CN104614267A - 应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，该装置设置在试验冲刷区域，对冲刷深度的发展进行实时观测，所述的装置包括固定装置，调整装置，测试装置以及数据采集装置，所述的固定装置固定在所述的试验冲刷区域内，所述的调整装置设置在固定装置上，并连接测试装置，所述的测试装置测试冲刷过程中的深度变化量，所述的数据采集装置实时记录冲刷整个过程的中测试装置测得的数据。与现有技术相比，本发明装置原理简单，实际生产工艺简单方便，采用的量测方式以机械量测为主，不会过多受到周围环境的影响，数据稳定性好，测试结果较精确，性价比较高。

Description

应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置

技术领域

本发明涉及一种冲刷深度的量测装置，尤其是涉及一种应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置。

背景技术

桥梁工程在现代社会经济中起着越来越重要的作用，但是桥梁水毁带来的问题也随之而来，特别是位于山区、江河入海口区域的桥梁，由于水文地质条件复杂，冲刷作用更为明显，桥梁水毁事故时有发生，如何更好地解决桥梁的局部冲刷问题成为一项重大任务。国内外学者对于冲刷问题的研究往往通过模型试验在波流水槽中进行，而冲刷深度作为试验的主要数据，其测量方式成为一项比较困难的任务。在模型试验中，由于中小尺寸结构的冲刷特性复杂，要求仪器所占空间小，测量精度高，试验操作性好，目前尚缺合适的量测设备。实际工程中的一些原位测量手段要么所需空间大，无法直接安置使用，如TSR-3000三维侧扫测深系统，其重15kg，重要部件换能器尺寸为330mm×70mm×42mm，尺寸比试验模型以及冲刷所形成的坑更大，无法在实验室内使用；要么测量精度不能满足实验室要求，如：SonarMite便携式测深仪，精度为1cm±0.1％水深，无法达到试验中要求的0.1mm的测试精度。而一些能满足精度要求的实验设备价格又过于昂贵，如一些水下三维地形仪动辄数十万以上的价格，一般实验室无法负担。这些测试设备受到其测试原理的约束，方式单一，精度无法满足实验室要求，不能根据试验需要进行调整，且往往只能对单点进行量测，操作复杂，费用高昂且效率低下，因此开发简易的室内试验测试设备极有必要。为更好地对试验结果进行量测，提出一种冲刷深度的测试装置，其中关键技术是满足仪器的灵活性和试验精度，目前关于冲刷测量的专利与本发明涉及内容不同，整理如下：1.一种基于超声感应的涉水工程局部冲刷监测系统及方法(CN103901433A)，该方法是涉水工程现场对局部冲刷的量测方法，基于超声波手段利用计算机实现对工程局部冲刷的监控；2.一种用于土体渗流冲刷特性研究的试验仪器(CN102374958B)，该方法是一种关于土体渗流冲刷特性的仪器，其研究主体为渗流冲刷机理；3.一种桥墩局部冲刷观测系统(CN102087360B)，该方法用超声波探头对桥墩周围局部冲刷进行观测，重点在于对桥墩冲刷过程中的水流结构和水下地形进行现场观测；4.一种地下泥沙冲刷模型实验装置和方法(CN101666720B)，为一种涉及泥沙冲刷试验的方法，主要进行水下泥沙冲刷观测。上述发明专利均未涉及波流水槽室内小尺度试验的局部冲刷深度与范围的测量内容，所提及的现场测试方法无法满足实验室的操作条件和精度，所采用的超声波手段无法在室内浅水试验条件下开展，故现有相关专利与本发明无关。

发明内容

本发明的目的就是为了弥补实验室中对模型冲刷试验深度量测的空白，提供一种高精度的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，该装置设置在冲刷试验中冲刷坑形成的区域，对冲刷深度的发展进行实时观测，其特征在于，所述的装置包括固定装置，调整装置，测试装置以及数据采集装置，所述的固定装置固定在所述的试验冲刷区域内，所述的调整装置设置在固定装置上，并连接测试装置，所述的测试装置测试冲刷过程中的深度变化量，所述的数据采集装置实时记录冲刷整个过程的中测试装置测得的数据。

冲刷是水流冲蚀作用引起河床或海岸剥蚀的一种自然现象，桥梁基础冲刷包括桥墩冲刷和桥桩冲刷，由此导致的桥梁破坏时有发生。所述的冲刷试验一般为在波流水槽中激发恒定流，振动造波浪等条件下所进行的缩尺模型试验，用于探究冲刷发生的机理，为实际工程解决问题；

所述的固定装置采用轻型不锈钢材料或PVC材料制成，通过固定装置将所述简易装置稳定固定在试验冲刷区域内。固定装置是协调本简易装置与其他试验仪器的关键装置，其作用在于将本装置与试验用的波流水槽稳定连接起来，实现自身功能，并能满足仪器测试过程中需要的稳定性和整体性；

所述的波流水槽为冲刷试验常用大型试验设备，一般由造流泵、水槽及循环水池等组成，并通过两侧的钢化玻璃观测试验进展情况，往往长度达数十米，而宽度仅为几米以内，导致实际工程所用的仪器无法很好地发挥作用，有些甚至无法正常工作；

所述的调整装置调节测试装置在沿水流方向或垂直水流方向移动，或调整测试装置的高度。调整装置是为满足试验人员对不同测点的要求，对其测试位置进行调整的装置，并可以根据水流、水深、以及冲刷效果情况来决定测试装置所处的合理位置，保证试验测试精确进行。

所述的测试装置包括探针、显示探针移动长度的仪表、以及套在探针上的套筒，所述的探针探测试验过程中河床高度的变化，并带动仪表转动，通过仪表读数得出冲刷深度，并通过套筒保护探针。

所述的测试装置设有多个，如根据需要设置1～10个，一次性采集多个数据，实现高效，准确，适用，科学的测量方式。

所述的套筒为钢制套筒或PVC材料制成，保护探针不会被冲刷试验砂打偏，将所测深度转化为探针移动的长度进行量测。

所述的数据采集装置采用数码相机(需要进行防水处理)或与仪器配套的数字仪表装置，将实时冲刷深度记录并导出，以便实验人员准确掌握试验信息，并可大大减小短时间内读数造成的偏差。

所述的简易装置的各部分可拆分更换，并可以满足实验室内的仪器协调使用，保证仪器能更大程度上满足各冲刷试验所需，其自身的防水、防锈、防振，以及其对试验过程的无扰动性、无阻碍性、无差别性，都成为这一试验装置的实用特征。

与现有技术相比，根据试验场地和其他试验仪器的要求，本发明的量测仪器固定装置能够方便地与试验区域的波流水槽相连接，保证整个量测仪器在水流作用下的稳定性与整体性；量测调整装置可根据试验的具体情况将测试仪表位置及高度进行精确调整，从而确保测试的精度和效率；冲刷深度量测装置可根据试验所控的精度选择测试仪表，能做到可按要求随时拆换和调整；测试数据采集装置则采用条件允许的方式对仪表示数进行采集记录，从而可以达到实时监控试验过程的效果，为试验数据的分析整理提供有力的依据。现有的冲刷深度测试仪器或水下地貌测试装置往往只适用于海洋与河流的现场情况，其精度无法达到实验室微小量值的要求，而且其所占空间往往较大，不能与实验室的量测仪器很好地协调工作，其采用的声学和光学的测试手段也无法在模型试验中起到很好的效果。

本发明装置原理简单，可以满足实验室的实际要求，并能满足数据分析的精度，可以根据实验需要进行调整，其各部件可以根据实际情况进行更换，并可将数据顺利采集以供后续分析，生产工艺简单方便，性价比较高，做到了易操作，造价低，精度高，可持续的特点。

附图说明

图1为实施例1中本发明装置的侧视结构示意图；

图2为实施例1中本发明装置的主视结构示意图；

图3为实施例1中本发明装置的俯视结构示意图；

图4为实施例1中本发明装置的测试细部示意图。

图中，1 为固定装置，2 为调整装置，3 为测试装置，4 为数据采集装置，5为冲刷模型，6 为波流水槽，7 为冲刷试验砂，8 为小直径刚套筒，9 为探针，10为冲刷坑。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，如图1～图4，设置在冲刷试验的冲刷坑所在范围内，对冲刷坑的深度进行测量。

所述的冲刷试验为在波流水槽6中激发恒定流，振动造波浪等条件下所进行的缩尺模型试验，用于探究冲刷发生的机理，为实际工程解决问题；在本实施例中波流水槽6由造流泵、水槽及循环水池等组成，其中水槽侧壁为钢化玻璃制成，可直接观察试验进展情况，水槽中心设有冲刷模型5，水槽底部设有冲刷试验砂7，水槽中的水在造流泵的作用下形成水流冲刷所述冲刷模型5，在冲刷模型5旁形成冲刷坑10。

本实施例所述简易装置设有5个测试装置3来测试冲刷坑10的深度。

所述简易装置包括固定装置1，调整装置2，测试装置3以及数据采集装置4，所述的固定装置1采用轻型不锈钢材料以保证试验测试装置的稳定性和试验设备的协调性。本实施例中固定装置1包括与波流水槽6侧壁固定连接的固定杆，以及延伸至波流水槽6内的横向定位杆和纵向定位杆，所述的调整装置2为一伸缩杆，其一端设有滑块，该滑块可在所述横向定位杆和纵向定位杆上滑动，以使整个仪器在沿水流方向与垂直水流方向移动，另一端连接测试装置3，伸缩杆上下伸缩以调整测试高度。

所述的测试装置3包括探针9、显示探针移动长度的仪表、以及套在探针上的套筒8，所述的探针9探测试验过程中河床高度的变化，并带动仪表转动，通过仪表读数得出冲刷深度，并通过套筒8保护探针9。为保证仪表部分不受到水流的影响，采用刚度和稳定性较大的钢制套管(必要时采用PVC材料)保证与砂表面接触的探针(由刚度较大不锈钢或PVC材料制成)不会打偏，将所测深度转化为探针移动的长度进行量测。

当冲刷试验进行前，先选择合适的尺寸和固定方式，将固定装置1与波流水槽6固定稳定，再根据试验要求，选定合适的测试装置3，通过调整装置2调整其所需测点的位置和深度，本例中选用5支百分表为例。在水流注入后，安置数据采集装置4，注意其稳定性以及数据采集视野和光线是否合适，本例中采用数码相机。将水流进行造流造波，并打开数据采集装置4，让数据测试装置3进行数据测试，试验一般进行一小时以上，此过程中测试人员需要注意整个仪器的稳定性以及数据采集装置4的工作效果。随着试验用砂7在冲刷作用下产生的冲刷坑10的不断变深，测试装置中的探针9渐渐下落，并与砂面7保持等高，其移动的距离使得百分表测试端发生位移，通过其读书判别冲刷深度的变化。

整个装置涉及的各部件由于在水环境中进行工作，需要对部件进行防水处理，固定装置1及调整装置2采用轻型不锈钢(或必要时采用PVC材料)制成，测试装置3需要进行必要的防水处理，并在各部件如探针9，套筒8，以及百分表的自身和连接处进行防水处理，并选择稳定的铆接或焊接方式，使得整个测试装置稳定如一。数据采集装置尤其注意防水及其自身稳定，并调整合适的视野，经过数据可与计算机连接记录冲刷过程，连同数据及图像一同导出到计算机中。

整个装置的各部件可以根据实际要求进行拆换，如波流水槽6较大，需要对固定装置1进行进一步加固，保证整体稳定性，与此同时要注意控制其自重。如需测量更多(或更少)测点，可以对测试装置3中的仪表进行添加(或删去)，并可以根据实际情况加工调整装置2，使得测试装置3中的仪表可以不仅仅测试一条线的数据，而是可以测试整个冲刷坑10的投影面上的冲刷深度。

实施例2

一种应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，所述的套管采用PVC材料，所述的探针由PVC材料制成。所述的测试装置设有1个。其余同实施例1。

实施例3

一种应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，所述的套管采用钢制材料，所述的探针由不锈钢材料制成。所述的测试装置设有10个。其余同实施例1。

上述装置中固定装置只要能保证了试验仪器与其他实验室设备的协调性和稳定性即可，结构可以任意设置，如采用杆、板、锁扣、螺栓等。

上述装置中调整装置只要能将测试点进行灵活移动与布置，可以使整个仪器在沿水流方向与垂直水流方向移动，并可以调整测试高度，根据不同的模型试验情况和数据采集要求进行调整即可，结构可以任意设置。

Claims (8)

1.应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，该装置设置在试验冲刷区域，对冲刷深度的发展进行实时观测，其特征在于，所述的装置包括固定装置，调整装置，测试装置以及数据采集装置，所述的固定装置固定在所述的试验冲刷区域内，所述的调整装置设置在固定装置上，并连接测试装置，所述的测试装置测试冲刷过程中的深度变化量，所述的数据采集装置实时记录冲刷整个过程的中测试装置测得的数据。

2.根据权利要求1所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的固定装置采用轻型不锈钢材料或PVC材料制成，通过固定装置将所述简易装置稳定固定在试验冲刷区域内。

3.根据权利要求1所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的调整装置调节测试装置在沿水流方向或垂直水流方向移动，或调整测试装置的高度。

4.根据权利要求1所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的测试装置包括探针、显示探针移动长度的仪表、以及套在探针上的套筒，所述的探针探测试验过程中河床高度的变化，并带动仪表转动，通过仪表读数得出冲刷深度，并通过套筒保护探针。

5.根据权利要求1或4所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的测试装置设有多个，一次性采集多个数据。

6.根据权利要求4所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的套筒为钢制套筒或PVC材料制成，保护探针不会被冲刷试验砂打偏。

7.根据权利要求1所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的数据采集装置采用数码相机或与仪器配套的数字仪表装置，将实时冲刷深度记录并导出。

8.根据权利要求1所述的应用于波流水槽小尺度模型试验冲刷深度量测的简易装置，其特征在于，所述的简易装置的各部分可拆分更换。