HBM 力传感器测量波浪对防洪堤的影响

由于海平面不断上升,防洪工程建设变得越来越紧迫。新防洪系统开发的一个重要组成部分是需要了解波浪对建筑物的影响。2018年夏季,巴西德尔夫特大学土木工程学院流体力学实验室开展了一个项目,采用 HBM 力传感器测量波浪对悬垂防洪堤的影响。项目有多个合作伙伴,包括荷兰科学研究组织(NWO)、Rijkswaterstaat、Witteven+Bos、PT Structural 和Deltares、荷兰水与底土知识创新研究所等。研究结果将有助于开发和升级的水工建筑物。

问题:洪水和堤坝决口给全世界造成了相当大的影响和破坏。
解决方案:通过收集更多关于海浪冲击力的信息,帮助研究人员建造更加坚固安全的结构。
结果:对物理试验的原始数据进行处理和分析。研究结果对新防洪工程的建设具有一定的参考价值。

测量波浪对垂直结构的冲击强度

德阿尔梅达(Ermano de Almeida)目前正在研究波浪对钢制水防模型的影响,这是其攻读博士学位的研究课题。研究波浪对防洪工程的影响不仅在理论和实践上很有趣,并且管理和控制水资源也将是未来几十年最重要的挑战之一。

德阿尔梅达目前的研究重点是垂直钢制混凝土水工结构。这种结构广泛应用于港口、船闸和出水口,包括荷兰北海沿岸的防洪堤。作为防洪工程,其一般需要与液压和机械装置结合使用,在涨潮或风暴潮期间关闭排水口或水道,确保防洪安全。

研究项目的目的是测量波浪对垂直结构的冲击强度。由于波浪的强度不能向上转移,这些力对悬垂的垂直结构冲击特别大,并对悬垂结构施加非常巨大的力。例如,防洪堤上方的混凝土保护边缘。另外,金属板在波浪冲击下产生的共振和振动也将会对防洪结构和使用寿命产生影响。

德阿尔梅达说道:“水工建筑物发生故障的情况并不多,但产生的后果会很严重。事故一般来说是对荷载特性和结构响应缺乏了解导致的,有时甚至导致结构失效。通过收集更多关于海浪冲击力的信息,我们能够更好地开发坚固且安全的结构,节省时间、材料和成本。也许我们甚至可以在研究的基础上,开发出建造这种防洪系统的新方法。”

水道和力传感器

这些试验是在 Tu Delft 流体力学实验室进行的。实验室面积约为5000平方米,有八条水渠可供实验,可以提供每秒2立方米的水流。德阿尔梅达的实验是在实验室最大的水道之一进行的,水道长42米,宽80厘米,深1米。在通道的末端,有一个80 x 80 x 100 cm的实心混凝土块,上面安装了一块1 cm厚的铝板。九个 HBM U3 力传感器 安装在铝框架和金属板之间,量程为 1千牛。U3力传感器由不锈钢制成,不易受温度影响,因此非常适合于水流试验装置。此外,它们具有较高的固有刚度、对侧向力不敏感,并可对弯矩进行补偿,因此可确保测量结果高度可靠。

传感器与测量放大器相连,以5000/s的采样率记录波的影响。可从监视器屏幕上实时查看测量数据,了解波浪高度和对结构的影响。实验装置非常灵活,可对金属板高度,悬垂尺寸和力传感器的位置进行调整。

波浪发生器将在水道中产生一系列规则和不规则波浪。并且该波浪发生器配有有源反射补偿装置抵消返回的波浪,因此不会对测量数据产生影响。悬挂在水中的八个传感器用于测量海浪的特性。另外还有三个摄像头同步记录测试图像,并和测试结果关联。

以 Afsluitdijk 泄洪闸作为参考

整个试验装置是以 Afsluitdijk 泄洪闸作为参考进行设计的。在大潮和暴风雨来临时,Afsluitdijk 堤防下面排水口用钢闸封闭,波浪突然被阻挡,从而对结构产生巨大的冲击。这座建筑是80年前设计的,目前正在根据测量结果进行翻新。De Almeida 还致力于将他的研究成果应用到世界各地。由于最近发生了数起严重的洪水事件,在加上 Tu Delft 在水利工程领域的声誉,美国已对该研究结果产生了很大的兴趣。

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