Устройство экспериментального исследования размыва моделей грунтовых плотин
DEVICE FOR EXPERIMENTAL STUDY OF THE EROSION OF EARTH DAM MODELS

Устройство экспериментального исследования размыва моделей грунтовых плотин относится к технике измерений и может быть использовано для экспериментального исследования динамики размыва, формирования и развития прорана моделей грунтовых плотин.
Разрушение напорного фронта (плотин) гидроузлов является одним из самых опасных случаев аварий при работе гидротехнических сооружений, приводящих к существенным экономическим, экологическим и социальным последствиям. Наиболее распространенным случаем прорыва напорного фронта является образование прорана в грунтовой плотине (до 80% произошедших аварий). Для приемлемого расчета волны прорыва, образующейся при формировании прорана в грунтовой плотине, необходимо оценить развитие прорана во времени [1]. Гидрограф излива через проран в грунтовой плотине зависит от развития прорана в течение относительно длительного периода времени. Таким образом, вопрос о формировании и развитии прорана при переменных внешних факторах (в частности от уровней воды в верхнем и нижнем бьефах, характера начального разрушения) является вопросом первостепенной важности при изучении условий, складывающихся при прорыве напорного фронта [1].
Процесс размыва грунтовых плотин состоит в перемещении грунта, из которого они построены, потоком воды. Изучить пространственно-временную картину процесса развития прорана грунтовых плотин в зависимости от условий его формирования позволяют экспериментальные исследования на маломасштабных моделях грунтовых плотин, выполненных из песка.
Известно устройство контроля за состоянием грунтовой плотины, авторское свидетельство SU №1312135, кл. Е02В 7/06, [2], содержащее контрольно-измерительный датчик с блоком питания, обсадную трубу скважин и регистрирующую аппаратуру. Датчик и регистрирующая аппаратура снабжены приемно-передающими антеннами, которые служат для бесконтактной зарядки блока питания датчика и бесконтактной передачи измеряемых параметров за счет использования канала грунтовых токов. Используя в датчиках, устанавливаемых в грунт плотины при ее отсыпке, различные измерительные преобразователи (плотности, влажности, порогового давления и т.д.), можно оценить все необходимые свойства грунта. По характеристикам этих свойств оценивается состояние грунтовой плотины.
Контрольно-измерительный датчик представляет собой герметичную конструкцию, в состав которой кроме измерительного преобразователя, блока питания, приемно-передающей антенны, входят более 10-ти устройств преобразования сигналов, управления работой самого датчика и его синхронизации с регистрирующей аппаратурой. Использование такого сложного и громоздкого измерительного комплекса, в том числе для регистрации момента размыва, целесообразно при строительстве и эксплуатации реальных грунтовых плотин и невозможно при экспериментальных исследованиях на маломасштабных моделях таких плотин, высота которых не превышает 0,8 метра. Установка датчиков, соизмеримых по размеру с моделью плотины, неприемлемо исказит моделируемые процессы размыва.
Известно устройство для определения момента размыва моделей плотин, авторское свидетельство SU №720481, кл. G09В 25/00 [3], содержащее измеритель перемещения грунта с контактным элементом и средство регистрации.
Измеритель перемещения грунта устанавливается в тело модели плотины при ее отсыпке. Он выполнен из двух отдельных частей и состоит из электромагнита с катушкой и контактного элемента с якорем. Контактный элемент выполнен из материала с объемной плотностью, равной плотности водонасыщенного грунта модели плотины. При размыве модели плотины грунт приходит в движение и сдвигает контактный элемент с магнитопровода электромагнита, в результате чего формируется сигнал, поступающий на вход регистратора. При строительстве макета плотины необходимо обеспечить надежный контакт электромагнита и контактного элемента.
Это устройство является наиболее близким аналогом (прототипом) заявляемого изобретения. Совпадающими существенными признаками прототипа и заявляемого изобретения являются наличие измерителя перемещения грунта (датчика размыва) и средства регистрации.
Недостатком прототипа является невысокая надежность и точность выполнения измерений, что препятствует получению заявляемого технического результата.
Во-первых, строительство модели плотины предусматривает ее послойное трамбование до необходимой плотности. Измеритель перемещения грунта (датчик размыва) прототипа состоит из двух миниатюрных компонент (электромагнита и контактного элемента). Поэтому не всегда удается сохранить надежный контакт этих элементов при трамбовании, что приводит к потере информации из точки установки измерителя и снижает надежность выполнения измерений.
Во-вторых, точность моделирования процесса развития прорана определяется точностью координат установки датчиков размыва в теле модели плотины и обеспечения неизменности этих координат в процессе строительства модели. Однако при трамбовании возможен неконтролируемый сдвиг грунта совместно с установленным измерителем перемещения грунта (датчиком размыва), который в таком случае сработает в точке, отличной от заданного места его установки. Снижается точность выполнения измерений, что приводит к искажению пространственно-временной картины процесса развития прорана
Bo-третьих, при значительных скоростях перемещения грунта потоком воды возможно одновременное совместное начало движения электромагнита и контактного элемента, что приводит к срабатыванию измерителя в точке, отличной от места установки. Указанный недостаток снижает точность выполнения измерений.
Кроме того, к недостаткам прототипа следует отнести одноканальность и отсутствие блока запуска, обеспечивающего необходимую точность выполнения измерений.
Технической проблемой, решение которой обеспечит заявляемое изобретение, является получение экспериментальных данных по размыву моделей грунтовых плотин в зависимости от изменения внешних воздействующих факторов. Использование прототипа не позволяет решить эту проблему с требуемой точностью и надежностью.
Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение надежности и точности выполнения измерений.
Технический результат достигается тем, что в известном устройстве в качестве датчиков размыва (измерителей перемещения грунта) вместо датчиков, состоящих из двух отдельных частей (электромагнита и контактного элемента), используют датчики, имеющие цельную конструкцию, представляющую собой общее диэлектрическое основание с нанесенными на него двумя миниатюрными медными электродами, изолированными друг от друга. Применение датчиков цельной конструкции исключает возможность их несрабатывания из-за потери контакта между электромагнитом и контактным элементом в процессе трамбования, что повышает надежность выполнения измерений.
Кроме того, в устройстве реализован не один, а несколько датчиков размыва, устанавливаемых в заданных точках модели плотины, которые совместно с измерительными линиями формируют нескольких каналов измерений. Это позволяет наиболее полно воссоздать пространственно-временную картину формирования размыва, что повышает точность выполнения измерений и моделирования. Введение в устройство блока запуска позволяет произвести одновременный запуск всех каналов блока регистрации, что также повышает точность выполнения измерений.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, содержащего N каналов измерений. Одна из пластин датчика размыва 1 первого канала измерений 2, который устанавливлен в тело модели плотины, соединена с положительным выводом блока питания 3, а вторая - через резистор нагрузки 5 с отрицательным выводом блока питания 3 и первым входом блока регистрации 6. Аналогично построение остальных N каналов измерений. Для экономии места на фиг. 1 изображены первый канал измерений 2 и N-й канал измерений 7. Количество каналов измерений N зависит от редакции эксперимента и лежит в пределах 12-32.
Одновременный запуск всех каналов регистрации осуществляется автоматически подачей сигнала запуска на блок регистрации 6 от блока запуска 8. Сигнал запуска формируется блоком запуска от датчика запуска 4, который срабатывает при прохождении волны перелива через гребень макета плотины. Момент запуска блока регистрации означает начало процесса размыва модели плотины и от него начинается отсчет времени достижения потоком воды каждого из установленных в ней датчиков размыва, местоположение которых известно. Датчик 1, помещенный в водонасыщенный грунт модели плотины, имеет сопротивление R1, проходя через которое ток I1 создает на резисторе 5, соединенном последовательно с датчиком 1, падение напряжения U1, поступающее на вход блока регистрации 6. При достижении потоком воды датчика размыва 1 его сопротивление скачкообразно падает до значения R2, проходящий ток увеличивается до значения I2 и падение напряжения на резисторе 5 скачком увеличивается до значения U2. Блок регистрации фиксирует время от момента запуска до момента срабатывания (появления скачка напряжения) каждого датчика размыва, установленного в теле модели плотины.
Кроме того, до начала строительства модели плотины (фиг. 2), используя известные конструкции, в месте ее отсыпки предварительно натягивают вертикальные металлические струны 2, к которым в заданных точках жестко крепят датчики размыва 1. На фиг. 2 представлен пример одного из поперечных сечений модели плотины, в котором установлены датчики размыва. После завершения строительства модели плотины струны проходят через ее тело 3, а датчики размыва остаются зафиксированными в точках с заданными координатами. Эта конструкция не искажает процесс моделирования и исключает случайный сдвиг датчиков размыва от заданных координат установки при послойном трамбованнии модели плотины в процессе ее отсыпки, а также предотвращает их совместное движение с грунтом при высоких скоростях его смещения потоком воды. Результатом является гарантированное срабатывание датчиков в заданных точках установки, что повышает точность выполнения измерений.
Имеющиеся данные о точном пространственном положении датчиков размыва в теле модели плотины и полученные экспериментальные данные о времени их срабатывания позволяют экспериментально исследовать динамику размыва моделей плотин в зависимости от изменяющихся условий моделирования.
Технический результат достигается при выполнении всей совокупности существенных признаков изобретения.
Осуществление изобретения апробировано при проведении экспериментальных исследований размыва моделей грунтовых плотин в волновом гидролотке ФГКУ «12 ЦНИИ» Минобороны России. Модели грунтовых плотин отсыпались из песка высотой 40 см, шириной 150 см (ширина волнового гидролотка) и длиной по подошве 260 см.
Датчики размыва были выполнены в виде прямоугольных пластин из двухстороннего фольгированного гетинакса размером 2×4 мм, к медным площадкам которого припаяны выводы из провода марки МГТФ. В качестве блока питания использовалась аккумуляторная батарея, а функцию блока регистратора выполнял 4-канальный осциллограф Tektronix TDS-2014B.
Блок запуска представлял собой канал, аналогичный измерительному. Но при этом датчик запуска 4 (фиг. 2), конструкция которого аналогична датчику размыва, жестко закреплялся на одной из вертикальных струн в воздухе на расстоянии 3-4 мм от гребня модели плотины. Датчик срабатывал от потока волны перелива через модель плотины. Сигнал с датчика подавался на запуск всех каналов блока регистрации.
Конструкция из вертикально натянутых металлических струн была реализована с помощью металлических уголков 40×40 мм, уложенных до начала отсыпки модели плотины на дно и поверх бортов волнового гидролотка. В заданных точках к уголкам привязывались стальные струны, к которым жестко крепились датчики размыва.
Литература
1. К.Р. Пономарчук, А.М. Прудовский, Экспериментальные исследования процесса разрушения грунтовых плотин, ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений», Москва, 2010.
2. Устройство для контроля за состоянием грунтовой плотины, авторское свидетельство SU №1312135, кл. Е02В 7/06, 1985.
3. Устройство для определения момента размыва моделей плотин, авторское свидетельство SU №720481, кл. G09В 25/00, 1979.