土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中水流控制與測(cè)量

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1、水利學(xué)報(bào)2018年8月SHUILIXUEBAO第49卷第8期文章編號(hào)：0559-9350（2018）08-0901-06土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中水流控制與測(cè)量1，2111，21陳生水，徐光明，顧行文，鐘啟明，任國(guó)峰（1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029；2.水利部土石壩破壞機(jī)理與防控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210029）摘要：針對(duì)目前土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中存在的問(wèn)題，研發(fā)了一套伺服水閥流量控制裝置，顯著提高了土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)上游來(lái)水條件的控制精度，有效降低了模型試驗(yàn)結(jié)果的不確定性；建立了土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)的水流相似準(zhǔn)則；提出了

2、一種采用內(nèi)置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰測(cè)量土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中潰壩洪水流量過(guò)程的方法，并通過(guò)超重力場(chǎng)下的放水試驗(yàn)，證明了薄壁矩形量水堰的流量系數(shù)與離心機(jī)加速度無(wú)關(guān)，采用內(nèi)置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰可準(zhǔn)確測(cè)定土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)中的潰壩洪水流量過(guò)程。關(guān)鍵詞：土石壩潰壩；離心模型試驗(yàn)；水流相似準(zhǔn)則；流量控制與測(cè)量中圖分類號(hào)：TV461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：Adoi：10.13243/j.cnki.slxb.20180347正確揭示土石壩潰壩機(jī)理，建立合理模擬其潰口發(fā)展規(guī)律和潰壩洪水流量過(guò)程是提高土石壩潰［1-2］壩應(yīng)急預(yù)案科學(xué)性的關(guān)鍵，為此，國(guó)

3、內(nèi)外圍繞土石壩潰決機(jī)理開展了大量模型試驗(yàn)研究。然而，土石料的應(yīng)力應(yīng)變特性與其所承受的應(yīng)力水平密切相關(guān)，具有顯著的非線性，小尺度的土石壩潰壩機(jī)理模型試驗(yàn)由于模型與原型的應(yīng)力水平相差過(guò)大，試驗(yàn)結(jié)果不符合實(shí)際；野外大尺度潰壩機(jī)理試［1］驗(yàn)結(jié)果無(wú)疑更接近原型壩實(shí)際，但費(fèi)用高、周期長(zhǎng)，且隨著壩高的增加，風(fēng)險(xiǎn)控制將十分困難。離心機(jī)高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的超重力場(chǎng)可大幅提高試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膽?yīng)力水平，因此離心模型試驗(yàn)不失為一種開展土石壩潰壩試驗(yàn)的有效方法。但開展土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)需解決以下3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題：（1）需在現(xiàn)有離心機(jī)中增設(shè)一套水流控制系統(tǒng)，持續(xù)提供足夠的潰壩水流

4、；（2）需建立潰壩水流離心模型試驗(yàn)相似準(zhǔn)則；（3）應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量土石壩潰壩洪水流量過(guò)程。本文將重點(diǎn)介紹作者圍繞上述3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題所開展的相關(guān)工作。1上游水流條件的模擬與控制［3］1.1大流量水流控制系統(tǒng)陳生水等于2010年研制了一套如圖1所示的以環(huán)形接水槽為核心的離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)，它具有以下特點(diǎn)：（1）潰壩水流由離心機(jī)室外水箱提供，解決了在離心機(jī)大臂上設(shè)置貯水箱，因貯水箱中水體重量顯著變化而影響離心機(jī)平衡，嚴(yán)重威脅離心機(jī)安全這一問(wèn)［1］題；（2）環(huán)形接水槽與離心機(jī)旋轉(zhuǎn)軸同軸，有利于高速旋轉(zhuǎn)條件下環(huán)形接水槽結(jié)構(gòu)安全，且入水口與高速旋轉(zhuǎn)的環(huán)形

5、接水槽之間無(wú)硬件接觸，有效解決了固定件與旋轉(zhuǎn)件之間的磨損和滲漏問(wèn)題，輸水流量也不受接觸限制；（3）在下游端設(shè)置了集水和排水系統(tǒng)，潰壩水流可直接下泄至離心機(jī)室地面，通過(guò)地面槽口匯流至下層基坑中的集水箱，再由潛水泵自動(dòng)排出。該水流控制系統(tǒng)可在100倍超重力場(chǎng)條件下正常工作，可持續(xù)穩(wěn)定提供潰壩水流，最大流量達(dá)3000L/min。應(yīng)用該系統(tǒng)收稿日期：2018-04-18；網(wǎng)絡(luò)出版日期：2018-08-23網(wǎng)絡(luò)出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20180823.1718.003.html基金項(xiàng)目

6、：國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0404806）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51539006，51779153）作者簡(jiǎn)介：陳生水（1962-），男，江蘇南京人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事巖土力學(xué)與土石壩工程研究。E-mail：sschen@nhri.cn—901—開展了最大壩高32m的土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)，分別揭示了均質(zhì)土壩、心墻壩、面板堆石壩和堰塞［4-7］壩的潰決機(jī)理。需要指出的是，該水流系統(tǒng)蝶閥的控制是手動(dòng)的，只有一種模式：開啟—穩(wěn)定—關(guān)閉，蝶閥的開啟過(guò)程在每次試驗(yàn)中很難保持完全一致，導(dǎo)致潰壩模型試驗(yàn)上游來(lái)水條件控制精度較低，增加了潰壩

7、模型試驗(yàn)結(jié)果的不確定性。圖1NHRI-400gt離心機(jī)大流量水流控制系統(tǒng)1.2伺服水閥流量控制裝置為了提高土石壩潰壩離心模型試驗(yàn)上游來(lái)水條件的控制精度，2017年研發(fā)一套伺服水閥流量控制裝置，以代替原水流控制系統(tǒng)中的蝶閥，如圖2所示。該裝置的核心部件為一只電機(jī)驅(qū)動(dòng)的伺服水閥和一套基于自動(dòng)反饋原理的控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)檢測(cè)流量計(jì)信號(hào)，并給伺服水閥發(fā)出信號(hào)，控制水閥增大或縮小開度。為檢驗(yàn)該伺服水閥流量控制裝置的有效性，通過(guò)放水試驗(yàn)，比較分析了實(shí)際流量過(guò)程與設(shè)計(jì)圖2伺服水閥流量控制裝置目標(biāo)流量過(guò)程的相關(guān)性。首先考察目標(biāo)峰值流量的跟蹤情況。從圖3中

8、伺服水閥開度過(guò)程曲線可知，伺服水閥在接受控制器指令后，閥門開度在28s內(nèi)迅速?gòu)牧阍龃笾?0%，設(shè)定的目標(biāo)峰值流量為14L/s；而該時(shí)刻實(shí)