CN106226195B - 泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置及实验方法。所述实验装置包括水箱、高压水泵、储能器、控制柜、至少三排压力实验单元，水箱通过高压水泵与储能器连接，储能器通过连接管路与至少三排压力实验单元连接，储能器上还设有检测出口水压的第一压力传感器，高压水泵和第一压力传感器通过控制线路与控制柜连接，每排压力实验单元分别通过连接管路与储能器的出口连接，每一连接管路上设有单向阀及与控制柜连接的电磁阀和第二压力传感器，每排压力实验单元具有至少三组实验筒。本发明既能产生高水压来模拟不同水深的情况，也能使压力长期自动保持稳定来观察干容重随时间的变化规律，而且可实现自动控制。

Description

泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置及其实验方法

技术领域

本发明涉及水利工程中实验研究领域，具体是一种泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置及其实验方法。

背景技术

河流的流动会将泥沙从上游输运到下游。而水库的建成会大大降低水流速度，改变河流的水动力情况，大幅减弱河流的挟沙能力，这将直接导致泥沙在水库中大量淤积。泥沙的大量淤积会影响水库的运行健康。水库排沙比指的是出库泥沙重量与入库泥沙重量的比值，是水库运行状况的重要指标，在计算排沙比时我们需要知道上游水文站测量的入库泥沙重量以及库区淤沙重量，但我们通过现有技术手段只能得到库区淤沙的体积，淤沙重量为体积与干容重的乘积，因此淤积物的干容重是计算水库排沙比的重要参数之一。淤积物干容重变化规律的研究就显得尤为重要。

大型水库淤积的泥沙通常以粉沙(粒径0.05～0.005mm)和粘土(粒径小于0.005mm)为主，其干容重随时间缓慢变化并最终达到一个稳定的干容重。这个变化过程与泥沙颗粒的粒径、淤积物厚度、淤积时间及水深等因素有着直接关系。我国正在兴建一批水深达到300m量级的大型水利工程，如锦屏一级(305m)，小湾(292m)，白鹤滩(289m)等。大水深条件下原型采样难度极大，且极易在采样时对淤积物产生扰动从而影响测量精度。因此，我们很难通过原型观测的手段来确定干容重，要研究其变化规律更是难上加难。而现有的室内试验装置很难模拟一个长期稳定的高压情况。因此，我们需要研制一套实验设备，能够长期稳定模拟不同水深情况，以用于干容重随时间变化规律的研究。

发明内容

本发明提供一种泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置及其实验方法，既能产生高水压来模拟不同水深的情况，也能使压力长期自动保持稳定来观察干容重随时间的变化规律，而且可实现自动控制。

一种泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置，包括水箱、高压水泵、储能器、控制柜、至少三排压力实验单元，所述水箱通过高压水泵与储能器连接，所述储能器通过连接管路与至少三排压力实验单元连接，储能器上还设有检测出口水压的第一压力传感器，高压水泵和第一压力传感器通过控制线路与控制柜连接，每排压力实验单元分别通过连接管路与储能器的出口连接，每一连接管路上设有单向阀及与控制柜连接的电磁阀和第二压力传感器，每排压力实验单元具有至少三组实验筒，每组实验筒有三个，其中一组实验筒含有一个透明的高耐压有机玻璃实验筒，其余实验筒均为碳钢实验筒。

进一步的，每排压力实验单元中的各组实验筒用于放入不同粒径的泥沙。

进一步的，所述控制柜用于根据第一压力传感器检测的储能器压力值控制高压水泵的启闭，以使得储能器保持在稳定的压力。

进一步的，所述控制柜还用于根据第二压力传感器检测到筒内压力控制电磁阀的启闭以使每排压力实验单元中每个实验筒内压力达到预定水压，各排压力实验单元的预定水压根据水深设定，以实现高压水泵给储能器提供高压来模拟不同水深的效果。

进一步的，储能器底部设有排水排污阀，上部设有放空阀。

进一步的，碳钢实验筒的规格为内径100mm，壁厚5mm，长L＝1000mm，高耐压有机玻璃实验筒的规格为内径200mm，厚20mm，长L＝1000mm，实验筒上端设置加料口，为法兰+端盖形式。

一种泥沙淤积物在不同水深条件下干容重变化的自动控制实验方法，其特征在于：采用上述实验装置进行，所述实验方法包括如下步骤：

步骤一、分别向每排压力实验单元的实验筒中放入相应的充分混合的水沙混合物，其中每排压力实验单元中的各组实验筒分别放入不同粒径的泥沙，并排净储能器中空气，打开高压泵给储能器加压保持稳定压力，高压水泵给储能器提供高压来模拟不同水深，每个压力实验单元都预设一预定水压，控制柜根据第二压力传感器检测到筒内压力控制电磁阀的启闭以使实验筒内压力达到所述预定水压；

步骤二、实验进行过程中通过观察高耐压有机玻璃筒中泥沙界面高度的变化过程来估算其干容重，通过比较同种泥沙在相同时间不同水深条件下干容重的变化情况，得出干容重变化随水深之间的关系；

步骤三、每隔一段时间拆下一个实验筒，具体分析淤积物干容重及其级配随淤积物埋深之间的关系，从而得出干容重随时间的变化规律曲线，并分析其可能达到的最大干容重。

本发明通过高压水泵给储能器提供高压，同时配合压力实验单元上连接管路的电磁阀和第二压力传感器，来模拟不同水深的效果，每排压力实验单元中的各组实验筒分别放入不同粒径的泥沙来研究泥沙颗粒粒径的影响，既能产生高水压来模拟不同水深的情况，也能使压力长期自动保持稳定来观察干容重随时间的变化规律，而且可实现自动控制，当装置的某些部分出现轻微泄漏的时候，系统能够自动加压来保证压力的稳定，使得实验更为便捷。

附图说明

图1是本发明泥沙淤积物在不同水深条件下干容重变化的自动控制实验装置的结构示意图；

图2是本发明实验装置其中一排压力实验单元的结构示意图。

图中：1—排水排污阀，2—第一压力传感器，3—储能器，4—高压水泵，5—放空阀，6—控制柜，7—控制线路，8—单向阀，9—电磁阀，10—第二压力传感器，11—碳钢实验筒，12—连接管路，13—高耐压有机玻璃实验筒，14—水箱。

具体实施方式

下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明泥沙淤积物在不同水深条件下干容重变化的自动控制实验装置其中一个实施例包括水箱14、高压水泵4、储能器3、控制柜6、至少三排压力实验单元，所述水箱14通过高压水泵4与储能器3连接，所述储能器3通过连接管路12与至少三排压力实验单元连接，储能器3底部设有排水排污阀1，上部设有放空阀5，储能器3上还设有检测出口水压的第一压力传感器2，高压水泵4和第一压力传感器2通过控制线路7与控制柜6连接。

每排压力实验单元分别通过连接管路12与储能器3的出口连接，每一连接管路12上设有单向阀8及与控制柜6连接的电磁阀9和第二压力传感器10，

每排压力实验单元具有至少三组实验筒(本实施例以五组为例进行说明)，每组实验筒有三个，可分三个时间点观测干容重变化情况，从而得出干容重随时间变化规律，其中四组实验筒均为三个碳钢实验筒11，另外一组实验筒为两个碳钢实验筒11和一个透明的高耐压有机玻璃实验筒13。碳钢实验筒11的规格为内径100mm，壁厚5mm，长L＝1000mm，高耐压有机玻璃实验筒13的规格为内径200mm，厚20mm，长L＝1000mm，实验筒上端设置加料口，为法兰+端盖形式。

高压水泵4给储能器3提供高压(≥3MPa)来模拟不同水深，每排压力实验单元的压力由单向阀8、电磁阀9和第二压力传感器10组合控制，其控制原理为：每个压力实验单元都有一个预定水压，当第二压力传感器10检测到筒内压力没达到这个值时，第二压力传感器10会给控制柜6一个信号，控制柜6打开电磁阀9，实验筒内压力升高，当压力升高到预定水压时，第二压力传感器10发出信号给控制柜6，控制柜6将电磁阀9关闭，单向阀8的作用在于防止实验筒中的水回流造成泄压。每种水压配置一个透明的高耐压有机玻璃实验筒13，是为了可以在实验进行中对淤积物状态进行粗略观测。

为研究水深的影响，按照水深的不同分了7组(0m～300m)，即有7排压力实验单元(如图1所示)。

为研究泥沙颗粒粒径的影响，按照粒径的不同选取了每排压力实验单元五组样本(样本1～样本5)，即每排压力实验单元有五组实验筒，并在每组水深选取一种样本制作了一个可以直接用肉眼观察的高耐压有机玻璃实验筒13来观测其淤积过程。

为研究时间的影响，每组实验筒由3个实验筒组成，间隔一段时间观测干容重的变化情况。

本发明实验装置的原理如下：

如图1所示，储能器3为一个体积约20L的高承压容器，当第一压力传感器2检测到储能器3压力低于3.5MPa时，会给控制柜6一个电磁信号，此时控制柜6会给高压水泵4一个开机信号，高压水泵4开机，储能器3中压力升高，当压力升高到4MPa时，第一压力传感器2停止向控制柜6发送电磁信号，此时控制柜6会给高压水泵4一个关机信号，使得系统压力保持稳定。

如图2所示，同一压力下实验筒上部联通，保持同一压力，当第二压力传感器10检测到这个压力实验单元内压力小于预设值时，会给控制柜6一个电磁信号，此时控制柜6会给电磁阀9一个开机信号，电磁阀9开启，该压力实验单元压力升高，当压力升高到预设值时，第二压力传感器10停止向控制柜6发送电磁信号，此时控制柜6会给电磁阀9一个关机信号，使得该压力实验单元压力保持稳定。如此一来，系统压力能够长期自动保持在一个相对稳定的水平，使实验能够顺利进行。

实验开始前，整个系统必须进行整体试压，确保没有泄露。

实验开始，分别往每个实验筒中放入相应的充分混合的含沙量200千克/立方米的水沙混合物，排净储能器3中空气，打开高压泵4给储能器3加压，实验开始，实验进行过程中通过观察高耐压有机玻璃筒13中泥沙界面高度的变化过程来估算其干容重，通过比较同种泥沙在相同时间不同水深条件下干容重的变化情况，得出干容重变化随水深之间的关系。

实验过程预计将持续2～3年或更长时间，每组实验筒有三个，这三个实验筒里面装的样本相同，水深也相同，预计每隔一段时间拆下一个实验筒，具体分析淤积物干容重及其级配随淤积物埋深之间的关系，从而得出干容重随时间的变化规律曲线，并分析其可能达到的最大干容重。

本发明还提供一种泥沙淤积物在不同水深条件下干容重变化的自动控制实验方法，其采用上述实验装置进行，所述实验方法包括如下步骤：

步骤一、分别向每排压力实验单元的实验筒中放入相应的充分混合的水沙混合物，其中每排压力实验单元中的各组实验筒分别放入不同粒径的泥沙，并排净储能器3中空气，打开高压泵4给储能器3加压保持稳定压力，高压水泵4给储能器3提供高压来模拟不同水深，每个压力实验单元都预设一预定水压，控制柜6根据第二压力传感器10检测到筒内压力控制电磁阀9的启闭以使实验筒内压力达到所述预定水压；

步骤二、实验进行过程中通过观察高耐压有机玻璃筒13中泥沙界面高度的变化过程来估算其干容重，通过比较同种泥沙在相同时间不同水深条件下干容重的变化情况，得出干容重变化随水深之间的关系；

步骤三、每隔一段时间拆下一个实验筒，具体分析淤积物干容重及其级配随淤积物埋深之间的关系，从而得出干容重随时间的变化规律曲线，并分析其可能达到的最大干容重。

其中储能器3的保持稳定压力的实现方法为：当第一压力传感器2检测到储能器3压力低于预设稳定压力(例如3.5MPa)时，第一压力传感器2给控制柜6一个电磁信号，此时控制柜6给高压水泵4一个开机信号，高压水泵4开机，储能器3中压力升高，当压力升高到4MPa时，第一压力传感器2停止向控制柜6发送电磁信号，此时控制柜6会给高压水泵4一个关机信号，使得系统压力保持稳定。

Claims (5)

1.一种泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置，其特征在于：包括水箱（14）、高压水泵（4）、储能器（3）、控制柜（6）、至少三排压力实验单元，所述水箱（14）通过高压水泵（4）与储能器（3）连接，所述储能器通过连接管路（12）与至少三排压力实验单元连接，储能器（3）上还设有检测出口水压的第一压力传感器（2），高压水泵（4）和第一压力传感器（2）通过控制线路（7）与控制柜（6）连接，每排压力实验单元分别通过连接管路（12）与储能器（3）的出口连接，每一连接管路（12）上设有单向阀（8）及与控制柜（6）连接的电磁阀（9）和第二压力传感器（10），每排压力实验单元具有至少三组实验筒，每组实验筒有三个，其中一组实验筒具有一个透明的高耐压有机玻璃实验筒（13），其余实验筒均为碳钢实验筒（11）；所述控制柜（6）用于根据第一压力传感器（2）检测的储能器（3）压力值控制高压水泵（4）的启闭，以使得储能器（3）保持在稳定的压力；所述控制柜（6）还用于根据第二压力传感器检测到筒内压力控制电磁阀（9）的启闭以使每排压力实验单元的实验筒内压力达到预定水压，各排压力实验单元的预定水压根据水深设定，以实现高压水泵（4）给储能器（3）提供高压来模拟不同水深的效果。

2.如权利要求1所述的泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置，其特征在于：每排压力实验单元中的各组实验筒用于放入不同粒径的泥沙。

3.如权利要求1所述的泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置，其特征在于：储能器（3）底部设有排水排污阀（1），上部设有放空阀（5）。

4.如权利要求1所述的泥沙淤积物干容重变化的自动控制实验装置，其特征在于：碳钢实验筒（11）的规格为内径100mm，壁厚5mm，长L=1000mm，高耐压有机玻璃实验筒（13）的规格为内径200mm，厚20mm，长L=1000mm，实验筒上端设置加料口，为法兰+端盖形式。

5.一种泥沙淤积物在不同水深条件下干容重变化的自动控制实验方法，其特征在于：采用权利要求1-4中任一项实验装置进行，所述实验方法包括如下步骤：

步骤一、分别向每排压力实验单元的实验筒中放入相应的充分混合的水沙混合物，其中每排压力实验单元中的各组实验筒分别放入不同粒径的泥沙，并排净储能器（3）中空气，打开高压泵（4）给储能器（3）加压保持稳定压力，高压水泵（4）给储能器（3）提供高压来模拟不同水深，每个压力实验单元都预设一预定水压，控制柜（6）根据第二压力传感器检测到筒内压力控制电磁阀（9）的启闭以使实验筒内压力达到所述预定水压；

步骤二、实验进行过程中通过观察高耐压有机玻璃筒（13）中泥沙界面高度的变化过程来估算其干容重，通过比较同种泥沙在相同时间不同水深条件下干容重的变化情况，得出干容重变化随水深之间的关系；

步骤三、每隔一段时间拆下一个实验筒，具体分析淤积物干容重及其级配随淤积物埋深之间的关系，从而得出干容重随时间的变化规律曲线，并分析其可能达到的最大干容重。

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