接；

地面水流控制机构包括：手动开关阀36、流量计37和伺服水阀38，主供水管道35上依次固定安装有手动开关阀36、流量计37和伺服水阀38；

试验水流控制机构包括：接水环39、高速伺服离心装置40、大臂41、进水管道42和配重块43，主供水管道35出口处与接水环39无接触连接，接水环39固定安装在高速伺服离心装置40上方，接水环39左侧设置有喇叭口与进水管道42进口处固定连接，进水管道42出口处与溃坝试验专用模型箱固定连接，高速伺服离心装置40上端与大臂41中部固定连接，大臂41左端与溃坝试验专用模型箱固定连接，大臂41右端固定安装有配重块43。

本发明还设置有自动水流控制机构，主要由水源控制机构、地面水流控制机构、试验水流控制机构等三部分组成水源控制机构，作用是为溃坝试验提供足量和稳定的水流。恒定水位水箱为4个内径1.5m、高1.5m的高强度不锈钢圆柱水箱，安装在试验室屋顶，水箱最大储水量约10.6吨，其中2个作为直接供水箱32，用于提供试验水流，另个作为补偿水箱33，用于保证直接供水箱32内水位恒定。补偿水箱33高于直接供水箱32，利用球阀34控制两者之间约0.5m的水头差。试验水源被设置在高速伺服离心装置40机室外，避免了在高速伺服离心装置40大臂41上设置贮水箱而影响高速伺服离心装置40平衡的问题，保障了高速伺服离心装置40的安全运行。地面水流控制机构向上与水源控制机构相连，向下将经过流量控制的水流输入高速伺服离心装置40；该系统的功能是：充分利用其不承受离心加速度作用的有利工作条件，在地面普通重力场环境下对输入高速伺服离心装置40的水流量进行控制，确保在这一环节将向高速伺服离心装置40内输送的水流调控好；伺服水阀38用于调节进入溃坝试验专用模型箱的入流量，流量计用于测量入流量并反馈信号参与对伺服水阀38的控制。溃坝试验时，打开手动开关阀36，远程控制打开伺服水阀38，此时水流流经流量计37和伺服水阀38后进入到高速伺服离心装置40大臂上41的接水环39水槽内，之后进入溃坝试验专用模型箱；通过流量计37实时测量入流量的大小，监控信号反馈至控制系统，对伺服水阀38的开口进行控制，使系统中的流量处于一个精度较高的水平；试验完毕后，远程控制系统关闭伺服水阀38，然后关闭手动开关阀36。试验水流控制机构安装在高速伺服离心装置40上，由其中的接水环39是本试验系统设计的重要创新，水流经地面水流控制机构进入接水环39内，固定在地面上水管与高速旋转的接水环39之间为无硬件接触，有效解决了固定件与旋转件之间的接触磨损和渗漏问题；同时，接水环39和高速伺服离心装置40大轴同轴，试验过程中接水环39与高速伺服离心装置40大轴同轴进行匀速圆周运动，保证了在高速伺服离心装置40超重力场下，接水环39结构以及其内的水流均匀受力，不仅提高了接水环39结构安全性，而且环内水流能顺畅地从喇叭口进入管道后注入溃坝试验专用模型箱，实现了水流在地面普通重力场和超重力场之间的平稳过渡；另外，通过设置水流自动化控制系统，可根据试验需求，提供不同的流量过程，达到对入流过程的精准控制。该系统能在100倍重力场下持续、稳定提供原型为100-500m³/s流量的试验水流。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种动态测量溃坝演变过程装置，其特征在于：应用于一种动态测量溃坝演变过程方法，包括：主体框架(31)、自动水流控制机构和溃坝试验专用模型箱；

自动水流控制机构，所述自动水流控制机构安置于主体框架(31)中，自动水流控制机构与溃坝试验专用模型箱连接；

溃坝试验专用模型箱，所述溃坝试验专用模型箱安置于主体框架(31)内部左侧下方，溃坝试验专用模型箱与自动水流控制机构连接；

所述自动水流控制机构包括：水源控制机构、地面水流控制机构和试验水流控制机构；

所述水源控制机构包括：直接供水箱(32)、补偿水箱(33)、球阀(34)和主供水管道(35)，所述主体框架(31)上表面左侧固定安装有直接供水箱(32)，所述主体框架(31)表面中部固定安装有补偿水箱(33)，所述直接供水箱(32)和补偿水箱(33)都设置有两个，且补偿水箱(33)底部高度高于直接供水箱(32)，所述直接供水箱(32)和补偿水箱(33)出口处固定安装有球阀(34)，所述球阀(34)与主供水管道(35)进口固定连接，所述主供水管道(35)上设置有地面水流控制机构，所述主供水管道(35)出口与试验水流控制机构连接；

所述地面水流控制机构包括：手动开关阀(36)、流量计(37)和伺服水阀(38)，所述主供水管道(35)上依次固定安装有手动开关阀(36)、流量计(37)和伺服水阀(38)；

所述试验水流控制机构包括：接水环(39)、高速伺服离心装置(40)、大臂(41)、进水管道(42)和配重块(43)，所述主供水管道(35)出口处与接水环(39)无接触连接，所述接水环(39)固定安装在高速伺服离心装置(40)上方，所述接水环(39)左侧设置有喇叭口与进水管道(42)进口处固定连接，所述进水管道(42)出口处与溃坝试验专用模型箱固定连接，所述高速伺服离心装置(40)上端与大臂(41)中部固定连接，所述大臂(41)左端与溃坝试验专用模型箱固定连接，所述大臂(41)右端固定安装有配重块(43)；

所述溃坝试验专用模型箱包括：箱体(1)、高强内螺套(2)、连接法兰(3)、矩形量水堰(4)、坝体(5)、高透明度有机玻璃板(6)和矩形量水堰出口(7)，所述箱体(1)由多块高强度铝合金板组合而成，所述高强度铝合金板之间采用高强内螺套(2)螺纹连接，所述箱体(1)前侧固定安装有高透明度有机玻璃板(6)，所述箱体(1)右端下侧安装有连接法兰(3)，所述连接法兰(3)与进水管道(42)出口处固定连接，所述箱体(1)内部右侧设置有坝体(5)，所述箱体(1)内部左端固定安装有矩形量水堰(4)，所述箱体(1)左侧矩形量水堰(4)上方设置有矩形量水堰出口(7)，所述箱体(1)左侧上端固定安装有传动机构，所述传动机构上端固定安装有超声波测距机构，所述传动机构右侧与网格化激光测点机构固定连接，所述箱体(1)右端下部与大臂(41)固定连接；

所述传动机构包括：电机(10)、传动齿轮(11)、转动齿轮(12)、转动轴(13)、限位齿轮(14)、转动半齿轮(15)、转动杆(17)、传动杆(18)、固定轴(19)、连接轴(23)、安装板(24)、限位轴(25)、限位外壳(26)、活动轴(27)和稳定柱(28)，所述箱体(1)上端左侧固定安装有安装板(24)，所述安装板(24)中部固定安装有电机(10)，所述电机(10)主轴前端与传动齿轮(11)轴心固定连接，所述传动齿轮(11)与转动齿轮(12)啮合连接，所述转动齿轮(12)轴心与转动轴(13)中部固定连接，所述转动轴(13)左右两端靠内一侧都与限位齿轮(14)轴心固定连接，所述限位齿轮(14)前侧与转动半齿轮(15)后侧啮合连接，所述转动半齿轮(15)轴心与限位轴(25)中部固定连接，所述限位轴(25)左右两端与转动杆(17)后端固定连接，所述转动杆(17)中部与固定轴(19)左端活动连接，所述固定轴(19)右端与传动杆(18)中部固定连接，所述转动杆(17)后端与连接轴(23)靠外一端内侧活动连接，所述连接轴(23)靠外一端活动套接在限位外壳(26)内部，所述限位外壳(26)下端与箱体(1)上端固定连接，所述传动杆(18)前端与活动轴(27)靠内一端固定连接，所述活动轴(27)靠外一端活动套接在限位外壳(26)内部，所述转动轴(13)左右两端与稳定柱(28)上端靠内一侧活动连接，所述稳定柱(28)下端与箱体(1)上端固定连接，所述传动杆(18)后端与超声波测距机构连接，所述连接轴(23)与网格化激光测点机构连接；

所述超声波测距机构包括：传动块(20)、移动柱(21)、传动轴(22)、超声波测距装置(8)和固定柱(16)，所述传动杆(18)后端与传动轴(22)中部固定连接，所述传动轴(22)左右两端与传动块(20)下端左右两侧活动连接，所述传动块(20)上端内部固定套接有移动柱(21)，所述移动柱(21)后端活动套接在超声波测距装置(8)内部，所述超声波测距装置(8)后端左右两侧与固定柱(16)上端固定连接，所述固定柱(16)下端与限位轴(25)靠外一端活动连接。

2.根据权利要求1所述的一种动态测量溃坝演变过程装置，其特征在于：所述网格化激光测点机构包括：网格化激光测点装置(9)、滚轮轴(29)和稳定外壳(30)，所述连接轴(23)另一端与网格化激光测点装置(9)前端左右两侧固定连接，所述网格化激光测点装置(9)前后两端左右两侧与滚轮轴(29)靠内一端活动连接，所述滚轮轴(29)靠外一端活动套接在稳定外壳(30)内部，所述稳定外壳(30)下端与箱体(1)上端左右两侧固定连接。

3.一种利用如权利要求1中所述的动态测量溃坝演变过程装置进行动态测量溃坝演变过程的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、启动动态测量溃坝演变过程装置上的电机(10)，通过传动机构带动超声波测距机构上下运转，带动网格化激光测点机构前后运动；

S2、启动自动水流控制机构带动动态测量溃坝演变过程装置在超重力场下运转，并通过自动水流控制机构控制进入动态测量溃坝演变过程装置中的水流量；

S3、通过动态测量溃坝演变过程装置内部设置的矩形量水堰(4)实时测量流量Q；

S4、使用超声波测距机构通过之前预先在溃坝试验专用模型箱内部矩形量水堰(4)堰前水头设置的超声波测点，测量矩形量水堰(4)堰前水头变化情况；

S5、启动溃坝试验专用模型箱上方设置的网格化激光测点装置(9)，并通过预先在溃坝试验专用模型箱内部坝体(5)前后左右四侧设置的激光测点组成网格测点，测量坝体(5)在试验过程中的实时体积；

S6、将S3、S4和S5中收集的数据带入下列公式中进行换算，从而将矩形量水堰(4)和超声波测距机构测量的数据换算出下泄流量，并结合网格化激光测点装置(9)得到的坝体(5)体积变化，获知下泄流量中水和砂的各自体积，从而分析出坝体(5)溃决全过程中的溃决机理；

式中：Q为流量；B为矩形量水堰(4)宽度；N为离心机加速度与重力加速度g之比；H为不包括行近流速水流的堰前水头；m₀为包含行近流速影响在内的矩形量水堰(4)流量系数；

式中：V为坝体原体积，V₀为坝体实时体积，Q_砂为实时流量中的砂流量；

Q＝Q_水+Q_砂。

Images