[发明专利]离心机大流量水流控制系统

说明书

技术领域

　　本发明涉及一种应用于离心机上的试验装置，具体涉及一种离心机大流量水流控制系统的装置，特别适用于土石坝溃坝离心模型试验系统，用于开展土石坝溃决破坏离心模型试验研究，即在离心机高速运转条件下提供持续的、大流量的水流让均质坝、心墙坝和面板坝模型遭遇水流漫顶或坝体管涌等恶劣事件，以研究它们的溃决过程和破坏机理。对于江河堤防等易遭遇水流冲蚀破坏的，或与水位升降相关的构筑物，也可以利用该系统装置模拟试验水流，开展离心模型试验研究。

背景技术

　　水库大坝在给人类带来巨大经济和社会效益的同时也存在着溃决的风险。无论何种致灾因子，大坝溃决的最终表现形式均为漫顶或管涌。据统计，全世界约30％的土石坝的溃决由于漫顶导致[1]，而我国已溃决土石坝由于漫顶而造成的比例高达50％以上[2]。另外由于坝体、坝基本身的缺陷或者穿坝建筑物的影响，渗透破坏也是土石坝常见的一种破坏形式，而其中管涌破坏占有很大比例。无论是漫顶或管涌引发的溃坝破坏，都属于灾难性事故，由于它们的突发性，很难从现场获得完整的破坏过程和资料，因此，必须进行模型试验才能掌握它们的溃决机理和溃口发展过程，从而正确预测溃口流量过程线及溃坝致灾后果，为研究开发溃坝、决堤险情等重大自然灾害的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术提供依据，以保障公共安全。

　　土石坝溃坝试验研究最具代表性的应数20世纪90年代末欧共体的IMPACT项目[1-2]，该项目共进行了5次坝高4~6m实体坝现场试验及22组室内小比尺试验（模型比尺1:10~1:7.5）。中国自1975年板桥水库溃坝后，也开展了大量土石坝溃坝试验[3-4]，最具代表性的应数南京水利科学研究院2008年进行的最大坝高达9.7m的实体坝溃坝试验和34组室内小比尺溃坝试验。实体坝溃坝试验无疑是最好的办法，但一般很难寻找到合适的试验场地，而且试验费用高、耗时较长，同时随着坝高的增加，试验的风险控制将变得十分困难。由于土石坝这类工程结构物自身的重力为其主要的作用力，同时筑坝材料的应力应变关系表现为非线性，而室内小比尺溃坝模型试验，不仅仅是模型尺寸小，更重要的是应力水平与原型比尺差距很大，其试验成果的合理性不能令人信服。但借助离心机高速运转所提供的高加速度，可以提升缩尺模型中的应力水平，使其与原型完全一致。换言之，在离心机高速运转条件下进行的模型试验，可以克服室内小比尺模型试验的缺陷。然而这时需要给高速运转的模型提供水流。

　　离心机的高速旋转和巨大的离心力作用使得给模型提供水流尤其是大流量的水流变得非常困难。目前主要采用以下两种方式给运行中的离心机模型供水：

　　第一种方式，是通过液压旋转接头，将外部水流提供给高速运行的离心模型，这是一种最简单的水流提供方法。液压旋转接头虽然解决了离心机高速旋转带来水流连接难题，但由于旋转接头过水后容易锈蚀，加上旋转接头中不动件和运动件之间的旋转磨损，最终导致旋转接头磨合不密，出现渗透滴漏等现象。由于上述原因，旋转接头使用寿命不长，用不了多久就失效，因此，这种方法只在早期离心机建设中应用较广，如今较少使用。然而，旋转接头只能提供小流量的水流，通常在5 l/min～10 l/min左右，不能满足土石坝溃决破坏离心模型试验的水流条件。

　　第二种方式，是在旋转的离心机内自带水箱贮存一定量的水，再接上电磁阀或一次性使用的热电融化开关阀，在需要时给模型提供水流。若在模型下游端再设置一个贮水箱和一台水泵，可收集试验水流，并将下水箱中的水再次提升至上水箱中，实现试验水流循环。这种方法的优点在于避开了离心机的高速旋转带来的水流转接困难，但水箱的体积总是有限的，而所附带的水泵因高速旋转需承受着巨大的离心力，其性能的发挥受到极大限制。同时，因为内部贮水箱中的水体重量的显著变化会严重影响离心机的平衡，对离心机的安全运行构成巨大威胁。

　　例如，成都科技大学[5]于1991年在热电耦合效应基础上研制了一套水流控制系统，该系统通过电流调节，最大能够提供流量25 l/min的水流。中国水利科学研究院[6] 于2009年研制了一套能够在模型箱内循环供水的水流控制系统，该系统由漩涡水泵、模型箱、消能槽等组成。漩涡水泵用潜水电机驱动，可以在30g条件下正常工作，最大流量约为50 l/min，并开展了土石坝溃坝问题的离心模型试验研究。