变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法

摘要

本发明公开了一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法，采用试验装置进行模型试验，试验装置包括减压箱，在减压箱内固定有密闭水箱和溢流水槽，在密闭水箱的出水口上连接有喷头，溢流水槽设有溢水坎，在溢流水槽的底板上设有测压孔，测压孔通过自平衡测压计与减压箱相连；通过调节抽水泵的流量和调节阀的开度来调节供水水头，通过调节减压箱内的气压来模拟变气压环境，通过调节喷头的俯仰角来模拟泄流的挑/跌流，通过自平衡测压计读数获得泄流冲击区涌浪的变化情况。本发明可模拟挑/跌流的泄流过程和不同海拔地区的气压环境，进行不同泄流方式和不同环境气压组合下的坝工泄流冲击区涌浪特征测试试验。

说明书

技术领域

本发明属于坝工水力学试验技术领域，具体涉及一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法。

背景技术

科学化的筑坝工艺为水能资源的高效开发利用奠定了良好的技术支撑。我国的高坝、特高坝相继建设运行，坝址区海拔高度存在差异，泄洪安全问题也非常突出。目前，国际通行的海拔划分标准为高海拔1500～3500米，超高海拔3500～5500米，极高海拔5500米以上。平均海拔高度5500米的高海拔地区的环境气压约为标准大气压的1/2。

高海拔地区的高坝，高速下泄水舌由于掺气扩散作用改变而存在水舌集中效应，形成的冲击区涌浪特征及衰减规律也会发生变化。坝工泄流冲击区涌浪是坝区两岸边坡安全设计和运行维护的基础水动力学指标之一。坝工泄流冲击区的涌浪直接影响坝区护坡板块的迎水面和背水面的渗流压力作用。渗流压力和脉动压力的耦合作用与边坡防护指标相关。因此，对于高海拔高坝泄流冲击区涌浪的测试有必要考虑环境气压的影响，需要一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法，该方法可模拟挑/跌流的泄流过程和不同海拔地区的气压环境，进行不同泄流方式和不同环境气压组合下的坝工泄流冲击区涌浪特征测试试验。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法，采用试验装置进行模型试验，所述试验装置包括减压箱，在所述减压箱上安装有密封工作门、通气阀和气压表Ⅰ，在所述减压箱的顶部设有与抽气装置连接的抽气孔，在所述减压箱上设有给、排水口和自循环抽水管，在所述减压箱内固定有密闭水箱和溢流水槽，所述密闭水箱的进水口与所述抽水管的出水口连接，所述抽水管的入水口与所述减压箱的底部连接，在所述抽水管上设有抽水泵和流量计；在所述密闭水箱的出水口上连接有喷头，在所述密闭水箱的顶部设有伸出所述减压箱的通气管，在所述通气管的伸出端上设有截止阀Ⅰ；所述溢流水槽的一端位于所述喷头的泄流下方，在所述溢流水槽的另一端设有较低的溢水坎，在所述溢流水槽的底板上设有多个测压孔，所述测压孔通过软管与自平衡测压计的下端连接，所述自平衡测压计竖直设置在所述减压箱的外部，所述自平衡测压计的上端与水平设置的集气管相连，所述集气管与抽气管和通气管分别相连，所述通气管通过截止阀Ⅱ与所述减压箱相连，在所述抽气管上设有抽气泵和截止阀Ⅲ；通过调节抽水泵的流量和调节阀的开度来调节供水水头，通过调节减压箱内的气压来模拟变气压环境，通过调节喷头的俯仰角来模拟泄流的挑/跌流，通过自平衡测压计读数获得泄流冲击区涌浪的变化情况。

所述密闭水箱为有压水箱，所述抽水泵为变频泵。

在所述有压水箱内设有稳流板，所述稳流板竖直设置在所述喷头的后方。

在所述抽水管上设有调节阀和水压表。

所述抽水管设置在所述减压箱的外部。

在所述通气管上设有位于所述减压箱外部的气压表Ⅱ。

本发明具有的优点和积极效果是：通过调节抽水泵的流量和调节阀的开度来调节供水水头，通过调节减压箱内的气压来模拟变气压环境，通过调节喷头的俯仰角来模拟泄流的挑/跌流，通过自平衡测压计读数获得泄流冲击区涌浪的变化情况，进而模拟挑/跌流的泄流过程和不同海拔地区的气压环境，开展不同泄流方式和不同环境气压组合下泄流冲击区涌浪特征测试试验，试验数据可用于高海拔区坝工泄流冲击区涌浪预测，并可用于探索坝工泄流冲击区涌浪在不同环境气压下的特征相似理论研究，为高坝泄流冲击区及下游的边坡设计及安全防护夯实理论基础。采用密闭水箱和变频水泵协同工作，合理地增大了挑/跌流出口流速的可调节范围和调试精度；自循环管路的设计可以避免气压变化对变频水泵性能的影响；自平衡多位自平衡测压计原理清晰，安装方便、可以灵活地调整测点间距，可重复记录读数，一次安装即可实验多种工况的试验研究，经济快捷且可循环利用；减压箱内设置试验主体装置，箱外设置监测调节装置，可方便人工精细调控试验工况。

附图说明

图1为本发明采用的试验装置结构示意图；

图2为本发明采用的自平衡测压计连接结构示意图；

图3为采用本发明进行变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验的示意图。

图中：1、减压箱；2、密闭水箱；3、稳流板；4、喷头；5、溢流水槽；6-1、测压孔；6-2、软管；6-3、自平衡测压计；6-4、集气管；6-5、抽气管；6-6、通气管；6-7、截止阀Ⅱ；6-8、抽气泵；6-9、截止阀Ⅲ；7、溢水坎；8、自循环抽水管；9、抽水泵；10、调节阀；11、水压表；12、流量计；13、通气管；14、截止阀Ⅰ；15、抽气孔；16、给、排水口；17、密封工作门；18、气压表Ⅱ；19、气压表Ⅰ；20、通气阀。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图2，一种变气压环境下坝工泄流冲击区涌浪模型试验方法，采用试验装置进行模型试验，所述试验装置包括减压箱1，在所述减压箱1上安装有密封工作门17、通气阀20和气压表Ⅰ19，在所述减压箱1的顶部设有与抽气装置连接的抽气孔15，在所述减压箱1上设有给、排水口16和自循环抽水管8，在所述减压箱1内固定有密闭水箱2和溢流水槽5，所述密闭水箱2的进水口与所述自循环抽水管8的出水口连接，所述自循环抽水管8的入水口与所述减压箱1的底部连接，在所述自循环抽水管8上设有抽水泵9和流量计12，在所述密闭水箱2的出水口上连接有喷头4，在所述密闭水箱2的顶部设有伸出所述减压箱1的通气管13，在所述通气管13的伸出端上设有截止阀Ⅰ14，；所述溢流水槽5的一端位于所述喷头4的泄流下方，在所述溢流水槽5的另一端设有较低的溢水坎7，在所述溢流水槽5的底板上设有多个测压孔6-1，所述测压孔6-1通过软管6-2与自平衡测压计6-3的下端连接，所述自平衡测压计6-3竖直设置在所述减压箱1的外部，所述自平衡测压计6-3的上端与水平设置的集气管6-4相连，所述集气管6-4与抽气管6-5和通气管6-6分别相连，所述通气管6-6通过截止阀Ⅱ6-7与所述减压箱1相连，在所述抽气管6-5上设有抽气泵6-8和截止阀Ⅲ6-9；通过调节抽水泵6-8的流量和调节阀10的开度来调节供水水头，通过调节减压箱1内的气压来模拟变气压环境，进而模拟挑/跌流的泄流过程和不同海拔地区的气压环境，通过自平衡测压计6-3读数获得泄流冲击区涌浪的变化情况。

在本实施例中，所述密闭水箱2为有压水箱，所述抽水泵9采用变频泵，便于调节供水流速。

在本实施例中，为了使喷头获得稳定的水源，在所述有压水箱内设有稳流板3，所述稳流板3竖直设置在所述喷头4的后方。

在本实施例中，为了实时获得供水压力并合理调控，在所述自循环抽水管8上设调节阀10和水压表11。

在本实施例中，将所述自循环抽水管8设置在所述减压箱1的外部，以便于调节试验工况。为了便于观测，在所述通气管13上设有位于所述减压箱1外部的气压表Ⅱ18。

请参阅图1～图3，本发明的应用方法：

1)测压准备

通过给、排水口16向减压箱1内注水形成设定高度的静水垫；关闭截止阀Ⅱ6-7，打开截止阀Ⅲ6-9，启动抽气泵6-8，对自平衡测压计6-3排气，排气结束后关闭抽气泵6-8和截止阀Ⅲ6-9，打开截止阀Ⅱ6-7，使自平衡测压计6-3与减压箱1的箱内气压连通，实现自平衡。

2)注水准备

打开通气管13上的截止阀Ⅰ14，启动抽水泵9，依次打开自循环抽水管8上的调节阀10和流量计12，观察通气管13上的气压表Ⅱ18，注水流速需根据通气管13上的气压表Ⅱ18读数合理调控，以避免密闭水箱2排气不足而承受瞬时高强内压破坏；当通气管13稳定出水时，关闭通气管13上截止阀Ⅰ14。

3)试验

继上述2)操作之后，调节自循环抽水管8上的调节阀10，使自循环抽水管8内的供水压力达到设定值，记录流量计12读数，通过该读数可算出已有喷头的射流平均流速。通过自平衡测压计6-3的读数获得泄流冲击区涌浪的变化情况。

4)试验工况调节

4.1)不同气压下相同试验水头的测试：关闭减压箱1上安装的密封工作门17，启动与抽气孔15连接的抽气装置，观察减压箱1上的气压表Ⅰ19，使其达到设定试验气压，通过调节抽水泵9或调节阀10使供水压力稳定在设定值，然后记录相同试验水头不同气压下自平衡测压计6-3的数值。

4.2)相同气压下不同试验水头的测试：关闭减压箱1上安装的密封工作门17，启动与抽气孔15连接的抽气装置，观察减压箱1顶部气压表Ⅰ19，使其达到设定试验气压，然后关闭抽气装置维持减压箱1内的气压恒定，通过调节抽水泵9或调节阀10使供水压力达到设定值，然后记录相同气压不同试验水头对应的自平衡测压计6-3的数值。

测试完成后，打开通气阀20，关闭抽水泵9，通过给、排水口16将减压箱1内的水排出；随后打开密闭水箱2底部的排水阀和溢流水槽5底部的排水阀，待密闭水箱2和溢流水槽5的积水排出后，再次通过给、排水口16将减压箱1的积水排出。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。