CN102798585B - 大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，包括一个沉降筒，其特征是，沉降筒底部设置有进水管和出水管，沉降筒底部还设置有用于向筒内进气搅拌的进气阀，沉降筒内底部设置有用于搅拌水体的进气压板，沉降筒内还设置有加热设备。本专利用开发的沉降筒与传统沉降筒对比，不仅可以做沉降过程试验，同时还可进行泥沙密实过程试验，可同时测量沿垂线的连续浓度值，操作方便，水温、盐度、水深、初始含沙量等参数均可方便地进行调节。

Description

大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置及试验方法

技术领域

本发明属于水利、水运工程科研技术领域，具体的来说涉及一种颗粒沉降密实试验设备及其实验方法。

背景技术

沉降特性及沉速是固体颗粒(如泥沙)基础物理理论体系中一个最基本、最核心的物理量，它是表征颗粒运动特征和地形地貌演变最重要的参数之一。泥沙及其它颗粒物的在液体(如淡水、盐水等)中的沉降动力过程十分复杂，到目前为止，仍无统一、适应性广、理论性强的公式来简单计算其沉降速度。

泥沙沉降影响因子十分广泛，主要有颗粒粒径、密度、组成、级配、几何形状、水温、盐度、紊动强度、雷诺数、含沙量、絮凝、流速、离子浓度等等。

鉴于该问题的复杂性，目前研究成果众多，综合分析表明，多数研究成果均具有特定的适用条件，不能简单的定性为正确与错误，因为研究者的研究目的、考虑因素的差异，各种结论对不同情况均有一定的适用性。因此，对于目前存在的泥沙沉速的经验半经验公式，不能不加分析直接运用到特定的工程实践中去。最直接检验沉降估算正确性的方法是通过实际现场观测或者室内试验来测量得到，然而现场测量沉速还存在很大难度，若干技术和理论问题尚未解决，因此目前最有效的检测办法就是通过沉降筒来测量颗粒物的沉速。

对于通过沉降筒来测量泥沙沉速，已经应用了多年，并建立了若干经验公式。综合文献来看，关于泥沙沉速多数研究成果均具有特定的适用条件和适用范围，不能简单的定性其正确与否，因为研究者的研究目的、考虑因素的差异，各种结论对不同情况均有很强的适用性。因此，对于目前存在的泥沙沉速的经验半经验公式，不能不加分析直接运用到特定的工程实践中去，尤其在那些复杂环境的水域。

以往的静水沉降试验在泥沙级配选择、含沙量测量手段、影响因子剥离等方面均或多或少存在一定不足和片面之处。现在测控仪器飞速发展，测量可靠性、精度和测量范围逐步提高，因此十分有必要利用最新的测控设备来重新界定静水沉速与含沙量、水温、盐度等相关因子间定性、定量的相关关系，为分析泥沙运动微观机理奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：克服现有技术存在的问题，提供一种大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，以及采用该装置的试验方法。

为了解决上述问题本发明的技术方案是这样的：大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，包括一个沉降筒，沉降筒底部设置有进水管和出水管，沉降筒底部还设置有用于相同内进气搅拌的进气阀，沉降筒内底部设置有用于搅拌水体的进气压板，沉降筒内还设置有加热设备。

所述沉降筒内设置有音叉，音叉用来测量含沙浓度大于50G/L以上的泥浆密度。

所述加热设备为四根均匀分布的3KW不锈钢电热棒和六根500w不锈钢防爆电热棒。

所述沉降筒内还设置有温度检测设备，温度检测设备为数字式电子温度计。

在沉降筒的侧壁上设置有用于取水沙样的预留连通管。采用上述设备的试验方法如下：

(1)加水：向沉降桶内注入水样，若试验所需水温较高，打开主、辅加热器加热，并打开充气设备搅拌使水样受热均匀且随时监控各探头温度，直到接近预设温度值，再关闭主加热器，单开辅助加热器保持沉降桶内温度不变；

(2)配沙：当水样符合试验要求，开始配沙，往水样里加入一定量的高浓度沙样，充气搅拌均匀，测量一个垂线的初始含沙量浓度，如不够预设值，再加入沙样并搅拌后测量，直至接近预设值；

(3)测量：待浓度满足预设值则停止搅拌，开始逐时测量桶内垂线含沙量，测量时间间隔随沙样、水样的不同以及沉降速度的变化需进行调整，这样即得到一组特定初始含沙量、特定温度、特定水样条件下的静水沉降过程不同时间垂线浓度；再根据垂线浓度变化可求得群体沉速。

下面根据与以往沉降筒相比，来阐述本发明的效果。以往沉降筒的主要不足之处：

(1)由于只能取固定间隔的水样，这样获得的垂线含沙量精度有限，无法准确获取连续的垂线剖面及含沙量变化拐点，这样在利用泥沙连续性方程反算沉速时会导致误差较大；

(2)当含沙量较高时，由于边壁效应，所取水样含沙浓度一般要小于实际值，测得的含沙浓度误差较大；

(3)以往沉降筒测量泥沙浓度时，多采用比重瓶或者烘干法来测量含沙量，当泥沙颗粒较细、含沙量较小时误差较大；

(4)含沙量取样及测量过程十分繁琐、耗时，这样也会导致每一轮取样时间都较长，影响取样时间步长及沉速反算的精度；

(5)多层取样过程中难以保证取样的同步性，取样的次数也不能太多，否则会导致水量损失过多，影响静水沉降过程。

上述不足会直接导致沉速计算偏差较大，或者无法测量浓度较大或者浓度较小时的沉速无法通过传统沉降筒测量。

本专利用开发的沉降筒与传统沉降筒对比，不仅可以做沉降过程试验，同时还可进行泥沙密实过程试验，其主要特点和优势如下：

(1)搭载先进的声学光学含沙量测量仪器，测量的精度高、测量泥沙浓度的范围广，可同时测量沿垂线的连续浓度值；

(2)横向尺寸大，可保证先进测量仪器在测量过程中对水体干扰较小，同时取水沙样时，水量的损失小，对结果的影响也小；

(3)操作方便，水温、盐度、水深、初始含沙量等参数均可方便地进行调节。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明所述的沉降筒截面示意图。

图2为本发明所述的沉降筒里面示意图。

图3为本发明所述的沉降筒底部搅拌结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参看图1和图2，大型可温控自动搅拌沉降密实试验筒设计及实物如图。沉降筒内搭载有小型浊度计，潮位计，小型高浓度(密度)测量设备－音叉，自动升温保温设备及高压氮气搅拌装置等。图中沉降筒1为圆形，内部设有音叉2，还设有含沙量测量设备3，沉降筒内壁设置有加热设备4和温度监控设备5。在沉降筒1的底部还设置有进水管6和出水管7以及气动搅拌设备8。在进水管6上设置有进水阀，在出水管7上设置有出水阀。含沙量测量设备：OBS3+，OBS3+叫做光学浊度计，通过运用光的反向散射技术，向水中发射近红外光，然后接收由悬浮颗粒反射会的光来进行浊度测量。其主要特点是体积小，对有限试验水体干扰小，测量精度高，测量范围广。

水深测量设备：压力水深仪，通过内置的高精度压力探头来测量环境压力，然后根据压力原理(探头承受的压力与水深成正比)来进行水深和物位的测量。其主要特点是体积小(与OBS3+同尺寸)，测量时间间隔可与OBS3+同步。与OBS3+绑定在一起工作。

参看图3，所述气动搅拌设备8具体如下：高压氮气从底部压板81四周出来形成搅拌含沙水体的动力。搅拌主要用于加热阶段和初始浑水混合阶段。高压氮气通道设置有进气阀门，可以实现开闭。

加热及温控设备：(1)主加热设备：4根3KW不锈钢电热棒；(2)保温及辅助加热设备：6根500W不锈钢防爆电热棒(长度40cm，直径1.5cm)，可自动调节温度，温控范围17～35℃；(3)温度监测设备：数字式电子温度计。

(三)试验流程

大型可温控自动搅拌沉降密实试验筒采用光学仪器测量含沙量代替繁琐的多次多层取水样过程。详细试验流程如下：

(1)加水：向沉降桶内注入水样，若试验所需水温较高，打开主、辅加热器加热，并打开充气设备搅拌使水样受热均匀且随时监控各探头温度，直到接近预设温度值，再关闭主加热器，单开辅助加热器保持沉降桶内温度不变；

(2)配沙：当水样符合试验要求，开始配沙，往水样里加入一定量的高浓度沙样，充气搅拌均匀，测量一个垂线的初始含沙量浓度，如不够预设值，再加入沙样并搅拌后测量，直至接近预设值；

(3)测量：待浓度满足预设值则停止搅拌，开始逐时测量桶内垂线含沙量，测量时间间隔随沙样、水样的不同以及沉降速度的变化需进行调整，这样即得到一组特定初始含沙量、特定温度、特定水样条件下的静水沉降过程不同时间垂线浓度；再根据垂线浓度变化可求得群体沉速。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (4)

1.大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，用于测量水温、盐度、水深、初始含沙量，可同时测量沿垂线的连续浓度值，包括一个沉降筒，其特征是，

沉降筒底部设置有进水管和出水管，沉降筒底部还设置有用于向筒内进气搅拌的进气阀，沉降筒内底部设置有用于搅拌水体的进气压板，沉降筒内还设置有加热设备，所述沉降筒内设置有音叉，音叉用来测量含沙浓度大于50G/L以上的泥浆密度,

所述加热设备为四根均匀分布的3KW不锈钢电热棒和六根500W不锈钢防爆电热棒，可自动调节温度，温控范围17～35℃，所述沉降筒内还设置有温度检测设备，温度检测设备为数字式电子温度计，在沉降筒的侧壁上设置有用于取水沙样的预留连通管,

含沙量测量设备：OBS3+，OBS3+叫做光学浊度计，通过运用光的反向散射技术，向水中发射近红外光，然后接收由悬浮颗粒反射的光来进行浊度测量。

2.如权利要求1所述大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，其特征在于，所述500W不锈钢防爆电热棒长度40cm，直径1.5cm。

3.一种可温控自动搅拌沉降密实试验的方法，其特征在于，采用下述大型可温控自动搅拌沉降密实试验装置，包括一个大型沉降筒，

沉降筒底部设置有进水管和出水管，沉降筒底部还设置有用于向筒内进气搅拌的进气阀，沉降筒内底部设置有用于搅拌水体的进气压板，沉降筒内还设置有加热设备，所述沉降筒内设置有音叉，音叉用来测量含沙浓度大于50G/L以上的泥浆密度,

所述加热设备为四根均匀分布的3KW不锈钢电热棒和六根500W不锈钢防爆电热棒，可自动调节温度，温控范围17～35℃，

所述沉降筒内还设置有温度检测设备，温度检测设备为数字式电子温度计，在沉降筒的侧壁上设置有用于取水沙样的预留连通管,

含沙量测量设备：OBS3+，OBS3+叫做光学浊度计，通过运用光的反向散射技术，向水中发射近红外光，然后接收由悬浮颗粒反射会的光来进行浊度测量：其步骤如下：

(1)加水：向沉降桶内注入水样，若试验所需水温较高，打开主、辅加热器加热，并打开充气设备搅拌使水样受热均匀且随时监控各探头温度，直到接近预设温度值，再关闭主加热器，单开辅助加热器保持沉降桶内温度不变；

(2)配沙：当水样符合试验要求，开始配沙，往水样里加入一定量的高浓度沙样，充气搅拌均匀，测量一个垂线的初始含沙量浓度，如不够预设值再加入沙样并搅拌后测量，直至接近预设值；

(3)测量：待浓度满足预设值则停止搅拌，开始逐时测量桶内垂线含沙量，测量时间间隔随沙样、水样的不同以及沉降速度的变化需进行调整，这样即得到一组特定初始含沙量、特定温度、特定水样条件下的静水沉降过程不同时间垂线浓度；再根据垂线浓度变化可求得群体沉速。

4.如权利要求3所述大型可温控自动搅拌沉降密实试验的方法，其特征在于，所述500W不锈钢防爆电热棒长度40cm，直径1.5cm。