CN103558121A - 一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其方法，该装置由壳体、试验筒、加压系统、连通管、玻璃观察窗、照相机和计算机组成。其中，壳体为试验装置的主体，由优质碳钢铸造；试验筒为不锈钢圆筒，浇筑在壳体中，加压系统为多个U型不锈钢管组合；连通管为不锈钢管，连接加压U型管、试验筒、加水管和加料管；该方法采用该装置进行，采用在U型加压管中注水银，由其产生大的压力差叠加模拟深水水压，分别观测试验筒和U型加压管；计算机采用U型加压管和试验筒的图像，测定U型管中水银柱的高差和试验筒中泥沙界面的变化过程。本发明可得出300m水压力下淤积物干容重的变化过程，对特大型水库的运行管理具有重要的生产应用值。

Description

一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其试验方法

技术领域

本发明属于水利水电工程的试验研究领域，特别涉及大水压力下淤积物干容重变化的试验装置及方法。

背景技术

在大型水库的运行中，泥沙在水库中淤积。随着时间的变化，淤积物的干容重亦随之变化。在计算水库排沙比时，主要以水库上游水文站测量的入库泥沙重量与库内淤积泥沙重量之差来确定。在实际观测中，只能测量库内的泥沙淤积体积，乘以干容重才能得出水库淤积的沙重，所以淤积物的干容重是关键的参数。

在大型水库中，淤积在河床中的泥沙多数都很细，如三峡水库常年回水区床面淤积的泥沙，中值粒径约为0.003～0.015mm。由于极细泥沙的干容重是随时间缓慢变化的，与水深亦有直接的关系，原型观测在100m水深以下采样的难度很大，且容易扰动河床而影响测量精度。再是泥沙淤积也是随时间逐渐淤厚的，原型观测极难确定淤积物的哪一层是某一段时间淤积的，即难以得出淤积物的干容重随时间的变化过程。

我国已规划了数十座特大型水电站工程，如正在修建的雅砻江下游的锦屏一级水电站、金沙江下游的白鹤滩和溪洛渡水电站的坝高均为300m的量级。

在现有的室内试验中，很难模拟大水压力的试验条件。故如何设计一种可以模拟大水压力情况以及不同水压力情况进行泥沙淤积物干容重变化试验的技术，以使人们可以研究探索泥沙淤积物在不同水压力情况的干容重变化情况，成为有待解决的问题。

发明内容

针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种可以模拟大水压力情况以及不同水压力情况进行泥沙淤积物干容重变化试验的泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其试验方法。

为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案：

一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置，其特征在于，包括壳体和摄像系统，壳体内并列固定有一排竖向设置的试验筒，每个试验筒后方竖向设置有数个并列的U形差压管，U形差压管上端首尾依次连通形成整体呈倒S形延伸的管道，每个试验筒连同其后方的U形差压管构成一个试验单元；每个试验单元中，U型差压管上端均连通设置有注水管，试验筒上端连通设置有加料管；壳体一侧还设置有加压管，加压管和该侧的第一个试验单元的第一个U型差压管的进口侧上端连接，并通过管道与第一个试验筒连通；前一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端通过管道与下一个试验单元的加料管9的相连通，同时还通过管道与下一个试验单元的第一个U型差压管进口侧上端相连通，最后一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端与大气连通；每个试验单元中，试验筒前方表面和U形差压管后方表面均沿整个高度方向设置有用于摄像的观察缝隙且采用透明材料密封该观察缝隙；所述摄像系统包括正对壳体前方和后方设置的两个相机，以及和两个相机相连的计算机。

作为优化，包括10个试验单元，每个试验单元高h=1000mm左右，宽b=140mm左右，试验筒直径D=120mm左右，并具有3个U型加压管。这样，可以直接模拟300m水压力下各种不同深度的水库泥沙淤积物的干容重随时间的变化过程。

本发明还公开了一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验方法，其特点在于，包括以下步骤：

a、获取如上述结构的试验装置；

b、每个试验单元中，均从注水管往各U型差压管的下半部加注水银，上半部注满清水，从加料管往试验筒内加搅拌均匀的泥浆（泥沙淤积物），泥浆占试验筒下部的80％，其上加清水，并保证各连通管道和加压管内均注满清水，各注水管和加料管注满水后进口处密封；

c、在加压管进口端通过一加压控制阀连接一个以水为介质的加压系统；通过该加压系统进行加压，驱动U型差压管内形成水银柱压差，水银柱压差作用于试验筒内的泥沙淤积物，并通过压差累积作用使得各试验筒形成从远到近承受从小到大的不同倍数压力；

d、当按照设定的压强加压完成后，关闭加压控制阀封闭住加压管进口端以维持压力稳定，使得整个系统保持稳定的状态；用相机定期拍摄水银柱压差的图像以及试验筒泥面变化过程的图像；计算机采集两台相机的图像进行比尺换算后得出U型差压管中水银柱的高差和试验筒中泥沙界面的变化过程，试验过程中定时记录温度；根据水银柱高差计算出承受压力大小，根据试验筒泥面的高低变化可计算淤泥体积的变化再计算出不同时刻淤泥的干容重，并可以建立起考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系。

本发明的方法，利用水银压差的累积，模拟出大水压力的试验条件，能够直接模拟300m水压力下各种不同深度的水压情况，以得到不同深度的水库泥沙淤积物的干容重随时间的变化过程，再通过相机采集数据后，即可计算并建立起考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系；以便于人们可以研究探索泥沙淤积物在深水高压以及不同水深情况的干容重变化情况；故本发明具有独创性和重要性。

作为优化，所述a步骤中试验装置采用以下方法制备：壳体用优质碳钢铸造，铸造时试验筒采用不锈钢圆筒，筒内填充沙粒并固定在壳体正面的沙模中；各U型差压管、加压管、各种连通用管道及充水管和加料管均用不锈钢管加工，并预先按照结构要求连接好后在管内填充沙粒后固定在壳体沙模的相应位置，U型差压管布置在壳体的背面；浇铸壳体时将各部件浇铸在一起，使其与壳体成为一个整体，掏出各管内的填充沙粒后即成为试验装置的主体结构；再将壳体的正面铣槽，高度和宽度覆盖全部试验筒，铣槽深度为试验筒铣掉四分之一左右圆弧；同时在壳体背面铣槽，高度和宽度与正面铣槽相同，深度至U型差压管铣掉四分之一左右圆弧；将相同高度和宽度的钢化玻璃分别嵌在正面槽和背面槽内，用钢条压紧并将试验筒和U型差压管被铣掉处密封，成为拍摄照片的观察窗。

这样，优化后的制备方法，具有易于实施，成本低廉，制得装置整体性好的优点，保证了试验的正常进行。

综上所述，本发明可以模拟大水深情况以及不同水深情况进行泥沙淤积物干容重变化试验，使人们可以研究探索泥沙淤积物在不同水深情况的干容重变化情况，进而为库区航道建设，清淤处理，大型水库的运行管理等工作的开展提供了理论依据，具有重要的生产应用价值。

附图说明

图1(a)为具体实施时本发明的试验装置的背面局部结构示意图。

图1（b）为具体实施时本发明的试验装置的侧面结构示意图。

图1（c）为具体实施时本发明的试验装置的正面局部结构示意图。

图2为具体实施时本发明的试验装置的壳体顶平面局部结构示意图。

图3为具体实施时本发明的试验装置的正面结构示意图。

图4为本具体实施时发明的试验装置的背面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

具体实施时，一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置，其结构示意如图1-图4，图1（a）为背面图，图1（b）为侧面图，图1（c）为正面图。图1（c）右侧两个单元的虚线为背面的U型加压管2,图中m1，m2，m3……m10为试验单元编号。图2为壳体顶平面部分示意图。

试验装置主要由壳体、试验筒、U型差压管、加压管、连通管、玻璃观察窗、照相机、计算机和连接的加压设备组成。其中，多个U型差压管2为一组，每个U型差压管2上端首尾相连依次连通形成整体呈倒S形延伸的管道。正面与背面对齐的一个试验筒1和一组U型差压管2组成一个试验单元。加压管3与第一试验单元的第一个U型差压管2的上端连接，并通过连通管4与第一个试验筒1连通；前一个试验单元的最后一个U型差压管2上端通过连通管5和连通管6与下一个试验单元的加料管9的中部相连，同时通过连通管7与下一个试验单元的第一个U型管2上端相连。同一单元的各个U型差压管2上端设注水管8，试验筒上方设加料管9。照相机12正对观察窗10，照相机13正对观察窗11；照相机安装固定后，标定照相机像素的物理尺寸。计算机14用于采集试验筒1和U型加压管2的图像。15为固定观察窗玻璃压条的螺孔，16为以水为介质的加压系统，17为加压控制阀。

试验装置制造时，壳体用优质碳钢铸造；试验筒1为不锈钢圆筒，筒内填充沙粒并固定在壳体正面的模型中；U型差压管2、加压管3、各种连通管4、5、6、7及充水管8、加料管9均用不锈钢管加工，管内填充沙粒后固定在壳体沙模的相应位置，U型差压管2布置在壳体的背面。浇铸壳体时将各部件浇铸在一起，使其与壳体成为一个整体，掏出各管内的填充沙粒后即成为试验装置的主体结构。

将壳体的正面铣槽18，高度和宽度覆盖全部试验筒，铣槽深度为试验筒1铣掉四分之一圆弧；在壳体背面铣槽19，高度和宽度与正面铣槽18相同，深度至铣掉U型差压管2的四分之一圆弧。将相同高度和宽度的钢化玻璃分别嵌在正面槽18和背面槽19内，用钢条压紧并将试验筒和U型差压管被铣掉处密封，成为拍摄照片的观察窗11和12。

将壳体上部的各注水管8、加料管9的管口加工成螺扣，用于密封。

为保证安全和减少长期试验温度变化的影响，试验装置应安装在地下室中。

试验装置加工完成后，从注水管往U型管的下半部加注水银，上半部注清水；从加料管9往试验筒1内加搅拌均匀、浓度较高的泥浆，泥浆占试验筒1下部的80％，其上加清水，并保证连通管5、6、7内注满清水，各管段注满水后注水管8、加料管9的管口用螺杆密封。加压管3和连通管4也注满清水。

加压系统16通过加压管3从第一个试验单元的第一支U型差压管2上端施加水压力，并驱动U型加压管2内形成水银柱压差△h_m，则一个U型差压管2所产生的水头差为：

$\mathrm{\Δh}=\frac{{\mathrm{\γ}}_m-\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\Δh}}_m---\left(1\right)$

式中：γ_m为水银的比重，γ为水的比重。如近似取γ_m=13.6、γ_m=1.0，则：

△h=12.6△h_m    (2)

如忽略水体在高压下的微小变形(在一个大气压、20摄氏度时，水的体积弹性模量为2.18×109Pa)，则各个U型差压管2内的水银柱压差△h_m均相等，即具有相同的水压差△h。

加压管3通过连通管4与第一个试验筒1连通而传递压力，第一个试验筒的压强与加压管3的压强相等；前一个试验单元的最后一个U型管1上端通过连通管5和6与下一个试验单元的加料管9相连，使两者的压强相等，设每个单元有N个U型差压管2，则第二个试验筒1的压强比第一个试验筒1的压强差γN△h。

由于前一个试验单元的最后一个U型管1上端通过连通管5和7与下一个试验单元的第一个U型加压管2的上部相连，所以相邻两个试验单元的压强差也为γN△h。在相同的结构中，每个试验单元的压强差均相等。最后一个试验单元的最后一支U型加压管2的出口为开敞的溢流口20，使最后一个试验单元的压强为γN△h。

假定有M个试验单元，各试验单元从最后一个向前依次排列为m（m=1,2,3……M），则第m个试验单元的压强为γmN△h，第一个试验单元的压强为γMN△h。

当按照设定的压强加压完成后，关闭加压控制阀17，整个系统处于稳定的状态。用照相机12定期拍摄观察窗10中水银柱压差的图像，照相机13定期拍摄观察窗11中泥面变化过程的图像。计算机14用于采集两台照相机12和13的图像进行比尺换算后得出U型差压管2中水银柱的高差和试验筒1中泥沙界面的变化过程，试验过程中定时记录温度。根据照相机像素的物理尺寸计算试验筒1内沙面的高度，已知试验筒1的横截面积和沙面高度，计算淤积泥沙的体积；已知加沙重量，最后计算出不同时刻淤积泥沙的干容重，并建立考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系。

本发明中，采用大比重的水银制成U型加压管1，多个U型加压管1组合得出需要的大水压力单元，多组大水压力单元串连，构成各种不同水压力下淤积物干容重变化的测量装置。本发明中，采用多个U型管组合成大水压力单元，多组大水压力单元串连，可以在一次试验中得出各种不同水压力下淤积物干容重的变化过程。本发明可试验得出300m水压力下淤积物干容重的变化过程，对特大型水库的运行管理具有重要的生产应用值。

下面结合具体实例对本发明做进一步说明。

将本发明的试验装置用于雅砻江下游锦屏一级水电站库区淤积泥沙干容重变化的试验研究，该水电站坝高305m。

试验装置的壳体采用优质碳钢铸造，分10个单元，每个单元安装3个U型加压管2。壳体外形尺寸宽B=1500mm、高H=1200mm、厚L=240mm，每个单元宽b=140mm。试验筒1直径D=120mm，高h=1000mm,见附图3和附图4。

试验装置安装完成后标定照相机的物理尺寸，采用1台分辨率7360×4912的高精度照相机12从观测窗10拍摄图像，水银柱的最大压差为800mm，用照相机的长方向拍摄水银柱高差，设有效拍摄尺寸为882mm，则拍摄精度为0.12mm/Pixel。采用同型号的照相机的长方向13从观察窗11拍摄试验筒1的图像，试验筒1内沙面的变化范围约350mm，设有效拍摄尺寸为368mm，则拍摄精度为0.05mm/Pixel。按此设置调节照相机的焦距、光圈等各种参数。

从锦屏一级水电站库区取淤积沙样，均匀搅拌成体积比浓度60％的泥浆注入试验筒2内。U型加压管2的内径3mm，有效高度900mm，从注水管8往U型加压管2下半部注水银，上半部注清水。当试验筒1和U型加压管2及各连通管4、5、6、7均充满水后用螺杆密封。

加压系统17从加压管3给第一个试验单元m1的第一个U型加压管2上端加水压，当压力达到设定值后关闭加压控制阀17。

当整个系统处于稳定状态后，用照相机12定期拍摄观察窗10中水银柱压差的图像，照相机13定期拍摄观察窗11中泥面变化过程的图像。

在某一时刻，照相机12拍摄的U型加压管2中水银柱高差为6613.8Pixel，高差的物理尺寸为△h_m=6613.8×0.12=793.66mm，由公式（2）：

△h=12.6△h_m＝10000mm    (3)

即一个U型加压管2产生10m水柱的压力，一个试验单元3组U型加压管2产生30m水柱压力，10个单元产生300水柱的压力，并可获得每隔30m水柱压力的试验成果。

从照相机13采集的图像经比尺换算后，得出试验筒1中泥沙界面高度的变化过程，已知试验筒1的横截面积和沙面高度，计算淤积泥沙的体积；试验的加沙重量已知，最后计算出不同时刻淤积泥沙的干容重，并建立考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系。

试验过程将持续2～3年或更长时间，使用照相机不存在时漂、温漂等电子产品常有的缺陷。如在长期试验过程中压力有所下降，则可不定期适当增加压力至设定值。

Claims (4)

1.一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置，其特征在于，包括壳体和摄像系统，壳体内并列固定有一排竖向设置的试验筒，每个试验筒后方竖向设置有数个并列的U形差压管，U形差压管上端首尾依次连通形成整体呈倒S形延伸的管道，每个试验筒连同其后方的U形差压管构成一个试验单元；每个试验单元中，U型差压管上端均连通设置有注水管，试验筒上端连通设置有加料管；壳体一侧还设置有加压管，加压管和该侧的第一个试验单元的第一个U型差压管的进口侧上端连接，并通过管道与第一个试验筒连通；前一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端通过管道与下一个试验单元的加料管9的相连通，同时还通过管道与下一个试验单元的第一个U型差压管进口侧上端相连通，最后一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端与大气连通；每个试验单元中，试验筒前方表面和U形差压管后方表面均沿整个高度方向设置有用于摄像的观察缝隙且采用透明材料密封该观察缝隙；所述摄像系统包括正对壳体前方和后方设置的两个相机，以及和两个相机相连的计算机。

2.如权利要求1所述的泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置，其特征在于，包括10个试验单元，每个试验单元高h=1000mm，宽b=140mm，试验筒1直径D=120mm，并具有3个U型加压管。

3.一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、获取如权利要求1或2所述结构的试验装置；

b、每个试验单元中，均从注水管往各U型差压管的下半部加注水银，上半部注满清水，从加料管往试验筒内加搅拌均匀的泥浆（泥沙淤积物），泥浆占试验筒下部的80％，其上加清水，并保证各连通管道和加压管内均注满清水，各注水管和加料管注满水后进口处密封；

c、在加压管进口端通过一加压控制阀连接一个以水为介质的加压系统；通过该加压系统进行加压，驱动U型差压管内形成水银柱压差，水银柱压差作用于试验筒内的泥沙淤积物，并通过压差累积作用使得各试验筒形成从远到近承受从小到大的不同倍数压力；

d、当按照设定的压强加压完成后，关闭加压控制阀封闭住加压管进口端以维持压力稳定，使得整个系统保持稳定的状态；用相机定期拍摄水银柱压差的图像以及试验筒泥面变化过程的图像；计算机采集两台相机的图像进行比尺换算后得出U型差压管中水银柱的高差和试验筒中泥沙界面的变化过程，试验过程中定时记录温度；根据水银柱高差计算出承受压力大小，根据试验筒泥面的高低变化可计算淤泥体积的变化再计算出不同时刻淤泥的干容重，并可以建立起考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系。

4.如权利要求3所述的试验方法，其特征在于，所述a步骤中试验装置采用以下方法制备：壳体用优质碳钢铸造，铸造时试验筒采用不锈钢圆筒，筒内填充沙粒并固定在壳体正面的沙模中；各U型差压管、加压管、各种连通用管道及充水管和加料管均用不锈钢管加工，并预先按照结构要求连接好后在管内填充沙粒后固定在壳体沙模的相应位置，U型差压管布置在壳体的背面；浇铸壳体时将各部件浇铸在一起，使其与壳体成为一个整体，掏出各管内的填充沙粒后即成为试验装置的主体结构；再将壳体的正面铣槽，高度和宽度覆盖全部试验筒，铣槽深度为试验筒铣掉四分之一圆弧；同时在壳体背面铣槽，高度和宽度与正面铣槽相同，深度至U型差压管铣掉四分之一圆弧；将相同高度和宽度的钢化玻璃分别嵌在正面槽和背面槽内，用钢条压紧并将试验筒和U型差压管被铣掉处密封，成为拍摄照片的观察窗。

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