本發(fā)明屬于潮流發(fā)電
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)及其性能試驗裝置和方法。
背景技術(shù)：
：潮流發(fā)電是一種新型的潮汐能利用技術(shù)，這種技術(shù)直接利漲落潮水的水流沖擊葉輪等機械裝置進(jìn)行發(fā)電，大部分設(shè)備“浸沒”在海底，由于潮流發(fā)電機組的葉輪轉(zhuǎn)速較低，因此對水文環(huán)境以及海洋水生物特別是魚類的影響輕微，具有良好的生態(tài)友好特性。潮流能發(fā)電裝置是將潮流動能轉(zhuǎn)換為電能的裝置或系統(tǒng)，由海上支撐載體、獲能裝置、發(fā)電機、電能變換與控制系統(tǒng)、電力傳輸與負(fù)載系統(tǒng)等五個子系統(tǒng)組成。其中風(fēng)車式潮流能水輪機是目前技術(shù)比較成熟、發(fā)展最快的機型。此類發(fā)電裝置的樁基礎(chǔ)截面?zhèn)鹘y(tǒng)上都是圓形，各個方向截面剛度一樣，與潮流能工程中主要荷載在潮流方向的受力特性不協(xié)調(diào)，圓形截面樁基受水流沖刷影響較大，且易造成材料浪費。各型潮流能獲取裝置中，以水平軸潮流能水輪機應(yīng)用最多，豎軸潮流水輪機次之。水平軸潮流能水輪機又可按結(jié)構(gòu)分為風(fēng)車式、空心貫流式和導(dǎo)流罩式。風(fēng)車式潮流水輪機是目前技術(shù)比較成熟、發(fā)展最快的機型。而局部沖刷、潮流沖擊樁柱又是通常是風(fēng)車式潮流水輪機破壞的主要原因。本發(fā)明所涉及的新型橢圓樁基礎(chǔ)可以提高此類潮流發(fā)電裝置的抗沖能力以及受力特性。用材減少也使其具有經(jīng)濟性的優(yōu)點。技術(shù)實現(xiàn)要素：為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題，本發(fā)明一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)及其性能試驗裝置和方法，利用橢圓形的流線型特性以及潮流流向的可預(yù)測性，提出比傳統(tǒng)圓形截面更加經(jīng)濟可靠的橢圓樁基礎(chǔ)。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)，包括樁柱，所述樁柱的橫截面呈橢圓形，且橢圓形的長軸與潮流流向一致。一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)的性能試驗裝置，包括循環(huán)水槽3和樁柱6，所述循環(huán)水槽3的一端設(shè)置有造流系統(tǒng)1，所述循環(huán)水槽3的另一端設(shè)置有消能槽13，所述循環(huán)水槽3中段設(shè)置有存砂槽5，所述存砂槽5內(nèi)填充有試驗用砂，所述循環(huán)水槽3內(nèi)充入有水流，且水流高度高于試驗用砂，所述存砂槽5兩端均連接有斜坡木板4，所述斜坡木板4自近存砂槽5的一端至遠(yuǎn)存砂槽5的一端形成傾斜向下坡度，所述樁柱6的底端插入存砂槽5中的試驗用砂，所述樁柱6的頂端連接有塔架，所述樁柱6的頂端和塔架均位于循環(huán)水槽3的水流中，埋沒于試驗用砂中樁柱6的側(cè)壁上貼有若干個應(yīng)變片7，埋沒于試驗用砂中樁柱6的四周設(shè)置有若干個孔壓傳感器10，所述塔架頂部設(shè)置有位移傳感器8和加速度傳感器9，水面之上設(shè)置有多普勒流速儀12，所述多普勒流速儀12的若干個探頭伸入于水流之中的樁柱6四周，所述循環(huán)水槽3頂部位于存砂槽5的上方設(shè)置有多探頭水下超聲波測距傳感器11。進(jìn)一步的，所述塔架頂部布置的位移傳感器8和加速度傳感器9，用于測量不同條件下塔架頂部的位移、加速度以測試樁柱6的動力性能；埋沒于試驗用砂中樁柱6的四周設(shè)置的孔壓傳感器10，用于監(jiān)測樁柱6附近的孔隙水壓力的變化；所述樁柱6埋置在存砂槽5中，應(yīng)變片7貼于樁柱上測量樁柱6的受力情況以及彎矩；所述多普勒流速儀12用于測量樁柱附近水流的流速；進(jìn)一步的，所述多探頭水下超聲波測距傳感器11用于測量床面地形的變化和樁柱6附近試驗用砂的沖刷情況，監(jiān)測沖刷過程中試驗用砂的地形變化。進(jìn)一步的，所述孔壓傳感器10、位移傳感器8和加速度傳感器9、多探頭水下超聲波測距傳感器11和多普勒流速儀12均與計算機2通信。進(jìn)一步的，所述循環(huán)水槽3內(nèi)設(shè)置有水泵，水泵用于循環(huán)水槽3內(nèi)的水形成持續(xù)平穩(wěn)的循環(huán)水流。進(jìn)一步的，所述斜坡木板4的坡度為1：10。進(jìn)一步的，所述消能槽13內(nèi)填充有碎石子。進(jìn)一步的，所述存砂槽5的材質(zhì)為有機玻璃，所述存砂槽5內(nèi)填充試驗用砂，所述試驗用砂的高度與存砂槽5齊高，所述循環(huán)水槽3內(nèi)充水至試驗用砂的砂面以上。一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)的性能試驗方法，包括以下步驟：a、在循環(huán)水槽3中段處放置存砂槽，存砂槽5內(nèi)放置試驗用砂，填砂至存砂槽5高度，在存砂槽5兩端放置斜坡木板4，緩慢充水至砂面以上，使砂土充分飽和，靜置固結(jié)24個小時；b、在樁柱要插入試驗用砂一端的側(cè)壁上貼應(yīng)變片；固定多普勒流速儀12在循環(huán)水槽3上方，所述多普勒流速儀12的若干個探頭伸入于水流之中的樁柱6四周；固定多探頭超聲波測距傳感器11在存砂槽5上方；塔架頂部布置位移傳感器和加速度傳感器；在試驗用砂中布置孔壓傳感器；在循環(huán)水槽一端布置造流系統(tǒng)1，另一端布置消能槽；c、向循環(huán)水槽3中充入水；靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5中插入直徑為xm的圓形樁柱，設(shè)定造流參數(shù)，控制循環(huán)水槽中水流流速為ym/s，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；d、將循環(huán)水槽3中的水放出，將樁柱拔出，靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5中插入長軸長度為xm，且短長軸長度比0.5的橢圓形樁柱，維持循環(huán)水槽中水流速度與步驟c中一致，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；e、將循環(huán)水槽3中的水緩慢放出，將樁柱拔出，靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5插入長軸長度為xm，且短長軸長度比0.75的橢圓形樁柱，維持循環(huán)水槽中水流速度不變，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況。f、重復(fù)步驟c-e，得到多組試驗數(shù)據(jù)，對比圓形樁柱與橢圓形樁柱在相同流速下，樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；g、得出結(jié)論。進(jìn)一步的，所述步驟c-e共進(jìn)行3次，第一次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.06m，y＝0.15m/s；第二次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.08m，y＝0.2m/s；第三次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.10m，y＝0.25m/s。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點：本發(fā)明利用具有偏流線型的橢圓截面，可改善潮流能裝置抗沖刷能力、受力特性；并提高潮流能發(fā)電機的經(jīng)濟性。橢圓形截面相比圓形截面可以減小漩渦的脫落以及邊界層的分離，有效的減小樁柱周圍的泥沙起動，從而改善其周圍的沖刷狀況，提高抗沖能力。橢圓形截面具有偏流線型，可以比常見的圓形截面更有效的折減流體對其表面的沖擊作用，利用這一優(yōu)點可改善潮流沖擊樁柱表面時樁柱的受力特性。潮流對樁的力主要在漲潮和落潮這一個方向，應(yīng)用橢圓形截面，比應(yīng)用各個方向一樣半徑的圓更經(jīng)濟。附圖說明圖1是本發(fā)明圓形樁柱和橢圓形樁柱的俯視圖對比圖，其中(a)為圓形樁柱，(b)為橢圓樁柱；圖2是本發(fā)明橢圓形樁柱的主視圖和左視圖；圖3是本發(fā)明中試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意平面圖；圖4是本發(fā)明中試驗裝置的結(jié)構(gòu)示意剖面圖；其中：1-造流系統(tǒng)，2-計算機，3-循環(huán)水槽，4-斜坡木板，5-存砂槽，6-樁柱，7-應(yīng)變片，8-位移傳感器，9-加速度傳感器，10-孔壓傳感器，11-多探頭水下超聲波測距傳感器，12-多普勒流速儀，13-消能槽。具體實施方式下面結(jié)合實施例對本發(fā)明作更進(jìn)一步的說明。如圖1-2所示，一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)，包括樁柱6，所述樁柱的橫截面呈橢圓形，且橢圓形的長軸與潮流流向一致。橢圓形截面可以減小漩渦的脫落以及邊界層的分離，有效的減小樁柱周圍的泥沙起動，從而改善其周圍的沖刷狀況，提高抗沖刷能力。橢圓形截面具有偏流線型，可以比常見的圓形截面更有效的折減流體對其表面的沖擊作用，利用這一優(yōu)點可改善潮流沖擊樁柱表面時樁柱的受力特性。潮流對樁的力主要在漲潮和落潮這一個方向，應(yīng)用橢圓形截面，比應(yīng)用各個方向一樣半徑的圓更經(jīng)濟。一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)的性能試驗裝置，包括循環(huán)水槽3和樁柱6，所述循環(huán)水槽3的一端設(shè)置有造流系統(tǒng)1，所述循環(huán)水槽3的另一端設(shè)置有消能槽13，所述循環(huán)水槽3中段設(shè)置有存砂槽5，所述存砂槽5內(nèi)填充有試驗用砂，所述循環(huán)水槽3內(nèi)充入有水流，且水流高度高于試驗用砂，所述存砂槽5兩端均連接有斜坡木板4，所述斜坡木板4自近存砂槽5的一端至遠(yuǎn)存砂槽5的一端形成傾斜向下坡度，所述斜坡木板4的坡度為1：10，所述樁柱6的底端插入存砂槽5中的試驗用砂，所述樁柱6的頂端連接有塔架，所述樁柱6的頂端和塔架均位于循環(huán)水槽3的水流中，埋沒于試驗用砂中樁柱6的側(cè)壁上貼有若干個應(yīng)變片7，埋沒于試驗用砂中樁柱6的四周設(shè)置有若干個孔壓傳感器10，所述塔架頂部設(shè)置有位移傳感器8和加速度傳感器9，水面之上設(shè)置有多普勒流速儀12，所述多普勒流速儀12的若干個探頭伸入于水流之中的樁柱6四周，所述循環(huán)水槽3頂部位于存砂槽5的上方設(shè)置有多探頭水下超聲波測距傳感器11。所述消能槽13內(nèi)填充有碎石子，消能槽13布置于循環(huán)水槽尾部，減少水流反射的影響并且使得水流流出平順。存砂槽5置于循環(huán)水槽的中部，兩邊分別用斜坡木板4抬高，減少水流的反射帶來的影響。塔架頂部布置位移傳感器8和加速度傳感器9，測量不同條件下塔架頂部的位移、加速度以測試不同樁的動力性能。所述塔架頂部布置的位移傳感器8和加速度傳感器9，用于測量不同條件下塔架頂部的位移、加速度以測試樁柱6的動力性能；埋沒于試驗用砂中樁柱6的四周設(shè)置的孔壓傳感器10，用于監(jiān)測樁柱6附近的孔隙水壓力的變化；所述樁柱6埋置在存砂槽5中，應(yīng)變片7貼于樁柱上測量樁柱6的受力情況以及彎矩；所述多普勒流速儀12用于測量樁柱附近水流的流速；所述多探頭水下超聲波測距傳感器11用于測量床面地形的變化和樁柱6附近試驗用砂的沖刷情況，監(jiān)測沖刷過程中試驗用砂的地形變化。土中設(shè)置孔壓傳感器10，監(jiān)測不同樁附近的孔壓變化。試驗樁柱埋置在存砂槽5中，應(yīng)變片7貼于樁柱上測量樁柱的受力特性，多普勒流速儀12用于測量樁柱附近的流速，多探頭水下超聲波測距傳感器11用于監(jiān)測沖刷過程中的地形變化。循環(huán)水槽3的尺寸為60m×1m×1m，通過循環(huán)水槽3內(nèi)設(shè)的水泵，可實現(xiàn)持續(xù)平穩(wěn)的循環(huán)水流。設(shè)定造流參數(shù)，滿足試驗時分別采用0.15m/s，0.2m/s，0.25m/s的三種流速，循環(huán)水槽3尾部設(shè)有消能措施13，減小水流反射帶來的影響，并使得水流平穩(wěn)流出。試驗時在循環(huán)水槽3中段處放置存砂槽5，存砂槽由有機玻璃制成，尺寸2m×1m×0.4m，存砂槽內(nèi)放置試驗用砂，填砂至存砂槽高度，充水至砂面以上，使砂土充分飽和，靜置固結(jié)24個小時。在存砂槽中部放置樁柱，樁柱分別采用0.06m，0.08m，0.10m三種直徑圓形樁，長度均為0.25m；橢圓形樁長軸與圓形樁直徑相同；短長軸比設(shè)兩種為0.5與0.75。試驗樁柱共9個，分為三組。樁柱下端插入存砂槽中懸臂固定，在存砂槽兩端放置長度為4m，坡度為1：10的斜坡木板，減小水流反射帶來的影響。所述存砂槽5的材質(zhì)為有機玻璃，所述存砂槽5內(nèi)填充試驗用砂，所述試驗用砂的高度與存砂槽5齊高，所述循環(huán)水槽3內(nèi)充水至試驗用砂的砂面以上。塔架頂部布置位移傳感器8和加速度傳感器9，測量不同條件下塔架頂部的位移，加速度以測試不同樁的動力性能。試驗土槽中布置孔壓傳感器10，監(jiān)測不同條件下樁柱附近的孔隙水壓力的變化。利用多探頭水下超聲波測距傳感器11測量床面地形的變化和樁附近砂土的沖刷情況。所述孔壓傳感器10、位移傳感器8和加速度傳感器9、多探頭水下超聲波測距傳感器11和多普勒流速儀12均與計算機2通信。一種用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)的性能試驗方法，包括以下步驟：a、在循環(huán)水槽3中段處放置存砂槽，存砂槽5內(nèi)放置試驗用砂，填砂至存砂槽5高度，在存砂槽5兩端放置斜坡木板4，緩慢充水至砂面以上，使砂土充分飽和，靜置固結(jié)24個小時；b、在樁柱要插入試驗用砂一端的側(cè)壁上貼應(yīng)變片；固定多普勒流速儀12在循環(huán)水槽3上方，所述多普勒流速儀12的若干個探頭伸入于水流之中的樁柱6四周；固定多探頭超聲波測距傳感器11在存砂槽5上方；塔架頂部布置位移傳感器和加速度傳感器；在試驗用砂中布置孔壓傳感器；在循環(huán)水槽一端布置造流系統(tǒng)1，另一端布置消能槽；c、向循環(huán)水槽3中充入水；靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5中插入直徑為xm的圓形樁柱，設(shè)定造流參數(shù)，控制循環(huán)水槽中水流流速為ym/s，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；d、將循環(huán)水槽3中的水放出，將樁柱拔出，靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5中插入長軸長度為xm，且短長軸長度比0.5的橢圓形樁柱，維持循環(huán)水槽中水流速度與步驟c中一致，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；e、將循環(huán)水槽3中的水緩慢放出，將樁柱拔出，靜置片刻，待擾動消失后，在存砂槽5插入長軸長度為xm，且短長軸長度比0.75的橢圓形樁柱，維持循環(huán)水槽中水流速度不變，記錄樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況。f、重復(fù)步驟c-e，得到多組試驗數(shù)據(jù)，對比圓形樁柱與橢圓形樁柱在相同流速下，樁柱受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況；g、得出結(jié)論。所述步驟c-e共進(jìn)行3次，第一次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.06m，y＝0.15m/s；第二次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.08m，y＝0.2m/s；第三次進(jìn)行步驟c-e時x＝0.10m，y＝0.25m/s。試驗研究發(fā)現(xiàn)橢圓型樁的沖刷深度約比圓形樁下降5％-10％左右。在保證樁基在潮流運動方向截面慣性矩抗彎剛度不變的前提下，采用橢圓型樁基可極大地節(jié)約材料：對于實心混凝土樁，如圓形樁半徑為a0，橢圓樁沿著潮流方向長軸半徑為a1，短軸半徑為b1，則在保證圓形樁截面慣性矩與橢圓樁相等的前提下有：如令橢圓的長軸a1＝c1a0,則橢圓的短軸為則在保證截面沿樁長不變的情況下，可節(jié)省材料百分比δ：c11.11.21.3δ17％31％41％類似地，對于空心鋼管樁，如圓形樁半徑為a0,壁厚為h,橢圓樁沿著潮流方向長軸半徑為a1，短軸半徑為b1，壁厚為h，則在保證圓形樁截面慣性矩與橢圓樁相等的前提下,可節(jié)省材料百分比δ：c11.11.21.3δ8％14％17％本發(fā)明中用于潮流能工程的橢圓樁基礎(chǔ)的性能試驗裝置及方法，通過循環(huán)水槽、存砂槽和消能槽模擬潮流，通過各種傳感器檢測圓形樁柱與橢圓形樁柱的受力、樁柱附近流場、樁頂位移、垂直于水流方向的樁柱的動力響應(yīng)情況、土中孔隙水壓力、周圍土的沖刷情況，經(jīng)過試驗證明了橢圓形樁柱比圓形樁柱具有諸多優(yōu)點，即橢圓形樁柱具有意想不到的效果。本發(fā)明利用具有偏流線型的橢圓截面，可改善潮流能裝置抗沖刷能力、受力特性；并提高潮流能發(fā)電機的經(jīng)濟性。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出：對于本
技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁12