CN104404911A - 一种设置河流动床水工模型的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种设置河流动床水工模型的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/02，属于水利领域。本发明利用高压气囊驱动器的高压冲力使取样探针瞬间插入淤积泥沙中，同时液氮容器的液氮快速进入取样探针内，完成床沙保真取样过程；采用水平移动机械手和垂直移动机械手分别沿着水平和垂直导轨运动，能够精确地控制取样位置；由于高压气囊驱动器的尺寸一定，取样探针的下落距离可由垂直移动机械手在垂直导轨的初始位置确定。本发明实现了动床模型床沙断面的实时保真采样，同时采样的效率大大提高，对试验数据的精确与完善具有极大的促进作用。

Description

一种设置河流动床水工模型的方法

技术领域：

本发明涉及一种设置河流动床水工模型的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/02，属于水利领域。

背景技术：

床沙的颗粒组成和变化不仅影响床面沙粒、沙波阻力和洪水位的高低，而且是影响水流挟沙力、输沙率及河床冲淤的重要因素，是研究水流泥沙运动的基本资料之一。在一般含沙量情况下，表层床沙与水中运动泥沙总在不断地相互交换，其床沙组成也随着冲淤及与深层床沙不断交换而调整变化，其调整是河床变形计算中一个十分重要的问题。在现有的河床变形计算数学模型中，一般引入一个床沙活动交换层厚度的物理量，大多取一个经验性的定常值；此外，有效河床质的厚度往往也都是假定的，这些假定对于河床变形的计算结果的影响很大。

天然冲积河流主要采用横管式、锥式、蚌式、击打式、锚式及海洋采泥的丸川式等采样器来对河床及流态下的床沙进行取样；这些采样器普遍存在采样率较低、沙样可靠性不高；同时，由于床沙变化受水流条件、来沙情况以及本身河床组成等多因素的影响，其变化规律极为复杂，加之资料跟随性以及量测仪器的制约，在天然河流中研究单因素对床沙变化的规律十分困难。动床模型试验为床沙变化规律的精细研究提供了一种方法。然而，天然河流中床沙取样采用的仪器在模型试验中根本无法使用；目前在模型试验中床沙实时保真取样的仪器与方法都鲜有报道。

目前，国内使用的河床床沙采样器有挖斗式采样器、重力式采样器和一种利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器等。挖斗式采样器由挖斗、定挖斗位置的卡爪和铅鱼壳体等构成。采样时，通过一套联动装置，首先使限位卡爪松开，然后收绞起重索，通过缠绕在挖斗轴上的钢丝绳带动挖斗旋转，挖取泥沙。各种重力式采样器，由于其自身的缺陷(利用仪器自身及配重重量把采样管压入河床)，亦经常取不到样品，且采样深度无法精确控制。一些改进型重力式采样器亦因结构复杂、制造使用费用昂贵及未能从根本上解决采样深度控制问题，均未能得到广泛应用。一种利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器是利用子弹瞬间的爆炸力推动活塞运动，把采样管打入河床泥沙中，在不破坏河床泥沙完整性和原状性的情况下，将河床泥沙采集到采样管内。利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器可在原型河床上进行深水床沙采样，具有一定的危险性，不宜在模型河床上进行床沙取样。

动床模型试验中，水深较浅、并且取样精度要求高，原型的取样方法与采样仪器无法在模型试验中应用。同时，试验中河床底部床沙变化规律特别复杂，如何在动床模型试验中进行床沙垂线上的自动采样而不破坏模型河床泥沙淤积层次结构是一个难题。

发明内容：

本发明针对目前模型河床床沙采样的需求，设计了一种动床模型试验床沙实时保真取样方法。本发明的技术方案：

一种动床模型试验床沙实时保真取样方法，包括以下步骤：

(一)布设动床模型和取样设备：

所述动床模型的河床内有淤积泥沙，河床水底和所述淤积泥沙之间设有交换层泥沙；

所述取样设备包括支架、水平横梁、取样探针、高压气囊驱动器、垂直控制台支柱、液氮容器、高压气体容器和控制器；其中，所述支架设置在所述动床模型的两侧，所述水平横梁固定安装在所述支架上，所述水平横梁上设有水平导轨；所述垂直控制台支柱的底部固定在水平移动机械手上，所述水平移动机械手设置在所述水平导轨上，并能够沿着所述水平导轨移动；所述垂直控制台支柱上设有垂直导轨和垂直移动机械手，所述垂直移动机械手能够沿着所述垂直导轨上下移动，所述垂直移动机械手上固定有支承台，所述支承台侧面设有支承横梁，所述支承横梁远离所述支承台的一端设有一个高压气囊驱动器固定扣环，用于固定所述高压气囊驱动器；所述高压气囊驱动器上部依次通过高压气体输送控制阀门、高压气体输送管线和高压容器控制阀门与所述高压气体容器连接，下部通过取样机械手和所述取样探针连接；垂直控制台支柱顶端设有高压气体输送管线挂钩，所述高压气体输送管线挂钩上设有若干挂环，所述高压气体输送管线穿过所述挂环悬挂在所述高压气体输送管线挂钩上；所述水平移动机械手上设有水平位移传感器，所述垂直移动机械手上设有垂直位移传感器，所述水平位移传感器和所述垂直位移传感器通过位移控制信号线与所述控制器连接，分别用于控制所述水平移动机械手和所述垂直移动机械手的移动距离；

所述取样探针为中空的双层结构，包括外层的真空腔和内层的液氮腔，所述液氮腔的上端设有出气孔和液氮进口，所述出气孔通过出气孔阀门与所述控制器连接，所述液氮进口通过液氮输送管线和液氮电控阀门与所述液氮容器连接；所述液氮电控阀门、高压气体输送控制阀门和高压容器控制阀门分别与所述控制器连接；

所述高压气囊驱动器内部设有活塞，所述活塞将所述高压气囊驱动器的内部空间分为上部的高压气囊腔和下部的低压腔，所述活塞下部设有弹簧，所述活塞通过驱动器连杆与所述取样机械手固定连接；所述高压气囊驱动器顶部设有与所述高压气囊腔连通的出气孔和进气孔，所述进气孔通过所述高压气体输送控制阀门与所述高压气体输送管线连通，所述出气孔通过高压气囊出气孔阀门与所述控制器连接；所述低压腔的底部设有低压腔防撞底座；

(二)取样操作：

控制器控制垂直移动机械手向上移动到所述垂直导轨的顶端，带动高压气囊驱动器和取样探针上升到最高点；

控制器控制水平移动机械手沿着水平导轨在水平横梁上移动到预定取样位置；

根据预定取样位置的取样深度，控制器控制垂直移动机械手向下移动，将取样探针设定在预定高度；

控制器打开所述高压容器阀门，向所述高压气囊驱动器供气，高压气体产生瞬间的高压动力驱动取样探针瞬间插入淤积泥沙中，同时打开取样探针的所述出气孔阀门和液氮电控阀门，在取样探针内的空气排出的同时向取样探针内输送液氮，液氮产生的低温通过取样探针的内壁将所取样的泥沙瞬间冰冻，形成泥沙取样样本；

控制器关闭所述液氮电控阀门和所述高压容器阀门，打开所述高压气囊出气孔阀门，使高压气囊驱动器内的高压气体排出，弹簧顶起活塞，使得驱动器连杆提起所述取样机械手，将取样探针提起；

控制器控制垂直移动机械手向上移动到所述垂直导轨的顶端，带动高压气囊驱动器和取样探针上升到最高点；

控制器控制水平移动机械手沿着水平导轨在水平横梁上移动到起点位置，将取样探针从取样机械手上取下，送到实验室进行处理。

本发明的采样方法，利用高压气囊驱动器的高压冲力使取样探针瞬间插入淤积泥沙中，同时液氮容器的液氮快速进入取样探针内，完成床沙保真取样过程；采用水平移动机械手和垂直移动机械手分别沿着水平和垂直导轨运动，能够精确地控制取样位置；由于高压气囊驱动器的尺寸一定，取样探针的下落距离可由垂直移动机械手在垂直导轨的初始位置确定。

本发明实现了动床模型床沙断面的实时保真采样，同时采样的效率大大提高，对试验数据的精确与完善具有极大的促进作用。

附图说明：

图1、本发明采用的取样设备整体布置示意图；

图2、本发明采用的取样探针局部结构详图；

图3、本发明采用的高压气囊驱动器剖面图；

图4、本发明的采样流程图。

图中，1.淤积泥沙；2.水面；3.交换层泥沙；4.探针；5.水平横梁；6.支架；7.取样机械手；8.水平移动机械手；9.高压气囊驱动器；10.垂直控制台支柱；11.位移控制信号输出线；12.液氮阀门控制信号输出线；13.监控计算机；14.控制器；15.液氮电控阀门；16.液氮容器；17.监控信号输出线；18.高压气体容器；19.高压容器控制阀门控制信号线；20.高压容器控制阀门；21.电源；22.高压气体输送管线；23.液氮输送管线；24.垂直导轨；25.垂直位移传感器；26.垂直移动机械手；27.水平位移传感器；28.垂直控制台支柱顶端；29.高压气体输送管线挂钩；30.高压气体输送控制阀门；31.高压气囊驱动器固定扣环；41.出气孔阀门；42.真空腔；43.液氮腔；44.针孔；91.高压气囊腔；92.活塞；93.驱动器连杆；94.低压腔；95.高压气囊出气孔阀门；96.低压腔防撞底座；97.弹簧；98.驱动器腔壁。

具体实施方式：

下面结合图1-图4，对本发明做详细说明。

本发明的动床模型试验床沙实时保真取样方法，包括以下步骤：

(一)布设动床模型和取样设备：

所述动床模型的河床内有淤积泥沙1，河床水底和所述淤积泥沙1之间设有交换层泥沙3；

所述取样设备包括支架6、水平横梁5、取样探针4、高压气囊驱动器9、垂直控制台支柱10、液氮容器16、高压气体容器18和控制器14；其中，所述支架6设置在所述动床模型的两侧，所述水平横梁5固定安装在所述支架6上，所述水平横梁5上设有水平导轨。所述垂直控制台支柱10的底部固定在水平移动机械手8上，所述水平移动机械手8设置在所述水平导轨上，并能够沿着所述水平导轨移动；所述垂直控制台支柱10上设有垂直导轨24和垂直移动机械手26，所述垂直移动机械手26能够沿着所述垂直导轨24上下移动，所述垂直移动机械手26上固定有支承台，所述支承台侧面设有支承横梁，所述支承横梁远离所述支承台的一端设有一个高压气囊驱动器固定扣环31，用于固定所述高压气囊驱动器9；所述高压气囊驱动器9上部依次通过高压气体输送控制阀门30、高压气体输送管线22和高压容器控制阀门20与所述高压气体容器18连接，下部通过取样机械手7和所述取样探针4连接；垂直控制台支柱顶端28设有高压气体输送管线挂钩29，所述高压气体输送管线挂钩29上设有若干挂环，所述高压气体输送管线22穿过所述挂环悬挂在所述高压气体输送管线挂钩29上；所述水平移动机械手8上设有水平位移传感器27，所述垂直移动机械手26上设有垂直位移传感器25，所述水平位移传感器27和所述垂直位移传感器25通过位移控制信号线11与所述控制器14连接，分别用于控制所述水平移动机械手8和所述垂直移动机械手26的移动距离。

在动床模型的两侧可以各设置2根支架6，也可以各设置1根支架6，相应地，水平横梁5设置2根或1根。若设置1根水平横梁5，则水平横梁5的宽度应当足够安置所述垂直控制台支柱10，并且中间水平横梁5的中间应当设有能够穿过所述高压气囊驱动器9的空间。

所述的水平导轨和垂直导轨24可以采用齿轮式导轨，相应地，水平移动机械手8和垂直移动机械手26也采用与水平导轨和垂直导轨的齿轮相啮合的齿轮，作为行走机构，也可以采用其他形式的导轨及配套的行走机构，只要能够满足水平和垂直的可控制移动，都是可以达到本发明的目的的。这些都是本领域技术人员利用现有技术即可以解决的，在此不再详细说明。

所述取样探针4为中空的双层结构，包括外层的真空腔42和内层的液氮腔43，所述液氮腔43的上端设有出气孔和液氮进口，所述出气孔通过出气孔阀门41与所述控制器14连接，所述液氮进口通过液氮输送管线23和液氮电控阀门15与所述液氮容器16连接；所述液氮电控阀门15、高压气体输送控制阀门30和高压容器控制阀门20分别与所述控制器14连接；

所述高压气囊驱动器9内部设有活塞92，所述活塞将所述高压气囊驱动器9的内部空间分为上部的高压气囊腔91和下部的低压腔94，所述活塞下部设有弹簧97，所述活塞92通过驱动器连杆93与所述取样机械手7固定连接；所述高压气囊驱动器9顶部设有与所述高压气囊腔91连通的出气孔和进气孔，所述进气孔通过所述高压气体输送控制阀门30与所述高压气体输送管线22连通，所述出气孔通过高压气囊出气孔阀门95与所述控制器14连接；所述低压腔94的底部设有低压腔防撞底座96。

(二)取样操作：

控制器14控制垂直移动机械手26向上移动到所述垂直导轨24的顶端，带动高压气囊驱动器9和取样探针4上升到最高点；

控制器14控制水平移动机械手8沿着水平导轨在水平横梁5上移动到预定取样位置；

根据预定取样位置的取样深度，控制器14控制垂直移动机械手26向下移动，将取样探针4设定在预定高度；

控制器14打开所述高压容器阀门20，向所述高压气囊驱动器9供气，高压气体产生瞬间的高压动力驱动取样探针4瞬间插入淤积泥沙1中，同时打开取样探针4的所述出气孔阀门41和液氮电控阀门15，在取样探针4内的空气排出的同时向取样探针4内输送液氮，液氮产生的低温通过取样探针4的内壁将所取样的泥沙瞬间冰冻，形成泥沙取样样本；

控制器14关闭所述液氮电控阀门15和所述高压容器阀门20，打开所述高压气囊出气孔阀门95，使高压气囊驱动器9内的高压气体排出，弹簧97顶起活塞92，使得驱动器连杆93提起所述取样机械手7，将取样探针4提起；

控制器14控制垂直移动机械手26向上移动到所述垂直导轨24的顶端，带动高压气囊驱动器9和取样探针4上升到最高点；

控制器14控制水平移动机械手8沿着水平导轨在水平横梁5上移动到起点位置，将取样探针4从取样机械手7上取下，送到实验室进行处理。

Claims (1)

1.一种设置河流动床水工模型方法，其特征在于，动床水工模型试验床沙实时保真取样时，包括以下步骤：

(一)布设动床模型和取样设备：

所述动床模型的河床内有淤积泥沙(1)，河床水底和所述淤积泥沙(1)之间设有交换层泥沙(3)；

所述取样设备包括支架(6)、水平横梁(5)、取样探针(4)、高压气囊驱动器(9)、垂直控制台支柱(10)、液氮容器(16)、高压气体容器(18)和控制器(14)；其中，所述支架(6)设置在所述动床模型的两侧，所述水平横梁(5)固定安装在所述支架(6)上，所述水平横梁(5)上设有水平导轨；所述垂直控制台支柱(10)的底部固定在水平移动机械手(8)上，所述水平移动机械手(8)设置在所述水平导轨上，并能够沿着所述水平导轨移动；所述垂直控制台支柱(10)上设有垂直导轨(24)和垂直移动机械手(26)，所述垂直移动机械手(26)能够沿着所述垂直导轨(24)上下移动，所述垂直移动机械手(26)上固定有支承台，所述支承台侧面设有支承横梁，所述支承横梁远离所述支承台的一端设有一个高压气囊驱动器固定扣环(31)，用于固定所述高压气囊驱动器(9)；所述高压气囊驱动器(9)上部依次通过高压气体输送控制阀门(30)、高压气体输送管线(22)和高压容器控制阀门(20)与所述高压气体容器(18)连接，下部通过取样机械手(7)和所述取样探针(4)连接；垂直控制台支柱顶端(28)设有高压气体输送管线挂钩(29)，所述高压气体输送管线挂钩(29)上设有若干挂环，所述高压气体输送管线(22)穿过所述挂环悬挂在所述高压气体输送管线挂钩(29)上；所述水平移动机械手(8)上设有水平位移传感器(27)，所述垂直移动机械手(26)上设有垂直位移传感器(25)，所述水平位移传感器(27)和所述垂直位移传感器(25)通过位移控制信号线(11)与所述控制器(14)连接，分别用于控制所述水平移动机械手(8)和所述垂直移动机械手(26)的移动距离；

所述取样探针(4)为中空的双层结构，包括外层的真空腔(42)和内层的液氮腔(43)，所述液氮腔(43)的上端设有出气孔和液氮进口，所述出气孔通过出气孔阀门(41)与所述控制器(14)连接，所述液氮进口通过液氮输送管线(23)和液氮电控阀门(15)与所述液氮容器(16)连接；所述液氮电控阀门(15)、高压气体输送控制阀门(30)和高压容器控制阀门(20)分别与所述控制器(14)连接；

所述高压气囊驱动器(9)内部设有活塞(92)，所述活塞将所述高压气囊驱动器(9)的内部空间分为上部的高压气囊腔(91)和下部的低压腔(94)，所述活塞下部设有弹簧(97)，所述活塞(92)通过驱动器连杆(93)与所述取样机械手(7)固定连接；所述高压气囊驱动器(9)顶部设有与所述高压气囊腔(91)连通的出气孔和进气孔，所述进气孔通过所述高压气体输送控制阀门(30)与所述高压气体输送管线(22)连通，所述出气孔通过高压气囊出气孔阀门(95)与所述控制器(14)连接；所述低压腔(94)的底部设有低压腔防撞底座(96)；

(二)取样操作：

控制器(14)控制垂直移动机械手(26)向上移动到所述垂直导轨(24)的顶端，带动高压气囊驱动器(9)和取样探针(4)上升到最高点；

控制器(14)控制水平移动机械手(8)沿着水平导轨在水平横梁(5)上移动到预定取样位置；

根据预定取样位置的取样深度，控制器(14)控制垂直移动机械手(26)向下移动，将取样探针(4)设定在预定高度；

控制器(14)打开所述高压容器阀门(20)，向所述高压气囊驱动器(9)供气，高压气体产生瞬间的高压动力驱动取样探针(4)瞬间插入淤积泥沙(1)中，同时打开取样探针(4)的所述出气孔阀门(41)和液氮电控阀门(15)，在取样探针(4)内的空气排出的同时向取样探针(4)内输送液氮，液氮产生的低温通过取样探针(4)的内壁将所取样的泥沙瞬间冰冻，形成泥沙取样样本；

控制器(14)关闭所述液氮电控阀门(15)和所述高压容器阀门(20)，打开所述高压气囊出气孔阀门(95)，使高压气囊驱动器(9)内的高压气体排出，弹簧(97)顶起活塞(92)，使得驱动器连杆(93)提起所述取样机械手(7)，将取样探针(4)提起；

控制器(14)控制垂直移动机械手(26)向上移动到所述垂直导轨(24)的顶端，带动高压气囊驱动器(9)和取样探针(4)上升到最高点；

控制器(14)控制水平移动机械手(8)沿着水平导轨在水平横梁(5)上移动到起点位置，将取样探针(4)从取样机械手(7)上取下，送到实验室进行处理。