CN207295604U - 可变库容的梯级溃坝实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种可变库容的梯级溃坝实验装置，包括水槽、注水装置、水槽前池、输水管道系统、刚性坝体模型和土石坝模型，所述水槽前池设置于所述水槽上游，所述土石坝模型设置于所述水槽下游，所述刚性坝体模型设置于所述水槽前池与所述土石坝模型之间，所述水槽前池与所述刚性坝体模型之间设置至少两个库容，两个所述库容之间的水槽内设置隔板槽，所述隔板槽内用于插入用于将两个库容隔开的隔板，所述水槽上方设置用于向所述水槽前池注水的注水装置。本实用新型制作原理简单、操作方便、实用性较强，可以确保单个溃坝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。

Description

可变库容的梯级溃坝实验装置

技术领域

本实用新型涉及水力学模型实验技术领域，具体涉及一种用于溃坝问题研究中模拟可变化水库库容的拱坝溃坝及其下游土石坝梯级连锁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，刚性坝型中的拱坝一旦发生溃坝事故，往往会发生瞬间全溃；其余的刚性坝大部分仍为瞬间局部分溃；土石坝的溃决形式为逐渐溃。在实验室条件下，溃坝问题的模拟通常会配合在水槽中进行。

水库库容对溃坝洪水影响巨大，库容越大，水位越高，水库大坝瞬间全溃的洪水洪峰流量越大，流量过程越剧烈，持续时间越长，破坏力越巨大，造成的灾害往往越严重。因此，溃坝试验中有必要针对不同库容的大坝溃坝问题进行研究，评估洪水淹没损失情况，以便于预测预警，采取措施降低溃坝洪水风险。

针对瞬间全溃问题的研究，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。当模拟坝前库容变化的时候，主要是通过修建不同的水槽或对现有水库模型的库容改造完成，灵活性较差、成本较高并且难以便捷的进行对比实验。

同时，目前国内外关于溃坝方面的研究大多是针对单一大坝溃坝问题开展工作，对于梯级水库群的溃坝洪水演进问题研究较少。考虑到我国很多山区河流中梯级水利工程的开发较为普遍，并且有些河流处于地震带，常会伴随滑坡、泥石流等自然灾害，尤其易形成堰塞坝、堆石坝等实际情况，应未雨绸缪，防患于未然，对梯级坝体的溃坝洪水演进规律进行研究。

实用新型内容

本实用新型克服了现有技术的不足，提供一种可变库容的梯级溃坝实验装置，旨在通过梯级溃坝实验模拟在大坝不变而库容变化的情况下的对溃坝进行研究的问题。

考虑到现有技术的上述问题，根据本实用新型公开的一个方面，本实用新型采用以下技术方案：

一种可变库容的梯级溃坝实验装置，包括水槽、注水装置、水槽前池、输水管道系统、刚性坝体模型和土石坝模型，所述水槽前池设置于所述水槽上游，所述土石坝模型设置于所述水槽下游，所述刚性坝体模型设置于所述水槽前池与所述土石坝模型之间，所述水槽前池与所述刚性坝体模型之间设置至少两个库容，两个所述库容之间的水槽内设置隔板槽，所述隔板槽内用于插入用于将两个库容隔开的隔板，所述水槽上方设置用于向所述水槽前池注水的注水装置，所述输水管道系统设置于所述水槽下方并将第一级隔板槽和刚性坝体模型之间的第一级库容与所述水槽前池连接，所述输水管道系统包括进水口、排空阀门、流量控制阀门和出水口，所述进水口与所述水槽前池底部连接，所述出水口与所述第一级库容的底部连接，所述排空阀门和流量控制阀门依次设置于所述进水口与所述出水口之间的管道上。

为了更好地实现本实用新型，进一步的技术方案是：

根据本实用新型的一个实施方案，所述注水装置为直角三角堰。

根据本实用新型的另一个实施方案，所述水槽前池2与第一级库容8的水位差值Z满足，C_o为直角三角形薄壁堰的流量系数，H₄为堰顶水头，μ为出流流量系数，g为重力加速度，R₁为进水口14半径。

根据本实用新型的另一个实施方案，所述刚性坝体模型下部通过轴承与所述水槽底部连接，所述刚性坝体模型上部与所述固定支架装置连接，所述固定支架装置与设置于所述水槽上的支撑杆连接。

根据本实用新型的另一个实施方案，所述土石坝模型高度H₁、刚性坝体模型高度H₂、水槽高度H₃之间应满足：H₁≤H₂≤H₃。

根据本实用新型的另一个实施方案，所述注水装置泄流能力小于等于所述水槽前池下方进水口泄流能力。

本实用新型还可以是：

根据本实用新型的另一个实施方案，所述输水管道系统中进水口泄流能力小于等于排空阀门泄流能力；进水口泄流能力小于等于出水口的泄流能力。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果之一是：

本实用新型的一种可变库容的梯级溃坝实验装置，具有：1)可避免传统溃坝试验中修建不同的水槽或对现有模型改造才能完成变库容的方式，达到了坝前库容灵活变化，同时节省实验时间和实验成本的目的；2)通过预设隔板槽作为水库边界，不同部位隔板槽插入隔板作为控制水库库容的边界条件，制作原理简单、实用性较强；3)通过模拟刚性大坝及下游的土石坝模型，实现了刚性坝体瞬时溃坝与下游土石坝逐渐溃坝的连锁溃坝模型试验研究；4)本实用新型结构简单，实验方案调整及优化较为便捷，操作性强，可广泛使用于溃坝及梯级溃坝模型实验当中；5)输水系统通过不同调解阀门控制水流流量，实现入库水流流量灵活变化，从而为实验方案创造多种可选择的边界条件。

附图说明

为了更清楚的说明本申请文件实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术的描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅是对本申请文件中一些实施例的参考，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的情况下，还可以根据这些附图得到其它的附图。

图1为根据本实用新型一个实施例的可变库容的拱坝及下游土石坝梯级溃坝实验水槽装置剖视示意图。

图2为根据本实用新型一个实施例的可变库容的拱坝及下游土石坝梯级溃坝实验水槽装置的俯视示意图。

图3为图1所示梯级溃坝实验水槽装置A-A剖面图。

图4为图1所示梯级溃坝实验水槽装置B-B剖面图。

图5为图1所示梯级溃坝实验水槽装置C-C剖面图。

图6为本实用新型所述实验水槽装置的第一级隔板槽中插入隔板的示意图。

图7为本实用新型所述实验水槽装置的第二级隔板槽中插入隔板的示意图。

图8为本实用新型所述实验水槽装置中不插入隔板的示意图。

其中，附图中的附图标记所对应的名称为：

1－注水装置，2－水槽前池，3－隔墙，4－第三级库容，5－第二级隔板槽， 6－第二级库容，7－第一级隔板槽，8－第一级库容，9－支撑杆，10－提手， 11－固定支架装置，12－刚性坝体模型，13－轴承，14－进水口，15－输水管道系统，16－排空阀门，17－流量控制阀门，18－出水口，19－土石坝模型， L₁—水槽前池的长度，L₂—第二级隔板槽与水槽前池隔墙之间距离，L₃—第二级隔板槽与第一级隔板槽之间的距离，L₄—第一级隔板槽与刚性坝体模型之间的距离，L₅—刚性坝体模型与土石坝模型之间的距离，B—水槽宽度，H₁—土石坝模型高度，H₂—刚性坝体模型高度，H₃—水槽高度，H₄—三角堰堰顶水头高度，R₁—进水口半径，R₂—排空孔口半径，R₃—出水口半径。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步地详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

如图1-图8所示，一种可变库容的梯级溃坝实验装置，包括水槽、注水装置1、水槽前池2、输水管道系统15、刚性坝体模型12和土石坝模型19，所述水槽前池2设置于所述水槽上游，所述土石坝模型19设置于所述水槽下游，所述刚性坝体模型12设置于所述水槽前池2与所述土石坝模型19之间，所述水槽前池2与所述刚性坝体模型12之间设置至少两个库容，两个所述库容之间的水槽内设置隔板槽，所述隔板槽内用于插入用于将两个库容隔开的隔板，如图1 和图2所示，从刚性坝体模型12至水槽前池2之间依次设置第一级隔板槽7、第二级隔板槽5等，第一级隔板槽7与刚性坝体模型12之间为第一级库容8，第一级隔板槽7与第二级隔板槽5之间为第二级库容6，第二级隔板槽5与水槽前池2的隔墙3之间为第三级库容4，所述水槽上方设置用于向所述水槽前池2 注水的注水装置1，所述注水装置1可优选直角三角堰，刚性坝体模型12可为挡板，所述输水管道系统15设置于所述水槽下方并将第一级隔板槽7和刚性坝体模型12之间的第一级库容8与所述水槽前池2连接，所述输水管道系统15 包括进水口14、排空阀门16、流量控制阀门17和出水口18，所述进水口14与所述水槽前池2底部连接，所述出水口18与所述第一级库容8的底部连接，所述排空阀门16和流量控制阀门17依次设置于所述进水口14与所述出水口18 之间的管道上，输水管道系统15将水流输送至刚性坝体模型12的坝前水库中。

所述刚性坝体模型12下部通过轴承13与所述水槽底部连接，所述刚性坝体模型12上部与所述固定支架装置11连接，所述固定支架装置11与设置于所述水槽上的支撑杆9连接。即轴承13下端设置螺纹柱，水槽底部设置螺纹孔，轴承13 通过其下端的螺纹柱旋入所述螺纹孔内，刚性坝体模型12的下游一侧通过该轴承13进行阻挡，刚性坝体模型12上部与固定支架装置11活动连接，即固定支架装置11可通过一阻挡部卡在所述刚性坝体模型12上部，固定支架装置11与支撑杆9转动连接，在模拟溃坝的情况下，向上提支固定支架装置11，固定支架装置 11绕支撑杆9旋转，使固定支架装置11脱离刚性坝体模型12，在模拟的洪水的冲击下，刚性坝体模型12则发生溃坝。

所述注水装置1泄流能力小于等于所述水槽前池2下方进水口14的泄流能力。

所述输水管道系统15中进水口14泄流能力小于等于排空阀门16的泄流能力；进水口14泄流能力小于等于出水口18的泄流能力。

以上涉及的水槽装置中于不同位置设计了隔板槽，每个隔板槽中可以插入隔板，插入不同隔板后，模拟大坝的挡板的坝前库容不同。在第一级隔板槽7 内插入隔板后，水槽装置实验效果如附图6所示，此时坝前库容为L₄BH₂，式中 L₄为坝前的第一库容8的长度，B为水槽宽度，H₂为上游的刚性坝体模型12的高度；在第二级隔板槽5内插入隔板后，并取出第一级隔板槽7内的隔板后，水槽装置实验效果如附图7所示，此时坝前库容为(L₃+L₄)BH₂，式中L₃+L₄为坝前水库长度，L₃为第二库容的长度；不插入隔板，水槽装置实验效果如附图8 所示，此时坝前库容为(L₂+L₃+L₄)BH₂，式中L₂+L₃+L₄为坝前水库长度，L₂为第一级库容的长度，图2中的L₁为水槽前池2的长度。

试验过程中可利用直角三角堰控制来流流量，水槽前池2下方进水口14控制出流流量；三角堰流量公式为：式中:Q为流量，以m³/s计；C_o为直角三角形薄壁堰的流量系数，与三角堰的尺寸有关；H₄为堰顶水头(高度)，以m(长度单位米)计。进水口14出流公式为：式中:Q为流量，以m³/s计；μ为管嘴(进水口14)出流流量系数，g为重力加速度；A为进水口14的孔口面积，以m²计，A＝πR₁ ²，R₁为进水口14半径，以m计；Z为作用水头，即为水槽前池2水头与坝前水库水头差值(即与第一级库容8的高度差值)，以m计。为避免水淹前池，应满足：三角堰泄流能力小于等于水槽前池2 下方进水口14泄流能力；即则应控制作用水头

为实现输水管道系统中排空孔口的排空阀门16和出水口18的流量控制阀门17可联合动态调节、并且可以完全独立调节进水口14的下泄流量，孔口泄流满足：进水口14泄流能力小于等于排空孔口泄流能力；同时，进水口14泄流能力小于等于出水口18的泄流能力。实验室理想状态下，忽略水头损失及不同孔口高差，则应满足进水口14半径R₁小于等于排空孔口半径R₂，进水口14 半径R₁小于等于出水口18半径R₃，即R₁≤R₂，R₁≤R₃，式中，R₁为进水口半径， R₂为排空孔口半径，R₃为出水口半径。试验过程中，随着作用水头Z动态变化，通过调节排空阀门16和流量控制阀门17，可实现入库水流流量灵活变化，丰富了试验研究的边界条件，为对比实验研究提供了支撑。

土石坝模型19高度、刚性坝体模型12高度、水槽高度之间应满足： H₁≤H₂≤H₃；式中：H₁为土石坝模型19高度，H₂为刚性坝体模型12高度，H₃为水槽高度。

坝前水位达到某一设定值之后，通过提手10迅速提起坝体上的固定支架装置11，由于上游水压力，刚性坝体模型12倒下，水体泄向下游土石坝模型19，则可模拟上游刚性坝体溃坝与下游土石坝的连锁溃决情况。

实施例1

梯级溃坝实验水槽装置结构如图1和图2所示，输水管道系统15中直角三角堰的堰顶水头H₄高度为25cm，水槽高度H₃为50cm，刚性坝体模型12高度H₂为30cm，土石坝模型19的高度H₁为25cm；水槽前池2长度L₁为60cm，第二级隔板槽5与水槽前池2隔墙3之间距离L₂为80cm，第二级隔板槽5与第一级隔板槽7之间距离L₃为80cm，第一级隔板槽7与刚性坝体模型12之间距离L₄为80cm，刚性坝体模型12与土石坝模型19之间距离L₅为165cm；水槽宽度B为80cm；输水系统进水口14半径R₁为10cm，排空孔口半径R₂为10cm，出水口18 半径R₃为10cm。

在此情况下，插入不同隔板，水库库容可以分别为0.192m³、0.384m³、0.576 m³，实验过程中，水库库容可以在三者之间变换，实现了同一水槽中变换库容的梯级溃坝实验效果。

实施例2

输水系统中直角三角堰的堰顶水头高度H₄为40cm，水槽高度H₃为80cm，刚性坝体模型12高度H₂为60cm，土石坝模型19高度H₁为40cm；水槽前池2长度 L₁为80cm，第二级隔板槽5与水槽前池2隔墙3之间距离L₂为120cm，第二级隔板槽5与第一级隔板槽7之间距离L₃为100cm，第一级隔板槽7与刚性坝体模型12之间距离L₄为80cm，刚性坝体模型12与土石坝模型19之间距离L₅为300cm；水槽宽度B为100cm；输水系统的进水口14半径R₁为10cm，排空孔口半径R₂为15cm，出水口18半径R₃为15cm。

在此情况下，插入不同隔板，水库库容可以分别为0.48m³、1.08m³、1.8m³，实验过程中，水库库容可以在三者之间变换，实现了同一水槽中变换库容的梯级溃坝实验效果。

本实用新型避免了传统溃坝试验中修建不同的水槽或对现有模型改造完成变库容的方式，达到了坝前库容灵活变化、同时节省实验时间和实验成本的目的。本实验装置实用性强，可以确保单个坝体溃坝乃至梯级连锁溃决模型实验的顺利实施以及各项水力参数的准确性较高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分相互参见即可。

在本说明书中所谈到的“一个实施例”、“另一个实施例”、“实施例”、等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本实用新型的范围内。

尽管这里参照本实用新型的多个解释性实施例对本实用新型进行了描述，但是，应该理解，本领域技术人员可以设计出很多其他的修改和实施方式，这些修改和实施方式将落在本申请公开的原则范围和精神之内。更具体地说，在本申请公开和权利要求的范围内，可以对主题组合布局的组成部件和/或布局进行多种变型和改进。除了对组成部件和/或布局进行的变型和改进外，对于本领域技术人员来说，其他的用途也将是明显的。

Claims (7)

1.一种可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于包括水槽、注水装置(1)、水槽前池(2)、输水管道系统(15)、刚性坝体模型(12)和土石坝模型(19)，所述水槽前池(2)设置于所述水槽上游，所述土石坝模型(19)设置于所述水槽下游，所述刚性坝体模型(12)设置于所述水槽前池(2)与所述土石坝模型(19)之间，所述水槽前池(2)与所述刚性坝体模型(12)之间设置至少两个库容，两个所述库容之间的水槽内设置隔板槽，所述隔板槽内用于插入用于将两个库容隔开的隔板，所述水槽上方设置用于向所述水槽前池(2)注水的注水装置(1)，所述输水管道系统(15)设置于所述水槽下方并将第一级隔板槽(7)和刚性坝体模型(12)之间的第一级库容(8)与所述水槽前池(2)连接，所述输水管道系统(15)包括进水口(14)、排空阀门(16)、流量控制阀门(17)和出水口(18)，所述进水口(14)与所述水槽前池(2)底部连接，所述出水口(18)与所述第一级库容(8)的底部连接，所述排空阀门(16)和流量控制阀门(17)依次设置于所述进水口(14)与所述出水口(18)之间的管道上。

2.根据权利要求1所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述注水装置(1)为直角三角堰。

3.根据权利要求2所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述水槽前池2与第一级库容8的水位差值Z满足：C_o为直角三角形薄壁堰的流量系数，H₄为堰顶水头，μ为出流流量系数，g为重力加速度，R₁为进水口14半径。

4.根据权利要求1所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述刚性坝体模型(12)下部通过轴承(13)与所述水槽底部连接，所述刚性坝体模型(12)上部与固定支架装置(11)连接，所述固定支架装置(11)与设置于所述水槽上的支撑杆(9)连接。

5.根据权利要求1所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述土石坝模型(19)高度H₁、刚性坝体模型(12)高度H₂、水槽高度H₃之间应满足：H₁≤H₂≤H₃。

6.根据权利要求1所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述注水装置(1)泄流能力小于等于所述水槽前池(2)下方进水口(14)泄流能力。

7.根据权利要求1所述的可变库容的梯级溃坝实验装置，其特征在于所述输水管道系统(15)中进水口(14)泄流能力小于等于排空阀门(16)泄流能力；进水口(14)泄流能力小于等于出水口(18)的泄流能力。