CN203270511U

CN203270511U - 模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置

Info

Publication number: CN203270511U
Application number: CN 201320287174
Authority: CN
Inventors: 牛志攀; 尹庭伟; 朱红兵; 惠二青; 蒋定国
Original assignee: China Three Gorges Corp
Current assignee: China Three Gorges Corp
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2023-05-23

Abstract

本实用新型公开一种模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置。该装置包括水槽、挡板以及浮力扭动装置，其中，水槽中设置有支架；挡板通过铰链装置固定在所述水槽的底部，浮力扭动装置设置在所述支架上并且包括轴承、门闩、浮杆和浮球。其中，浮力扭动装置通过轴承固定于水槽中的支架上部，浮杆与轴承固定在一起，并且浮杆的一端通过轴承连接至门闩，另一端连接至浮球。初始阶段浮球竖直向下，挡板垂直固定在水槽中。随着坝前水位上升，浮球漂浮上升并且扭动浮杆从而扭动门闩，等到水位上升到一定程度，门闩扭动超出挡板边界，由于坝前水体的压力，挡板被瞬间压倒。该装置避免了人为因素对实验工程产生的误差，提高了瞬间全部溃坝实验的精准性和可重复性。

Description

模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置

技术领域

本实用新型属于水力学实验模型设施，具体涉及一种用于溃坝问题中模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置。

背景技术

按照溃坝的形式可把溃坝问题分为瞬间全溃、瞬间部分溃、逐渐溃三大类。一般情况下，刚性坝中的拱坝和峡谷的坝往往会发生瞬间全溃，其余的刚性坝大部分仍为瞬间局部溃，土石坝的溃决形式为逐渐溃。而在实验室条件下，溃坝问题的模拟通常会在水槽中进行。针对瞬间全溃的研究，以往的溃坝模型试验多是以挡板来模拟刚性大坝；以挡板迅速上提，或者向下跌落的方式来模拟大坝发生瞬间全部溃决的情形，属于人工开启方式。人工开启模型中的挡板会使实验重复性较差，误差较大；尤其当涉及到梯级大坝连锁溃决问题的实验研究时，准确性更差，需要的人工也较多，且操作较为混乱，给实验顺利快捷的实施造成障碍。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种快速放空的实验水槽装置，能够模拟溃坝问题中大坝瞬间全部溃决的问题。降低人为误差，提高实验的重复性。通过该装置，可以确保瞬间全溃乃至梯级连锁溃决模型实验的顺利实施以及水力学参数的准确性。

为了能够模拟大坝瞬间全部溃决，达到水库中水体在瞬间排出的效果，用来模拟大坝的挡板在溃坝实验中需要以最短时间消除其对水体的阻挡、达到全溃的效果。而对于传统的人工开启挡板方式会产生的较大误差、实验可重复性较低和精准性较差等问题，其解决的最好办法就是消除人为因素对实验过程的影响，让实验中挡板开启的方式自动进行。有鉴于此，本实用新型涉及一种模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，所述装置包括：

水槽，所述水槽中设置有支架；

挡板，所述挡板通过铰链装置固定在所述水槽的底部，以及

浮力扭动装置，所述浮力扭动装置设置在所述支架上，其包括轴承、门闩、浮杆和浮球，

其中，所述浮力扭动装置通过所述轴承固定于所述水槽中的所述支架上部，所述浮杆与所述轴承固定在一起，并且所述浮杆的一端连接至所述门闩，另一端连接至所述浮球。

优选地，初始阶段所述浮球竖直向下，所述挡板垂直固定在所述水槽中；随着坝前水位上升，所述浮球漂浮上升并且扭动所述浮杆从而扭动所述门闩；等到水位上升到一定程度，所述门闩扭动超出所述挡板的边界，由于坝前水体的压力，挡板被瞬间压倒。

优选地，所述装置还包括限制装置，使得所述浮球只能够在一侧漂浮上升。

优选地，该装置还包括两个浮力扭动装置。

优选地，浮杆的转动角度范围为0-180°。

优选地，所述轴承的中心到所述水槽的边壁的距离L₃大于浮杆的长度L₁与浮球的半径R之和，并且小于水槽宽度B的一半，即L₁+R<L₃<B/2。

优选地，所述浮球的体积V的数值满足：

其中V为浮球体积，μ为摩擦系数，L₁为动力臂，L₂为阻力臂的两倍，a为常数，a的值由水深h和水槽宽度B表示为

优选地，当浮力扭动装置满足：动力×动力臂≥阻力×阻力臂时，才能够开启门闩。

浮力扭动装置利用轴承固定于水槽中的支架上部。初始阶段浮球垂直向下，门闩将挡板固定为竖直状态，挡板与水槽底部通过铰链装置（例如：合页）固定；随着坝前水位上升到浮球最低点，浮球左右摆动；在支架上面安装限制装置，使浮球只能从两侧漂浮上升，浮球上升后开始扭动浮杆，进而扭动门闩；等到水位上升到一定程度，门闩扭动超出挡板边界，由于坝前水体的压力，挡板被瞬间压倒，即为模拟的瞬间全部溃坝过程。尤其是针对梯级瞬间溃坝问题时，使用浮力扭动装置可以节省人力，并且消除人工操作之间存在误差。

本实用新型具有以下优点：

1．快速放空的实验水槽装置中利用水体自身浮力作为开启水槽中用以模拟大坝的挡板的原始动力，辅以浮球、浮杆等组成的浮力扭动装置达到了控制挡板自动开启的效果。通过此装置，把挡板之前的水库水位作为控制挡板开启的控制条件，制作原理简单、操作方便、实用性较强。

2.在溃坝实验中坝体溃决之前，人工开启方式中经常采取在水槽两侧修建门槽来固定挡板、同时积蓄水体，一旦抽出挡板，水体下泄，两侧水槽会对溃坝水流流态造成一定影响。而本实用新型中的浮力扭动装置固定于水槽顶部，一旦溃坝，该装置仍然存在于水槽顶部，与水体无接触，对溃坝水流流态无影响。

3.一些刚性大坝的梯级连锁全部溃坝实验较为复杂，若挡板开启为人工方式（即在某一水位或某一程度开启挡板的方式）需要较多人工同时协作，同时开启过程存在较大误差，实验重复性较差。浮力扭动装置控制挡板开启方式避免了人为因素对实验工程产生的误差，提高了瞬间全部溃坝实验的精准性和可重复性。

附图说明

通过纳入本文的附图以及随后与附图一起用于说明本实用新型的某些原理的具体实施方式，本实用新型的装置所具有的其它特征和优点将变得清楚或更为具体地得以阐明。

图1是本实用新型的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置的结构示意图，描述的是水面刚刚接触到浮球的时刻；

图2是水面刚刚接触到浮球时的上游视图，挡板之前为上游，挡板之后为下游；

图3是水面刚刚接触到浮球时的下游视图；

图4是浮力扭动装置的结构示意图；

图5是图4的左视图；

图6是挡板即将开启时刻的上游视图；

图7是挡板即将开启时刻的下游视图。

主要元件符号：

1—门闩、2—浮杆、3—浮球、4—支架、5—轴承、6—限制装置、7—水槽、8—挡板、9—合页、H—水槽边墙高度、H₁—挡板高度、h—水深、B—水槽宽度、L₁—动力臂、L₂—阻力臂的两倍、d—垂直于门闩的浮杆长度、L₃—轴承中心到边墙的距离、R—浮球半径、θ—浮杆、门闩与挡板上沿的角度。

应当了解，所附附图并非按比例地显示了本实用新型的基本原理的图示性的各种特征的略微简化的画法。本文所公开的本实用新型的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，附图标记引用本实用新型的同样的或等同的部分。

具体实施方式

下面通过实施例对本实用新型作进一步说明。但所给出的实施例不能理解为对本实用新型保护范围的限制，因此根据本实用新型的内容和设计思想所做出的非本质的改进和调整也应属于本实用新型的保护范围。

根据本实用新型的一个方面，模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置包括水槽、挡板和浮力扭动装置。浮力扭动装置可包括门闩、浮杆、浮球以及轴承。浮力扭动装置通过轴承固定于所述水槽中的所述支架上部，浮杆与轴承固定在一起，并且浮杆的一端通过轴承连接至门闩，另一端连接至浮球。

初始阶段浮球开始为竖直向下，随着坝前的水位逐渐上升并且与浮球接触，浮球上升从而带动浮杆左右摆动，使得门闩左右扭动。

优选地，轴承的中心到水槽的边壁的距离L₃大于浮杆的长度L₁与浮球的半径R之和，并且小于水槽宽度B的一半，即L₁+R<L₃<B/2，因此浮球在上升过程中不会碰到水槽边壁。

优选地，该装置可具有两个以上浮力扭动装置。此外，还可具有限制装置，因此浮杆的转动角度范围为0-180°，并且使得所述浮球只能够在一侧漂浮上升。当浮力扭动装置满足：动力×动力臂≥阻力×阻力臂时，才能够开启门闩。也就是说，当水位上升到一定程度时，门闩的扭动超出了挡板的界限，挡板由于坝前水位的压力瞬间被压倒，从而实现了模拟瞬间全部溃坝的实验。其中，所述浮球的体积V的数值满足：

下面参照附图描述本实用新型的一个具体实施例。如图1中所示，在水槽7中具有支架4，利用轴承5将浮力扭动装置固定在支架4的上部。在初始阶段，浮球3垂直向下，门闩1将挡板8固定为竖直状态，并且挡板8与水槽7的底部通过合页9（图2中所示）来固定。

另外，在支架4上面还可以安装限制装置6，以限制浮球3的摆动方向。浮杆的转动角度范围最佳为180°，并且是转向一侧。在根据本实用新型的一个实施例中，该瞬间全部溃坝实验水槽装置具有两个浮力扭动装置。优选地，由于限制装置6的作用，该两个浮球只能够分别向两侧漂浮上升（如图6中所示）。

参看图2，水槽7的宽度为B，高度为H；挡板8的高度为H₁；浮球的半径为R；轴承5的中心与水槽7的边壁相距L₃；水面高度为h。此时，水面已经与浮球3的最低处相接触，浮球3仍然保持垂直。

图3显示了水面刚刚接触到浮球时的下游视图。其中，门闩1处于完全竖直的状态，并且将挡板8竖直固定在水槽中。

图4和图5显示了浮力扭动装置的结构示意图。其中，阻力臂（门闩1长度的一半）为L₂/2，动力臂（浮杆2的一端至浮球中心的长度）为L₁。因此，浮力扭动装置应该满足：动力×动力臂≥阻力×阻力臂，从而才可以开启门闩1。

在本实用新型中浮球3的浮力为动力；门闩1与固定支架4之间的摩擦力以及浮杆2自身的重力为阻力；由于浮杆2采用轻质硬性材料，可忽略其重力。鉴于此可知在水槽宽度、高度固定的情况下，浮球3入水体积与动力臂成反比，与阻力臂成正比，与门闩摩擦系数成正比。在该装置中，V的数值应满足：

其中V为浮球3的体积，μ为摩擦系数，L₁为动力臂，L₂为阻力臂的2倍，a是常数，经过受力平衡计算确定，其值由水深h和水槽宽度B表示为

另外，为了使浮球3能够自由漂浮上升而不碰到水槽壁，其与水槽7的边壁之间的距离L₃应该满足：L₁+R<L₃<B/2。

在根据本实用新型的示例性实施例中，水槽7的宽度B为90cm，高度H为70cm；挡板8的高度H₁为67cm，材料为灰塑板；门闩1长为10cm，宽为3cm，材料为不锈钢，并且门闩1与挡板8的接触部分涂抹润滑液；浮球3的半径R为10cm，L₁为25cm，L₂为10cm。由于L₁+R<L₃<B/2，因此轴承5安装在距离水槽壁35cm至45cm之间的位置上。

随着水面的上升，浮球3从两侧逐渐漂浮上升（如图6中所示）。由于在支架4上设置了限制装置6，因此浮球3只能向外侧上升。其中，夹角θ为浮杆、门闩与挡板上沿的角度。当θ减小到一定值时，挡板8自动开启，完成模拟的瞬间全部溃坝实验。

图7显示了挡板即将开启时刻的下游视图。其中，门闩1分别向两侧旋转θ，并且仅有非常小的一部分接触并且固定挡板8。

在本实施例中，当水位达到55cm且θ约为37°时，挡板8开启。

在具体实施过程中，通过调整浮球大小、浮杆长度、门闩形状、门闩与挡板相交的角度来控制门板在设定的某一水位开启。相应的，在确定浮球大小、浮杆长度、门闩形状、浮杆和门闩与挡板相交的角度的前提下，可以率定出挡板开启的水位。

前述对本实用新型的具体示例性实施例的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想穷尽本实用新型，或将本实用新型限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本实用新型的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其它技术人员能够实现并利用本实用新型的各种不同的示例性实施例以及各种不同的选择和改变。本实用新型的范围意在由所附的权利要求书及其等同形式所限定。

Claims

1.一种模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，所述装置包括：

水槽，所述水槽中设置有支架；

挡板，所述挡板通过铰链装置固定在所述水槽的底部，以及

其中，所述浮力扭动装置通过所述轴承固定于所述水槽中的所述支架上部，所述浮杆与所述轴承固定在一起，并且所述浮杆的一端通过轴承连接至所述门闩，另一端连接至所述浮球。

2.根据权利要求1所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，初始阶段所述浮球竖直向下，所述挡板垂直固定在所述水槽中；随着坝前水位上升，所述浮球漂浮上升并且扭动所述浮杆从而扭动所述门闩；等到水位上升到一定程度，所述门闩扭动超出所述挡板的边界，由于坝前水体的压力，挡板被瞬间压倒。

3.根据权利要求1所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，所述装置还包括限制装置，使得所述浮球只能够在一侧漂浮上升。

4.根据权利要求1所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，该装置还包括两个以上浮力扭动装置。

5.根据权利要求1或2所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，浮杆的转动角度范围为0-180°。

6.根据权利要求1或2所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，所述轴承的中心到所述水槽的边壁的距离L₃大于浮杆的长度L₁与浮球的半径R之和，并且小于水槽宽度B的一半，即L₁+R<L₃<B/2。

7.根据权利要求1或2所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，所述浮球的体积V的数值满足：

8.根据权利要求1或2所述的模拟瞬间全部溃坝的实验水槽装置，其特征在于，当浮力扭动装置满足：动力×动力臂≥阻力×阻力臂时，才能够开启门闩。