CN204594787U - 一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，包括水垫塘和压力传感器，水垫塘包括沿水流方向可移动的箱体、箱体底部的试验段、箱体底部与试验段上下游两端间分别形成横缝的非试验段，试验段与箱体底部之间设有衬板，衬板与试验段之间形成底缝，压力传感器穿过衬板进入底缝。本实用新型不仅能够获得缝隙动水压力沿横向的分布规律，还可以测试缝隙动水压力沿纵向的分布规律；综合考虑了由横缝和纵缝灌入的水体对缝隙动水压力的影响；考虑了不同大小的扬压力对缝隙动水压力的影响；可以测量横缝或纵缝在不同止水破坏程度下的缝隙动水压力；可以模拟混凝土底板块的形变，与实际工程更相符。

Description

一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置

技术领域

本实用新型属于水利水电工程技术领域，特别涉及一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置。

背景技术

高水头、大流量下泄洪消能方式选择和设计是高坝建设的关键性技术之一，常通过坝身开孔宣泄洪水，大坝下游衬砌水垫塘消刹多余动能，避免大坝下游受到冲刷，确保河床及两岸边坡的稳定。水垫塘根据横断面的形状可分为反拱和平底两种型式。

水垫塘的稳定取决于底板块的稳定，而底板块的稳定又取决于作用在底板块上的动水压力的大小与分布。对水垫塘底板动水压力的研究包括作用在底板块上表面的表面动水压力和作用在底板块下表面的缝隙动水压力两方面。

《水力发电学报》2002年总第76期88-95页“反拱水垫塘底板缝隙中动水压强特性的试验研究”一文中，设计了溪洛渡整体水垫塘物理模型，对反拱水垫塘底板缝隙中动水压强特性进行了详细的试验研究。动水压强试验段为一条宽为6.67cm、厚为2.5cm的反拱拱圈，底板块上下游及底部设宽1-2mm的横缝及底缝。拱圈结构沿横向左右对称，在一半拱圈范围布置硅压传感器测量缝隙动水压强。通过该装置，获得了一些水垫塘缝隙中脉动压强的沿横向（拱圈方向）的分布规律。该方法存在以下缺点：

1．该装置在水垫塘水舌冲击点附近的冲击区范围内设计试验段，试验段沿横向布置传感器，只能分析缝隙动水压力沿横向的分布规律，无法获得缝隙动水压力沿纵向的分布规律，即无法获得冲击区上、下游壁射流区内缝隙动水压力的分布规律，而在壁射流区内缝隙动水压力往往大于表面动水压力，底板块受到较大的上举力，是水垫塘内失稳破坏的主要区域；

2．试验段为一条反拱拱圈，未将拱圈沿纵向分成底板块，即只在上下游设置了横缝，沿水流方向没有设置纵缝，忽略由纵缝灌入的水体对缝隙动水压力的影响，这与实际不符；

3．在上下游静水头作用下，通过基岩裂隙产生扬压力作用于底板下表面，扬压力是缝隙动水压力的重要组成部分。该装置没有考虑高坝正常泄洪消能时扬压力对缝隙动水压力的影响；也没有考虑水库检修（无水舌下泄且水垫塘内无水）的条件下，只有扬压力作用的工况，而扬压力单独作用时也有可能将底板掀翻；

4.底板块周边缝隙（横缝和纵缝）的止水破坏程度决定了灌入底板底缝水流的大小，对缝隙动水压力也会产生影响，该装置没有考虑边缝的不同止水破坏程度对缝隙动水压力的影响；

5．底板采用有机玻璃制作，实验装置中的底板不能模拟实际工程中混凝土底板的形变，不满足柯西准则，无法考虑较大冲击动水压强作用下，底板发生变形，底缝内水体压缩产生的附加缝隙动水压力。

发明内容

使用现有的试验装置量测水垫塘底板块缝隙动水压力时，无法获得缝隙动水压力沿纵向的分布规律，忽略由纵缝灌入的水体对缝隙动水压力的影响，不考虑扬压力对缝隙动水压力的影响，没有考虑边缝的不同止水破坏程度对缝隙动水压力的影响，不考虑底缝内水体压缩产生的附加缝隙动水压力。本实用新型的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种改进了的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案是：

一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，包括水垫塘和至少一个压力传感器，所述水垫塘包括沿水流方向可移动的箱体、箱体底部的试验段、箱体底部与试验段的上下游两端间分别形成横缝的两个非试验段，试验段与箱体底部之间设有衬板，所述衬板与试验段之间形成底缝，所述压力传感器穿过衬板进入底缝，所述压力传感器沿横向排列。

水垫塘是通过箱体、试验段和非试验段来模拟搭建。通过移动箱体，可以改变射入水舌与试验段的相对位置，从而不仅能够获得缝隙动水压力沿横向的分布规律，还可以测试缝隙动水压力沿纵向的分布规律。试验段位于衬板上，为便于维修和保养，衬板可以设置为可拆卸衬板。

进一步地，所述试验段沿水流方向设有至少一条纵缝，所述纵缝将试验段分割成若干底板块。

由于设置了横缝和纵缝，综合考虑了由横缝和纵缝灌入的水体对缝隙动水压力的影响。

进一步地，所述衬板上沿横向开设至少一个扬压力施加孔，扬压力施加孔通过软管与水箱连接，所述底缝通过扬压力施加孔与软管相通。

在泄洪消能或水库检修的情况下，可以通过改变水箱内的水头，从而改变作用在底板块底部的扬压力的大小。

进一步地，还包括侧壁，所述每个底板块的四边分别与侧壁相接，每个底板块分别通过侧壁与衬板围成底盒，所述的至少一个压力传感器设置在每个底盒中，与水流方向垂直的侧壁上开有连通底盒与横缝的第一缝隙，并且在第一缝隙的通路上设有控制第一缝隙相通或隔断的第一止水闸门。

进一步地，还包括侧壁，所述每个底板块的四边分别与侧壁相接，每个底板块分别通过侧壁与衬板围成底盒，所述的至少一个压力传感器设置在每个底盒中，与水流方向平行的侧壁上开有连通底盒与纵缝的第二缝隙，并且在第二缝隙的通路上设有控制第二缝隙相通或隔断的第二止水闸门。

通过改变第一止水闸门和第二止水闸门关闭或打开的数目，可以测量每个底板块的横缝或纵缝在不同止水破坏程度下的缝隙动水压力。

作为一种优选方式，每个底盒分别配有至少一个扬压力施加孔。

进一步地，还包括隔板，所述隔板上开设有若干通孔，所述隔板将所述底盒分成上下两个腔体。

隔板的作用是使施加的扬压力均匀和稳定。

进一步地，所述四边分别通过弹性材料与侧壁相接。

底板块四边与侧壁之间设有弹性材料，能够保证二者的紧密接触，在实现止水的同时，保证不影响底板块的振动位移。弹性材料可以为橡皮等。

作为一种优选方式，所述底板块由橡胶制成。

橡胶可以模拟混凝土底板块的形变，满足柯西准则，与实际工程相符，从而考虑了底缝内水体压缩产生的附加缝隙动水压力。

进一步地，还包括至少一个位移传感器，所述位移传感器穿过衬板进入底缝，所述位移传感器沿横向排列。

位移传感器可以用来测量底板块的形变，检验底板块是否发生了弹性破坏。

作为一种优选方式，包括沿水流方向设置的轨道，所述箱体底部安装有滑轮，所述箱体通过滑轮在轨道上移动。

与现有技术相比，本实用新型不仅能够获得缝隙动水压力沿横向的分布规律，还可以测试缝隙动水压力沿纵向的分布规律；综合考虑了由横缝和纵缝灌入的水体对缝隙动水压力的影响；考虑了不同大小的扬压力对缝隙动水压力的影响；可以测量横缝或纵缝在不同止水破坏程度下的缝隙动水压力；可以模拟混凝土底板块的形变，考虑了底缝内水体压缩产生的附加缝隙动水压力，与实际工程更相符。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的纵剖面图；

图2为本实用新型一实施例的俯视图；

图3为本实用新型试验段的横剖面图；

图4为图3中I部的放大图；

图5为图3中的A-A剖视图。

其中，1为地下水库，2为潜水泵，3为输水管道，4为上游水库，5为溢流表孔，6为底缝，7为回水明渠，8为试验段，9为非试验段，10为尾水闸门，11为滑轮，12为轨道，13为量水堰，14为消能孔板，15为稳水板，16为箱体，17为第一止水闸门，18为衬板，19为底板块，20为底盒，21为扬压力施加孔，22为压力传感器，23为侧壁，24为隔板，25为纵缝，26为横缝，27为橡皮，28为第二止水闸门，29为通孔，30为第一缝隙，31为第二缝隙。

具体实施方式

如图1至图5所示，本实用新型的一实施例包括水垫塘和五个压力传感器22，所述水垫塘包括沿水流方向可移动的箱体16、箱体16底部的试验段8、箱体16底部与试验段8的上下游两端间分别形成横缝26的两个非试验段9，试验段8与箱体16底部之间设有衬板18，所述衬板18与试验段8之间形成底缝6，所述压力传感器22穿过衬板18进入底缝6，所述五个压力传感器22沿横向排列。包括沿水流方向设置的轨道12，所述箱体16底部安装有滑轮11，所述箱体16通过滑轮11在轨道12上移动。为满足强度和负载要求，箱体16采用PVC板制作。为满足强度和可视化的要求，衬板18采用有机玻璃制作。

所述试验段8沿水流方向设有四条纵缝25，所述纵缝25将试验段8分割成五个底板块19。

所述衬板18上沿横向开设十个扬压力施加孔21，扬压力施加孔21通过软管与水箱连接，所述底缝6通过扬压力施加孔21与软管相通。

还包括侧壁23，所述每个底板块19的四边分别与侧壁23相接，每个底板块19分别通过侧壁23与衬板18围成底盒20，所述的五个压力传感器22分别设置在五个底盒20中，与水流方向垂直的侧壁23上开有连通底盒20与横缝26的第一缝隙30，并且在第一缝隙30的通路上设有控制第一缝隙30相通或隔断的第一止水闸门17。与水流方向平行的侧壁23上开有连通底盒20与纵缝25的第二缝隙31，并且在第二缝隙31的通路上设有控制第二缝隙31相通或隔断的第二止水闸门28。即，每个底盒20周边的两条横缝26分别通过两个第一止水闸门17来控制是否止水破坏，每个底盒20周边的两条纵缝25分别通过两个第二止水闸门28来控制是否止水破坏。

每个底盒20分别配有两个扬压力施加孔21。

还包括隔板24，所述隔板24上开设有若干通孔29，所述隔板24将所述底盒20分成上下两个腔体。

所述底板块19四边通过橡皮27与侧壁23相接。

所述底板块19由橡胶制成。

试验过程中所需要的水流由水流自循环系统提供。水流自循环系统包括地下水库1、潜水泵2、输水管道3、上游水库4、溢流表孔5、箱体16、回水明渠7。利用潜水泵2从地下水库1抽水，经输水管道3到上游水库4，通过溢流表孔5射入箱体16，水流经过箱体16末端设置的可调节开度的尾水闸门10，泄入回水明渠7，并流回地下水库1。上游水库4由钢板水箱制作，为消除输水管道3供水引起水箱内的水面波动，在输水管道3出口处设置消能孔板14；为使进入溢流表孔5的水流更加平稳，在上游水库4中部设置稳水板15。设计量水堰13的目的是测量试验流量。

将压力传感器22接信号采集仪，利用软管将水箱连至扬压力施加孔21，即可进行试验。

泄洪消能时，即水流自循环系统中有水循环流动时，通过推动箱体16在轨道12上移动，即可以改变射入水舌与试验段的相对位置，从而不仅能够获得缝隙动水压力沿横向的分布规律，还可以测试缝隙动水压力沿纵向的分布规律。

由于设置了横缝26和纵缝25，综合考虑了由横缝26和纵缝25灌入底缝6的水体对缝隙动水压力的影响。

通过改变第一止水闸门17和第二止水闸门28关闭或打开的数目，可以测量每个底板块19的横缝26或纵缝25在不同止水破坏程度下的缝隙动水压力。同时关闭两个第一止水闸门17和两个第二止水闸门28，可以模拟止水完好；随意打开两个第一止水闸门17、两个第二止水闸门28中的1个、2个、3个或4个，可以分别模拟25%、50%、75%、100%的止水破坏程度。

利用水箱向底缝6内注水，可以模拟基岩裂隙对底板块19产生的扬压力。正常泄洪消能的同时可以考虑扬压力对缝隙动水压力的影响，也可以单独考虑在水库检修（无水舌下泄且箱体16内无水）的条件下，只有扬压力作用的工况。通过改变水箱内的水头，从而改变作用在底板块19底部的扬压力的大小。

在试验过程中，为了确保试验结果的准确性，需要检测由橡胶制成的底板块19是否发生弹性破坏，此时，可以将五个压力传感器22部分或者全部替换为位移传感器，以测量底板块19的振动位移，从而得知橡胶是否发生弹性破坏、是否需要更换底板块19。也可以在本实施例结构的衬板18上加装位移传感器，在测量缝隙动水压力的同时测量底板块19的振动位移。

Claims (11)

1.一种量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，包括水垫塘和至少一个压力传感器（22），其特征在于，所述水垫塘包括沿水流方向可移动的箱体（16）、箱体（16）底部的试验段（8）、箱体（16）底部与试验段（8）的上下游两端间分别形成横缝（26）的两个非试验段（9），试验段（8）与箱体（16）底部之间设有衬板（18），所述衬板（18）与试验段（8）之间形成底缝（6），所述压力传感器（22）穿过衬板（18）进入底缝（6），所述压力传感器（22）沿横向排列。

2. 如权利要求1所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，所述试验段（8）沿水流方向设有至少一条纵缝（25），所述纵缝（25）将试验段（8）分割成若干底板块（19）。

3. 如权利要求1或2所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，所述衬板（18）上沿横向开设至少一个扬压力施加孔（21），扬压力施加孔（21）通过软管与水箱连接，所述底缝（6）通过扬压力施加孔（21）与软管相通。

4. 如权利要求2所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，还包括侧壁（23），所述每个底板块（19）的四边分别与侧壁（23）相接，每个底板块（19）分别通过侧壁（23）与衬板（18）围成底盒（20），所述的至少一个压力传感器（22）设置在每个底盒（20）中，与水流方向垂直的侧壁（23）上开有连通底盒（20）与横缝（26）的第一缝隙（30），并且在第一缝隙（30）的通路上设有控制第一缝隙（30）相通或隔断的第一止水闸门（17）。

5. 如权利要求2所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，还包括侧壁（23），所述每个底板块（19）的四边分别与侧壁（23）相接，每个底板块（19）分别通过侧壁（23）与衬板（18）围成底盒（20），所述的至少一个压力传感器（22）设置在每个底盒（20）中，与水流方向平行的侧壁（23）上开有连通底盒（20）与纵缝（25）的第二缝隙（31），并且在第二缝隙（31）的通路上设有控制第二缝隙（31）相通或隔断的第二止水闸门（28）。

6. 如权利要求4或5所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，每个底盒（20）分别配有至少一个扬压力施加孔（21）。

7. 如权利要求4或5所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，还包括隔板（24），所述隔板（24）上开设有若干通孔（29），所述隔板（24）将所述底盒（20）分成上下两个腔体。

8. 如权利要求4或5所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，所述四边分别通过弹性材料与侧壁（23）相接。

9. 如权利要求2所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，所述底板块（19）由橡胶制成。

10. 如权利要求1所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，还包括至少一个位移传感器，所述位移传感器穿过衬板（18）进入底缝（6），所述位移传感器沿横向排列。

11. 如权利要求1所述的量测水垫塘底板块缝隙动水压力的试验装置，其特征在于，包括沿水流方向设置的轨道（12），所述箱体（16）底部安装有滑轮（11），所述箱体（16）通过滑轮（11）在轨道（12）上移动。