CN104315962B - 一种泥沙水下休止角测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种泥沙水下休止角测量方法，包括采用漏斗将泥沙添加到检测容器中预先测定好半径大小的圆台上并在水面下堆积形成沙堆的步骤，其特征在于，采用连通器原理将高程测量转换为水位测量，即通过控制一个和检测容器底部连通的加水容器来控制液面逐渐下降至沙堆顶部齐平，再通过从水面上方去检测水位高度的方式获取沙堆高度，进而计算得到泥沙水下休止角大小。本发明具有采用的装置结构简单，测量精度高，容错性好，操作简便，方便控制等优点。

Description

一种泥沙水下休止角测量方法

技术领域

本发明涉及一种泥沙测量技术，尤其是涉及一种泥沙水下休止角测量方法。

背景技术

休止角指在重力场中，粒子在粉体堆积层的自由斜面上滑动时所受重力和粒子之间摩擦力达到平衡而处于静止状态下测得的最大角。在泥沙运动力学中泥沙颗粒的水下休止角大小是决定泥沙淤积形态、床面形态特征、床面阻力、边坡稳定特性等特征值的重要基本参数。目前，泥沙水下休止角的测量方法为圆盘法，也就是通过金属圆盘，在水下堆满泥沙，然后缓慢将圆盘抬升出水面，盘上泥沙能够保持稳定的形态后，测量沙锥的顶部至圆盘顶部的高程，然后通过沙堆高程圆盘半径，即得到泥沙水下休止角。

这种广泛采用的圆盘测量法一方面在泥沙出露水面的过程中最高堆沙高程可能受水位变幅、和水-空气界面的毛细作用影响，会导致测量结果存在偏差。另外一种常见的圆盘下降至沙堆顶端的方法容错性较差，若操作有误，下降的圆盘将破坏沙堆顶部，造成测量误差或者迫使重新测量；另一方面，在测量过程中，反复多次将水注入、排出，操作过程中易造成水体泄漏，造成实验环境的破坏。而且，由于反复多次测量，注水、排水的速度若快，将会影响测量结果，而注水、排水的速度完全由操作者控制，难以精确的掌控。

CN201410091389-一种细颗粒泥沙水下休止角测量装置及其测量方法，装置包括玻璃水箱、浮板、漏斗、透明测试圆台和塑料棒。所述玻璃水箱底部外侧安装有调平旋钮，四个侧壁相同高度刻有标尺，一对侧壁底部中间位置对称安装有两个水管；所述浮板置于玻璃水箱内，中部开设有孔用于固定漏斗，浮板与漏斗组成一整体；所述浮板下方的漏斗壁上对称设置有平压孔；所述透明测试圆台固定在玻璃水箱底部中间位置，用于承接由漏斗内漏下的泥沙试样；透明测试圆台内部中心位置设有调平气泡，二者与漏斗同轴；所述塑料棒置于漏斗内部，用于开关漏斗口；该测量装置及测量方法弥补了现有方法步骤繁琐、干扰因素多的不足，能有效精炼操作步骤，提高测量的速度和重现性。

但该专利的装置在检测时在向玻璃水箱注水时，水流扰动会干扰泥沙滑落，同时检测时，泥沙堆积锥度形成过程中浮板和漏斗会随水位上升，这也会极大地扰动水流，影响泥沙堆积锥度的形成，导致休止角检测精度较低。

故如何设计一种测量精度高、操作简便、易控制的测量方法，成为本领域有待考虑解决的问题，这对水下休止角的测量和泥沙特性的研究十分重要。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种测量精度高，操作简便，方便控制的泥沙水下休止角测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种泥沙水下休止角测量方法，包括采用漏斗将泥沙添加到检测容器中预先测定好半径大小的圆台上并在水面下堆积形成沙堆的步骤，其特征在于，采用连通器原理将高程测量转换为水位测量，通过控制一个和检测容器底部连通的加水容器来控制液面逐渐下降至沙堆顶部齐平，再通过从水面上方去检测水位高度的方式获取沙堆高度，进而计算得到泥沙水下休止角大小。

这样，可以最大程度避免检测过程中对水流的扰动，进而保证了沙堆的稳定，保证了检测精度。

本发明具体可以是包括以下步骤：

a、先获取以下结构的测量装置，测量装置包括容沙器和位于容沙器内的中央圆台以及正对中央圆台设置的加沙漏斗，其特征在于，所述容沙器上端面封闭设置并在中部对应中央圆台上方位置向上连通设置有一个观测筒，所述观测筒为透明材料制得且和容沙器上端面密封连接，所述中央圆台沿观测筒轴心线位置向上延伸并进入到观测筒中部位置，所述加沙漏斗搁置于观测筒上端口且下方出口正对中央圆台轴心位置，所述观测筒上设置有水位检测仪器，还包括一连通管道，连通管道一端和容沙器相连通，另一端连接有一个水位调节装置；所述水位检测仪器为测针装置；所述水位调节装置，包括一个和容沙器相邻设置的加水容器；加水容器上端开口，下端通过所述连通管道一端和容沙器相连通，加水容器下端设置有升降装置；

b、测量时再依次执行以下步骤：

第一步；取下加沙漏斗，用测针测量中央圆台的顶部，测针读数作为初始读书h₀；

第二步：将测针拉到观测筒口以上，关闭排沙口，加水容器中加水后，启动升降装置，控制加水容器上升使得容沙器中水位逐渐上升到观测筒，并达到中央圆台顶部以上高出中央圆台堆沙后的预计最高位置后停止；

第三步：加沙漏斗搁置到观测筒上，通过加沙漏斗开始逐步往中央圆台加沙，待中央圆台上沙粒堆积且底部边缘蔓延到中央圆台侧边位置，当沙粒开始向圆盘外各方向均有滑移跌落时判断为已形成稳定沙堆，此时停止加沙并取下加沙漏斗；

第四步：控制升降装置，使得加水容器逐步下降，该过程中观测水面状况，水面中部刚出现不平时判断此时水面和沙堆高度齐平，停止下降，此时液面在沙锥尖达到平衡，液面不再变化；

第五步：然后放下测针，当测针下端针尖和水面接触时，测量出水面高度读数h₁，计算得到沙锥的高度H=h₁-h₀-h_防滑圈，式中h_防滑圈为圆台顶部防滑边圈的高度；

第六步：然后再根据事先预测得到的中央圆台的半径R，则可以算出泥沙颗粒水下休止角大小。

这样，沙堆是靠砂粒在水中自然跌落堆积形成，并靠检测水位高度的方式获取沙堆高度，对沙堆周围水域没有干扰和搅动，故极大地提高了检测精度。同时，由于水面无干扰时为完整平面，但当沙堆顶部和水平齐平时，此时沙堆顶部会对水平面产生干扰，水平面被破坏，这种水表面被干扰后造成的视觉差异特别明显，并且观测筒为透明材料的圆筒形构件，会形成放大镜的观察效果，使得可以及为准确地确定出水面和沙堆高度齐平时的水位高度，故这种方式能够保证很高的检测灵敏度和准确性。

作为优化，采用的测量装置中，所述中央圆台上端位置沿四周设置有一圈向上凸起的防滑边圈。防滑边圈高度优选为2mm。

这样可以防止中央圆台上表面的砂粒在压力下形成侧滑，无法正常堆积到中央圆台侧边位置，无法完成试验测量，特别是被检测沙粒粒径较大时，更是需要靠防滑边圈对底部沙粒形成约束，避免侧滑，才能顺利形成堆积并完成检测。

作为优化，采用的测量装置中，所述容沙器底部角落位置还设置有带开关阀的排沙口。；测量完毕后打开排沙口，将实验泥沙收集起来，集中进行处理。

这样，一次检测后，可以通过排沙口将泥沙取出，以方便快速清理后进行再次测量。

作为优化，采用的测量装置中，连通管道和容沙器相连一端位于容沙器和观测筒连接位置且向下45度斜对中央圆台侧壁设置。这样，方便连通管道的安装设置，避免泥沙进入管道，并且能够将连通管道进水和出水对水流的扰动降到最低，提高检测精度。

上述方案中，所述水位检测仪器为测针装置。测针装置是一种用于检测水位的装置，其具体结构可以是包括一个插座，插座固定设置在观测筒上端，插座上竖向设置有插孔，插孔内可抽动地插接有竖向设置的测针，测针下端能够延伸进入到观测筒内，测针侧面设置有水位刻度；当测针下端针尖和水面接触时，可以直接读出测针上端和插座高度比较得出的水位读数。

这样，采用测针装置检测水位高度，当加沙漏斗使用完毕后取走，然后将测针插入观测筒内，当观察针尖接触到水面时停止并读出水面高度读数，减去预先测定的中央圆台整体高度，即可得到沙堆高度再带入预先测定的中央圆台直径，即可算出被检测的泥沙的水下休止角大小。这样靠针尖接触水面可以方便肉眼观察判定，同时最大程度避免了检测过程对水流的干扰，保证沙堆稳定，保证检测精度。

作为优化，采用的测量装置中，升降装置包括一个水平设置的底板和一个用于支承加水容器的顶板，还包括由多对中部铰接形成X形的支撑杆端部铰接重叠形成的可上下伸缩的支撑部，支撑部上下两端铰接相连于底板顶板之间，还包括竖向且可转动设置的丝杠，丝杠下端和升降电机相连并能够靠升降电机带动旋转，丝杠上端和一个安装在顶板上的螺母配合形成丝杠螺母传动副。这样采用重叠X形的支撑部以及电机带动丝杠螺母的方式传动，结构简单，支撑可靠的提示保证传动过程的缓慢和稳定，保证水位调节过程不会对沙堆造成影响。

本发明的优势在于：（1）测量精度高。采用水位调节器精确控制液面与沙堆顶部齐平，将原来的高程测量转换为水位测量，避免了原有测量仪器圆盘移动的设备偏差、操作者的视觉误差和操作失误造成的观测数据误差。而且测针与液面调节的组合，使得沙堆高程的垂直测量误差可以控制在0.2mm以内，休止角误差控制在0.05%以内。（2）操作简便。该测量仪器加沙采用加沙漏斗定位，测量沙锥堆高程采用附属水位调节器控制水位、用测针测量高程，排水排沙由排沙底孔操作，操作简单易行。相对于目前普遍采用的圆盘测量法，大大节省测量步骤，而且试验用水可以反复使用，节能环保。本仪器适合于研究人员的试验操作和本科、研究生的学习、科研活动。

综上所述，本发明具有采用的装置结构简单，测量精度高，操作简便，方便控制等优点。

附图说明：

图1为本发明采用的测量装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

本测量方法具体实施时，先获取如图1所示结构的一种泥沙水下休止角测量装置，包括容沙器1和位于容沙器1内的中央圆台2以及正对中央圆台2设置的加沙漏斗3，所述容沙器1上端面封闭设置并在中部对应中央圆台2上方位置向上连通设置有一个观测筒4，所述观测筒4为透明材料制得且和容沙器1上端面密封连接，所述中央圆台2沿观测筒4轴心线位置向上延伸并进入到观测筒4中部位置，所述加沙漏斗3搁置于观测筒4上端口且下方出口正对中央圆台2轴心位置，所述观测筒4上还设置有水位检测仪器，还包括一连通管道5，连通管道5一端和容沙器1相连通，另一端连接有一个水位调节装置。

其中，所述中央圆台2上端位置沿四周设置有一圈向上凸起的防滑边圈6。防滑边圈6高度优选为2mm。这样可以防止中央圆台上表面的砂粒在压力下形成侧滑，无法正常堆积到中央圆台侧边位置，无法完成试验测量，特别是被检测沙粒粒径较大时，更是需要靠防滑边圈对底部沙粒形成约束，避免侧滑，才能顺利形成堆积并完成检测。

其中，所述容沙器1底部角落位置还设置有带开关阀的排沙口7。这样，一次检测后，可以通过排沙口将泥沙取出，以方便快速清理后进行再次测量。

其中，连通管道5和容沙器1相连一端位于容沙器1和观测筒4连接位置且向下45度斜对中央圆台侧壁设置。这样，方便连通管道的安装设置，避免泥沙进入管道，并且能够将连通管道进水和出水对水流的扰动降到最低，提高检测精度。

其中，所述水位检测仪器为测针装置。测针装置是一种用于检测水位的装置，其具体结构可以是包括一个插座8，插座8固定设置在观测筒4上端，插座8上竖向设置有插孔，插孔内可抽动地插接有竖向设置的测针9，测针9下端能够延伸进入到观测筒内，测针9侧面设置有水位刻度；当测针下端针尖和水面接触时，可以直接读出测针上端和插座高度比较得出的水位读数。上述测针装置的测量精度可达0.2mm，测针针尖最深可到中央圆台顶面以下。针尖可以正对中央圆台上表面设置，测量时，可以先靠针尖向下延伸到中央圆台表面预测出中央圆台高度，方便后续计算。后续测得在水面时的读数减去中央圆台高度和防滑圈高度即为沙堆高度。加沙时，可以将测针升起，以免妨碍加沙。

其中，所述加沙漏斗3为搁置状态，可以拆卸，在加沙漏斗3外边壁有一条隆起的圆环线，其直径与观测筒内径相同，在加沙时起精确定位的作用。

其中，所述观测筒4与容沙器1密封连接为一整体结构，为边壁透明的圆筒形。在观测筒4的外壁上可以进一步设置向上标度的刻度，其精度为1mm,零刻度线与中央圆台平齐。测量时，可以通过观测筒外壁进行粗略读数，再通过测针进行精确读数，二者相结合，确保测量无误。

其中，所述水位调节装置，包括一个和容沙器相邻设置的加水容器10，加水容器10容积大于容沙器和观测筒实验室最高观测水位容积之和且上端开口，加水容器10下端通过所述连通管道5一端和容沙器1相连通，加水容器10下端设置有升降装置。所述升降装置可以是以下结构，包括一个水平设置的底板和一个用于支承加水容器的顶板，还包括由多对中部铰接形成X形的支撑杆端部铰接重叠形成的可上下伸缩的支撑部11，支撑部11上下两端铰接相连于底板顶板之间，还包括竖向且可转动设置的丝杠12，丝杠12下端和升降电机13相连并能够靠升降电机13带动旋转，丝杠12上端和一个安装在顶板上的螺母14配合形成丝杠螺母传动副。

这样，可以通过升降装置，控制加水容器升降，进而通过连通器原理，缓慢地控制容沙器以及观测筒内的水位升降，进而完成上述实验过程。其中升降装置，采用重叠X形的支撑部以及电机带动丝杠螺母的方式传动，结构简单，支撑可靠的提示保证传动过程的缓慢和稳定，保证水位调节过程不会对沙堆造成影响。

本发明进行测量时，具体可以包括以下步骤：

第一步；取下加沙漏斗，用测针测量中央圆台的顶部，测针读数作为初始读书h₀；

第二步：将测针拉到观测筒口以上，关闭排沙口，加水容器中加水后，启动升降装置，控制加水容器上升使得容沙器中水位逐渐上升到观测筒，并达到中央圆台顶部以上高出中央圆台堆沙后的预计最高位置后停止；

第三步：加沙漏斗搁置到观测筒上，通过加沙漏斗开始逐步往中央圆台加沙，待中央圆台上沙粒堆积且底部边缘蔓延到中央圆台侧边位置，当沙粒开始向圆盘外各方向均有滑移跌落时判断为已形成稳定沙堆，此时停止加沙并取下加沙漏斗；

第四步：控制升降装置，使得加水容器逐步下降，该过程中观测水面状况，水面中部刚出现不平时判断此时水面和沙堆高度齐平，停止下降，此时液面在沙锥尖达到平衡，液面不再变化；

第五步：然后放下测针，当测针下端针尖和水面接触时，测量出水面高度读数h₁，计算得到沙锥的高度H=h₁-h₀-h_防滑圈（式中h_防滑圈为圆台顶部防滑圈的高度，一部可设置2mm）；

第六步：打开排沙口，将实验泥沙收集起来，集中进行处理；然后再根据事先预测得到的中央圆台的半径R，则可以算出泥沙颗粒水下休止角大小。休止角θ(θ=arc tan(H/R))。

通过上述操作我们看到本发明有以下优点：（1）该仪器操作及其原理十分简单，适合于研究人员的试验操作和本科、研究生的学习、科研活动；（2）操作过程控制性强，通过调节升降装置来控制主体测量器内液面的位置，避免了原有测量仪器圆盘移动时沙锥高程可能受水位变幅、水-空气界面的毛细作用的影响而对测量结果造成的偏差；（3）读数时还可以进一步将粗读与精读相结合，将原来观测沙锥高程测量转换为水位测量，避免了操作者的视觉误差和操作失误造成的观测数据误差，提高了测量精度，保证了实验结果的正确性与精确性；（4）通过附属水位调节器和排沙口可以将实验后的废水和泥沙收集起来重新利用，有节能环保的作用。

Claims (4)

1.一种泥沙水下休止角测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

a、先获取以下结构的测量装置，测量装置包括容沙器和位于容沙器内的中央圆台以及正对中央圆台设置的加沙漏斗，其特征在于，所述容沙器上端面封闭设置并在中部对应中央圆台上方位置向上连通设置有一个观测筒，观测筒在一个方向上的水平尺寸小于该方向上容沙器的水平尺寸，所述观测筒为透明材料制得且和容沙器上端面密封连接，所述中央圆台沿观测筒轴心线位置向上延伸并进入到观测筒中部位置，所述加沙漏斗搁置于观测筒上端口且下方出口正对中央圆台轴心位置，所述观测筒上设置有水位检测仪器，还包括一连通管道，连通管道一端和容沙器相连通，另一端连接有一个水位调节装置；连通管道和容沙器相连一端位于上述方向上容沙器和观测筒连接位置且向下45度斜对中央圆台侧壁设置；所述水位检测仪器为测针装置；所述水位调节装置，包括一个和容沙器相邻设置的加水容器；加水容器上端开口，下端通过所述连通管道一端和容沙器相连通，加水容器下端设置有升降装置；

b、测量时再依次执行以下步骤：

第一步；取下加沙漏斗，用测针测量中央圆台的顶部，测针读数作为初始读数h₀；

第二步：将测针拉到观测筒口以上，关闭排沙口，加水容器中加水后，启动升降装置，控制加水容器上升使得容沙器中水位逐渐上升到观测筒，并达到中央圆台顶部以上高出中央圆台堆沙后的预计最高位置后停止；

第三步：加沙漏斗搁置到观测筒上，通过加沙漏斗开始逐步往中央圆台加沙，待中央圆台上沙粒堆积且底部边缘蔓延到中央圆台侧边位置，当沙粒开始向圆盘外各方向均有滑移跌落时判断为已形成稳定沙堆，此时停止加沙并取下加沙漏斗；

第四步：控制升降装置，使得加水容器逐步下降，该过程中观测水面状况，水面中部刚出现不平时判断此时水面和沙堆高度齐平，停止下降，此时液面在沙锥尖达到平衡，液面不再变化；

第五步：然后放下测针，当测针下端针尖和水面接触时，测量出水面高度读数h₁，计算得到沙锥的高度H=h₁-h₀-h_防滑圈，式中h_防滑圈为圆台顶部周围防滑边圈的高度；

第六步：然后再根据事先预测得到的中央圆台的半径R，则可以算出泥沙颗粒水下休止角大小。

2.如权利要求1所述的泥沙水下休止角测量方法，其特征在于，采用的测量装置中，所述中央圆台上端位置沿四周设置有一圈向上凸起的防滑边圈。

3.如权利要求1所述的泥沙水下休止角测量方法，其特征在于，采用的测量装置中，所述容沙器底部角落位置还设置有带开关阀的排沙口；测量完毕后打开排沙口，将实验泥沙收集起来，集中进行处理。

4.如权利要求1所述的泥沙水下休止角测量方法，其特征在于，采用的测量装置中，升降装置包括一个水平设置的底板和一个用于支承加水容器的顶板，还包括由多对中部铰接形成X形的支撑杆端部铰接重叠形成的可上下伸缩的支撑部，支撑部上下两端铰接相连于底板顶板之间，还包括竖向且可转动设置的丝杠，丝杠下端和升降电机相连并能够靠升降电机带动旋转，丝杠上端和一个安装在顶板上的螺母配合形成丝杠螺母传动副。