本发明属于潮流发电
技术领域：
，特别涉及一种用于潮流能工程的椭圆桩基础及其性能试验装置和方法。
背景技术：
：潮流发电是一种新型的潮汐能利用技术，这种技术直接利涨落潮水的水流冲击叶轮等机械装置进行发电，大部分设备“浸没”在海底，由于潮流发电机组的叶轮转速较低，因此对水文环境以及海洋水生物特别是鱼类的影响轻微，具有良好的生态友好特性。潮流能发电装置是将潮流动能转换为电能的装置或系统，由海上支撑载体、获能装置、发电机、电能变换与控制系统、电力传输与负载系统等五个子系统组成。其中风车式潮流能水轮机是目前技术比较成熟、发展最快的机型。此类发电装置的桩基础截面传统上都是圆形，各个方向截面刚度一样，与潮流能工程中主要荷载在潮流方向的受力特性不协调，圆形截面桩基受水流冲刷影响较大，且易造成材料浪费。各型潮流能获取装置中，以水平轴潮流能水轮机应用最多，竖轴潮流水轮机次之。水平轴潮流能水轮机又可按结构分为风车式、空心贯流式和导流罩式。风车式潮流水轮机是目前技术比较成熟、发展最快的机型。而局部冲刷、潮流冲击桩柱又是通常是风车式潮流水轮机破坏的主要原因。本发明所涉及的新型椭圆桩基础可以提高此类潮流发电装置的抗冲能力以及受力特性。用材减少也使其具有经济性的优点。技术实现要素：为了解决现有技术中的问题，本发明一种用于潮流能工程的椭圆桩基础及其性能试验装置和方法，利用椭圆形的流线型特性以及潮流流向的可预测性，提出比传统圆形截面更加经济可靠的椭圆桩基础。为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种用于潮流能工程的椭圆桩基础，包括桩柱，所述桩柱的横截面呈椭圆形，且椭圆形的长轴与潮流流向一致。一种用于潮流能工程的椭圆桩基础的性能试验装置，包括循环水槽3和桩柱6，所述循环水槽3的一端设置有造流系统1，所述循环水槽3的另一端设置有消能槽13，所述循环水槽3中段设置有存砂槽5，所述存砂槽5内填充有试验用砂，所述循环水槽3内充入有水流，且水流高度高于试验用砂，所述存砂槽5两端均连接有斜坡木板4，所述斜坡木板4自近存砂槽5的一端至远存砂槽5的一端形成倾斜向下坡度，所述桩柱6的底端插入存砂槽5中的试验用砂，所述桩柱6的顶端连接有塔架，所述桩柱6的顶端和塔架均位于循环水槽3的水流中，埋没于试验用砂中桩柱6的侧壁上贴有若干个应变片7，埋没于试验用砂中桩柱6的四周设置有若干个孔压传感器10，所述塔架顶部设置有位移传感器8和加速度传感器9，水面之上设置有多普勒流速仪12，所述多普勒流速仪12的若干个探头伸入于水流之中的桩柱6四周，所述循环水槽3顶部位于存砂槽5的上方设置有多探头水下超声波测距传感器11。进一步的，所述塔架顶部布置的位移传感器8和加速度传感器9，用于测量不同条件下塔架顶部的位移、加速度以测试桩柱6的动力性能；埋没于试验用砂中桩柱6的四周设置的孔压传感器10，用于监测桩柱6附近的孔隙水压力的变化；所述桩柱6埋置在存砂槽5中，应变片7贴于桩柱上测量桩柱6的受力情况以及弯矩；所述多普勒流速仪12用于测量桩柱附近水流的流速；进一步的，所述多探头水下超声波测距传感器11用于测量床面地形的变化和桩柱6附近试验用砂的冲刷情况，监测冲刷过程中试验用砂的地形变化。进一步的，所述孔压传感器10、位移传感器8和加速度传感器9、多探头水下超声波测距传感器11和多普勒流速仪12均与计算机2通信。进一步的，所述循环水槽3内设置有水泵，水泵用于循环水槽3内的水形成持续平稳的循环水流。进一步的，所述斜坡木板4的坡度为1：10。进一步的，所述消能槽13内填充有碎石子。进一步的，所述存砂槽5的材质为有机玻璃，所述存砂槽5内填充试验用砂，所述试验用砂的高度与存砂槽5齐高，所述循环水槽3内充水至试验用砂的砂面以上。一种用于潮流能工程的椭圆桩基础的性能试验方法，包括以下步骤：a、在循环水槽3中段处放置存砂槽，存砂槽5内放置试验用砂，填砂至存砂槽5高度，在存砂槽5两端放置斜坡木板4，缓慢充水至砂面以上，使砂土充分饱和，静置固结24个小时；b、在桩柱要插入试验用砂一端的侧壁上贴应变片；固定多普勒流速仪12在循环水槽3上方，所述多普勒流速仪12的若干个探头伸入于水流之中的桩柱6四周；固定多探头超声波测距传感器11在存砂槽5上方；塔架顶部布置位移传感器和加速度传感器；在试验用砂中布置孔压传感器；在循环水槽一端布置造流系统1，另一端布置消能槽；c、向循环水槽3中充入水；静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5中插入直径为xm的圆形桩柱，设定造流参数，控制循环水槽中水流流速为ym/s，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；d、将循环水槽3中的水放出，将桩柱拔出，静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5中插入长轴长度为xm，且短长轴长度比0.5的椭圆形桩柱，维持循环水槽中水流速度与步骤c中一致，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；e、将循环水槽3中的水缓慢放出，将桩柱拔出，静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5插入长轴长度为xm，且短长轴长度比0.75的椭圆形桩柱，维持循环水槽中水流速度不变，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况。f、重复步骤c-e，得到多组试验数据，对比圆形桩柱与椭圆形桩柱在相同流速下，桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；g、得出结论。进一步的，所述步骤c-e共进行3次，第一次进行步骤c-e时x＝0.06m，y＝0.15m/s；第二次进行步骤c-e时x＝0.08m，y＝0.2m/s；第三次进行步骤c-e时x＝0.10m，y＝0.25m/s。与现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明利用具有偏流线型的椭圆截面，可改善潮流能装置抗冲刷能力、受力特性；并提高潮流能发电机的经济性。椭圆形截面相比圆形截面可以减小漩涡的脱落以及边界层的分离，有效的减小桩柱周围的泥沙起动，从而改善其周围的冲刷状况，提高抗冲能力。椭圆形截面具有偏流线型，可以比常见的圆形截面更有效的折减流体对其表面的冲击作用，利用这一优点可改善潮流冲击桩柱表面时桩柱的受力特性。潮流对桩的力主要在涨潮和落潮这一个方向，应用椭圆形截面，比应用各个方向一样半径的圆更经济。附图说明图1是本发明圆形桩柱和椭圆形桩柱的俯视图对比图，其中(a)为圆形桩柱，(b)为椭圆桩柱；图2是本发明椭圆形桩柱的主视图和左视图；图3是本发明中试验装置的结构示意平面图；图4是本发明中试验装置的结构示意剖面图；其中：1-造流系统，2-计算机，3-循环水槽，4-斜坡木板，5-存砂槽，6-桩柱，7-应变片，8-位移传感器，9-加速度传感器，10-孔压传感器，11-多探头水下超声波测距传感器，12-多普勒流速仪，13-消能槽。具体实施方式下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。如图1-2所示，一种用于潮流能工程的椭圆桩基础，包括桩柱6，所述桩柱的横截面呈椭圆形，且椭圆形的长轴与潮流流向一致。椭圆形截面可以减小漩涡的脱落以及边界层的分离，有效的减小桩柱周围的泥沙起动，从而改善其周围的冲刷状况，提高抗冲刷能力。椭圆形截面具有偏流线型，可以比常见的圆形截面更有效的折减流体对其表面的冲击作用，利用这一优点可改善潮流冲击桩柱表面时桩柱的受力特性。潮流对桩的力主要在涨潮和落潮这一个方向，应用椭圆形截面，比应用各个方向一样半径的圆更经济。一种用于潮流能工程的椭圆桩基础的性能试验装置，包括循环水槽3和桩柱6，所述循环水槽3的一端设置有造流系统1，所述循环水槽3的另一端设置有消能槽13，所述循环水槽3中段设置有存砂槽5，所述存砂槽5内填充有试验用砂，所述循环水槽3内充入有水流，且水流高度高于试验用砂，所述存砂槽5两端均连接有斜坡木板4，所述斜坡木板4自近存砂槽5的一端至远存砂槽5的一端形成倾斜向下坡度，所述斜坡木板4的坡度为1：10，所述桩柱6的底端插入存砂槽5中的试验用砂，所述桩柱6的顶端连接有塔架，所述桩柱6的顶端和塔架均位于循环水槽3的水流中，埋没于试验用砂中桩柱6的侧壁上贴有若干个应变片7，埋没于试验用砂中桩柱6的四周设置有若干个孔压传感器10，所述塔架顶部设置有位移传感器8和加速度传感器9，水面之上设置有多普勒流速仪12，所述多普勒流速仪12的若干个探头伸入于水流之中的桩柱6四周，所述循环水槽3顶部位于存砂槽5的上方设置有多探头水下超声波测距传感器11。所述消能槽13内填充有碎石子，消能槽13布置于循环水槽尾部，减少水流反射的影响并且使得水流流出平顺。存砂槽5置于循环水槽的中部，两边分别用斜坡木板4抬高，减少水流的反射带来的影响。塔架顶部布置位移传感器8和加速度传感器9，测量不同条件下塔架顶部的位移、加速度以测试不同桩的动力性能。所述塔架顶部布置的位移传感器8和加速度传感器9，用于测量不同条件下塔架顶部的位移、加速度以测试桩柱6的动力性能；埋没于试验用砂中桩柱6的四周设置的孔压传感器10，用于监测桩柱6附近的孔隙水压力的变化；所述桩柱6埋置在存砂槽5中，应变片7贴于桩柱上测量桩柱6的受力情况以及弯矩；所述多普勒流速仪12用于测量桩柱附近水流的流速；所述多探头水下超声波测距传感器11用于测量床面地形的变化和桩柱6附近试验用砂的冲刷情况，监测冲刷过程中试验用砂的地形变化。土中设置孔压传感器10，监测不同桩附近的孔压变化。试验桩柱埋置在存砂槽5中，应变片7贴于桩柱上测量桩柱的受力特性，多普勒流速仪12用于测量桩柱附近的流速，多探头水下超声波测距传感器11用于监测冲刷过程中的地形变化。循环水槽3的尺寸为60m×1m×1m，通过循环水槽3内设的水泵，可实现持续平稳的循环水流。设定造流参数，满足试验时分别采用0.15m/s，0.2m/s，0.25m/s的三种流速，循环水槽3尾部设有消能措施13，减小水流反射带来的影响，并使得水流平稳流出。试验时在循环水槽3中段处放置存砂槽5，存砂槽由有机玻璃制成，尺寸2m×1m×0.4m，存砂槽内放置试验用砂，填砂至存砂槽高度，充水至砂面以上，使砂土充分饱和，静置固结24个小时。在存砂槽中部放置桩柱，桩柱分别采用0.06m，0.08m，0.10m三种直径圆形桩，长度均为0.25m；椭圆形桩长轴与圆形桩直径相同；短长轴比设两种为0.5与0.75。试验桩柱共9个，分为三组。桩柱下端插入存砂槽中悬臂固定，在存砂槽两端放置长度为4m，坡度为1：10的斜坡木板，减小水流反射带来的影响。所述存砂槽5的材质为有机玻璃，所述存砂槽5内填充试验用砂，所述试验用砂的高度与存砂槽5齐高，所述循环水槽3内充水至试验用砂的砂面以上。塔架顶部布置位移传感器8和加速度传感器9，测量不同条件下塔架顶部的位移，加速度以测试不同桩的动力性能。试验土槽中布置孔压传感器10，监测不同条件下桩柱附近的孔隙水压力的变化。利用多探头水下超声波测距传感器11测量床面地形的变化和桩附近砂土的冲刷情况。所述孔压传感器10、位移传感器8和加速度传感器9、多探头水下超声波测距传感器11和多普勒流速仪12均与计算机2通信。一种用于潮流能工程的椭圆桩基础的性能试验方法，包括以下步骤：a、在循环水槽3中段处放置存砂槽，存砂槽5内放置试验用砂，填砂至存砂槽5高度，在存砂槽5两端放置斜坡木板4，缓慢充水至砂面以上，使砂土充分饱和，静置固结24个小时；b、在桩柱要插入试验用砂一端的侧壁上贴应变片；固定多普勒流速仪12在循环水槽3上方，所述多普勒流速仪12的若干个探头伸入于水流之中的桩柱6四周；固定多探头超声波测距传感器11在存砂槽5上方；塔架顶部布置位移传感器和加速度传感器；在试验用砂中布置孔压传感器；在循环水槽一端布置造流系统1，另一端布置消能槽；c、向循环水槽3中充入水；静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5中插入直径为xm的圆形桩柱，设定造流参数，控制循环水槽中水流流速为ym/s，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；d、将循环水槽3中的水放出，将桩柱拔出，静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5中插入长轴长度为xm，且短长轴长度比0.5的椭圆形桩柱，维持循环水槽中水流速度与步骤c中一致，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；e、将循环水槽3中的水缓慢放出，将桩柱拔出，静置片刻，待扰动消失后，在存砂槽5插入长轴长度为xm，且短长轴长度比0.75的椭圆形桩柱，维持循环水槽中水流速度不变，记录桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况。f、重复步骤c-e，得到多组试验数据，对比圆形桩柱与椭圆形桩柱在相同流速下，桩柱受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况；g、得出结论。所述步骤c-e共进行3次，第一次进行步骤c-e时x＝0.06m，y＝0.15m/s；第二次进行步骤c-e时x＝0.08m，y＝0.2m/s；第三次进行步骤c-e时x＝0.10m，y＝0.25m/s。试验研究发现椭圆型桩的冲刷深度约比圆形桩下降5％-10％左右。在保证桩基在潮流运动方向截面惯性矩抗弯刚度不变的前提下，采用椭圆型桩基可极大地节约材料：对于实心混凝土桩，如圆形桩半径为a0，椭圆桩沿着潮流方向长轴半径为a1，短轴半径为b1，则在保证圆形桩截面惯性矩与椭圆桩相等的前提下有：如令椭圆的长轴a1＝c1a0,则椭圆的短轴为则在保证截面沿桩长不变的情况下，可节省材料百分比δ：c11.11.21.3δ17％31％41％类似地，对于空心钢管桩，如圆形桩半径为a0,壁厚为h,椭圆桩沿着潮流方向长轴半径为a1，短轴半径为b1，壁厚为h，则在保证圆形桩截面惯性矩与椭圆桩相等的前提下,可节省材料百分比δ：c11.11.21.3δ8％14％17％本发明中用于潮流能工程的椭圆桩基础的性能试验装置及方法，通过循环水槽、存砂槽和消能槽模拟潮流，通过各种传感器检测圆形桩柱与椭圆形桩柱的受力、桩柱附近流场、桩顶位移、垂直于水流方向的桩柱的动力响应情况、土中孔隙水压力、周围土的冲刷情况，经过试验证明了椭圆形桩柱比圆形桩柱具有诸多优点，即椭圆形桩柱具有意想不到的效果。本发明利用具有偏流线型的椭圆截面，可改善潮流能装置抗冲刷能力、受力特性；并提高潮流能发电机的经济性。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本
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的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。当前第1页12