CN103556598A - 一种变坡水槽供沙仪器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变坡水槽供沙仪器，包括升降平台、第一供水箱、供沙槽、供沙器、第二供水箱；其中，升降平台包括第一升降平台和第二升降平台，第一升降平台高于第二升降平台，两者之间的高度差为供水槽的垂直高度；第一供水箱水平放置在第一升降平台上，第二供水箱水平放置于第二平台上，供沙槽上端密封连接第一供水箱的出水侧面，供沙槽的下端与第二供水箱的入水端连接，第二供水箱的另一端设有弧面过渡带，该过渡带与变坡水槽相衔接；所述的供沙槽的正上方设置供沙器，为供沙槽内提供所需的试验泥沙。本发明通过调节平台高度与水槽相衔接，利用供沙器往供沙槽里加沙，在供沙槽里形成含沙水流，水流通过供水箱落到水槽上，便能很好地控制水流含沙量，达到控制水流含沙量的目的。

Description

一种变坡水槽供沙仪器

技术领域

本发明属于水利仪器制造和改进领域，特别涉及一种用于提高室内水力实验的精确度和可控性的变坡水槽供沙仪器。 

背景技术

我国是世界土壤侵蚀最严重的国家之一，土壤侵蚀危害严重。土壤侵蚀直接影响到水、土资源的开发、利用和保护问题，水土资源是人类生存最基本的条件。我国风力侵蚀面积最大，其次是水力侵蚀，但就对国民经济的影响而言，水力侵蚀的危害整体上比风力侵蚀要大。 

水力侵蚀主要外营力为降雨形成的坡面流，坡面流影响着侵蚀颗粒的分离、输移、沉积过程，塑造地表各种形态，反过来，地表形态的改变，将又影响坡面流的水力特性。这二者之间的互相反馈，主要是受水流中泥沙含量的影响。在特定土壤、水流条件下，若侵蚀颗粒输移率小于其当前条件下的挟沙力，则发生侵蚀，若输移率大于当前条件下的挟沙力，则发生沉积，若两者相等，则在当前条件下水流输沙平衡，便不会改变地表形态，因而水流条件也不会改变。可见，研究坡面流、土壤、含沙量三者的关系便可以很好的解决水力侵蚀中土壤分离、输移、沉积规律，同时可为建立土壤侵蚀物理模型及土壤侵蚀预报模型打下铺垫，为水土保持措施布局、实施提供参考。 

为了建立土壤侵蚀物理模型及土壤侵蚀预报模型，国内外学者开展了一系列室内变坡水槽实验，研究坡面流对土壤的分离、输移、沉 积作用以及坡面流水力性质和土壤性质的相互作用决定土壤侵蚀发生、发展的过程。如图1所示，通常情况下，室内变坡水槽实验将一种特定性质的土壤置于槽面，再通过控制流量、坡度等因子进行冲刷实验，以此来建立土壤冲刷量与流量、坡度或者是其他间接得出的水力参数之间的关系式。 

室内变坡水槽实验是研究坡面流、土壤、水流含沙量三者关系的主要手段，而水流含沙量的控制是至关重要的。但目前大多数实验是以清水流作为研究对象，忽略了坡面流实际上是一种含沙水流，且含沙量对水流特性及床面性质有着重要影响。为了进一步研究含沙水流对于土壤侵蚀的作用，实验中往往是直接在水槽上方通过供沙器加沙，来模拟含沙水流。但上述方式，不仅对很浅的坡面流水力性质有很大影响，而且由于坡面流水深较浅，沿竖直方向下降的泥沙颗粒很容易在降落处形成堆积，改变水槽床面性质。在进行的一些坡面含沙水流试验中，含沙量的控制还存在缺陷，产生如下不良影响：1.下落泥沙颗粒会改变水流水力性质，加大水流紊动；2.垂直下落的泥沙落到床面上，可能发生沉积，改变床面性质。上述不良影响将可能很大程度上影响实验结果。 

针对这种现状，有必要研究一种新的供沙设备，保证试验时水流含沙量的稳定，且不产生上述不良影响，更能够与室内变坡水槽配套使用，从而为研究坡面流、土壤、含沙量三者之间关系提供更奸的实验手段。 

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种可保证实验时水流含沙量稳定、能够与室内变坡水槽配套使用的变坡水槽供沙仪器。 

本发明采用的技术方案如下：一种变坡水槽供沙仪器，包括升降平台、第一供水箱、供沙槽、供沙器、第二供水箱；其中，升降平台包括第一升降平台1和第二升降平台，第一升降平台高于第二升降平台，两者之间的高度差为供水槽的垂直高度；第一供水箱水平放置在第一升降平台上，第二供水箱水平放置于第二升降平台上，供沙槽上端密封连接第一供水箱的出水侧面，供沙槽的下端与第二供水箱的入水端连接，第二供水箱的另一端设有弧面过渡带，该过渡带与变坡水槽相衔接；所述的供沙槽的正上方设置供沙器，为供沙槽内提供所需的试验泥沙。 

第一升降平台以及第二升降平台为矩形，矩形四角分别固定支撑在一杆鞘上，杆鞘活动套接在一立杆上，通过设置于杆鞘上的松紧螺母实现杆鞘与立杆的松紧(其中，顺时针拧松，逆时针拧紧)；第一升降平台与第二升降平台通过金属板连接，所述的供沙槽支撑在金属板上；所述的立杆底端分别旋接立杆筒，立杆筒下端分别固定设置在支撑桌的桌面上，支撑第一升降平台的四根立杆顶端分别与第一顶盖的四角固定连接，支撑第二升降平台的四根立杆顶端分别与第二顶盖的四角固定连接；所述的支撑桌的桌脚上设有用以调节桌面水平的螺母，支撑桌的高度为1.5米；所述的支撑桌、第一升降平台、第二升降平台以及立杆均为不锈钢材料制成。 

所述升降平台的高度由与其相衔接的变坡水槽的坡度确定，第二 升降平台距地面的垂直高度h₂=Lsinθ+h₀+h_过，其中：L为变坡水槽的长度，θ为坡度角，h₀为变坡水槽末端距地面的垂直高度，h_过为第二供水箱2过渡带的垂直高度，第一升降平台距地面的垂直高度h₁为第二升降平台距地面的垂直高度h₂与所述供水槽(或连接第一、第二供水箱的金属板)的垂直高度之和。 

所述的供沙器由供沙漏斗、扇叶、调速马达、调速控制器以及电源组成，所述的扇叶设置于供沙漏斗底部，扇叶转轴与调速马达输出轴相连接，电源通过调速控制器与调速马达电连接。 

所述的第一供水箱与第二供水箱为前低后高、上端开口的方形箱，所述的方形箱的前端外侧设有溢水盒，溢水盒底部中央设有排水孔。 

所述的第一供水箱与水管连接或直接水管注水，第一供水箱的出水侧面通过调节螺母固定流量控制阀门；所述的第二供水箱前壁设有一矩形孔，该矩形孔与供沙槽的尺寸相适应，供沙槽中的水通过矩形孔进入第二供水箱中，第二供水箱后壁设置流量控制阀门，使第二供水箱的水流保持溢流，保证第二供水箱排放到变坡水槽上的水流为恒定流。 

此外，在供沙槽连接第一供水箱和第二供水箱时，连接处有接触不良的地方可以用防水胶带粘贴。 

在上述技术方案，立杆筒的作用用于降立杆旋转插入其中，使立杆稳定；第一顶盖、第二顶盖分别用于稳定立杆，杆鞘通过其上设置的松紧螺母的松与紧使得第一升降平台和第二升降平台进行高度的升降控制，支撑桌桌角上设置水平调节螺母，通过旋拧螺母可调节桌腿 的高度使台面水平，保证整个实验的正常进行。 

实验过程中，将实验泥沙放入供沙漏斗中，通过调速控制器来调节控制调速马达，保证扇叶一定的转速。转速愈快，则落入供沙槽的泥沙越多，被水流带走的泥沙愈多，在一定条件下，水流含沙量与扇叶的转速成正比，所以通过控制扇叶一定的转速便能保证一定的水流含沙量。 

本发明变坡水槽供沙仪器，通过调节平台高度与水槽相衔接，利用供沙器往供沙槽里加沙，在供沙槽里形成含沙水流，水流通过供水箱落到水槽上，便能很好地控制水流含沙量，达到控制水流含沙量的目的。本发明主要有以下优点： 

1.能与室内变坡水槽配套使用，本发明仪器中的升降平台升降范围从1.6m至3m，坡度范围在8°-40°，基本能满足所有进行中陡坡度的变坡水槽。 

2.仪器中制造的供水箱及供沙槽，体积小，使用方便，能够形成溢流，满足水流恒定，所适用的流量范围大，能满足所有变坡水槽实验的流量要求。 

3.改变了传统直接加沙的方法，通过供沙槽供沙便能有效解决流沙在槽床上沉积，保证实验进行时水流含沙量的稳定，消除传统供沙方法对坡面流的扰动、对床面形态的改变等缺陷。 

4.可推动坡面含沙水流实验的进展，为定量研究含沙量对土壤侵蚀过程的各个物理过程的影响打下基础。 

附图说明

图1是现有的一般变坡水槽系统结构图； 

图2是本发明变坡水槽供沙仪器中升降平台与第一供水箱、供沙器、第二供水箱组合结构示意图； 

图3是本发明变坡水槽供沙仪器中升降平台与支撑桌的结构图； 

图4是本发明变坡水槽供沙仪器中立杆、杆鞘与松紧螺母装配图； 

图5是本发明变坡水槽供沙仪器中第一供水箱、供沙器、供沙槽的组合结构图； 

图6是本发明变坡水槽供沙仪器中第一供水箱的结构示意图； 

图7是本发明变坡水槽供沙仪器中第一供水箱立体结构图； 

图8是本发明变坡水槽供沙仪器中第一供水箱的正视尺寸图； 

图9是本发明变坡水槽供沙仪器中第一供水箱的俯视图尺寸图； 

图10是本发明变坡水槽供沙仪器中第二供水箱的结构图； 

图11是本发明变坡水槽供沙仪器中第二供水箱的立体图； 

图12是本发明变坡水槽供沙仪器中第二供水箱的俯视尺寸图； 

图13是本发明变坡水槽供沙仪器中第二供水箱的侧视尺寸图； 

图14是本发明变坡水槽供沙仪器中第二供水箱的正视尺寸图； 

图15是本发明变坡水槽供沙仪器中供沙器整体结构示意图； 

图16是升降平台的高度与其相衔接的变坡水槽的坡度关系图。 

其中附图标记如下： 

1-第一升降平台，2-第二升降平台，3-第一顶盖，3’-第二顶盖，4-杆鞘，5-金属板，6-立杆筒，7-支撑桌，8-螺母，9-松紧螺母，10-第一供水箱，10’-第二供水箱，11-供沙器，12-供沙槽， 13-调节螺母，14-控制阀门，15-排水孔，16-矩形孔，17-过渡带，18-供沙漏斗，19-扇叶，20-调速马达，21-调速控制器，22-电源 

具体实施方式

下面结合说明书附图及实施例对本发明作进一步说明： 

参见图2-图15，该变坡水槽供沙仪器，包括升降平台、第一供水箱10、供沙槽12、供沙器11、第二供水箱10’，其中：升降平台包括第一升降平台1和第二升降平台2，第一升降平台1高于第二升降平台2，两者之间的高度差为供沙槽12的垂直高度；第一供水箱10水平放置在第一升降平台1上，第二供水箱10’水平放置于第二升降平台2上，供沙槽12上端密封连接第一供水箱10的出水侧面，供沙槽12的下端与第二供水箱10’的入水端连接，第二供水箱10’的另一端设有弧面过渡带17，该过渡带17与变坡水槽相衔接；所述的供沙槽12的正上方设置供沙器11，为供沙槽12内提供所需的试验泥沙。 

第一升降平台1以及第二升降平台2为矩形，矩形四角分别固定支撑在一杆鞘4上，杆鞘4活动套接在一立杆上，通过设置于杆鞘4上的松紧螺母9实现杆鞘4与立杆的松紧；第一升降平台1与第二升降平台2通过金属板5连接，所述的供沙槽12支撑在金属板5上；所述的立杆底端分别旋接立杆筒6，立杆筒6下端分别固定设置在支撑桌7的桌面上，支撑第一升降平台1的四根立杆顶端分别与第一顶盖3的四角固定连接，支撑第二升降平台的四根立杆顶端分别与第二顶盖3’的四角固定连接；所述的支撑桌7的桌脚上设有用以调节桌面水平 的螺母8，支撑桌的高度为1.5米；所述的支撑桌7、第一升降平台1、第二升降平台2以及立杆均为不锈钢材料制成。 

升降平台的高度由与其相衔接的变坡水槽的坡度确定，第二升降平台2距地面的垂直高度h₂=Lsinθ+h₀+h_过，其中：L为变坡水槽的长度，θ为坡度角，h₀为变坡水槽末端距地面的垂直高度，h_过为第二供水箱10’过渡带的垂直高度，第一升降平台1距地面的垂直高度h₁为第二升降平台2距地面的垂直高度h₂与所述供沙槽12的垂直高度之和(具体关系参见图15)。 

供沙器11由供沙漏斗18、扇叶19、调速马达20、调速控制器21以及电源22组成，所述的扇叶19设置于供沙漏斗18底部，扇叶19转轴与调速马达20输出轴相连接，电源22通过调速控制器21与调速马达20电连接。 

第一供水箱10与第二供水箱10’为前低后高、上端开口的方形箱，所述的方形箱的前端外侧设有溢水盒，溢水盒底部中央设有排水孔15。 

第一供水箱10与水管连接或直接水管注水，第一供水箱10的出水侧面通过调节螺母13固定流量控制阀门14；所述的第二供水箱10’前壁设有一矩形孔16，该矩形孔16与供沙槽12的尺寸相适应，供沙槽19中的水通过矩形孔16进入第二供水箱10’中，第二供水箱10’后壁设置流量控制阀门14，使第二供水箱10’的水流保持溢流，保证第二供水箱10’排放到变坡水槽上的水流为恒定流。 

在以上技术方案中，以下部件说明如下： 

升降平台：是本发明的核心仪器，包括第一升降平台10以及第二 升降平台10’，其分别通过立杆垂直支撑在1.5m高的支撑桌7上，支撑桌7的桌脚上具有调节桌面水平的螺旋物件，例如螺母8，支撑桌7全身为不锈钢，升降平台及立杆也为不锈钢制成。升降平台的高度能够任意调节，具有与变坡水槽配合使用的功能。第一升降平台、第二升降平台上分别放置第一供水箱、第二供水箱，通过供沙器均匀向连接第一、第二供水箱的供沙槽内均匀供沙，便能进行各种有关水利实验。例如：研究水流水力参数、输沙参数、土壤侵蚀随坡度与流量变化问题等。因此，升降平台的存在大大增加了变坡水槽的实验用途。 

第一供水箱10：第一供水箱10可与水管连接也可直接用水管注水，出水侧壁通过调节螺母安装流量控制阀门14，主要起供水的作用。 

供沙槽12(可与第一供水箱10连接为一整体)：主要是提供实验泥沙和连接第一供水箱与第二供水箱，通过供沙漏斗18底部设置的扇叶19控制供沙速率，均匀向供沙槽中加沙。将实验泥沙放入供沙漏斗中，通过调节控制调速马达，能保证供沙漏斗18的扇叶19一定的转速。转速愈快，则落入水中被带走的泥沙愈多，在一定条件下，水流含沙量与转速成正比，所以通过控制扇叶一定的转速便能保证一定水流含沙量。这样便可形成稳定含沙水流，即水流含沙量保持恒定。 

第二供水箱10’：第二供水箱10’后壁有一与供沙槽12尺寸相适应的矩形孔16，通过该矩形孔，供沙槽12中的水顺利进入第二供水箱10’，接收上游第一供水箱10所排放的水流，并通过逆时针旋松调节螺母13，再手动调整第二供水箱阀门10’后壁上控制阀门14距离第二供水箱10’底面的高度，控制排水量，使水箱水流溢流后，再顺时 针旋紧调节螺母13固定第二供水箱10’阀门的高度，保持水箱溢流，则能够使第二供水箱10’排放到水槽上的水流成为恒定流。如在供沙槽12内稳定供沙，则经过一定时间稳定后，因为水流是恒定流，且边界条件保持恒定，第二供水箱10’通过控制阀门14排放的水便是稳定含沙水流。 

参见图5、图15可知供沙槽12与供沙器11配套使用过程，通过调节马达20控制扇叶的转速，从而控制供沙漏斗18的加沙速度，并使落在供水槽12中的泥沙马上被由第一供水槽10提供的恒定水流带走，同时保持第二供水箱10’溢流，这样不久将在第二供水箱10’中形成恒定含沙水流，因为就第二供水箱10’而言，上游来沙来水条件不变，而下游排水条件不变，则必将形成恒定排沙条件，则形成恒定含沙水流。 

本发明变坡水槽供沙仪器的安装方法如下：(如图2-图16所示) 

第一、摆置图3所示的第一升降平台10、第二升降平台10’，使其位于变坡水槽系统附近适宜的位置，以便实验进行。松开升降平台的松紧螺母9，根据变坡水槽坡度确定第一、第二升降平台的高度，再将松紧螺母拧紧。 

第二：将图5所示的第一供水箱10及供沙槽12分别放置于第一升降平台10与金属板上5，再将图10所示的第二供水箱10’放置于第二升降平台2上，通过供沙槽12将第一供水箱10与第二供水箱10’连接起来。连接处有接触不良的地方可用防水胶带粘贴，防止漏水。再使图10所示的供水箱2出水端与变坡水槽连接起来。 

第三、通过水管连接位于第一升降平台上的第-供水箱1，并根据需要打开控制阀门14的高度，再根据实验所需流量，调节第二升降平台上的第二供水箱10’的控制阀门14的开启高度，进行放水冲刷(实验过程中，保持第二供水箱10’的溢流，以使水流保证恒定)。 

根据实验所需水流含沙量，通过控制供沙器11往供沙槽12提供泥沙的速度，这样便能保证实验过程中水流含沙量的稳定。 

以上所述是本发明的优选实施方式，当然不能以此来限定本发明之权利范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的保扩范围。 

Claims (6)

1.一种变坡水槽供沙仪器，包括升降平台、第一供水箱(10)、供沙槽(12)、供沙器(11)、第二供水箱(10’)，其特征在于：

升降平台包括第一升降平台(1)和第二升降平台(2)，第一升降平台(1)高于第二升降平台(2)，两者之间的高度差为供沙槽(12)的垂直高度；

第一供水箱(10)水平放置在第一升降平台(1)上，第二供水箱(10’)水平放置于第二升降平台(2)上，供沙槽(12)上端密封连接第一供水箱(10)的出水侧面，供沙槽(12)的下端与第二供水箱(10’)的入水端连接，第二供水箱(10’)的另一端设有弧面过渡带(17)，该过渡带(17)与变坡水槽相衔接；

所述的供沙槽(12)的正上方设置供沙器(11)，为供沙槽(12)内提供所需的试验泥沙。

2.如权利要求1所述的变坡水槽供沙仪器，其特征在于：

第一升降平台(1)以及第二升降平台(2)为矩形，矩形四角分别固定支撑在一杆鞘(4)上，杆鞘(4)活动套接在一立杆上，通过设置于杆鞘(4)上的松紧螺母(9)实现杆鞘(4)与立杆的松紧；

第一升降平台(1)与第二升降平台(2)通过金属板(5)连接，所述的供沙槽(12)支撑在金属板(5)上；

所述的立杆底端分别旋接立杆筒(6)，立杆筒(6)下端分别固定设置在支撑桌(7)的桌面上，支撑第一升降平台(1)的四根立杆顶端分别与第一顶盖(3)的四角固定连接，支撑第二升降平台的四根立杆顶端分别与第二顶盖(3’)的四角固定连接；

所述的支撑桌(7)的桌脚上设有用以调节桌面水平的螺母(8)，支撑桌的高度为1.5米；

所述的支撑桌(7)、第一升降平台(1)、第二升降平台(2)以及立杆均为不锈钢材料制成。

3.如权利要求2所述的变坡水槽供沙仪器，其特征在于：所述的升降平台的高度由与其相衔接的变坡水槽的坡度确定，第二升降平台(2)距地面的垂直高度h₂=Lsinθ+h₀+h_过，其中：L为变坡水槽的长度，θ为坡度角，h₀为变坡水槽末端距地面的垂直高度，h_过为第二供水箱(10’)过渡带的垂直高度，第一升降平台(1)距地面的垂直高度h₁为第二升降平台(2)距地面的垂直高度h₂与所述供沙槽(12)的垂直高度之和。

4.如权利要求3所述的变坡水槽供沙仪器，其特征在于：所述的供沙器(11)由供沙漏斗(18)、扇叶(19)、调速马达(20)、调速控制器(21)以及电源(22)组成，所述的扇叶(19)设置于供沙漏斗(18)底部，扇叶(19)转轴与调速马达(20)输出轴相连接，电源(22)通过调速控制器(21)与调速马达(20)电连接。

5.如权利要求3或4所述的变坡水槽供沙仪器，其特征在于：所述的第一供水箱(10)与第二供水箱(10’)为前低后高、上端开口的方形箱，所述的方形箱的前端外侧设有溢水盒，溢水盒底部中央设有排水孔(15)。

6.如权利要求5所述的变坡水槽供沙仪器，其特征在于：所述的第一供水箱(10)与水管连接或直接水管注水，第一供水箱(10)的出水侧面通过调节螺母(13)固定流量控制阀门(14)；所述的第二供水箱(10’)前壁设有一矩形孔(16)，该矩形孔(16)与供沙槽(12)的尺寸相适应，供沙槽(19)中的水通过矩形孔(16)进入第二供水箱(10’)中，第二供水箱(10’)后壁设置流量控制阀门(14)，使第二供水箱(10’)的水流保持溢流，保证第二供水箱(10’)排放到变坡水槽上的水流为恒定流。

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