一種模擬橋梁水毀實驗的水箱裝置及其實驗方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于橋梁水毀破壞實驗研宄技術領域，是涉及一種可用于模擬常水位流速 和洪峰水位流速水流特性的自循環(huán)水箱裝置，特別是涉及一種模擬橋梁水毀實驗的水箱裝 置及其實驗方法。
【背景技術】
[0002] 近幾十年來，橋梁水毀的研宄一直是涉及建筑學科和水利學科的跨學科前沿課 題。國內外現有的水槽一般由環(huán)形水槽、剪切環(huán)和驅動三部分組成。1986年，天津水運工程 科學研宄所自制了環(huán)形水槽，利用該水槽研宄了港口泥沙水利特性，計算分析河道泥沙運 動現象。2012年，河海大學申請了一種雙向環(huán)形水槽系統(tǒng)，該水槽寬200mm、高500mm，精度 為1.0 cm/s，流速在0~120cm/s。2013年同濟大學發(fā)明的環(huán)形水槽有別于其他水槽，在于 它的水流線速度調節(jié)可精確到1.0 mm/s，但是這些水槽都不能解決多變的工程中橋梁水毀 的相關實驗問題。
[0003] 水槽作為一種重要的橋梁相關水毀實驗工具，幾十年前人們就開始運用到研宄橋 梁工程施工中遇到的工程難題。水槽種類繁多，形狀各異，功能更是千差萬別，總體來說分 為自循環(huán)與外循環(huán)水槽。自循環(huán)水槽，即為水槽及其附屬裝置形成封閉小范圍水流循環(huán)系 統(tǒng)，通過動力系統(tǒng)驅使水流在水槽內循環(huán)流動。外循環(huán)水槽，必須有固定的水源，需在水槽 周邊設有蓄水池或其他補水設施，使用動力系統(tǒng)將蓄水池或補水設施內的水體驅動到水槽 內，流經水槽后再排入到蓄水池或其他補水設施內，從而形成水流外流的循環(huán)系統(tǒng)。相比 外循環(huán)水槽而言，自循環(huán)水槽具有占地面積小、附屬設施簡單、可控性強、成本低等優(yōu)點，但 是現有的自循環(huán)水槽流速較小，回流影響流區(qū)域較大，導致實驗拓展面較小，實驗效果不理 想，不能滿足模擬多變的工程現場的實驗要求。水槽按形狀主要包括：直水槽、環(huán)形水槽、折 返式直水槽和組合式循環(huán)水槽。例如浙江大學發(fā)明的折返式直水槽、杭州大學研制的組合 式循環(huán)水槽，這兩種水槽雖然保留了直水槽及環(huán)形水槽的某些優(yōu)點，但是構造復雜。環(huán)形水 槽最早由美國麻省理工學院研制，后佛羅里達大學進行了較大的改進，雖然這些水槽裝置 適合模擬河道內砂石、土流動現象的相關模擬，但是都不是模擬橋梁水毀的最佳選擇。
[0004] 現有的最先進的自循環(huán)水槽使用電機驅動葉輪作為動力輸出系統(tǒng)，讓水在水槽內 流動，但是這種方法只能產生較低的流速，而且電機驅動葉輪作為水槽動力輸出系統(tǒng)存在 眾多弊端。首先，電機的轉數一般只有固定的幾個功率檔位可供調節(jié)，也就是說葉輪的轉 數有固定的范圍，所以產生的流速也是固定的，當電機轉數較低時產生的流速范圍較小，一 般流速要求為〇. 5m/s以下；其次，當轉數升到一定值后，因葉輪轉數過高會對上層水箱水 流產生影響，造成槽口水流流態(tài)紊亂，出現回流現象，也一定程度上影響了水力學實驗的結 果；第三，由于電機轉數過高會產生一定的振動現象，使水槽的整體性受到影響，一旦葉輪 和水槽產生振動現象，水槽內的水產生的振動將影響水流流速，影響實驗的進行。因此，現 有的自循環(huán)水槽及相關實驗裝置的效率、適用性、耐久性以及裝置內水流流態(tài)的穩(wěn)定性都 亟待提尚。
【發(fā)明內容】
[0005] 針對現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種模擬橋梁水毀實驗的水箱裝置及其實 驗方法，本發(fā)明可用于模擬常水位流速和洪峰水位流速時不同特征的水流，研宄不同水流 流速對橋梁水毀的作用效果，并可防止橋梁水毀實驗時的水流回流。
[0006] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：一種模擬橋梁水毀實驗的水箱裝 置，包括槽體防回流系統(tǒng)、自循環(huán)系統(tǒng)、模擬水流系統(tǒng)及測試系統(tǒng)；
[0007] 所述槽體防回流系統(tǒng)，包括防回流板，防回流板的下端通過旋轉軸設置在上層水 箱內，在上層水箱的內側軸向對稱設置有兩個低壓直流電機，兩個低壓直流電機的動力輸 出軸分別與兩條軟鋼絲繩的一端相連接，軟鋼絲繩的另一端分別與防回流板的上端相連 接；所述低壓直流電機與外接直流電機變壓器相連接；
[0008] 所述自循環(huán)系統(tǒng)，包括上層水箱、下層水箱、獨立防震裝置及水泵；所述上層水箱 設置在下層水箱的上方，在上層水箱的左端面上設置有噴水口，在上層水箱與下層水箱之 間的隔板的右側設置有循環(huán)出水口；在下層水箱的左端面上設置有水泵抽水口，在下層水 箱的右端面上設置有下層進水口，在下層進水口處設置有閥門；所述水泵設置在獨立防震 裝置上，水泵的進水口與下層水箱的水泵抽水口相連接；
[0009] 所述模擬水流系統(tǒng)，包括水泵、噴水法蘭及具有多相調節(jié)器的氣液增壓泵；所述氣 液增壓泵的輸出端與噴水法蘭相連接；
[0010] 所述測試系統(tǒng)，包括若干個智能管道流量計和螺旋式流速儀；所述智能管道流量 計分別設置在氣液增壓泵增壓后的管道和噴水法蘭上，螺旋式流速儀分別設置在實驗試件 安裝位置的周圍。
[0011] 在所述防回流板位置的上層水箱外壁設置有固定度盤，在防回流板上設置有回流 板旋轉指針，所述回流板旋轉指針與固定度盤相對應。
[0012] 所述水泵的進水口通過連接軟管和卡具與水泵抽水口相連接，水泵的出水口通過 連接軟管和卡具與噴水口或氣液增壓泵的輸入端相連接。
[0013] 采用所述的模擬橋梁水毀實驗的水箱裝置的實驗方法，包括如下步驟：
[0014] 步驟一：將外接水源連接至下層進水口，打開下層水箱的閥門，將水引入下層水 箱；當水從上層水箱的噴水口溢出時，關閉閥門；
[0015] 步驟二：將實驗試件放入上層水箱內，按實驗要求固定在安裝位置上；
[0016] 步驟三：將水泵的出水口與上層水箱的噴水口相連接，啟動水泵，將下層水箱內的 水通過水泵抽水口抽出，并通過上層水箱的噴水口注入上層水箱，達到實驗要求給定的水 面高度時，關閉水泵；
[0017] 步驟四：斷開水泵出水口與噴水口之間的連接，將水泵出水口與氣液增壓泵的輸 入端相連接，并將噴水法蘭連接至上層水箱的噴水口；啟動水泵和螺旋式流速儀，通過多 相調節(jié)器調節(jié)水流流速至實驗要求的流速；根據螺旋式流速儀的讀數調節(jié)防回流板，當螺 旋式流速儀的讀數顯示上層水箱內水流無回流及側向環(huán)流時，制動防回流板的低壓直流電 機，此時即可進行相關模擬實驗。
[0018] 本發(fā)明的有益效果：
[0019] 1、本發(fā)明可用于模擬常水位流速和洪峰水位流速時不同特征的水流，研宄不同水 流流速對橋梁水毀的作用效果，并可防止橋梁水毀實驗時的水流回流；
[0020] 2、本發(fā)明適用于多種水流物理試驗與教學展示試驗，而且制造方便、便于裝卸，更 是模擬橋梁路橋結合部位水毀實驗的有效裝置；
[0021] 3、本發(fā)明采用了水泵W0RECHI-170F和氣液增壓泵STA100,并結合高精度的螺旋 式流速儀實時讀取上層水箱中的水流速度，水流速度測試可精度到〇. lcm/s，從而獲得更為 精確的水流流速測定效果，準確校驗了上層水箱內的實際流速，與此同時將流速范圍擴大 到0~360cm/s，并消除了橫向環(huán)流；
[0022] 4、本發(fā)明采用智能管道流量計LUGB DN-50監(jiān)控向上層水箱內噴水的均勻性，并通 過閥門控制水箱內水流流速，多擋切換靈活。
【附圖說明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的槽體防回流系統(tǒng)和自循環(huán)系統(tǒng)及與其相連的測試系統(tǒng)的結構示 意圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的模擬水流系統(tǒng)及與其相連的測試系統(tǒng)的結構示意圖；
[0025] 圖3為工況5實驗前的實驗試件模型圖；
[0026] 圖4為工況5破壞后的實驗試件模型圖；
[0027] 圖中：1-螺旋式流速儀，2-低壓直流電機，3-軟鋼絲繩，4-上層水箱，5-閥門， 6-下層進水口，7-循環(huán)出水口，8-回流板旋轉指針，9-防回流板，10-水泵抽水口，11-噴水 口，12-水泵，13-多相調節(jié)器，14-氣液增壓泵，15-噴水法蘭，16-下層水箱，17-固定度盤， 18-智能管道流量計，19-獨立防震裝置。
【具體實施方式】
[0028] 下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步的詳細說明。
[0029] 如圖1、圖2所示，一種模擬橋梁水毀實驗的水箱裝置，包括槽體防回流系統(tǒng)、自循 環(huán)系統(tǒng)、模擬水流系統(tǒng)及測試系統(tǒng)；
[0030] 所述槽體防回流系統(tǒng)，包括防回流板9,防