模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及水工模型試驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]2013年發(fā)布的《第一次全國(guó)水利普查公報(bào)》顯示，全國(guó)共有水庫(kù)98002座，總庫(kù)容9323.12億m3。水庫(kù)大壩對(duì)人類社會(huì)發(fā)展起到了極其重要的推動(dòng)作用，為區(qū)域防洪安全、灌溉、供水提供了保障，是我國(guó)防洪工程體系的重要組成部分。隨著時(shí)間的推移，水庫(kù)不可避免地會(huì)出現(xiàn)壩體老化和破損等現(xiàn)象，形成險(xiǎn)庫(kù)、病庫(kù)。世界水庫(kù)大壩發(fā)展進(jìn)程中，潰壩并導(dǎo)致生命財(cái)產(chǎn)重大損失的事件屢有發(fā)生，多起特大潰壩事故教訓(xùn)十分慘痛。1889年美國(guó)約翰斯敦水庫(kù)洪水漫頂垮壩，死亡4000?10000人；1953年，荷蘭的風(fēng)暴潮導(dǎo)致約900處堤防發(fā)生潰決，造成荷蘭歷史上最為慘重的一次自然災(zāi)害，死亡1835人，直接經(jīng)濟(jì)損失占荷蘭當(dāng)年GDP的14%; 1963年，意大利瓦伊昂拱壩水庫(kù)失事，死亡2600人；1979年，印度曼朱二號(hào)水庫(kù)垮壩，死亡5000?10000人。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1954?2012年我國(guó)共有3520座水庫(kù)垮壩，年均59.7座。近年來，地震事件和極端洪水等自然環(huán)境事件顯著增加，大壩發(fā)生潰決的風(fēng)險(xiǎn)不斷提高。
[0003]基于潰壩災(zāi)害的嚴(yán)重性，人們?cè)絹碓街匾晫?duì)壩體潰決機(jī)理的研究。潰壩物理模型試驗(yàn)在潰壩機(jī)理研究方面具有其它方法和手段無可比擬的優(yōu)越性，模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)是重大水利工程設(shè)計(jì)和施工的主要依據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]發(fā)明目的:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置及方法，降低潰壩模型試驗(yàn)中的人為誤差，提高實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性和精度，克服現(xiàn)有潰壩試驗(yàn)技術(shù)的不足。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置，包括壩肩、壩體、錨桿、電動(dòng)系統(tǒng)、彈簧、彈簧固定座、控制單元。所述的壩肩位于壩體的左、右兩側(cè)，壩肩的橫截面為等腰梯形，在壩肩內(nèi)部從上到下設(shè)置有若干個(gè)水平洞。所述的錨桿位于壩肩和壩體的內(nèi)部，錨桿一端為圓柱端、另一端為公接頭或母接頭，錨桿的圓柱端布設(shè)在壩肩的水平洞中，錨桿的桿身上設(shè)有凹槽。所述的凹槽設(shè)置在錨桿上靠近圓柱端的一側(cè)。所述的錨桿的直徑略小于壩肩內(nèi)水平洞的直徑，錨桿穿過絕緣盒中部預(yù)設(shè)的圓孔和壩肩內(nèi)的水平洞。所述的電動(dòng)系統(tǒng)由絕緣盒、微型電動(dòng)機(jī)和固定銷構(gòu)成。絕緣盒固定在壩肩內(nèi)部，絕緣盒中部預(yù)設(shè)有水平的圓孔，圓孔的直徑等于壩肩內(nèi)水平洞的直徑。微型電動(dòng)機(jī)設(shè)置在絕緣盒內(nèi)部，并固定在絕緣盒的底部。微型電動(dòng)機(jī)給固定銷提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。固定銷安裝在微型電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸，并卡入錨桿的凹槽。所述的彈簧固定座固定在壩肩內(nèi)部，彈簧一端固定于彈簧固定座、另一端固定于錨桿的圓柱端。所述的控制單元由單片機(jī)、電源、繼電器和配電柜構(gòu)成，控制單元安裝在壩肩外部，單片機(jī)、電源和繼電器設(shè)置在配電柜內(nèi)部，單片機(jī)的1 口通過專用線路分別與各層的繼電器相連，繼電器通過電線與微型電動(dòng)機(jī)相連，單片機(jī)控制繼電器和微型電動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)程，電源給單片機(jī)與繼電器以及微型電動(dòng)機(jī)提供所需電能。
[0006]作為優(yōu)選，所述的壩體由若干層長(zhǎng)方體組成，每一層長(zhǎng)方體又由若干個(gè)中間設(shè)有小孔的立方塊組成，同一層的立方塊之間通過一對(duì)錨桿貫穿小孔固定;壩體內(nèi)的每對(duì)錨桿均由一根帶有公接頭的錨桿和一根帶有母接頭的錨桿連接而成，公接頭與母接頭連接方式為套接，母接頭套接在公接頭上;所有相鄰的立方塊之間以及相鄰的長(zhǎng)方體之間均用止水材料密封。
[0007]作為優(yōu)選，所述的錨桿向左、右壩肩內(nèi)收縮，錨桿的收縮依靠彈簧的瞬間拉力，壩體坍塌過程不受錨桿阻力作用。
[0008]作為優(yōu)選，所述的凹槽垂直于錨桿，凹槽為圓弧形。
[0009]作為優(yōu)選，所述的微型電動(dòng)機(jī)設(shè)置在絕緣盒內(nèi)部，采用微型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。
[0010]本發(fā)明提供的技術(shù)方案還包括所述模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置的試驗(yàn)方法，包括如下步驟:
[0011]①初始，壩體在左、右兩側(cè)的壩肩、彈簧固定座、彈簧、絕緣盒、微型電動(dòng)機(jī)、固定銷、錨桿和上游水壓共同作用下保持穩(wěn)定狀態(tài)，其中，固定銷卡住錨桿的凹槽，彈簧在彈簧固定座和錨桿的共同拉力作用下處于拉伸狀態(tài)，每對(duì)錨桿通過公接頭和母接頭在壩體內(nèi)部連接形成壩體的內(nèi)部骨架；
[0012]②試驗(yàn)時(shí)，接通電源給單片機(jī)、繼電器和微型電動(dòng)機(jī)供電，單片機(jī)通電后開始執(zhí)行內(nèi)部程序，通過內(nèi)部程序控制單片機(jī)的1 口每隔一定時(shí)間間隔輸出一個(gè)高電平；
[0013]③當(dāng)繼電器接收到高電平時(shí)內(nèi)部電路導(dǎo)通，接通最上層的兩個(gè)微型電動(dòng)機(jī)電源，微型電動(dòng)機(jī)開始工作，驅(qū)動(dòng)固定銷從錨桿的凹槽向外旋轉(zhuǎn)；
[0014]④當(dāng)固定銷脫離凹槽后，固定銷對(duì)錨桿的作用力消失，在彈簧的拉力作用下，最上層的錨桿在公接頭和母接頭套接處逐漸分離，并向兩端的彈簧固定座收縮回到壩肩；
[0015]⑤在錨桿收回過程中，最上層的立方塊逐漸失去錨桿的錨固作用，在水流的靜壓力和自身重力作用下開始坍塌；
[0016]⑥單片機(jī)周期性輸出高電平，使繼電器逐層觸發(fā)，自上而下不同層微型電動(dòng)機(jī)相繼工作，固定銷相繼脫離相應(yīng)錨桿的凹槽，錨桿相繼收回到壩肩；
[0017]⑦在錨桿自上而下相繼收回的過程中，立方塊在水流沖刷和自身重力作用下逐漸坍塌，最終被沖離壩體，壩體形成自上而下的潰決效果；
[0018]按照上述相應(yīng)步驟，即可實(shí)現(xiàn)壩體逐漸潰決的模擬試驗(yàn)，通過回收立方塊和編輯單片機(jī)內(nèi)部程序，能夠進(jìn)行潰壩重復(fù)試驗(yàn)，揭示潰壩機(jī)理、分析潰壩水流水力特性。
[0019]有益效果:本發(fā)明的模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置及方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
[0020](I)本發(fā)明中的壩體潰決方式和潰決時(shí)間能夠通過單片機(jī)程序控制，增加了試驗(yàn)的靈活性，有利于研究不同失穩(wěn)條件下壩體的潰決規(guī)律，對(duì)深入揭示潰壩孕育過程和潰決機(jī)理有重要意義。
[0021 ] (2)本發(fā)明中的壩體由若干層長(zhǎng)方體組成，每一層長(zhǎng)方體又由若干個(gè)立方塊組成，立方塊所用材料及其特征決定了壩體的類型和特征。立方塊的材料既可以是混凝土，也可以是土石料，所以壩體既可以是混凝土重力壩，也可以是土石壩。采用不同配合比的混凝土或不同級(jí)配的土石料制作立方塊，能夠?qū)崿F(xiàn)不同壩型、不同筑壩材料的穩(wěn)定性研究。
[0022](3)本發(fā)明中的錨桿均由一根帶有公接頭的錨桿和一根帶有母接頭的錨桿套接而成，套接方式不僅能夠滿足錨桿自由分離的需求，也能夠滿足錨桿承受來流方向水壓力的穩(wěn)定需要。
[0023](4)本發(fā)明中的單片機(jī)控制繼電器和微型電動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)程，試驗(yàn)裝置智能化程度高，立方塊的失穩(wěn)坍塌依靠水壓力、摩擦力和自身重力，壩體的整個(gè)坍塌過程沒有人為干擾。
【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置立體示意圖；
[0025]圖2是圖1中的錨桿、電動(dòng)系統(tǒng)、彈簧和彈簧固定座的連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖3是圖1中的公接頭和母接頭結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖4是圖1中的電動(dòng)系統(tǒng)及其相鄰的彈簧和錨桿示意圖；
[0028]圖5是圖1中的微型電動(dòng)機(jī)、固定銷與錨桿上的凹槽結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖6是圖1中的控制單元示意圖。
[0030]圖中:1-壩肩、2-壩體、3-錨桿、301-公接頭、302-母接頭、303-凹槽、4-電動(dòng)系統(tǒng)、401-絕緣盒、402-微型電動(dòng)機(jī)、403-固定銷、5-彈簧、6-彈簧固定座、7-控制單元、701-單片機(jī)、702-電源、703-繼電器、704-配電柜。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。
[0032]實(shí)施例:
[0033]如圖1-圖6所示，本發(fā)明的模擬壩體逐漸潰決的試驗(yàn)裝置主體包括壩肩1、壩體2、錨桿3、電動(dòng)系統(tǒng)4、彈簧5、彈簧固定座6和控制單元7。壩肩I位于壩體2的左、右兩側(cè)，兩個(gè)壩肩I的大小相同，在兩個(gè)壩肩I的內(nèi)部，從上到下分別設(shè)置有若干個(gè)水平洞，水平洞的間距相同。壩體2由若干層長(zhǎng)方體組成，每一層長(zhǎng)方體又由若干個(gè)中間設(shè)有小孔的立方塊組成，相鄰的立方塊之間以及相鄰的長(zhǎng)方體之間均用止水材料密封。立方塊小孔的孔徑等于水平洞的直徑，每個(gè)立方塊的長(zhǎng)、寬、高均等于相鄰水平洞的間距，同一層的立方塊之間通過一對(duì)錨桿3貫穿小孔固定。錨桿3位于壩肩I和壩體2的內(nèi)部，每根錨桿3的一端為圓柱端、另一端為公接頭301或母接頭302，錨桿3的圓柱端布設(shè)在壩肩I的水平洞中，錨桿3的桿身上設(shè)有凹槽303，凹槽303設(shè)置在錨桿3上靠近圓柱端的一側(cè)，錨桿3的直徑略小于壩肩I內(nèi)水平洞的直徑。
[0034]如圖1和圖3所示，每對(duì)錨桿3均由一根帶有公接頭301的錨桿3和一根帶有母接頭302的錨桿3連接而成，公接頭301與母接頭302連接方式為套接，母接頭302套接在公接頭301 上。
[0035]如圖1、圖4和圖5所示，電動(dòng)系統(tǒng)4由絕緣盒401、微型電動(dòng)機(jī)402和固定銷403構(gòu)成。絕緣盒401固定在壩肩I內(nèi)部，絕緣盒401中部預(yù)設(shè)有水平的圓孔，圓孔的直徑等于壩肩I內(nèi)水平洞的直徑。微型電動(dòng)機(jī)402設(shè)置在絕緣盒401內(nèi)部，并固定在絕緣盒401底部，微型電動(dòng)機(jī)402給固定銷403提供旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。固定銷403安裝在微型電動(dòng)機(jī)402的轉(zhuǎn)軸上，并卡入錨桿3的凹槽303內(nèi)。