CN105178241B - 一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统，属于水利测量技术领域，该系统包括测箱、称重仪器、导流板、集沙篮、排沙篮、牵引机构、起吊机构和吊绳；其中，测箱安装在水槽出口断面上游的底板下方；称重仪器安装在测箱上方，其底部高于水槽水平面；导流板水平盖在测箱顶端，与水槽底板的上表面齐平；集沙篮通过吊绳悬挂在导流板下方的测箱内，吊绳的一端与集沙篮的顶端连接，另一端与称重仪器底部的称重挂钩连接；排沙篮平放在集沙篮正下方的测箱内；牵引机构布置在排沙篮的下方和侧方；起吊机构位于集沙篮侧面，安装在测箱顶部以上，与排沙篮柔性连接。该系统可在不干扰实验的条件下，连续不间断测量任意粒径的推移质输沙率。

Description

一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统

技术领域

本发明属于水利测量技术领域，特别涉及对明渠水槽推移质输沙率不间断测量的设备。

背景技术

自然河流的演变是水流和泥沙相互作用的结果，其中，以滚动、滑动和跃移为主要运动形式的推移质是大多数河流中泥沙输运的主要形式。由于泥沙运动的机理极为复杂，实验观测是目前开展推移质运动的主要方法，其中，在实验室建造明渠水槽(河工模型)是开展推移质输沙实验的重要途径。

推移质输沙率是单位时间内通过河流或水槽断面的泥沙质量，单位为kg/s。为了在河工模型中对推移质输沙率进行准确测量，中国专利申请公开文件CN102877438A提出了一种河工模型试验推移质输沙率测量系统，如图1，该系统主要由沉沙坑01、集沙漏斗02、载沙篮03、吊绳04、重量测量机构05组成，其中，沉沙坑01布置在河工模型或水槽出口断面上游的底板下方，用于安装集沙漏斗02等，集沙漏斗02大开口端向上、小开口端向下安装在沉沙坑01上沿，载沙篮03通过吊绳04穿过集沙漏斗02，并且悬挂在重量测量机构05上，重量测量机构05设置在河工模型或水槽的上方。实验时，泥沙通过集沙漏斗02沉入载沙篮03，重量测量机构05通过测量载沙篮03和篮内泥沙的重量，可实时测得推移质输沙率。由于载沙篮容积有限，当篮内泥沙装满时，该文件还提出在篮内放置虹吸管06，通过虹吸效应将篮内泥沙排空，在虹吸排沙期间暂停测量输沙率。

虹吸效应利用虹吸管两端的液面差所形成的压力，将水流从载沙篮内排出，在这个过程中，泥沙也将随水流从篮内排出。但在大多数情况下，由虹吸效应产生的水流流速均较小，水流挟沙力较弱，只适用于排出细颗粒泥沙，且排沙过程较长，在排沙期间在一定程度上亦会影响模型的水流流动。因此，现有的上述技术在实际应用时具有较大的局限性：一方面，在粗颗粒泥沙实验中，由于集沙篮内的泥沙无法排出，当集沙篮被填满时，必须终止实验进行排沙；另一方面，即使在细颗粒泥沙实验中，因排沙而暂停测量的时间也较长，无法满足非恒定流输沙实验的要求。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术干扰实验的条件，不能连续不间断测量任意粒径的推移质输沙率的不足，提出了一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统；该系统可在不干扰实验的条件下，连续不间断测量任意粒径的推移质输沙率。

本发明的特点及有益效果：

本系统在重力的作用下，集沙篮内的泥沙可快速落入排沙篮，排沙时间小于非恒定流实验的特征时间尺度，排沙过程不影响试验的连续运行，从而真正实现推移质输沙率的不间断测量。排沙过程不影响实验水流条件，也不会对实验水流产生干扰。

本发明的推移质输沙率测量系统可满足任意粒径泥沙的不间断测量。

附图说明

图1为已有的推移质测量系统示意图；

图2为本发明的明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统沿水槽中线的剖面示意图；

图3为本发明的明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统垂直于水槽的剖面示意图

图4为本发明实施例的测箱示意图；

图5为本发明实施例的测箱安装示意图；

图6为本发明实施例的三维结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提出的一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统实施例总体结构，如图2和图3所示，包括测箱2、称重仪器3、导流板4、集沙篮5、排沙篮6、牵引机构7、起吊机构8和吊绳9；其中，测箱2安装在水槽出口断面1a上游的底板1b下方；称重仪器3安装在测箱2上方，其底部高于水槽内的水位；导流板4水平盖在测箱2顶端，与水槽底板1b的上表面齐平；集沙篮5通过吊绳9悬挂在导流板3下方的测箱2内，吊绳9的一端与集沙篮5的顶端连接，另一端与称重仪器3底部的称重挂钩连接；排沙篮6平放在集沙篮5正下方的测箱内；牵引机构7布置在排沙篮6的下方和侧方，起支撑和移动排沙篮6的作用；起吊机构8位于集沙篮5侧面，安装在测箱2顶部以上，与排沙篮6柔性连接。

本发明的各部件的具体实施方式及功能分别说明如下:

本实施例中，实验水槽宽1m、高0.5m，实验泥沙的最大粒径2cm，最大实验水深20cm，最大输沙率为0.2kg/s。

为叙述方便，定义沿水流方向1d的水平尺寸为长，垂直于水流方向的水平尺寸为宽，竖直向下的尺寸为深。

测箱2具体结构如图4、5所示，测箱分为两部分空间，测箱顶部敞开，中部竖直向下设置隔板23，一侧空间位于水槽正下方为集沙仓21，另一侧空间为排沙仓22。集沙仓21的宽度略大于水槽宽度，长度不小于50倍实验泥沙的最大粒径，深度等于集沙篮5高度、排沙篮6高度、导流板4与集沙篮5的间隙h1、集沙篮5与排沙篮6的间隙h2，以及牵引机构7高度之和(如图2)。排沙仓22的宽度和长度不小于集沙仓21，深度不小于集沙仓21深度与水槽侧壁1c的高度之和。隔板23顶端与集沙仓21的上端齐平，底端高于排沙篮6的上口。

如图5所示，集沙仓21顶端低于水槽底板1b的上表面，二者之间的高差等于导流板4的厚度，入口侧壁21a与水流方向1d垂直，出口侧壁21b与水槽出口11之间的水平距离不小于10倍水深，侧壁21c和隔板23均位于水槽边壁的外侧下方。整个排沙仓22位于水槽边壁1c外侧。集沙仓21和排沙仓22与水槽之间的接缝均不漏水，保证水流只从水槽出口1a流出。

本实施例中，测箱2出口侧壁21b与水槽出口1a的水平距离为2m，排沙仓22位于水槽右岸，紧邻右边墙，隔板23位于水槽边壁13b的外侧下方，二者之间的间距为10cm。集沙仓21和排沙仓22的宽度均为1.2m，长度均为0.7m，集沙仓的深度为1.2m，排沙仓的深度为1.7m，隔板的高度为0.5m。

称重仪器3安装在集沙仓21的正上方，用于称量集沙篮5及篮内泥沙的重量。本实施例的称重仪器为量程100kg/0.1g的电子天平，固定于架设在水槽边墙1c的支架10上。

导流板4具体结构如图6所示，由整块板材加工，沿垂直于水流方向间隔切缝，形成格栅，作用是减小实验水流与集沙仓21内水体的接触面积，避免集沙仓21内形成涡流。导流板4平盖在测箱的集沙仓21上方，与水槽底板1b齐平，两端固定架设在隔板23和集沙仓侧壁21c顶端(图3)。

本实施例中，导流板4由长1.4m、宽0.7m、厚度1cm的整块铝板切缝加工而成。垂直水流方向切1.0m长、30mm宽的缝，相邻缝之间的间距为30mm，边框宽75mm。

集沙篮5安装在集沙仓21内导流板4的正下方，二者之间的间距h1一般可设置在1cm-10cm之间。集沙篮5具体结构如图6所示，上部为平行段5a，宽度小于集沙仓21的宽度但大于等于水槽宽度，长度小于集沙仓21的长度；下部为收缩段5b，收缩段的底部开口，并设有可开闭的闸门5c。为了保证闸门开启时泥沙可快速下沉，收缩段的坡度应大于泥沙的水下休止角。集沙篮5通过吊绳9与称重仪器3的底部连接，当泥沙通过导流板4落入集沙篮5后，称重仪器3可读出篮内泥沙的重量。集沙篮5的容积与推移质输沙率成正比，通常应保证集沙篮被填满的时间不小于半小时。

本实施例中，集沙篮5由2mm厚不锈钢板焊接而成。平行段5a长0.6m、宽1.2m、深0.35m；收缩段深0.25m，边壁坡度为68°；收缩段5b底端的开口长0.3m、宽0.8m；闸门5c为2mm厚不锈钢板，长0.35m、宽0.85m，一端通过活页与收缩段6b底端连接，另一端连接拉绳5d，通过收放拉绳5d控制其向下开启和关闭。

排沙篮6位于集沙篮5的正下方，二者之间的间距h2应保证闸门5c开启后的倾斜角度大于泥沙水下休止角。排沙篮6的长度和宽度不小于集沙篮5收缩段5b底端开口的长度和宽度，容积不小于集沙篮5的容积，以保证可收集和容纳集沙篮5内的所有泥沙。排沙篮放置在牵引机构7上，可沿测箱2底部往复运动。

本实施例中，排沙篮6的四周由2mm厚不锈钢板焊接而成，底部为10mm孔径的不锈钢丝网，根据不同的泥沙粒径在其上敷设小于泥沙粒径的纱网。排沙篮6长0.6m、宽0.9m、深0.5m，与集沙篮5之间的间距为0.1m。

牵引机构7具体结构如图6所示，由牵引车7a、定滑轮7b和牵引绳7c组成。牵引车7a停放在测箱2底部，用于支撑和移动排沙篮5。定滑轮7b固定在排沙仓侧壁22a的中下部，用于改变牵引绳7c的走向。牵引绳7c两端固定在牵引车7a宽度方向的两端，绕过定滑轮7b后沿排沙仓侧壁22a延伸出水面，构成闭合传动带。

本实施例中，牵引车7a为普通平板小车，上部为不锈钢平板，底部为四个轴承组成的车轮；定滑轮7b直径8cm，固定在排沙仓侧壁22a的竖直中线上，距排沙仓22底板0.1m。牵引绳7c为不锈钢航空钢丝绳。

起吊机构8由缆绳8a和起吊设备8b组成。缆绳8a的一端与排沙篮6连接，另一端与起吊设备8b连接。起吊设备8b安装在排沙仓22的正上方，起重量大于排沙篮6装满泥沙时的重量，起吊高度应使排沙篮6的底部高于排沙仓22顶部。起吊排沙篮6离开水面时稍停，使篮内水体从篮底漏出。

优选实施例中，起吊机构8的缆绳8a为直径2.5mm、1股19丝的不锈钢航空钢丝绳，起吊设备8b为起重量1吨、起升高度3m的电动葫芦，电动葫芦通过钢架11安装在排沙仓22的上方。

本实施例的明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统的工作流程为：

(1)实验过程中，集沙仓21和排沙仓22内均自然充满水，且水位与水槽内的水位一致。推移质泥沙在水流作用下向水槽出口1a运动，当运动至集沙仓21上方时，由于泥沙运动步长小于集沙仓21长度，这些泥沙将在重力作用下通过导流板4上的孔隙向集沙仓内沉降，由于导流板4上的孔隙位于集沙篮5正上方，因此，落入集沙仓21内的泥沙可被集沙篮5完全收集。当集沙篮5内的泥沙数量发生改变时，称重仪器3的读数也将发生变化，通过单位时间内仪器度数的变化量，即可求得推移质的实时输沙率。

(2)随着实验的进行，集沙篮5内的泥沙越来越多，并最终将集沙篮5填满。此时，暂停测量推移质输沙率，打开集沙篮底部的闸门5c，使泥沙快速落入下方的排沙篮6内。待集沙篮5内的泥沙排空后，重新关闭闸门5c，继续测量推移质输沙率。

(3)当集沙篮5内的泥沙全部倒入排沙篮6后，拉动牵引绳7c，使排沙篮6同牵引车7a一起从集沙仓21底部运动至排沙仓22底部。然后，开启起吊设备8b，将排沙篮6吊出水面倾倒泥沙。在吊起排沙篮6的过程中，通过控制起吊设备8b的速度，使排沙篮6缓慢露出水面，可避免对实验水流产生干扰。倒完泥沙后，将排沙篮6重新吊入排沙仓22底部，放在牵引车7a上，反向拉动牵引绳7c，使排沙篮6重新回到集沙篮5的下方。

(4)通过不断的将集沙篮5内的泥沙泄入排沙篮6，再通过传动机构7和起吊机构8将排沙篮6内的泥沙排出测箱2，实现长时间不间断地测量推移质输沙率。

本实施例的技术效果为：

(1)在重力的作用下，集沙篮5内的泥沙可快速落入排沙篮6，排沙时间小于非恒定流实验的特征时间尺度，排沙过程不影响试验的连续运行，从而真正实现推移质输沙率的不间断测量。

(2)由于集沙仓21和排沙仓22均充满水，泥沙从集沙篮5转移至排沙篮6不会引起集沙仓21内的水体体积变化，因此，排沙过程不影响实验水流条件。在吊起排沙篮6时，由于起吊速度缓慢，且排沙仓22和集沙仓21之间有隔板23阻挡水面波动，起吊过程也不会对实验水流产生干扰。

(3)只要集沙篮5底部开口的孔径大于实验泥沙的粒径，所有泥沙均可快速从集沙篮5落入排沙篮6，因此，本发明的推移质输沙率测量系统可满足任意粒径泥沙的不间断测量。

Claims (7)

1.一种明渠水槽推移质输沙率不间断测量系统，其特征在于，该系统包括测箱、称重仪器、导流板、集沙篮、排沙篮、牵引机构、起吊机构和吊绳；其中，测箱安装在水槽出口断面上游的底板下方；称重仪器安装在测箱上方，其底部高于水槽水平面；导流板水平盖在测箱顶端，与水槽底板的上表面齐平；集沙篮通过吊绳悬挂在导流板下方的测箱内，吊绳的一端与集沙篮的顶端连接，另一端与称重仪器底部的称重挂钩连接；排沙篮平放在集沙篮正下方的测箱内；牵引机构布置在排沙篮的下方和侧方，起支撑和移动排沙篮的作用；起吊机构位于集沙篮侧面，安装在测箱顶部以上，与排沙篮柔性连接。

2.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述测箱分为两部分空间，测箱顶部敞开，中部竖直向下设置隔板，一侧空间位于水槽正下方为集沙仓，另一侧空间为排沙仓；集沙仓的宽度略大于水槽宽度，长度不小于50倍实验泥沙的最大粒径，深度等于集沙篮高度、排沙篮高度、导流板与集沙篮的间隙、集沙篮与排沙篮的间隙，以及牵引机构高度之和；排沙仓的宽度和长度不小于集沙仓，深度不小于集沙仓深度与水槽侧壁的高度之和；隔板顶端与集沙仓的上端齐平，底端高于排沙篮的上口。

3.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述导流板由整块板材加工，沿垂直于水流方向间隔切缝，形成格栅，用于减小实验水流与集沙仓内水体的接触面积，避免集沙仓内形成涡流；导流板平盖在测箱的集沙仓上方，与水槽底板齐平，两端固定架设在隔板和集沙仓侧壁顶端。

4.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述集沙篮安装在集沙仓内导流板的正下方，集沙篮上部为平行段，宽度小于集沙仓的宽度但大于等于水槽宽度，长度小于集沙仓的长度；下部为收缩段，收缩段的底部开口，并设有可开闭的闸门5c；集沙篮通过吊绳与称重仪器的底部连接。

5.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述排沙篮位于集沙篮的正下方，二者之间的间距保证集沙篮闸门开启后的倾斜角度大于泥沙水下休止角；排沙篮的长度和宽度不小于集沙篮收缩段底端开口的长度和宽度，容积不小于集沙篮的容积，以保证可收集和容纳集沙篮内的所有泥沙；排沙篮放置在牵引机构上，可沿测箱底部往复运动。

6.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述牵引机构由牵引车、定滑轮和牵引绳组成；牵引车停放在测箱底部，用于支撑和移动排沙篮；定滑轮固定在排沙仓侧壁的中下部，用于改变牵引绳的走向；牵引绳两端固定在牵引车宽度方向的两端，绕过定滑轮后沿排沙仓侧壁延伸出水面，构成闭合传动带。

7.如权利要求1所述系统，其特征在于，所述起吊机构由缆绳和起吊设备组成；缆绳的一端与排沙篮连接，另一端与起吊设备连接；起吊设备安装在排沙仓的正上方，起重量大于排沙篮装满泥沙时的重量，起吊高度使排沙篮的底部高于排沙仓顶部；起吊排沙篮离开水面时使篮内水体从篮底漏出。