土石坝溃坝离心模型试验中水流控制与测量

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1、水利学报2018年8月SHUILIXUEBAO第49卷第8期文章编号：0559-9350（2018）08-0901-06土石坝溃坝离心模型试验中水流控制与测量1，2111，21陈生水，徐光明，顾行文，钟启明，任国峰（1.南京水利科学研究院，江苏南京210029；2.水利部土石坝破坏机理与防控技术重点实验室，江苏南京210029）摘要：针对目前土石坝溃坝离心模型试验中存在的问题，研发了一套伺服水阀流量控制装置，显著提高了土石坝溃坝离心模型试验上游来水条件的控制精度，有效降低了模型试验结果的不确定性；建立了土石坝溃坝离心模型试验的水流相似准则；提出了

2、一种采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰测量土石坝溃坝离心模型试验中溃坝洪水流量过程的方法，并通过超重力场下的放水试验，证明了薄壁矩形量水堰的流量系数与离心机加速度无关，采用内置于模型箱端板上的薄壁矩形量水堰可准确测定土石坝溃坝离心模型试验中的溃坝洪水流量过程。关键词：土石坝溃坝；离心模型试验；水流相似准则；流量控制与测量中图分类号：TV461文献标识码：Adoi：10.13243/j.cnki.slxb.20180347正确揭示土石坝溃坝机理，建立合理模拟其溃口发展规律和溃坝洪水流量过程是提高土石坝溃［1-2］坝应急预案科学性的关键，为此，国

3、内外围绕土石坝溃决机理开展了大量模型试验研究。然而，土石料的应力应变特性与其所承受的应力水平密切相关，具有显著的非线性，小尺度的土石坝溃坝机理模型试验由于模型与原型的应力水平相差过大，试验结果不符合实际；野外大尺度溃坝机理试［1］验结果无疑更接近原型坝实际，但费用高、周期长，且随着坝高的增加，风险控制将十分困难。离心机高速旋转所产生的超重力场可大幅提高试验模型的应力水平，因此离心模型试验不失为一种开展土石坝溃坝试验的有效方法。但开展土石坝溃坝离心模型试验需解决以下3个关键技术问题：（1）需在现有离心机中增设一套水流控制系统，持续提供足够的溃坝水流

4、；（2）需建立溃坝水流离心模型试验相似准则；（3）应能准确测量土石坝溃坝洪水流量过程。本文将重点介绍作者围绕上述3个关键技术问题所开展的相关工作。1上游水流条件的模拟与控制［3］1.1大流量水流控制系统陈生水等于2010年研制了一套如图1所示的以环形接水槽为核心的离心机大流量水流控制系统，它具有以下特点：（1）溃坝水流由离心机室外水箱提供，解决了在离心机大臂上设置贮水箱，因贮水箱中水体重量显著变化而影响离心机平衡，严重威胁离心机安全这一问［1］题；（2）环形接水槽与离心机旋转轴同轴，有利于高速旋转条件下环形接水槽结构安全，且入水口与高速旋转的环形

5、接水槽之间无硬件接触，有效解决了固定件与旋转件之间的磨损和渗漏问题，输水流量也不受接触限制；（3）在下游端设置了集水和排水系统，溃坝水流可直接下泄至离心机室地面，通过地面槽口汇流至下层基坑中的集水箱，再由潜水泵自动排出。该水流控制系统可在100倍超重力场条件下正常工作，可持续稳定提供溃坝水流，最大流量达3000L/min。应用该系统收稿日期：2018-04-18；网络出版日期：2018-08-23网络出版地址：http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20180823.1718.003.html基金项目

6、：国家重点研发计划项目（2017YFC0404806）；国家自然科学基金项目（51539006，51779153）作者简介：陈生水（1962-），男，江苏南京人，教授级高级工程师，主要从事岩土力学与土石坝工程研究。E-mail：sschen@nhri.cn—901—开展了最大坝高32m的土石坝溃坝离心模型试验，分别揭示了均质土坝、心墙坝、面板堆石坝和堰塞［4-7］坝的溃决机理。需要指出的是，该水流系统蝶阀的控制是手动的，只有一种模式：开启—稳定—关闭，蝶阀的开启过程在每次试验中很难保持完全一致，导致溃坝模型试验上游来水条件控制精度较低，增加了溃坝

7、模型试验结果的不确定性。图1NHRI-400gt离心机大流量水流控制系统1.2伺服水阀流量控制装置为了提高土石坝溃坝离心模型试验上游来水条件的控制精度，2017年研发一套伺服水阀流量控制装置，以代替原水流控制系统中的蝶阀，如图2所示。该装置的核心部件为一只电机驱动的伺服水阀和一套基于自动反馈原理的控制系统。控制系统负责实时检测流量计信号，并给伺服水阀发出信号，控制水阀增大或缩小开度。为检验该伺服水阀流量控制装置的有效性，通过放水试验，比较分析了实际流量过程与设计图2伺服水阀流量控制装置目标流量过程的相关性。首先考察目标峰值流量的跟踪情况。从图3中

8、伺服水阀开度过程曲线可知，伺服水阀在接受控制器指令后，阀门开度在28s内迅速从零增大至80%，设定的目标峰值流量为14L/s；而该时刻实