CN102304907B - 用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及潮汐河口物理模型开展泥沙冲淤试验所需的一种加沙设施。所要解决的技术问题是提供的系统能依据潮汐的大小与变化过程适时控制加沙时间与加沙数量，以满足潮汐河口物理模型的加沙工作的需要。技术方案是：用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统，其特征在于该系统包括装有潜水搅拌器和潜水输沙泵的拌沙池、安装在河口模型处的采用计算机控制的模型加沙装置以及两端分别连通拌沙池与模型加沙装置的输沙管道，输沙管道上还装有控制闸阀与调压装置。所述的输沙管道由进水管与回水管组成，其中进水管未端分成二路，一路通过法兰与控制闸阀接通，另一路与回水管接通。

Description

用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统

技术领域

本发明涉及潮汐河口物理模型开展泥沙冲淤试验所需的一种加沙设施。

背景技术

河口物理模型试验是河口治理、港航整治以及涉水工程研究的重要手段，泥沙冲淤引起的河口河床地形变化则是动床模型试验的主要研究对象。为有效地复演潮汐河口的水沙运动现象，河口物理模型应遵循几何、动态与动力的相似准则。当涉及泥沙运动模拟时，除合理选择模型沙外，还要求对模型加沙过程与数量进行控制。传统的方法一般多采用循环方式，在加沙循环管上开设大小不同的孔口，通过人工开闭加沙管上的加沙阀门与调节各孔口的开度来控制模型进口加沙量。这种方法加沙精度差、自动化程度低、费时费力、人为干扰因素多，而且加沙流量受供水条件影响不易稳定，加沙阀门至模型出沙段易成"盲肠段"而引起堵塞。因此，一般适用于恒定加沙的条件。

以钱塘江为代表的潮汐河口，泥沙运动以悬沙为主，有别于一般河流的推移质运动。水体中的含沙量呈非恒定性，常随潮汐大小、潮汐过程而变化，而且变化快、幅度大。因此，为满足潮汐河口泥沙运动的相似性，加沙系统必须能随潮汐水流变化进行非恒定适时加沙，而传统的加沙方法往往满足不了上述的试验要求与控制精度。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种加沙系统，该系统能依据潮汐的大小与变化过程适时控制加沙时间与加沙数量，以满足潮汐河口物理模型的加沙工作的需要。

本发明采用的技术方案是：

用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统，其特征在于该系统包括装有潜水搅拌器和潜水输沙泵的拌沙池、安装在河口模型处的采用计算机控制的模型加沙装置以及两端分别连通拌沙池与模型加沙装置的输沙管道，输沙管道上还装有控制闸阀与调压装置。

所述的输沙管道由进水管与回水管组成，其中进水管未端分成二路，一路通过法兰与控制闸阀接通，另一路与回水管接通。

所述的调压装置中，调压管竖立安装且其顶端接通一排气管，排气管的顶端装有一排气阀以及排气罩；调压管上还旁接一竖管，排气管的底端以及竖管的底端分别通过回路管接通进水管以及拌沙池。

所述的模型加沙装置包括出口端装有快速开启堵盖的加沙管以及支撑加沙管的可调托架。

所述控制闸阀通过电缆接通计算机，以实现开启与关闭进行统一调度和管理。

本发明的工作原理如下(见图1)：基于循环供沙的原理，先将事先计算的模型沙沙量与水量加入拌沙池，开启潜水搅拌器搅拌水沙混合物。当搅拌均匀使拌沙池内的含沙量达到目标值后，开启潜水泵将水沙吸出进入输沙管道进水管。水沙由进水管流至控制闸阀，当控制闸阀开启时，水沙通过软管流到模型加沙装置进入试验模型，多余水沙经回水管进调压装置流回拌沙池。当控制闸阀关闭时，水沙经回水管进调压装置直接流回拌沙池。由于控制闸阀开或关、开启时间的长短将决定泥沙模型试验何时开始加沙与加沙数量的多少，因此，通过分析潮汐河口试验水域实测含沙量与潮汐大小、潮汐过程的关系，得到泥沙模型试验的加沙时间与加沙数量。然后，通过人机对话设定控制软件的相关数据，利用网络实时传输加沙指令控制闸阀开启、开启时间以及关闭。从而，实现了潮汐河口泥沙物理模型加沙工作的自动控制与适时加沙的目的。

本发明的有益效果是，采用本发明对潮汐河口物理模型进行非恒定加沙实现了适时控制，辅以调压装置稳压和稳流作用，保证了模型试验的加沙精度；而且，在整个加沙过程中从搅拌、输沙、控制闸阀开关与开启时间均按预先设定的程序进行控制，完全消除了人为因素的影响，提高了模型加沙的自动化控制程度，大幅度提高了加沙的工作效率，而且显著降低科研人员的工作强度和工作量。

附图说明

图1是本发明的水沙输移过程基本原理图。

图2是本发明所述加沙系统的结构示意图。

图3是本发明中的调压装置的结构示意图。

图4是本发明所述模型加沙装置中的加沙管的结构示意图。

图5是本发明所述模型加沙装置中的可调托架的结构示意图。

图中1拌沙池、2潜水搅拌器、3潜水输沙泵、4输沙管道进水管、5输沙管道回水管、6控制闸阀、7模型加沙装置、8调压管装置、9计算机、71加沙管、73快速开启堵盖、711加沙出水孔、721半圆形凹槽、722滑杆、723滑套、724锁紧螺钉、725支脚、81调压管、82排气管、83排气阀、84排气罩。

具体实施方式

本发明以钱塘江河口模型加沙系统为实施例，说明具体的实施方案。

如图2所示，该系统由拌沙池1、潜水搅拌器2、潜水输沙泵3、输沙管道进水管4、输沙管道回水管5、控制闸阀6、模型加沙装置7、调压装置8、计算机及其控制软件9等组成。

搅拌池1由混凝土制成，用于配制并容置含沙浑水，容量的大小取决于潮汐河口泥沙模型的加沙量，本实施例中搅拌池深2米，直径3米，容水约14立方米，搅拌池离地面1米，埋入地面1米，结构为钢筋混凝土。

潜水搅拌器2安装于搅拌池1的底部，通过驱动潜水搅拌器2使池内的水沙混合物以一定的均速运动，不至于使搅拌池1内的模型沙产生沉降，从而保证了浑水含沙量保持基本恒定。本实施例为尽量减轻噪音影响及可靠性，采用德国产潜水搅拌器（型号：TR21.145-4），其搅拌力强，噪声小，离搅拌器5米的距离时仍有50%的搅拌力，其搅拌方向及高度按要求可调整。

潜水输沙泵3安装在搅拌池1内，其出口端通过法兰与输沙管道中的进水管4连接，其功能是将搅拌池1内水沙混合物输送到进水管4内。本实施例考虑噪音影响及可靠性，采用德国产潜水泵(型号：FA08.34-1)，该泵最大流量50T/h，扬程20m，可过最大沙粒直径：0.45mm，满足最大水沙供给量0.1m3/s，模型沙粒径0.2－0.3mm的使用要求。

输沙管道进水管4的左端与潜水输沙泵3连接，右端分成二路，一路通过法兰与控制闸阀6连接，另一路与输沙管道的回水管5连接。本实施例采用直径50mm的无缝钢管，管道外部除锈上防锈漆，外面用淡蓝漆装饰。

回水管5的一端与输沙管道的进水管4相通，另一端与调压装置8中的调压管81相通。本实施例采用直径50mm的无缝钢管，管道外部除锈上防锈漆，外面用淡蓝漆装饰。

控制闸阀6的一端与输沙管道进水管4相通，另一端（通过软管）与模型加沙装置7相通。控制闸阀6通过电缆与计算机9接通，并由计算机9实时控制。本实施例采用常州市远恒自控阀门有限公司生产的调节型电动阀(型号：Z15-24W)，该装置的输出扭矩为150N.m，可有效地避免粒径为0.2－0.3mm的塑料沙因进入轴承缝隙而引起阀门卡死的现象。

模型加沙装置7与控制闸阀6通过软管7-1相连通；该模型加沙装置由加沙管71、可调托架与快速开启堵盖73组成，末端（出口端）配有快速开启堵盖73，便于快速清理管内沉积物。加沙管71上依据加沙量的大小与加沙位置，等距布置加沙出水孔711。加沙管71架在可调托架上，置于河口模型的上面。所述的可调托架设有固定加沙管71的半圆形凹槽721。凹槽721与可上下移动的滑杆722相连。滑杆722置于滑套723内。所述的滑套723上设有锁紧滑杆722的锁紧螺钉724，并固定在支脚725上。本实施例中的加沙管道采用直径25mm的自来水镀锌管道，管道上设有直径为0.5cm的加沙出水孔，其间距为10cm。

调压装置8与输沙管道回水管5相连通，由调压管81、排气管82、排气阀83与排气斗84组成。由于调压装置8中的调压管81与大气相通，始终保持标准气压，从而保证了水沙压力稳定与供沙量的准确。为了防止管内水压过大，水沙混合物通过排气阀83冲出，调压管81竖立安装并保持一定的高度，其顶端安装排气管82。排气管82与快速排气阀83相连。为防止排气时，造成水雾，在排气阀83外侧设有排气罩84。本实施例调压管采用直径50mm的无缝钢管，高度7米。

计算机9通过电缆与控制闸阀6连接；相应地，计算机配备由VB语言编写的控制软件。本实施例中控制软件是钱塘江河口模型生潮控制软件中的一个模块，其功能是利用网络实时传输加沙指令，进而实现对控制闸阀的开启（包括开启时间）以及关闭。

本发明实施例-钱塘江河口模型加沙系统的满足如下使用条件：

1、加沙系统能满足以塑料沙为模型沙的使用要求，该模型沙中值粒径0.2～0.3mm，硬度较硬；

2、最大水沙混合物含沙量浓度100kg/m³；

3、最大加沙流量0.1m³/s；

4、水沙输送最长距离100m；

5、搅拌与输沙噪音小，输沙管道不易锈蚀。

本发明的工作过程是：

①收集研究水域的潮位、流速、含沙量变化过程的实测资料，分析其合理性，建立不同潮差与含沙量的关系；

②依据试验边界，计算试验期间的加沙总量、加水总量以及试验过程中的加沙开启时间、加沙历时、加沙关闭时间；

③在搅拌池中加入需要的模型沙与水量，开启潜水搅拌器；

④当搅拌池的水沙搅拌均匀后，开启潜水输沙泵；

⑤打开控制闸阀的电源，启动与计算相连的控制箱；

⑥开启计算机，打开控制软件，按照加沙开启时间、加沙历时、加沙关闭时间等输入控制参数，运行控制软件；

⑦控制闸阀接受控制软件通过网络实时传输的加沙指令，进行开启或关闭，当控制闸阀开启时水沙混合物通过加沙管道进入模型，实现加沙的目的。

⑧在设置的加沙过程完成后，关闭控制软件、计算机、控制闸阀、潜水输沙泵、潜水搅拌器等设备。

⑨输沙管道与调压管内的水沙混合物因重力作用自流到搅拌池，而加沙管道内残留水沙混合物则通过打开活动堵头，直接冲洗干净。

⑩系统完成工作任务，保养维修，下次再用。

Claims (3)

1.用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统，其特征在于该系统包括装有潜水搅拌器（2）和潜水输沙泵（3）的拌沙池（1）、安装在河口模型（10）处的采用计算机控制的模型加沙装置（7）以及两端分别连通拌沙池与模型加沙装置的输沙管道，输沙管道上还装有控制闸阀(6)与调压装置（8）；

所述的输沙管道由进水管(4)与回水管(5)组成，其中进水管未端分成二路，一路通过法兰与控制闸阀(6)接通，另一路与回水管(5)接通；

所述的调压装置（8）中，调压管（81）竖立安装且其顶端接通一排气管（82），排气管的顶端装有一排气阀（83）以及排气罩（84）；调压管上还旁接一竖管，排气管的底端通过回路管接通拌沙池，竖管的底端通过回路接通回水管。

2.根据权利要求1所述的用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统，其特征在于：所述的模型加沙装置（7）包括出口端装有快速开启堵盖（73）的加沙管（71）以及支撑加沙管的可调托架。

3.根据权利要求2所述的用于潮汐河口泥沙物理模型的一种适时加沙系统，其特征在于：所述控制闸阀（6）通过电缆接通计算机（9）。

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