專利名稱：離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于離心機(jī)上的試驗(yàn)裝置，具體涉及一種離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)的裝置，特別適用于土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)系統(tǒng)，用于開展土石壩潰決破壞離心模型試驗(yàn)研究，即在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下提供持續(xù)的、大流量的水流讓均質(zhì)壩、心墻壩和面板壩模型遭遇水流漫頂或壩體管涌等惡劣事件，以研究它們的潰決過(guò)程和破壞機(jī)理。對(duì)于江河提防等易遭遇水流沖蝕破壞的，或與水位升降相關(guān)的構(gòu)筑物，也可以利用該系統(tǒng)裝置模擬試驗(yàn)水流，開展離心模型試驗(yàn)研究。
背景技術(shù)：
水庫(kù)大壩在給人類帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益的同時(shí)也存在著潰決的風(fēng)險(xiǎn)。無(wú)論何種致災(zāi)因子，大壩潰決的最終表現(xiàn)形式均為漫頂或管涌。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界約30%的土石壩的潰決由于漫頂導(dǎo)致[1]，而我國(guó)已潰決土石壩由于漫頂而造成的比例高達(dá)50%以上[2]。 另外由于壩體、壩基本身的缺陷或者穿壩建筑物的影響，滲透破壞也是土石壩常見的一種破壞形式，而其中管涌破壞占有很大比例。無(wú)論是漫頂或管涌引發(fā)的潰壩破壞，都屬于災(zāi)難性事故，由于它們的突發(fā)性，很難從現(xiàn)場(chǎng)獲得完整的破壞過(guò)程和資料，因此，必須進(jìn)行模型試驗(yàn)才能掌握它們的潰決機(jī)理和潰口發(fā)展過(guò)程，從而正確預(yù)測(cè)潰口流量過(guò)程線及潰壩致災(zāi)后果，為研究開發(fā)潰壩、決提險(xiǎn)情等重大自然災(zāi)害的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)以及重大自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)估技術(shù)提供依據(jù)，以保障公共安全。
土石壩潰壩試驗(yàn)研究最具代表性的應(yīng)數(shù)20世紀(jì)90年代末歐共體的IMPACT項(xiàng)目 [1-2]，該項(xiàng)目共進(jìn)行了 5次壩高4飛m實(shí)體壩現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及22組室內(nèi)小比尺試驗(yàn)(模型比尺 l:l(Tl:7.5)。中國(guó)自1975年板橋水庫(kù)潰壩后，也開展了大量土石壩潰壩試驗(yàn)[3-4]，最具代表性的應(yīng)數(shù)南京水利科學(xué)研究院2008年進(jìn)行的最大壩高達(dá)9. 7m的實(shí)體壩潰壩試驗(yàn)和34 組室內(nèi)小比尺潰壩試驗(yàn)。實(shí)體壩潰壩試驗(yàn)無(wú)疑是最好的辦法，但一般很難尋找到合適的試驗(yàn)場(chǎng)地，而且試驗(yàn)費(fèi)用高、耗時(shí)較長(zhǎng)，同時(shí)隨著壩高的增加，試驗(yàn)的風(fēng)險(xiǎn)控制將變得十分困難。由于土石壩這類工程結(jié)構(gòu)物自身的重力為其主要的作用力，同時(shí)筑壩材料的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為非線性，而室內(nèi)小比尺潰壩模型試驗(yàn)，不僅僅是模型尺寸小，更重要的是應(yīng)力水平與原型比尺差距很大，其試驗(yàn)成果的合理性不能令人信服。但借助離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)所提供的高加速度，可以提升縮尺模型中的應(yīng)力水平，使其與原型完全一致。換言之，在離心機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下進(jìn)行的模型試驗(yàn)，可以克服室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)的缺陷。然而這時(shí)需要給高速運(yùn)轉(zhuǎn)的模型提供水流。
離心機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)和巨大的離心力作用使得給模型提供水流尤其是大流量的水流變得非常困難。目前主要采用以下兩種方式給運(yùn)行中的離心機(jī)模型供水第一種方式，是通過(guò)液壓旋轉(zhuǎn)接頭，將外部水流提供給高速運(yùn)行的離心模型，這是一種最簡(jiǎn)單的水流提供方法。液壓旋轉(zhuǎn)接頭雖然解決了離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)水流連接難題，但由于旋轉(zhuǎn)接頭過(guò)水后容易銹蝕，加上旋轉(zhuǎn)接頭中不動(dòng)件和運(yùn)動(dòng)件之間的旋轉(zhuǎn)磨損，最終導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)接頭磨合不密，出現(xiàn)滲透滴漏等現(xiàn)象。由于上述原因，旋轉(zhuǎn)接頭使用壽命不長(zhǎng)，用不了多久就失效，因此，這種方法只在早期離心機(jī)建設(shè)中應(yīng)用較廣，如今較少使用。然而，旋轉(zhuǎn)接頭只能提供小流量的水流，通常在5 Ι/min 10 Ι/min左右，不能滿足土石壩潰決破壞離心模型試驗(yàn)的水流條件。第二種方式，是在旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)內(nèi)自帶水箱貯存一定量的水，再接上電磁閥或一次性使用的熱電融化開關(guān)閥，在需要時(shí)給模型提供水流。若在模型下游端再設(shè)置一個(gè)貯水箱和一臺(tái)水泵，可收集試驗(yàn)水流，并將下水箱中的水再次提升至上水箱中，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)水流循環(huán)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于避開了離心機(jī)的高速旋轉(zhuǎn)帶來(lái)的水流轉(zhuǎn)接困難，但水箱的體積總是有限的，而所附帶的水泵因高速旋轉(zhuǎn)需承受著巨大的離心力，其性能的發(fā)揮受到極大限制。同時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部貯水箱中的水體重量的顯著變化會(huì)嚴(yán)重影響離心機(jī)的平衡，對(duì)離心機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅。例如，成都科技大學(xué)[5]于1991年在熱電耦合效應(yīng)基礎(chǔ)上研制了一套水流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)電流調(diào)節(jié)，最大能夠提供流量25 Ι/min的水流。中國(guó)水利科學(xué)研究院W] 于2009年研制了一套能夠在模型箱內(nèi)循環(huán)供水的水流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)由漩渦水泵、模型箱、消能槽等組成。漩渦水泵用潛水電機(jī)驅(qū)動(dòng)，可以在30g條件下正常工作，最大流量約為 50 Ι/min，并開展了土石壩潰壩問(wèn)題的離心模型試驗(yàn)研究。綜上兩種離心機(jī)水流裝置，無(wú)論是安裝離心機(jī)轉(zhuǎn)軸中心處的商用旋轉(zhuǎn)接頭，還是安裝在離心機(jī)旋轉(zhuǎn)大臂上和吊籃中一次性供水裝置或循環(huán)供水裝置，它們所提供的水流量都在50 Ι/min以內(nèi)。而中低高土石壩潰決離心模型試驗(yàn)時(shí)所要求的水流，其流量要求達(dá)到 600 Ι/min 3000 Ι/min，因此，它們都不能滿足實(shí)驗(yàn)的需要。換言之，現(xiàn)有土工離心機(jī)的水流裝置存在以下不足:A.在第一種供水方式中，從地面到高速旋轉(zhuǎn)的模型之間的水流轉(zhuǎn)接裝置即旋轉(zhuǎn)接頭，其固定件與旋轉(zhuǎn)件之間的磨損和滲漏問(wèn)題難以得到徹底解決；B.在第二種供水方式中，固定在離心機(jī)大臂上水箱貯水有限，安置在離心機(jī)吊籃中的水泵由于承受離心力而功能和效率低下；C.無(wú)論哪種供水方式，所提供的水流流量都不足50 Ι/min以內(nèi)，而土石壩潰決離心模型試驗(yàn)需要提供大流量的試驗(yàn)水流，兩者相去甚遠(yuǎn)。參考文獻(xiàn)
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鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中能夠提供大流量的水流，能夠滿足土石壩潰決破壞離心模型試驗(yàn)的水流條件。本發(fā)明的優(yōu)化方案還將同時(shí)解決以下問(wèn)題(1)在原離心機(jī)系統(tǒng)中增設(shè)合適的水流控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)在潰壩試驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)能持續(xù)提供足夠的水量對(duì)壩體進(jìn)行沖蝕；(2)設(shè)置先進(jìn)的數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，測(cè)量大壩潰決時(shí)潰口流量過(guò)程以及多角度捕捉和攝錄土石壩的潰決全過(guò)程；(3)出水口流出的水流不能損壞離心機(jī)基坑， 且能及時(shí)排出；(4)系統(tǒng)能夠在高離心加速度條件及高速泥石流的作用下正常工作。
完成上述發(fā)明任務(wù)的技術(shù)方案是提供一種離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的儲(chǔ)水箱采用室外、高置的大體積貯水箱；本系統(tǒng)中設(shè)有接水環(huán)，該接水環(huán)為一個(gè)環(huán)形水槽，該環(huán)形水槽安裝于圍繞離心機(jī)大臂轉(zhuǎn)軸的位置，與離心機(jī)大軸同心設(shè)置，并一起旋轉(zhuǎn)；所述的大體積貯水箱中的水通過(guò)管道注入該環(huán)形水槽；該環(huán)形水槽的出水口與所述離心模型中的模型箱通過(guò)管道連接；所述大體積貯水箱與環(huán)形水槽進(jìn)水口的連接管道中，設(shè)有控制閥門；所述環(huán)形水槽出水口與模型箱之間的連接管道中，設(shè)有流量計(jì)，該流量計(jì)的輸出接控制電腦，控制電腦控制所述控制閥門的開啟程度。
本發(fā)明有以下優(yōu)化方案；1、所述的室外、高置的大體積貯水箱是設(shè)置在離心機(jī)機(jī)室頂部；所述的“大體積”是相對(duì)于離心機(jī)內(nèi)自帶水箱而言的由于本發(fā)明中的貯水箱不受空間與安裝問(wèn)題的限制，理論上該貯水箱可以做得非常大；實(shí)際實(shí)施中，是按照實(shí)驗(yàn)需要設(shè)置其體積的大小。
2、所述的室外、高置的大體積貯水箱是設(shè)置多個(gè)，通過(guò)管道并聯(lián)后，通過(guò)一個(gè)大直徑供水管注入所述環(huán)形水槽；3、所述的控制閥門是指所述的室外、高置的大體積貯水箱中并聯(lián)的多個(gè)水箱，分別設(shè)有各自的控制球閥；所述總管道設(shè)有控制蝶閥；4、在潰壩試驗(yàn)的離心模型中設(shè)有多角度的數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，測(cè)量大壩潰決時(shí)潰口流量過(guò)程以及多角度捕捉和攝錄土石壩的潰決全過(guò)程；5、所述環(huán)形水槽的出水口處設(shè)有緩沖網(wǎng)；6、在潰壩試驗(yàn)離心模型的模型箱設(shè)有帶流量計(jì)的泄水口；其中流量計(jì)的輸出接控制電腦；所述泄水口接集水箱；該集水箱上設(shè)有低揚(yáng)程水泵，該低揚(yáng)程水泵由控制電腦控制將集水箱中的水排到下水系統(tǒng)。
本發(fā)明采用了新的思路和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，制造一種新型離心機(jī)水流裝置，顯著提升供水能力，增大了試驗(yàn)水流的流量值，從而滿足中低土石壩潰決離心模型試驗(yàn)所要求的水流需要。目前，這套裝置的水流可達(dá)到600 Ι/min 3000 Ι/min的流量，在高加速度的離心模型試驗(yàn)中，還可進(jìn)一步調(diào)高試驗(yàn)水流的流量值。
鑒于現(xiàn)有的各種離心模型水流裝置僅能提供小流量的水流，不能滿足土石壩潰壩問(wèn)題的離心模型對(duì)試驗(yàn)水流的要求，本發(fā)明提出了一種接水環(huán)概念的全新離心機(jī)水流裝置。該裝置由室外大體積貯水箱、安裝于大臂圍繞轉(zhuǎn)軸的接水環(huán)、集水箱排水部分以及管路和流量計(jì)等組成。其中接水環(huán)是核心，它承接來(lái)自離心機(jī)機(jī)室外水流，輸送傳入到離心模型中，實(shí)現(xiàn)從地面水流到高速旋轉(zhuǎn)的離心機(jī)水流的過(guò)渡連接。本發(fā)明的新水流裝置有以下優(yōu)點(diǎn)
A.為了讓試驗(yàn)水流順利輸送到高速旋轉(zhuǎn)的模型中，本方案大膽創(chuàng)新地提出了接水環(huán)思路讓水流從離心機(jī)機(jī)室頂部直接下注至高速旋轉(zhuǎn)的接水環(huán)(即環(huán)形水槽)。由于固定在地面上水管與高速旋轉(zhuǎn)的接水環(huán)之間無(wú)硬件接觸，因此，不存在固定件與旋轉(zhuǎn)件之間的磨損和滲漏問(wèn)題。B.本方案的上游端采用室外屋頂多個(gè)大體積貯水箱串聯(lián)供水，大直徑供水管一直敷設(shè)至離心機(jī)機(jī)室頂。在此位置，安裝有控制出口流量大小的蝶式閥門。打開此閥，控制開度，即可釋放出設(shè)定流量值的水流，并直接注入接水環(huán)。C.由于接水環(huán)傳遞水流過(guò)程中無(wú)硬件接觸，輸水流量不受接觸限制，而取決于接水環(huán)的過(guò)水能力。對(duì)于給定的離心機(jī)轉(zhuǎn)速，接水環(huán)截面越大，過(guò)水能力也越大。D.本方案在下游端設(shè)置了集水和排水系統(tǒng)，模型下游出水可直接下泄至離心機(jī)機(jī)室地面，再通過(guò)地面設(shè)置槽口匯流至位于下層機(jī)坑中的集水箱內(nèi)。集水箱內(nèi)安裝有多臺(tái)大流量潛水泵，水位到達(dá)設(shè)定位置，潛水泵自動(dòng)啟動(dòng)，將積水排出。E.由于在離心機(jī)機(jī)室外提供試驗(yàn)水源，因此，就無(wú)需在離心機(jī)大臂上另外設(shè)置貯水箱，這對(duì)離心機(jī)的安全運(yùn)行極為有益。因?yàn)閮?nèi)部貯水箱中的水體重量的顯著變化會(huì)嚴(yán)重影響離心機(jī)的平衡，對(duì)離心機(jī)的安全運(yùn)行構(gòu)成巨大威脅。利用本設(shè)計(jì)建造了南京水利科學(xué)研究院的離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)提供大流量的水流，完成了 3組均質(zhì)壩、6組心墻壩和1組面板面板砂礫壩的潰決離心模型試驗(yàn)，最高離心加速度達(dá)100 g，最大輸出模型501/s的水流，相當(dāng)于原型500m3/s水流。


圖1為系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。圖2、圖3分別為接水環(huán)結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖與俯視圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 南京水利科學(xué)研究院400gt離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)。請(qǐng)參見圖1、圖2、圖3 系統(tǒng)主要包括用作水源的室外水箱及相應(yīng)管路、接水環(huán)、 模型、將水流導(dǎo)入模型的管路、其他防水排水設(shè)施。系統(tǒng)的流量通過(guò)蝶閥和流量計(jì)進(jìn)行控制。儲(chǔ)水箱1采用室外、高置的大體積貯水箱；設(shè)置在離心機(jī)機(jī)室頂部；貯水箱1是設(shè)置多個(gè)，通過(guò)管道3并聯(lián)后，通過(guò)一個(gè)大直徑供水管5與注入接水環(huán)9。管道3中設(shè)有球閥 2 ；大直徑供水管5中設(shè)有蝶閥4。接水環(huán)9為一個(gè)環(huán)形水槽，安裝于圍繞離心機(jī)大臂10轉(zhuǎn)軸的位置，與離心機(jī)同心設(shè)置，并一起旋轉(zhuǎn)；環(huán)形水槽的出水口 16與離心模型中的模型箱6 通過(guò)管道連接；模型箱6中設(shè)置模型壩11。環(huán)形水槽出水口與模型箱之間的連接管道8中， 設(shè)有流量計(jì)，該流量計(jì)的輸出接控制電腦，控制電腦控制所述控制閥門的開啟程度。環(huán)形水槽的出水口 16處設(shè)有緩沖網(wǎng)7。在潰壩試驗(yàn)的離心模型中設(shè)有多角度的數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，測(cè)量大壩潰決時(shí)潰口流量過(guò)程以及多角度捕捉和攝錄土石壩的潰決全過(guò)程。潰壩試驗(yàn)離心模型的模型箱6設(shè)有帶流量計(jì)的泄水口 12 ；其中流量計(jì)的輸出接控制電腦；泄水口接集水箱13 ；該集水箱上設(shè)有低揚(yáng)程水泵14，該低揚(yáng)程水泵由控制電腦控制將集水箱中的水排到下水系統(tǒng)15。
請(qǐng)參見圖2、圖3，接水環(huán)9主體為環(huán)形，必須與離心機(jī)大軸同軸安裝固定。頂部敞開，可以接住來(lái)自水源注水口 17的水流。側(cè)面制作一出水口 16，連接管路導(dǎo)出水流。接水環(huán)9用加強(qiáng)板18加固。并輔以厚橡膠板19。其上蓋有法蘭蓋20。
權(quán)利要求
1.一種潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的儲(chǔ)水箱采用室外、高置的大體積貯水箱；本系統(tǒng)中設(shè)有接水環(huán)，該接水環(huán)為一個(gè)環(huán)形水槽，該環(huán)形水槽安裝于圍繞離心機(jī)大臂轉(zhuǎn)軸的位置，與離心機(jī)同心設(shè)置，并一起旋轉(zhuǎn)；所述的大體積貯水箱中的水通過(guò)管道注入該環(huán)形水槽；該環(huán)形水槽的出水口與所述離心模型中的模型箱通過(guò)管道連接；所述大體積貯水箱向環(huán)形水槽的注水管道中設(shè)有控制閥門；所述環(huán)形水槽出水口與模型箱之間的連接管道中設(shè)有流量計(jì)，該流量計(jì)的輸出接控制電腦，控制電腦控制所述控制閥門的開啟程度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的室外、高置的大體積貯水箱是設(shè)置在離心機(jī)機(jī)室頂部。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的室外、高置的大體積貯水箱是設(shè)置多個(gè)，通過(guò)管道并聯(lián)后，通過(guò)一個(gè)大直徑供水管注入所述環(huán)形水槽。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述的控制閥門是指所述的室外、高置的大體積貯水箱中并聯(lián)的多個(gè)水箱，分別設(shè)有各自的控制球閥；所述大直徑供水管設(shè)有控制蝶閥。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，在潰壩試驗(yàn)的離心模型中設(shè)有多角度的數(shù)據(jù)和圖像采集系統(tǒng)，測(cè)量大壩潰決時(shí)潰口流量過(guò)程以及多角度捕捉和攝錄土石壩的潰決全過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，其特征在于，所述環(huán)形水槽的出水口處設(shè)有緩沖網(wǎng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的潰壩試驗(yàn)的離心模型中離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)， 其特征在于，潰壩試驗(yàn)離心模型的模型箱設(shè)有帶流量計(jì)的泄水口 ；其中流量計(jì)的輸出接控制電腦；所述泄水口接集水箱；該集水箱上設(shè)有低揚(yáng)程水泵，該低揚(yáng)程水泵由控制電腦控制，將集水箱中的水排到下水系統(tǒng)。
全文摘要
離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，特征是儲(chǔ)水箱采用室外、高置的大體積貯水箱；本系統(tǒng)中設(shè)有接水環(huán)，為一個(gè)環(huán)形水槽，安裝于圍繞離心機(jī)大臂轉(zhuǎn)軸的位置，與離心機(jī)同心設(shè)置并一起旋轉(zhuǎn)；大體積貯水箱中的水通過(guò)管道注入環(huán)形水槽；環(huán)形水槽出水口與離心模型的模型箱通過(guò)管道連接；大體積貯水箱向環(huán)形水槽的注水管道中設(shè)有控制閥門；環(huán)形水槽出水口與模型箱之間的連接管道中設(shè)有流量計(jì)，流量計(jì)的輸出接控制電腦，控制電腦控制控制閥門的開啟程度。本發(fā)明固定在地面上水管與高速旋轉(zhuǎn)的接水環(huán)之間無(wú)硬件接觸，不存在磨損和滲漏問(wèn)題。控制出閥門可釋放出設(shè)定流量值的水流，并直接注入接水環(huán)。
文檔編號(hào)E02B1/02GK102535386SQ20111043407
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月22日
發(fā)明者夏有毅, 徐光明, 茅加峰, 陳生水, 顧行文 申請(qǐng)人:水利部交通運(yùn)輸部國(guó)家能源局南京水利科學(xué)研究院