本發(fā)明涉及一種試驗(yàn)方法，具體說(shuō)是一種反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)方法，屬于船閘閥門水力學(xué)試驗(yàn)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

輸水閥門是船閘輸水系統(tǒng)的咽喉，其安全、平穩(wěn)、高效運(yùn)行對(duì)船閘通航至關(guān)重要。船閘輸水閥門通常包括兩種結(jié)構(gòu)型式，分別為平面閥門和反弧門，兩種閥門有不同的適用范圍，一般情況下，平面閥門用于20m以內(nèi)的低水頭船閘，對(duì)于20m以上的中高水頭船閘采用反弧門。因此，反弧門廣泛應(yīng)用于高水頭船閘，典型的如三峽五級(jí)船閘中間級(jí)反弧門工作水頭達(dá)到45.2m，大藤峽單級(jí)船閘反弧門工作水頭40.25m，反弧門的工作條件較為惡劣。在高水頭船閘工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，反弧門頻繁動(dòng)水啟閉，其頂止水承受著復(fù)雜的非恒定流水動(dòng)力荷載作用，尤其在反弧門開(kāi)啟之初的小開(kāi)度時(shí)，頂止水與胸墻脫離形成窄縫，在上下游水頭差作用下發(fā)生強(qiáng)空化，反弧門頂止水非常容易損壞，且隨著反弧門工作水頭的增大，頂止水損壞有加速的趨勢(shì)，有的頂止水僅使用3個(gè)月即發(fā)生損壞，出現(xiàn)漏水，影響船閘的正常運(yùn)行，必須停航檢修更換。因此，盡管反弧門頂止水是其一個(gè)小的附屬設(shè)施，但經(jīng)常出現(xiàn)問(wèn)題會(huì)嚴(yán)重影響船閘的通航效率。

為延長(zhǎng)反弧門頂止水的使用壽命，在工程建設(shè)運(yùn)行過(guò)程中，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，反弧門頂止水結(jié)構(gòu)型式得到了改進(jìn)，如從原來(lái)的“P”型止水轉(zhuǎn)變?yōu)椤鞍雸A頭”型止水。盡管如此，隨著船閘高水頭、大型化發(fā)展，反弧門頂止水工作條件將進(jìn)一步惡化，頂止水的工作狀況可能將成為高水頭船閘建設(shè)及發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。因此，開(kāi)展反弧門頂止水工作特性及性能優(yōu)化研究十分必要。然而，到目前為止，關(guān)于反弧門頂止水的研究多通過(guò)工程應(yīng)用實(shí)踐進(jìn)行總結(jié)，僅能夠得到頂止水的使用壽命、破壞位置及形式，無(wú)法研究其工作特性及破壞機(jī)制，對(duì)于頂止水的結(jié)構(gòu)及材料的深度優(yōu)化等極為不利；另外，也有采用數(shù)值計(jì)算預(yù)測(cè)頂止水的受力變形，但數(shù)值計(jì)算存在的本身的計(jì)算方法、材料的本構(gòu)特性、水動(dòng)力荷載尤其空化水流激勵(lì)的表征等一系列問(wèn)題，很難獲得滿意的可靠結(jié)果；因?yàn)轫斨顾畱?yīng)用性很強(qiáng)，在試驗(yàn)室按比例縮尺的模型試驗(yàn)也無(wú)法真實(shí)反映其工作特性，未曾發(fā)現(xiàn)開(kāi)展過(guò)相關(guān)研究。因此，針對(duì)目前反弧門頂止水工作特性研究手段的不足，有必要提出一種能夠真實(shí)反映反弧門頂止水工作特性的試驗(yàn)方法，以研究揭示在反弧門各種工作狀態(tài)下頂止水的變形、振動(dòng)等工作特性，為頂止水結(jié)構(gòu)、材料等優(yōu)化提供手段。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)目前反弧門頂止水工作特性研究方法的不足，提出一種能夠真實(shí)反映反弧門頂止水工作特性的試驗(yàn)方法，以研究揭示在反弧門各種工作狀態(tài)下頂止水的變形、振動(dòng)等工作特性，為頂止水結(jié)構(gòu)、材料等優(yōu)化提供手段。

本發(fā)明達(dá)到上述目的的技術(shù)方案是：

一種反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)方法，包括以下步驟：

(1)制作與原型反弧門頂止水結(jié)構(gòu)尺寸、水流邊界完全相同的1∶1斷面試驗(yàn)裝置，斷面寬度為頂止水固定螺栓間距的兩倍；

(2)將試驗(yàn)裝置置于高速高壓水流循環(huán)系統(tǒng)，該水流循環(huán)系統(tǒng)為達(dá)到反弧門頂止水前后水流壓力、流速等提供條件；

(3)將反弧門頂止水試件安裝于試驗(yàn)段，根據(jù)試驗(yàn)工況調(diào)節(jié)頂止水試件的安裝位置，模擬頂止水密封擋水及小開(kāi)度開(kāi)啟等不同狀態(tài)，設(shè)置并固定相機(jī)，透過(guò)試驗(yàn)裝置的有機(jī)玻璃觀察窗進(jìn)行拍照，觀測(cè)頂止水的初始狀態(tài)；

(4)進(jìn)行動(dòng)水加載，利用試驗(yàn)段前后的調(diào)節(jié)閥門調(diào)節(jié)反弧門頂止水前后的水流壓力使達(dá)到頂止水的實(shí)際工作條件，利用固定的相機(jī)，透過(guò)試驗(yàn)裝置的有機(jī)玻璃觀察窗進(jìn)行拍照及高速攝像，觀測(cè)在水動(dòng)力作用下反弧門頂止水的狀態(tài)，通過(guò)圖像處理，獲得頂止水的變形、空化、振動(dòng)等工作特性。

一種反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)方法，所述的試驗(yàn)裝置是本發(fā)明的核心，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如下：

(1)試驗(yàn)裝置由進(jìn)水管路、穩(wěn)壓箱、試驗(yàn)段、出水管路四部分串聯(lián)組成，進(jìn)水管路和出水管路設(shè)置調(diào)節(jié)閥門，穩(wěn)壓箱和出水管路設(shè)置壓力表，以調(diào)節(jié)試驗(yàn)段前后的水流壓力；

(2)試驗(yàn)段模擬范圍包括反弧門外面板、胸墻邊界、頂止水整個(gè)工作區(qū)域，結(jié)構(gòu)斷面尺寸、水流邊界與原型完全相同；

(3)試驗(yàn)段的斷面寬度根據(jù)頂止水的固定螺栓的間距確定，斷面寬度取固定螺栓間距的兩倍，頂止水試件寬度與斷面寬度相同，頂止水試件用兩根固定螺栓固定，固定螺栓沿?cái)嗝鎸挾确较驅(qū)ΨQ布置，頂止水試件的止水橡皮、壓板及固定螺栓與原型完全相同；

(4)為便于觀察，在試驗(yàn)段兩側(cè)與頂止水對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置透明有機(jī)玻璃觀察窗，在有機(jī)玻璃觀察窗表面縱橫兩個(gè)方向設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)尺寸的網(wǎng)格線，用于確定頂止水的輪廓邊界、精確觀測(cè)變形量及振動(dòng)量；

(5)試驗(yàn)段頂部設(shè)置可拆裝的頂蓋，并適當(dāng)增大試驗(yàn)段上部的斷面寬度，便于頂止水試件的拆裝，頂蓋上設(shè)置排氣管以排出試驗(yàn)裝置中的氣體；

(6)試驗(yàn)裝置除有機(jī)玻璃觀察窗為有機(jī)玻璃材料制作外，其他邊壁均為鋼材制作，整個(gè)試驗(yàn)裝置需滿足耐高壓及和密閉要求，承壓1MPa以上。

一種反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)方法，其所述的高速高壓水流循環(huán)系統(tǒng)，必須設(shè)置泄壓閥，防止頂止水變形過(guò)大封閉縫隙導(dǎo)致裝置壓力驟升。

在試驗(yàn)過(guò)程中，用于拍照及高速攝像的相機(jī)的位置及設(shè)置固定不變，保證相同的拍攝條件。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用與原型完全相同的斷面結(jié)構(gòu)，不存在縮尺影響，能夠真實(shí)、準(zhǔn)確反映反弧門頂止水的工作特性；

(2)為反弧門頂止水研究提供了一種新的手段，不僅為頂止水的變形等工作特性研究提供條件，也為頂止水與高速射流空化相互作用機(jī)理等基礎(chǔ)性研究提供條件。

(3)原理簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1為反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)裝置總布置圖；

圖2為反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)裝置縱剖面圖；

圖3為反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)裝置試驗(yàn)段橫剖面圖；

圖4為反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)裝置頂止水試件的三視圖；

圖5為實(shí)施例一反弧門頂止水初始狀態(tài)及水壓力作用下的變形圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

實(shí)施例一

本實(shí)施例為某船閘反弧門頂止水工作特性研究，該船閘反弧門的門前壓力60m水柱、門后壓力20m水柱，反弧門最大工作水頭40m水柱，反弧門頂止水采用“半圓頭”型式，反弧門寬度5m，頂止水壓板固定螺栓間距為12cm。

采用本發(fā)明一種反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)方法，附圖1為試驗(yàn)裝置的總布置圖，附圖2為試驗(yàn)裝置的縱剖面圖，附圖3為試驗(yàn)裝置試驗(yàn)段橫剖面圖，附圖4為試驗(yàn)裝置頂止水試件的三視圖，附圖5為本實(shí)施例反弧門頂止水初始狀態(tài)及水動(dòng)力作用下的變形圖。圖中1為進(jìn)水管路，2為穩(wěn)壓箱，3為試驗(yàn)段，4為出水管路，5為調(diào)節(jié)閥門，6為壓力表，7為頂止水，8為反弧門外面板，9為胸墻邊界，10為有機(jī)玻璃觀察窗，11為頂蓋，12為排氣管，13為止水橡皮，14為壓板，15為固定螺栓，16為初始狀態(tài)頂止水輪廓，17為水動(dòng)力力下頂止水變形輪廓。

采用本發(fā)明進(jìn)行反弧門頂止水工作特性試驗(yàn)包括以下步驟：

(1)為消除縮尺影響，制作與原型反弧門頂止水結(jié)構(gòu)尺寸、水流邊界完全相同的1∶1斷面試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如下：

①試驗(yàn)裝置由進(jìn)水管路1、穩(wěn)壓箱2、試驗(yàn)段3、出水管路4四部分串聯(lián)組成，進(jìn)水管路1和出水管路4設(shè)置調(diào)節(jié)閥門5，穩(wěn)壓箱2和出水管路4設(shè)置壓力表6，以調(diào)節(jié)試驗(yàn)段3前后的水流壓力；

②試驗(yàn)段3模擬范圍包括反弧門外面板8、胸墻邊界9、頂止水7整個(gè)工作區(qū)域，結(jié)構(gòu)斷面尺寸、水流邊界與原型完全相同；

③試驗(yàn)段3的斷面寬度根據(jù)頂止水7的固定螺栓15的間距確定，本實(shí)施例固定螺栓15的間距為12cm，斷面寬度取固定螺栓15間距的兩倍，即為24cm，頂止水7試件寬度也為24cm，用兩根固定螺栓15固定，固定螺栓15沿?cái)嗝鎸挾确较驅(qū)ΨQ布置，即每根固定螺栓15到頂止水7試件兩端的距離均為6cm，頂止水7試件的止水橡皮13、壓板14及固定螺栓15與原型完全相同；

④為便于觀察，在試驗(yàn)段3兩側(cè)與頂止水7對(duì)應(yīng)的位置設(shè)置透明有機(jī)玻璃觀察窗10，在觀察窗表面縱橫兩個(gè)方向設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)尺寸的網(wǎng)格線，用于確定頂止水7的輪廓邊界、精確觀測(cè)變形量及振動(dòng)量；

⑤試驗(yàn)段3頂部設(shè)置可拆裝的頂蓋11，并適當(dāng)增大試驗(yàn)段3上部的斷面寬度，便于頂止水7試件的拆裝，頂蓋11上設(shè)置排氣管12以排出試驗(yàn)裝置中的氣體；

⑥試驗(yàn)裝置除有機(jī)玻璃觀察窗10為有機(jī)玻璃材料制作外，其他邊壁均為鋼材制作，整個(gè)試驗(yàn)裝置需滿足耐高壓及和密閉要求，承壓1MPa以上。

(2)將試驗(yàn)裝置置于高速高壓水流循環(huán)系統(tǒng)，該水流循環(huán)系統(tǒng)為達(dá)到反弧門頂止水7前后水流壓力、流速等提供條件要求，對(duì)于本實(shí)施例，頂止水7之前壓力要能達(dá)到60m水柱、頂止水7之后壓力能達(dá)到20m水柱，在頂止水7與胸墻邊界9小縫隙(0～2cm)情況下，采用兩臺(tái)功率為90kW、流量為50L/s的多級(jí)增壓離心泵供水即可滿足要求；

(3)將反弧門頂止水7試件安裝于試驗(yàn)段3，根據(jù)試驗(yàn)工況調(diào)節(jié)頂止水7試件的安裝位置，模擬頂止水7密封擋水及小開(kāi)度開(kāi)啟等不同狀態(tài)，設(shè)置并固定相機(jī)，透過(guò)試驗(yàn)裝置的有機(jī)玻璃觀察窗10進(jìn)行拍照，觀測(cè)頂止水7的初始狀態(tài)；

(4)進(jìn)行動(dòng)水加載，利用試驗(yàn)段3前后的調(diào)節(jié)閥門5調(diào)節(jié)反弧門頂止水7前后的水流壓力使達(dá)到頂止水7的實(shí)際工作條件，前后水流壓力分別為60m水柱和20m水柱，利用固定的相機(jī)透過(guò)試驗(yàn)裝置的有機(jī)玻璃觀察窗10進(jìn)行拍照及高速攝像，觀測(cè)在40m水頭水動(dòng)力作用下反弧門頂止水7的狀態(tài)，通過(guò)對(duì)有無(wú)水流作用下頂止水7照片對(duì)比處理，獲得頂止水7的變形，見(jiàn)附圖5，通過(guò)高速攝像圖片的連續(xù)處理，獲得頂止水7的振動(dòng)位移，高速攝像圖片同時(shí)也反映了頂止水7的空化流態(tài)。