CN110940485A - 一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置及其实验方法，该实验装置包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为(14～16)m×(0.4～0.6)m×(0.7～1.0)m的长方体实验水槽，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管、进水消能装置、水流消能装置、模拟冰块投放装置、水流断面监测装置、闸门、实验水槽出水管。该实验装置专门针对水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验进行设计，具有结构合理、所需占地小、装置及实验成本较低的特点，该实验方法与上述实验装置匹配，并在现有实验方法的基础上进行了优化，缩短了单次实验用时。

Description

一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置及其 实验方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置及其实验方法，尤其适用于明渠水流中平板闸门底孔自由出流条件下冰堆积与输移的实验装置及其实验方法。

背景技术

我国水资源在地理分布上极不平衡，80％分布在西南地区，时间分布差异也较大，丰水期3个月的径流量可占全年径流量60％以上。为改变水资源时空分布不平衡，我国长距离、大流量引调水工程的建设增多，如南水北调工程。但部分引调水工程到达或跨越寒冷地区，由于渠道冬季冰凌的存在，增加了水流阻力，过水面积减小，将会影响渠道输水能力。闸门、倒虹吸等水工建筑物在输水渠道中较为常见，而他们在冬季的运行调度是保障冬季输水效率的关键因素。

闸前水流具有复杂的水力特性，由于闸门上游具有一定的淹没深度，其进水口可视为压力进水口。当淹没水深不足时，在有压进水口前容易产生立轴漩涡，会对水工建筑物的安全运行带来不利影响。即使在淹没水深满足时，出流对进水口一定距离范围水体仍具有较大影响，会产生趋向出水口方向的水力抽吸现象。这种水力抽吸现象产生时，表层漂浮物由于水流的拖曳力，可以被带到下游或管道中，影响河道或渠道的过流能力。

受冰凌本身属性、渠道水流条件和淹没水深等多重因素的影响，闸前的冰堆积与输移问题较为复杂，而该问题的模拟通常会在水槽中进行，流量大小和闸门开度是影响冰堆积与输移的关键因素，当流量较小时，闸前水位无法达到工况要求，当流量较大时，闸门稳定运行是设计的关键，而闸门水流的出流方式以及闸门设计的形式也是影响实验结果的关键。

不同的闸门设计形式以及闸口出流方式导致冰在闸前的堆积和输移过程有差异，现如今关于冰堆积与输移的研究有平板闸门中孔自由出流和倒虹吸口淹没出流，但对明渠水流中常见的平板闸门底孔自由出流条件下冰的堆积与输移问题，相关研究较为罕见。

目前已公开的相关技术文献中，论文《闸孔出流条件下水流挟冰能力研究》(郑永朋，内蒙古农业大学硕士论文)对闸孔出流条件下水流挟冰能力进行了研究。该论文通过物理模型试验研究了闸前冰块堆积形成冰盖后其下方的水流特性，并采用RNG k-ε湍流模型和VOF两相流模型模拟了冰盖下方水流过程，研究了流场结构，进而对水流挟冰能力做了研究。但是，该论文中所公开的实验装置为其现有的直壁式玻璃水槽，其尺寸中长度非常大(2000×50×90)cm，因此对其试验场地具有较为严苛的要求，同时因水槽体积较大，开启实验时所投入的水资源成本通常也较大。

而对于明渠水流中常见的平板闸门底孔自由出流条件下冰的堆积与输移问题来说，其模拟实验装置通常需要在保证水流在模拟冰块加入前达到匀速状态以及加入后冰块与水流速度相当的前提下进行模拟实验，因此现有的模拟实验装置如上述论文中多采用其他研究项目改造所得，装置成本尤其是场地成本及模拟实验效果通常不佳。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷或问题，提供了一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置及其实验方法，该实验装置专门针对水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验进行设计，具有结构合理、所需占地小、装置及实验成本较低的特点，该实验方法与上述实验装置匹配，并在现有实验方法的基础上进行了优化，缩短了单次实验用时。

为实现上述目的，本发明是采用由以下技术措施构成的技术方案来实现的。

一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置，包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为(14～16)m×(0.4～0.6)m×(0.7～1.0)m的长方体实验水槽，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管、进水消能装置、水流消能装置、模拟冰块投放装置、水流断面监测装置、闸门、实验水槽出水管；所述进水循环***包括循环水槽、模拟冰块收集网、水泵、及缓冲水槽；

所述实验水槽进水管设置在实验水槽长度方向一端端头处，为一根或多根沿实验水槽宽度方向等距平行分布，且管口伸入至设置在实验水槽底面的进水消能装置上方且距离实验水槽底面(0.25-0.35)m处，从而更好减小进水口的水位波动，所述实验水槽进水管上还设有流量阀，

所述水流消能装置设置在与实验水槽进水管距离(0.9～1.6)m实验水槽长度处，所述水流消能装置为固定在实验水槽内的多个网格消能板，且至少有一个网格消能板与实验水槽底部呈40°～60°角度固定放置，从而尽量减小进水端水流的水流波动，

所述模拟冰块投放装置内放置有模拟冰块，设置在与实验水槽进水管距离(2～2.5)m实验水槽长度处的实验水槽上端，并在模拟冰块投放装置下端设有模拟冰块投放滑槽，

所述水流断面监测装置包括分别设置在与实验水槽进水管距离(3～3.5)m实验水槽长度处的旋桨流速仪，以及与实验水槽进水管距离(11-11.5)m实验水槽长度处的IQ⁺流速仪，所述旋桨流速仪多个活动设置在同一水流垂直断面上并沿实验水槽宽度方向等距设置的垂直固定件上，所述IQ⁺流速仪设置在实验水槽底部，

所述闸门设置在与实验水槽进水管距离(12～13)m实验水槽长度处，且闸门开度为(0.04～0.1)m。

所述实验水槽出水管设置在实验水槽长度方向与实验水槽进水管相对的另一端，且管口设置在进水循环***的模拟冰块收集网上方，

所述循环水槽包括循环水槽进水口，所述模拟冰块收集网设置在循环水槽进水口处，

所述水泵的进水端与循环水槽连通，所述水泵的出水端与缓冲水槽连通，

所述缓冲水槽与实验水槽进水管连通，且在侧壁上还连通有余水出水管，所述余水出水管与循环水槽连通，且余水出水管与缓冲水槽的连通处高于实验水槽进水管与缓冲水槽连通处高度。

优选地，所述进水消能装置为堆积在实验水槽底部的多个卵石，并通过网格筐体对其进行限位，从而防止被水流冲走，进一步优选地，所述卵石为椭圆形，其长轴为(0.15～0.25)m,短轴为(0.10～0.15)m。

其中，所述网格消能板为现有技术中水利水电技术领域现有的网格消能工，其厚度为(0.04～0.07)m的多孔网格材料板，一种优选地技术方案中，所述水流消能装置为一个垂直于实验水槽底部设置的网格消能板，和一个与实验水槽底部呈40°～60°角度固定放置的网格消能板，其材质为甲基丙烯酸甲酯，且两者之间相距(0.6～0.7)m。通过上述结构设计，能够在尽量较短的水流长度内实现水流的匀速流动。

通常地，为了方便进行模拟实验，所述模拟冰块投放装置内放置的模拟冰块通常为密度低于水的长方体结构物体，为了更好地说明本发明并提供一种优选地技术方案，所述模拟冰块为规格0.04m×0.04m×0.006m的长方体，与之对应的模拟冰块投放滑槽的宽长分别大于等于0.1m，从而使得模拟冰块能够持续稳定且匀速的进行投放。

其中，所述垂直固定件为沿实验水槽宽度方向等距设置的多个垂直条板，所述垂直条板的板面与水流方向平行，且所述垂直固定件沿高度方向设有高度刻度线。

其中，所述旋桨流速仪为多个设置，位于同一水平面并分别活动固定在多个垂直条板上，通常地，在进行实验时通过人工对旋桨流速仪活动固定在垂直固定件上的高度进行调整，为了更方便上述高度调整的进行，通常是将多个旋桨流速仪分别与多个杆体固定连接或是同一分叉型支架固定连接，通过人工按照刻度抬高杆体或是支架对多个旋桨流速仪进行高度的调整，并通过垂直固定件上的刻度定位旋桨流速仪的高度。

优选地，所述旋桨流速仪为3个，分别活动固定在3个将实验水槽宽度四等分的垂直条板上。在进行测量时，通过人工调整3个旋桨流速仪的高度分别对水流底部、水流一半高度及水流表面的流速进行测量，并最终取平均值为闸门上游水流流速。

其中，所述IQ⁺流速仪设置在实验水槽底部，通常而言，为了更好地进行监测，为实验水槽底部宽度方向上的中央位置。

其中，所述闸门为了更好地进行固定并增强其稳固性，通常采用三角支架的结构对闸门进行固定和支撑。

所述实验水槽的上方和侧面还分别设有高速摄像装置，

注意的是，所述设置于实验水槽上方和侧面的高速摄像装置主要朝向实验水槽中的水流断面监测装置进行摄像记录。

通常地，所述旋桨流速仪和IQ⁺流速仪分别按照其本身的说明书或本领域公知常识进行安装、使用和收集测量结果。

利用上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)根据实验模拟所需的闸门开度e对实验水槽中的闸门高度进行调整，开启水泵；

(2)通过控制流量阀调整实验水槽中的水位高度H达到实验模拟所需，等待(5～8)min，再次确定实验水槽中的水位高度是否达到实验模拟所需，若是，测量并记录闸门淹没深度H₁，然后进行步骤(3)，若否，重新进行步骤(2)；

(3)通过模拟冰块投放装置向实验水槽内投入模拟冰块，模拟冰块通过模拟冰块投放滑槽持续稳定的投放入实验水槽，并通过旋桨流速仪和IQ⁺流速仪分别测量冰块在投放后的闸门上游水流流速V₁和闸门出口水流流速V₂；

(4)随着模拟冰块投放的进行，观察模拟冰块在闸前的输移状态：

若模拟冰块全部输移通过闸门，当观测到该状态时，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为冰通过；

若模拟冰块先在闸前堆积然后部分模拟冰块通过闸门，则等待闸前模拟冰块堆积体体积不随模拟冰块的继续投放而改变，记录闸前模拟冰块的堆积体厚度和长度，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为形成稳定堆积体后通过；

若模拟冰块在闸前形成堆积，且随着模拟冰块投放量的增加，闸前模拟冰块的堆积体长度持续增长，则记录该状态为平铺上溯；

(5)若需进行下一组模拟实验，则通过流量阀调整实验水槽中的水位高度，和/或对闸门高度进行调整改变闸门开度，重复步骤(2)～(4)；若模拟实验结束，进行步骤(6)；

(6)关闭水泵，关闭流量阀，将模拟冰块收集网内模拟冰块放回模拟冰块投放装置内。

通常地，在模拟实验结束后将实验水槽、循环水槽及缓冲水槽内的水进行回收处理，或留存至下次模拟实验使用。

通常地，在模拟实验过程中，添加水是通过自来水管或是上次模拟实验回收利用的水。

其中，步骤(3)所述闸门上游水流流速V₁是通过旋桨流速仪测量计算得到，且为水流底部、水流一半高度及水流表面的流速进行测量取平均值所得。闸门出口水流流速V₂是通过IQ⁺流速仪测量计算得到。

设闸门上游水流傅汝德数用Fr₁表示，则闸门上游傅汝德数计算公式如式1所示：；上游流量用Q表示，计算公式如式2；闸门出口水流傅汝德数Fr₂表示，计算公式如式3所示，

Q＝V₁×d×H (2)

其中，V₁代表上游流速，V₂代表闸门出口流速，e代表闸门开度，g代表重力加速度，H代表总水深，H₁代表闸门淹没深度，d代表水槽宽度。

在南水北调中线工程中，沿线每20km左右设有一座节制闸参考论文《大型输水渠道闸前常水位的研究》(方神光，水科学进展期刊论文)，在凌汛期，若河水携带过多冰块，很容易在渠道中形成冰塞，影响输水效率，甚至对输水渠道造成破坏。为了保证输水渠道在凌汛期正常工作，有必要利用闸门阻止河冰进入渠道。根据实验结果，当闸门开度与水深淹没比即H/e在[10-18]时，要求闸门上游傅汝德数小于0.08，保证冰块在闸前堆积，上游来冰不进入下游渠道。按照此调度方案可以有效保证输水渠道的流凌期运行，同时为渠道闸门凌汛期的运行调度提供参考。

通常而言，因为模拟冰块体积较小，通常认为在模拟冰块投放过程中，总水深变化很小，对于模拟实验影响极微。

其中，上述实验方法，可事先根据模拟实验所需的水位高度H和闸门开度e制定一个工况表，并根据工况表进行实验，具体方式可参考本发明实施例。

本发明的发明点主要如下：

1、发明人在设计本发明技术方案的过程中，发现现有技术多为参考较为成熟的其他模拟实验装置体系，没有或者少采用消能装置对通入水流进行消能，因此为了确保水流在模拟冰块加入前以及加入后都能够达到匀速状态，其实验水槽的长度通常设计的较长，占地较大，实验场所要求较高；同时其消能装置的选用和设置也较为简单，因此需要设计更长的上游长度以保证模拟冰块在加入前水流达到匀速状态。本发明通过将实验水槽进水管管口位置、进水消能装置及水流消能装置的技术内容进行了组合，并在优选方案中提供了一种将垂直网格消能板与倾斜网格消能板相组合的方式，从而实现了在较短的上游长度下水流达到匀速的模拟实验条件，从而大幅缩短了实验水槽所需的长度；

2、在测量闸前上游流速的技术方案上，现有技术多采用3～5组水流断面监测装置进行，分别对堆积模拟冰块前的3～5个水流断面进行监测并得到水流流速，之所以现有技术设计多组水流断面监测装置，一方面是因为模拟冰块会干扰到流速仪的测量，另一方面是因为冰块漂浮在水流上端，从而无法对闸前进水口处进行准确的测量，因此需要在上游处设置多组断面监测装置从而保障测量结果的准确性，而多组断面监测装置彼此具有一定间距，对实验水槽的长度就具有硬性的要求。本发明分别通过一组设置在上游处的旋桨流速仪以及闸前进水口处位于水槽底部的IQ⁺流速仪，足以充分保障测量闸前水流流速的准确性，从而进一步缩短了实验水槽所需的长度。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明实验装置专门针对水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验进行设计，具有结构合理、所需占地小、装置及实验成本较低的特点。

2、该实验方法与上述实验装置匹配，并在现有实验方法的基础上进行了优化，减少了仪器设置及所需测量的数据，从而缩短了单次实验用时，大幅提升了模拟实验效率。

附图说明

图1为本发明实施例1中实验水槽的现场照片。

图2为本发明实施例1中实验装置的整体结构示意图。

图3为本发明实施例1中旋桨流速仪所设置在的水流断面1#处的截面示意图。

图4为本发明实施例1中5组工况下流量-水位曲线图。

图5为本发明实施例1中5种工况下闸门出口水流傅汝德数-水位的变化。

图6为本发明实施例1中5种工况下上游水流傅汝德数-水位的变化。

图7为本发明实施例1中当闸门开度e＝0.06m时闸前冰堆积体形成的堆积厚度-长度关系，其中X代表距离闸门的长度，H代表水位。

图8为本发明实施例1中当闸门开度e＝0.08m时闸前冰堆积体形成的堆积厚度-长度关系，其中X代表距离闸门的长度，H代表水位。

图9为本发明实施例1中当闸门开度e＝0.10m时闸前冰堆积体形成的堆积厚度-长度关系，其中X代表距离闸门的长度，H代表水位。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。值得指出的是，给出的实施例不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整仍应属于本发明保护范围。

其中，所述旋桨流速仪采用南京水利科学研究院生产的LGY-II型智能旋桨流速仪。

其中，所述IQ⁺流速仪采用美国Sontek公司生产的IQ⁺流速仪。

实施例1：

一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置，实物如图1所示，示意图如图2所示，包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为15m×0.4m×1.0m的长方体实验水槽1，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管2、进水消能装置3、水流消能装置4、模拟冰块投放装置5、水流断面监测装置、闸门9、实验水槽出水管11；所述进水循环***包括循环水槽13、模拟冰块收集网12、水泵15、及缓冲水槽14；

所述实验水槽进水管2设置在实验水槽长度方向一端端头处，为一根并设置在实验水槽宽度方向中央处，管口伸入至设置在实验水槽底面的进水消能装置3上方且距离实验水槽底面0.3m处，所述进水消能装置3为堆积在实验水槽底部的多个卵石，并通过网格筐体对其进行限位，从而防止被水流冲走，所述卵石为椭圆形，主要选用长轴约为0.2m，短轴约为0.10m的卵石，从而更好减小进水口的水位波动，所述实验水槽进水管2上还设有流量阀2-1，

所述水流消能装置4在与实验水槽进水管距离0.9m实验水槽长度处，所述水流消能装置为一个垂直于实验水槽底部设置的网格消能板，和一个与实验水槽底部呈45°角度固定放置的网格消能甲基丙烯酸甲酯板，且两者之间相距0.65m，从而尽量降低进水端水流的水流波动，

所述模拟冰块投放装置5内放置有模拟冰块5-1，设置在与实验水槽进水管2距离2.5m实验水槽长度处的实验水槽1上端，并在模拟冰块投放装置5下端设有模拟冰块投放滑槽，所述模拟冰块投放装置5内放置的模拟冰块5-1通常为密度低于水规格0.04m×0.04m×0.006m的长方体结构物体，与之对应的模拟冰块投放滑槽的宽长分别为0.1m，

所述水流断面监测装置包括分别设置在与实验水槽进水管距离3m实验水槽长度处的旋桨流速仪6，其所在水流断面为1#，以及与实验水槽进水管距离11.5m实验水槽长度处的IQ⁺流速仪8，其所在水流断面为2#，所述旋桨流速仪6为3个，如图3所示，分别活动固定在3个将实验水槽宽度四等分的垂直条板上，所述垂直条板的板面与水流方向平行，且所述垂直固定件7沿高度方向设有高度刻度线，所述IQ⁺流速仪8设置在实验水槽底部宽度方向上的中央位置，

所述闸门9设置在与实验水槽进水管距离12m实验水槽长度处，且闸门9开度可在(0.04～0.1)m范围内进行调节，并采用三角支架结构10对闸门进行固定和支撑，

所述实验水槽出水管11设置在实验水槽长度方向与实验水槽进水管相对的另一端，且管口设置在进水循环***的模拟冰块收集网12上方，

所述循环水槽13包括循环水槽进水口，所述模拟冰块收集网12设置在循环水槽进水口处，

所述水泵15的进水端与循环水槽13连通，所述水泵15的出水端与缓冲水槽14通过缓冲水槽进水管16连通，且所述缓冲水槽进水管16上还设置有流量计16-1，

所述缓冲水槽14与实验水槽进水管2连通，且在侧壁上还连通有余水出水管17，所述余水出水管17与循环水槽13连通，且余水出水管17与缓冲水槽14的连通处高于实验水槽进水管2与缓冲水槽14连通处高度，

所述实验水槽1的上方和侧面还分别设有高速摄像装置18，侧面的高速摄像装置在图中进行了省略，并对实验水槽中的水流断面监测装置进行摄像记录。

根据模拟实验需要，制定模拟实验工况表1如下所示：

表1实验工况

其中，H₁～H₁₄为工况编号，H代表水位高度，e代表闸门开度。

利用上述实验装置的实验方法，包括如下步骤：

(1)根据工况表内所需的闸门开度e对实验水槽中的闸门9高度进行调整，开启水泵15；

(2)通过控制流量阀2-1调整实验水槽中的水位高度H达到工况表内所需，等待5～8min，再次确定实验水槽中的水位高度是否达到工况表内所需，若是，测量并记录闸门淹没深度H₁，然后进行步骤(3)，若否，重新进行步骤(2)；

(3)通过模拟冰块投放装置5向实验水槽内投入模拟冰块5-1，模拟冰块通过模拟冰块投放滑槽持续稳定的投放入实验水槽，并通过旋桨流速仪6和IQ⁺流速仪8分别测量模拟冰块在投放后的闸门上游水流流速V₁和闸门出口水流流速V₂；

(4)随着模拟冰块5-1投放的进行，观察模拟冰块在闸前的状态，：

若模拟冰块全部输移通过闸门，当观测到该状态时，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为冰通过；

若模拟冰块先在闸前堆积然后部分模拟冰块通过闸门，则等待闸前模拟冰块堆积体体积不随模拟冰块的继续投放而改变，记录闸前模拟冰块的堆积体厚度和长度，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为形成稳定堆积体后通过；

若模拟冰块在闸前形成堆积，且随着模拟冰块投放量的增加，闸前模拟冰块的堆积体长度持续增长，则记录该状态为平铺上溯；

(5)若需进行下一组模拟实验，则通过流量阀2-1调整实验水槽中的水位高度，和/或对闸门9高度进行调整改变闸门开度，重复步骤(2)～(4)；若模拟实验结束，进行步骤(6)；

(6)关闭水泵15，关闭流量阀2-1，将模拟冰块收集网12内模拟冰块放回模拟冰块投放装置内。

其中，步骤(3)所述闸门上游水流流速V₁是通过旋桨流速仪测量计算得到，且为水流底部、水流一半高度及水流表面的流速进行测量取平均值所得。

按照以上实验方法进行水槽实验，得到了如下实验结果，图4展示了各工况条件下流量-水位变化关系；图5展示了5组工况条件下闸门出口水流傅汝德数-水位的变化，图6展示了上游水流傅汝德数-水位的变化。

实验也得到了5组工况条件下冰的堆积厚度-水位的变化，当闸门开度为0.06m为例，闸前水位H为0.50m时，冰开始发生堆积，其冰块堆积长度为0.45m，冰在闸前形成稳定堆积体即图中的冰堆积成体，当闸前水位H为0.6m和0.65m时，冰为平铺上溯状态，闸前冰堆积厚度-长度变化关系如图7所示；当闸门开度e为0.08m时，水位H在(0.50～0.75)m变化时冰开始堆积，冰堆积厚度-长度变化关系如图8所示，冰堆积形态为冰堆积成体；当闸门开度e为0.10m时，水位H在0.75m和0.80m，冰开始堆积，其厚度-长度变化关系如图9所示，冰堆积形态为冰堆积成体；其他工况条件下，冰输移通过闸门。

实施例2：

一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置，包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为14m×0.5m×0.7m的长方体实验水槽，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管、进水消能装置、水流消能装置、模拟冰块投放装置、水流断面监测装置、闸门、实验水槽出水管；所述进水循环***包括循环水槽、模拟冰块收集网、水泵、及缓冲水槽；

所述实验水槽进水管设置在实验水槽长度方向一端端头处，为一根并设置在实验水槽宽度方向中央处，管口伸入至设置在实验水槽底面的进水消能装置上方且距离实验水槽底面0.25m处，所述进水消能装置为堆积在实验水槽底部的多个卵石，并通过网格筐体对其进行限位，从而防止被水流冲走，所述卵石为椭圆形，主要选用长轴约为0.15m，短轴约为0.10m的卵石，从而更好减小进水口的水位波动，所述实验水槽进水管上还设有流量阀，

所述水流消能装置在与实验水槽进水管距离0.9m实验水槽长度处，所述水流消能装置为一个垂直于实验水槽底部设置的网格消能板，和一个与实验水槽底部呈45°角度固定放置的网格消能甲基丙烯酸甲酯板，且两者之间相距0.6m，从而尽量降低进水端水流的水流波动，

所述模拟冰块投放装置内放置有模拟冰块，设置在与实验水槽进水管距离2m实验水槽长度处的实验水槽上端，并在模拟冰块投放装置下端设有模拟冰块投放滑槽，所述模拟冰块投放装置内放置的模拟冰块通常为密度低于水规格0.04m×0.04m×0.006m的长方体结构物体，与之对应的模拟冰块投放滑槽的宽长分别为0.1m，

所述水流断面监测装置包括分别设置在与实验水槽进水管距离3m实验水槽长度处的旋桨流速仪，以及与实验水槽进水管距离11m实验水槽长度处的IQ⁺流速仪，所述旋桨流速仪为3个，分别活动固定在3个将实验水槽宽度四等分的垂直条板上，所述垂直条板的板面与水流方向平行，且所述垂直固定件沿高度方向设有高度刻度线，所述IQ⁺流速仪设置在实验水槽底部宽度方向上的中央位置，

所述闸门设置在与实验水槽进水管距离13m实验水槽长度处，且闸门开度可在(0.04～0.1)m范围内进行调节，并采用三角支架结构对闸门进行固定和支撑，

所述实验水槽出水管设置在实验水槽长度方向与实验水槽进水管相对的另一端，且管口设置在进水循环***的模拟冰块收集网上方，

所述循环水槽包括循环水槽进水口，所述模拟冰块收集网设置在循环水槽进水口处，

所述水泵的进水端与循环水槽连通，所述水泵的出水端与缓冲水槽通过缓冲水槽进水管连通，且所述缓冲水槽进水管上还设置有流量计，

所述缓冲水槽与实验水槽进水管连通，且在侧壁上还连通有余水出水管，所述余水出水管与循环水槽连通，且余水出水管与缓冲水槽的连通处高于实验水槽进水管与缓冲水槽连通处高度，

所述实验水槽的上方和侧面还分别设有高速摄像装置，侧面的高速摄像装置在图中进行了省略，并对实验水槽中的水流断面监测装置进行摄像记录。

实施例3：

一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置，包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为16m×0.6m×0.8m的长方体实验水槽，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管、进水消能装置、水流消能装置、模拟冰块投放装置、水流断面监测装置、闸门、实验水槽出水管；所述进水循环***包括循环水槽、模拟冰块收集网、水泵、及缓冲水槽；

所述实验水槽进水管设置在实验水槽长度方向一端端头处，为三根沿实验水槽宽度方向间距0.1m平行分布，管口伸入至设置在实验水槽底面的进水消能装置上方且距离实验水槽底面0.35m处，所述进水消能装置为堆积在实验水槽底部的多个卵石，并通过网格筐体对其进行限位，从而防止被水流冲走，所述卵石为椭圆形，主要选用长轴约为0.25m，短轴约为0.15m的卵石，从而更好减小进水口的水位波动，所述实验水槽进水管上还设有流量阀，

所述水流消能装置在与实验水槽进水管距离0.9m实验水槽长度处，所述水流消能装置为一个垂直于实验水槽底部设置的网格消能板，和一个与实验水槽底部呈45°角度固定放置的网格消能甲基丙烯酸甲酯板，且两者之间相距0.7m，从而尽量降低进水端水流的水流波动，

所述模拟冰块投放装置内放置有模拟冰块，设置在与实验水槽进水管距离2.5m实验水槽长度处的实验水槽上端，并在模拟冰块投放装置下端设有模拟冰块投放滑槽，所述模拟冰块投放装置内放置的模拟冰块通常为密度低于水规格0.04m×0.04m×0.006m的长方体结构物体，与之对应的模拟冰块投放滑槽的宽长分别为0.1m，

所述水流断面监测装置包括分别设置在与实验水槽进水管距离3.5m实验水槽长度处的旋桨流速仪，以及与实验水槽进水管距离11.5m实验水槽长度处的IQ⁺流速仪，所述旋桨流速仪为3个，分别活动固定在3个将实验水槽宽度四等分的垂直条板上，所述垂直条板的板面与水流方向平行，且所述垂直固定件沿高度方向设有高度刻度线，所述IQ⁺流速仪设置在实验水槽底部宽度方向上的中央位置，

所述闸门设置在与实验水槽进水管距离13m实验水槽长度处，且闸门开度可在(0.04～0.1)m范围内进行调节，并采用三角支架结构对闸门进行固定和支撑，

所述实验水槽出水管设置在实验水槽长度方向与实验水槽进水管相对的另一端，且管口设置在进水循环***的模拟冰块收集网上方，

所述循环水槽包括循环水槽进水口，所述模拟冰块收集网设置在循环水槽进水口处，

所述水泵的进水端与循环水槽连通，所述水泵的出水端与缓冲水槽通过缓冲水槽进水管连通，且所述缓冲水槽进水管上还设置有流量计，

所述缓冲水槽与实验水槽进水管连通，且在侧壁上还连通有余水出水管，所述余水出水管与循环水槽连通，且余水出水管与缓冲水槽的连通处高于实验水槽进水管与缓冲水槽连通处高度，

所述实验水槽的上方和侧面还分别设有高速摄像装置，侧面的高速摄像装置在图中进行了省略，并对实验水槽中的水流断面监测装置进行摄像记录。

Claims (7)

1.一种水流自由出流条件下闸前冰堆积与输移的实验装置，其特征在于包括进水循环***和实验水槽***，所述实验水槽***包括规格为(14～16)m×(0.4～0.6)m×(0.7～1.0)m的长方体实验水槽(1)，在所述实验水槽长度方向上依次设置实验水槽进水管(2)、进水消能装置(3)、水流消能装置(4)、模拟冰块投放装置(5)、水流断面监测装置、闸门(9)、实验水槽出水管(11)；所述进水循环***包括循环水槽(13)、模拟冰块收集网(12)、水泵(15)、及缓冲水槽(14)；

所述实验水槽进水管(2)设置在实验水槽长度方向一端端头处，为一根或多根沿实验水槽宽度方向等距平行分布，且管口伸入至设置在实验水槽底面的进水消能装置(3)上方且距离实验水槽底面(0.25-0.35)m处，所述实验水槽进水管(2)上还设有流量阀(2-1)，

所述水流消能装置(4)设置在与实验水槽进水管距离(0.9～1.6)m实验水槽长度处，所述水流消能装置(4)为固定在实验水槽内的多个网格消能板，且至少有一个网格消能板与实验水槽底部呈40°～60°角度固定放置，

所述模拟冰块投放装置(5)内放置有模拟冰块，设置在与实验水槽进水管距离(2～2.5)m实验水槽长度处的实验水槽上端，并在模拟冰块投放装置(5)下端设有模拟冰块投放滑槽，

所述水流断面监测装置包括分别设置在与实验水槽进水管距离(3～3.5)m实验水槽长度处的旋桨流速仪(6)，以及与实验水槽进水管距离(11-11.5)m实验水槽长度处的IQ⁺流速仪(8)，所述旋桨流速仪(6)多个活动设置在同一水流垂直断面上并沿实验水槽宽度方向等距设置的垂直固定件(7)上，所述IQ⁺流速仪(8)设置在实验水槽底部，

所述闸门(9)设置在与实验水槽进水管距离(12～13)m实验水槽长度处，且闸门开度为(0.04～0.1)m，

所述实验水槽出水管(11)设置在实验水槽长度方向与实验水槽进水管相对的另一端，且管口设置在进水循环***的模拟冰块收集网(12)上方，

所述循环水槽(13)包括循环水槽进水口，所述模拟冰块收集网(12)设置在循环水槽进水口处，

所述水泵(15)的进水端与循环水槽(13)连通，所述水泵(15)的出水端与缓冲水槽(14)连通，

所述缓冲水槽(14)与实验水槽进水管(2)连通，且在侧壁上还连通有余水出水管(17)，所述余水出水管(17)与循环水槽(13)连通，且余水出水管(17)与缓冲水槽(14)的连通处高于实验水槽进水管(2)与缓冲水槽(14)连通处高度。

2.根据权利要求1所述实验装置，其特征在于：所述进水消能装置(3)为堆积在实验水槽底部的多个卵石，并通过网格筐体对其进行限位。

3.根据权利要求1所述实验装置，其特征在于：所述网格消能板为厚度(0.04～0.07)m的多孔网格材料板。

4.根据权利要求3所述实验装置，其特征在于：所述水流消能装置(4)为一个垂直于实验水槽底部设置的网格消能板，和一个与实验水槽底部呈40°～60°角度固定放置的网格消能板，其材质为甲基丙烯酸甲酯，且两者之间相距(0.6～0.7)m。

5.根据权利要求1所述实验装置，其特征在于：所述垂直固定件(7)为沿实验水槽宽度方向等距设置的多个垂直条板，所述垂直条板的板面与水流方向平行，且所述垂直固定件沿高度方向设有高度刻度线。

6.根据权利要求5所述实验装置，其特征在于：所述旋桨流速仪(6)为3个，分别活动固定在3个将实验水槽宽度四等分的垂直条板上。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述实验装置的实验方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)根据实验模拟所需的闸门开度e对实验水槽中的闸门高度进行调整，开启水泵；

(2)通过控制流量阀调整实验水槽中的水位高度H达到实验模拟所需，等待(5～8)min，再次确定实验水槽中的水位高度是否达到实验模拟所需，若是，测量并记录闸门淹没深度H₁，然后进行步骤(3)，若否，重新进行步骤(2)；

(3)通过模拟冰块投放装置向实验水槽内投入模拟冰块，模拟冰块通过模拟冰块投放滑槽持续稳定的投放入实验水槽，并通过旋桨流速仪和IQ⁺流速仪分别测量冰块在投放后的闸门上游水流流速V₁和闸门出口水流流速V₂；

(4)随着模拟冰块投放的进行，观察模拟冰块在闸前的输移状态：

若模拟冰块全部输移通过闸门，当观测到该状态时，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为冰通过；

若模拟冰块先在闸前堆积然后部分模拟冰块通过闸门，则等待闸前模拟冰块堆积体体积不随模拟冰块的继续投放而改变，记录闸前模拟冰块的堆积体厚度和长度，停止模拟冰块的投放，并记录该状态为形成稳定堆积体后通过；

若模拟冰块在闸前形成堆积，且随着模拟冰块投放量的增加，闸前模拟冰块的堆积体长度持续增长，则记录该状态为平铺上溯；

(5)若需进行下一组模拟实验，则通过流量阀调整实验水槽中的水位高度，和/或对闸门高度进行调整改变闸门开度，重复步骤(2)～(4)；若模拟实验结束，进行步骤(6)；

(6)关闭水泵，关闭流量阀，将模拟冰块收集网内模拟冰块放回模拟冰块投放装置内。

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