模拟坝体逐渐溃决的试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水工模型试验技术领域，具体涉及一种模拟坝体逐渐溃决的试验装置及方法。
【背景技术】
[0002]2013年发布的《第一次全国水利普查公报》显示，全国共有水库98002座，总库容9323.12亿m3。水库大坝对人类社会发展起到了极其重要的推动作用，为区域防洪安全、灌溉、供水提供了保障，是我国防洪工程体系的重要组成部分。随着时间的推移，水库不可避免地会出现坝体老化和破损等现象，形成险库、病库。世界水库大坝发展进程中，溃坝并导致生命财产重大损失的事件屡有发生，多起特大溃坝事故教训十分惨痛。1889年美国约翰斯敦水库洪水漫顶垮坝，死亡4000?10000人；1953年，荷兰的风暴潮导致约900处堤防发生溃决，造成荷兰历史上最为惨重的一次自然灾害，死亡1835人，直接经济损失占荷兰当年GDP的14%; 1963年，意大利瓦伊昂拱坝水库失事，死亡2600人；1979年，印度曼朱二号水库垮坝，死亡5000?10000人。据统计，1954?2012年我国共有3520座水库垮坝，年均59.7座。近年来，地震事件和极端洪水等自然环境事件显著增加，大坝发生溃决的风险不断提高。
[0003]基于溃坝灾害的严重性，人们越来越重视对坝体溃决机理的研究。溃坝物理模型试验在溃坝机理研究方面具有其它方法和手段无可比拟的优越性，模型试验数据是重大水利工程设计和施工的主要依据。
【发明内容】
[0004]发明目的:本发明所要解决的技术问题是提供一种模拟坝体逐渐溃决的试验装置及方法，降低溃坝模型试验中的人为误差，提高实验的重复性和精度，克服现有溃坝试验技术的不足。
[0005]技术方案:本发明解决其技术问题所采用的模拟坝体逐渐溃决的试验装置，包括坝肩、坝体、锚杆、电动系统、弹簧、弹簧固定座、控制单元。所述的坝肩位于坝体的左、右两侧，坝肩的横截面为等腰梯形，在坝肩内部从上到下设置有若干个水平洞。所述的锚杆位于坝肩和坝体的内部，锚杆一端为圆柱端、另一端为公接头或母接头，锚杆的圆柱端布设在坝肩的水平洞中，锚杆的杆身上设有凹槽。所述的凹槽设置在锚杆上靠近圆柱端的一侧。所述的锚杆的直径略小于坝肩内水平洞的直径，锚杆穿过绝缘盒中部预设的圆孔和坝肩内的水平洞。所述的电动系统由绝缘盒、微型电动机和固定销构成。绝缘盒固定在坝肩内部，绝缘盒中部预设有水平的圆孔，圆孔的直径等于坝肩内水平洞的直径。微型电动机设置在绝缘盒内部，并固定在绝缘盒的底部。微型电动机给固定销提供旋转运动的动力源。固定销安装在微型电动机的转轴，并卡入锚杆的凹槽。所述的弹簧固定座固定在坝肩内部，弹簧一端固定于弹簧固定座、另一端固定于锚杆的圆柱端。所述的控制单元由单片机、电源、继电器和配电柜构成，控制单元安装在坝肩外部，单片机、电源和继电器设置在配电柜内部，单片机的1 口通过专用线路分别与各层的继电器相连，继电器通过电线与微型电动机相连，单片机控制继电器和微型电动机的工作进程，电源给单片机与继电器以及微型电动机提供所需电能。
[0006]作为优选，所述的坝体由若干层长方体组成，每一层长方体又由若干个中间设有小孔的立方块组成，同一层的立方块之间通过一对锚杆贯穿小孔固定;坝体内的每对锚杆均由一根带有公接头的锚杆和一根带有母接头的锚杆连接而成，公接头与母接头连接方式为套接，母接头套接在公接头上;所有相邻的立方块之间以及相邻的长方体之间均用止水材料密封。
[0007]作为优选，所述的锚杆向左、右坝肩内收缩，锚杆的收缩依靠弹簧的瞬间拉力，坝体坍塌过程不受锚杆阻力作用。
[0008]作为优选，所述的凹槽垂直于锚杆，凹槽为圆弧形。
[0009]作为优选，所述的微型电动机设置在绝缘盒内部，采用微型步进电动机。
[0010]本发明提供的技术方案还包括所述模拟坝体逐渐溃决的试验装置的试验方法，包括如下步骤:
[0011]①初始，坝体在左、右两侧的坝肩、弹簧固定座、弹簧、绝缘盒、微型电动机、固定销、锚杆和上游水压共同作用下保持稳定状态，其中，固定销卡住锚杆的凹槽，弹簧在弹簧固定座和锚杆的共同拉力作用下处于拉伸状态，每对锚杆通过公接头和母接头在坝体内部连接形成坝体的内部骨架；
[0012]②试验时，接通电源给单片机、继电器和微型电动机供电，单片机通电后开始执行内部程序，通过内部程序控制单片机的1 口每隔一定时间间隔输出一个高电平；
[0013]③当继电器接收到高电平时内部电路导通，接通最上层的两个微型电动机电源，微型电动机开始工作，驱动固定销从锚杆的凹槽向外旋转；
[0014]④当固定销脱离凹槽后，固定销对锚杆的作用力消失，在弹簧的拉力作用下，最上层的锚杆在公接头和母接头套接处逐渐分离，并向两端的弹簧固定座收缩回到坝肩；
[0015]⑤在锚杆收回过程中，最上层的立方块逐渐失去锚杆的锚固作用，在水流的静压力和自身重力作用下开始坍塌；
[0016]⑥单片机周期性输出高电平，使继电器逐层触发，自上而下不同层微型电动机相继工作，固定销相继脱离相应锚杆的凹槽，锚杆相继收回到坝肩；
[0017]⑦在锚杆自上而下相继收回的过程中，立方块在水流冲刷和自身重力作用下逐渐坍塌，最终被冲离坝体，坝体形成自上而下的溃决效果；
[0018]按照上述相应步骤，即可实现坝体逐渐溃决的模拟试验，通过回收立方块和编辑单片机内部程序，能够进行溃坝重复试验，揭示溃坝机理、分析溃坝水流水力特性。
[0019]有益效果:本发明的模拟坝体逐渐溃决的试验装置及方法，与现有技术相比具有以下有益效果:
[0020](I)本发明中的坝体溃决方式和溃决时间能够通过单片机程序控制，增加了试验的灵活性，有利于研究不同失稳条件下坝体的溃决规律，对深入揭示溃坝孕育过程和溃决机理有重要意义。
[0021 ] (2)本发明中的坝体由若干层长方体组成，每一层长方体又由若干个立方块组成，立方块所用材料及其特征决定了坝体的类型和特征。立方块的材料既可以是混凝土，也可以是土石料，所以坝体既可以是混凝土重力坝，也可以是土石坝。采用不同配合比的混凝土或不同级配的土石料制作立方块，能够实现不同坝型、不同筑坝材料的稳定性研究。
[0022](3)本发明中的锚杆均由一根带有公接头的锚杆和一根带有母接头的锚杆套接而成，套接方式不仅能够满足锚杆自由分离的需求，也能够满足锚杆承受来流方向水压力的稳定需要。
[0023](4)本发明中的单片机控制继电器和微型电动机的工作进程，试验装置智能化程度高，立方块的失稳坍塌依靠水压力、摩擦力和自身重力，坝体的整个坍塌过程没有人为干扰。
【附图说明】
[0024]图1是本发明模拟坝体逐渐溃决的试验装置立体示意图；
[0025]图2是图1中的锚杆、电动系统、弹簧和弹簧固定座的连接结构示意图；
[0026]图3是图1中的公接头和母接头结构示意图；
[0027]图4是图1中的电动系统及其相邻的弹簧和锚杆示意图；
[0028]图5是图1中的微型电动机、固定销与锚杆上的凹槽结构示意图；
[0029]图6是图1中的控制单元示意图。
[0030]图中:1-坝肩、2-坝体、3-锚杆、301-公接头、302-母接头、303-凹槽、4-电动系统、401-绝缘盒、402-微型电动机、403-固定销、5-弹簧、6-弹簧固定座、7-控制单元、701-单片机、702-电源、703-继电器、704-配电柜。
【具体实施方式】
[0031 ]下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
[0032]实施例:
[0033]如图1-图6所示，本发明的模拟坝体逐渐溃决的试验装置主体包括坝肩1、坝体2、锚杆3、电动系统4、弹簧5、弹簧固定座6和控制单元7。坝肩I位于坝体2的左、右两侧，两个坝肩I的大小相同，在两个坝肩I的内部，从上到下分别设置有若干个水平洞，水平洞的间距相同。坝体2由若干层长方体组成，每一层长方体又由若干个中间设有小孔的立方块组成，相邻的立方块之间以及相邻的长方体之间均用止水材料密封。立方块小孔的孔径等于水平洞的直径，每个立方块的长、宽、高均等于相邻水平洞的间距，同一层的立方块之间通过一对锚杆3贯穿小孔固定。锚杆3位于坝肩I和坝体2的内部，每根锚杆3的一端为圆柱端、另一端为公接头301或母接头302，锚杆3的圆柱端布设在坝肩I的水平洞中，锚杆3的杆身上设有凹槽303，凹槽303设置在锚杆3上靠近圆柱端的一侧，锚杆3的直径略小于坝肩I内水平洞的直径。
[0034]如图1和图3所示，每对锚杆3均由一根带有公接头301的锚杆3和一根带有母接头302的锚杆3连接而成，公接头301与母接头302连接方式为套接，母接头302套接在公接头301 上。
[0035]如图1、图4和图5所示，电动系统4由绝缘盒401、微型电动机402和固定销403构成。绝缘盒401固定在坝肩I内部，绝缘盒401中部预设有水平的圆孔，圆孔的直径等于坝肩I内水平洞的直径。微型电动机402设置在绝缘盒401内部，并固定在绝缘盒401底部，微型电动机402给固定销403提供旋转运动的动力源。固定销403安装在微型电动机402的转轴上，并卡入锚杆3的凹槽303内。