CN107083760B - 河流演变实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河流演变实验装置，渗流分离槽设置在水槽内中心位置，渗流分离槽的前端设有与其相连通的进水前池，进水管的进水端连接在供水箱上，进水管的出水端延伸至进水前池内；水槽的后端设置有渗流出流通道，渗流分离槽的后端设有河流出流通道，渗流出流通道设置在河流出流通道的正下方；沉沙过水桶设置在河流出流通道出口处的下方，集水箱设置在渗流出流通道的下方；循环管路将集水箱的下部与排水室相连；水槽底部前端铰接在第二支撑架的前端，水槽底部后端设有调坡装置；水槽顶端的实验棚内部有吹风机、喷淋管和照明管、图像采集器。本发明的有益效果：可调坡、可模拟光照、降水和吹风、模拟用水可循环利用。

Description

河流演变实验装置

技术领域

本发明属于水利工程实验装置的，特别涉及一种可模拟光照、降水和吹风的调坡式河流演变实验装置。

背景技术

室内模型实验是研究实际水利工程问题常用的技术手段，尤其是近年来河流演变模拟方面。自然模型实验法是研究河流发展的一种基本方法，可以在短时期内概化模拟自然河流的长期演变过程。天然河流形态多种多样，利用人工塑造的河流模拟自然界中弯曲、分汊以及游荡型河流的演化发展动力过程及其规律，研究不同水沙及河岸边界条件对演化发展的影响，既有重要的理论价值，又具有较大的实用价值。

目前国内外有大量研究者利用实验室内水槽进行河流形态的塑造和模拟。现有对于河流演化发展的研究已有不少成果，但有三方面的不足：一是，多数是模型实在室内建造，装置尺度较大且笨重，水循环系统均是从开挖地下水库取水，占地面积大且灵活性小；二是，未完全考虑渗流损失的影响。部分学者为了减少渗流引起的流量损失，在实验前向河床加水以至泥沙中孔隙水饱和，但这种做法与实际河流演变过程的渗流偏差较大。因为河道渗流是在演变模拟的全过程发生，且随总入流量及河道形态的变化在不断变化。在自然河流演变过程中，渗流损失是很重要的一部分，不容忽视。目前对于河道渗流的研究多局限于区域统计分析，对于河流演变过程中渗流特性及规律的研究仍较少，需要在理论模型及实验过程中详细考虑并计算；三是，对于传统的河工模型实验，河流坡降的调节，为人工开挖，耗时耗力。当需要研究组次较多，频繁调坡时，需要设计一种较为便捷省力的装置。

发明内容

本发明针对现有实验研究中存在的不足，提供了一种河流演变实验装置，本发明用于研究天然河流的演变过程中水沙运动机理，河床演变特性，水沙边界及河岸边界条件对河流演变发展的影响，河流演变过程中的渗流特性及规律等。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

河流演变实验装置，包括供水箱、进水管、循环管路、排水管、水泵、调坡结构、集水箱、沉沙过水桶、河流出流通道、渗流出流通道、渗流分离槽、水槽、实验棚、吹风机、喷淋管、照明管、图像采集器、处理系统，进水前池；

所述供水箱设置在第一支撑架上，所述水槽设置在第二支撑架上，所述水槽的顶端设有实验棚，实验棚罩在水槽上；

所述渗流分离槽设置在所述水槽内中心位置，所述渗流分离槽的前端设有与其相连通的进水前池，所述进水前池的前端固定在水槽的前侧壁上，所述进水管的进水端连接在供水箱上，进水管的出水端延伸至进水前池内；

所述水槽的后端设置有渗流出流通道，所述渗流分离槽的后端设有河流出流通道，所述渗流出流通道设置在河流出流通道的正下方；所述沉沙过水桶设置在河流出流通道出口处的下方，所述集水箱设置在所述渗流出流通道出口处的下方，所述沉沙过水桶设置在所述集水箱的顶端；

所述供水箱分为供水室和排水室，所述循环管路将集水箱的下部与排水室相连，所述排水管将所述排水室与集水箱的上部相连；

所述水槽底部前端铰接在第二支撑架的前端，所述水槽底部后端设有调坡装置，所述调坡装置采用手摇式螺旋升降器，所述调坡装置包括手轮、底座、丝杠和顶盘，所述手轮带动底座内的第一锥齿轮旋转，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接，第一锥齿轮可带动第二锥齿轮旋转，第二锥齿轮的中心孔与丝杠通过螺纹连接，第二锥齿轮可驱动丝杠升降，丝杠顶端设有顶盘，顶盘可带动水槽底部后端升降，从而调整水槽的坡度；

所述实验棚内部的四周设置有吹风机，所述实验棚内部的顶部设置有喷淋管和照明管；所述实验棚的顶部设置有可以调节高度的第三支撑架，第三支撑架的顶部设置有图像采集器，所述图像采集器通过数据线与处理系统相连。

而且，所述渗流分离槽的侧壁由四块相互铆接的矩形有机玻璃板构成，所述渗流分离槽的侧壁上均布有渗流圆孔，所述渗流圆孔的直径为0.3cm，所述渗流圆孔的孔间距为0.8cm；所述渗流分离槽的高度为15cm，厚度为4mm；所述渗流分离槽的侧壁内部设置有两层渗流滤网，一层为150目的不锈钢滤网，第二层为200目纱滤网。

而且，所述进水前池的材料为有机玻璃，所述进水前池在渗流分离槽的内部设置有进水口，在所述进水口和渗流分离槽接触的位置竖直设置有进口挡水堰，在河流出流通道与渗流分离槽接触的位置竖直设置有出口挡水堰。

而且，所述渗流分离槽内铺设实验沙，以模拟河床结构，所述实验沙的厚度大于10cm，且小于或等于渗流分离槽的高度。

而且，进水管为U形的有机玻璃管，进水管靠近供水箱一侧的竖直管段上设置有流量控制阀，进水管靠近进水前池一侧的竖直管段上设置有浮子流量计，流量控制阀和浮子流量计之间的进水管的底部设置有小排水管，小排水管的材料为橡胶，小排水管在实验过程中用夹子关闭，当实验结束后，打开夹子，将进水管中的水排空，保持干燥后关闭，避免水流长时间停留管路导致变脏变臭；循环管路为铁管，循环管路上设置有水泵；排水管为螺纹塑料管。

而且，所述水槽的高度为25cm。

而且，所述集水箱为铸铁材料，厚度为4mm，第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架为5cm×5cm的截面为正方形的中空管架，材料为铸铁材料。

而且，所述集水箱内部设置有第一滤网，沉沙过水桶内部设置有第二滤网，沉沙过水筒的底部设置有水桶出水口。

而且，所述水槽和集水箱的内部和外部涂有油漆。

而且，所述供水箱的材料为有机玻璃；供水室的进水口的前侧竖直设置有稳流栅，稳流栅为布满圆孔的竖板结构，起到稳定水流的作用。

而且，所述第三支撑架的数量为两个，所述第三支撑架与第二支撑架竖直方向上的距离为2.5m。

本发明的有益效果为：

本发明使得实验研究更为方便、精确且更能反映实际情况。同时实验工作一方面对于数模计算起到了很好的验证及对比作用，另一方面从短期时间尺度反应长时期河流演变特性，有助于更直观深入地认识自然河流的演化特点及规律并为实际水利规划及河流治理工程提供指导。

本发明装置设计过程全面考虑了河工模型实验中各参量，尤其渗流分离槽的设计，将河道渗流的影响考虑其中，同时装置可拆卸，易搬迁，灵活性强。尤其是对河道坡降得调节的改进，很大程度上节约了人力。发明实验装置系统成功将专业技术领域的新仪器，新技术应用其中，做到了先进性。并提高了传统实验的测量精度。

附图说明

图1为本发明的整体示意图，

图2为本发明的部分立体示意图，

图3为本发明的水槽和渗流分离槽的俯视图，

图4为本发明的水槽和渗流分离槽示意图，

图5为本发明的调坡结构的示意图，

图6为本发明的沉沙过水桶结构示意图，

图7为本发明的渗流分离槽的渗流圆孔的示意图，

图8为本发明的实验棚内部的顶部的示意图，

图9为本发明的试验装置平面布置图，

图10为试验中渗流流量-坡降关系曲线，

图11为实验中渗流流量-流量关系曲线

图12为实验中RUN3组河流演化过程，

图13为实验中河道输沙率变化过程，

其中，1为供水箱，1-1为排水室，1-2为供水室，1-3为稳流栅，2为第一支撑架，3为进水管，3-1为流量控制阀，3-2为浮子流量计，3-3为小排水管，4为第二支撑架，5为排水管，6为水泵，7为循环管路，8为调坡结构，8-1为手轮，8-2为底座，8-3为丝杠，8-4为顶盘，9为集水箱，9-1为第一滤网，10为沉沙过水桶，10-1为第二滤网，10-2为水桶出水口，11为渗流出流通道，12为河流出流通道，12-1为出口挡水堰，13渗流分离槽，13-1为渗流圆孔，14水槽，14-1为水槽支撑板，15为实验棚，16为吹风机，17为喷淋管，18为照明管，19为第三支撑架，20为图像采集器，21为处理系统，22为进水前池，22-1为进口挡水堰，22-2为进水口，23为数据线。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。

如附图1～8所示，河流演变实验装置，包括供水箱1、进水管3、循环管路7、排水管5、水泵6、调坡结构8、集水箱9、沉沙过水桶10、河流出流通道12、渗流出流通道11、渗流分离槽13、水槽14、实验棚15、吹风机16、喷淋管17、照明管18、图像采集器20、处理系统21，进水前池22；

所述供水箱1设置在第一支撑架2上，所述水槽14设置在第二支撑架4上，所述水槽14的顶端设有实验棚15，实验棚15罩在水槽14上；

所述渗流分离槽13设置在所述水槽14内中心位置，所述渗流分离槽13与水槽14的侧壁之间设有为水槽支撑板14-1，所述渗流分离槽13的前端设有与其相连通的进水前池22，所述进水前池22的前端固定在水槽14的前侧壁上，所述进水管3的进水口连接在供水箱1上，进水管3的出水口延伸至进水前池22内；

所述水槽14的后端设置有渗流出流通道11，所述渗流分离槽14的后端设有河流出流通道12，所述渗流出流通道11设置在河流出流通道12的正下方；所述沉沙过水桶10设置在河流出流通道12出口处的下方，所述集水箱9设置在所述渗流出流通道11的下方，所述沉沙过水桶10设置在所述集水箱9的顶端；

所述供水箱1分为供水室1-2和排水室1-1，所述循环管路7将集水箱9的下部与排水室相连1-1，所述排水管5将所述排水室1-1与集水箱9的上部相连；

所述水槽14底部前端铰接在第二支撑架4的前端，所述水槽14底部后端设有调坡装置8，调坡装置8可设置两个，并且对称设置在水槽14底部后端，所述调坡装置8采用手摇式螺旋升降器，手摇式螺旋升降器可驱动水槽底部后端升降，从而调整水槽14的坡度，所述调坡装置8包括手轮8-1、底座8-2、丝杠8-3和顶盘8-4，所述手轮8-1带动底座8-2内的第一锥齿轮旋转，第一锥齿轮竖直设置，第二锥齿轮水平设置，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接，第一锥齿轮可带动第二锥齿轮旋转，第二锥齿轮的中心孔与丝杠8-3通过螺纹连接，从而使得第二锥齿轮可驱动丝杠8-3升降，丝杠8-3顶端设有顶盘8-4，顶盘8-4可带动水槽14底部后端升降；

实验棚15内部的四周设置有吹风机16，实验棚15内部的顶部设置有喷淋管17和照明管18；实验棚15的顶部设置有可以调节高度的第三支撑架19，第三支撑架19的顶部设置有图像采集器20，图像采集器20通过数据线与处理系统21相连。

而且，渗流分离槽13的侧壁采用有机玻璃，由四块相互铆接的矩形板构成，渗流分离槽3的侧壁上设置有渗流圆孔13-1，渗流圆孔13-1的直径为0.3cm，渗流圆孔13-1的孔间距为0.8cm；渗流分离槽13的高度为15cm，厚度为4mm；渗流分离槽3的侧壁内部设置有两层渗流滤网，一层为150目的不锈钢滤网，第二层为200目纱滤网。

而且，进水前池22的材料为有机玻璃，进水前池22在渗流分离槽13的内部设置有进水口22-2，在进水口22-2和渗流分离槽13接触的位置竖直设置有进口挡水堰22-1，在河流出流通道12与渗流分离槽接触的位置竖直设置有出口挡水堰12-1，用以保证进水水流的高度一致。

而且，渗流分离槽内铺设实验沙，以模拟河床结构，实验沙的厚度大于10cm，且小于或等于渗流分离槽的高度，以保证河流最大冲刷安全深度；初始开挖模型河流可根据具体研究内容为任意型式。

而且，进水管3为U形的有机玻璃管，进水管3靠近供水箱1一侧的竖直管段上设置有流量控制阀3-1，进水管靠近进水前池22一侧的竖直管段上设置有浮子流量计3-2，流量控制阀3-1和浮子流量计之间3-2的进水管3的底部设置有小排水管3-3，小排水管3-3的材料为橡胶，小排水管3-3在实验过程中用夹子关闭，当实验结束后，打开夹子，将进水管中的水排空，保持干燥后关闭，避免水流长时间停留管路导致变脏变臭；循环管路7为铁管，循环管路上设置有水泵；排水管为螺纹塑料管。

而且，水槽14的高度为25cm。

而且，集水箱9为铸铁材料，厚度为4mm，第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架为5cm×5cm的截面为正方形的中空管架，材料为铸铁材料。

而且，集水箱9内部设置有第一滤网9-1，便于测量通过渗流出流通道11流出的沙量，沉沙过水桶10内部设置有第二滤网10-1，便于测量通过河流出流通道12流出的沙量，沉沙过水筒10的底部设置有水桶出水口10-2。

而且，水槽14和集水箱9的内部和外部涂有油漆。

而且，供水箱1的材料为有机玻璃；供水室1-2的进水口的前侧竖直设置有稳流栅1-3，稳流栅1-3为布满圆孔的竖板结构，起到稳定水流的作用。

而且，第三支撑架19的数量为两个，第三支撑架与第二支撑架竖直方向上的距离为2.5m。

而且，调坡结构为手摇旋转螺旋结构，可通过调整水槽的坡度从而调整模拟河床的坡度，根据实验需要，通过人工转动调坡结构的把手，使河床达到预设坡降，操作简单方便。

而且，第二支撑架4上设有竖直尺和水平尺，竖直尺和水平尺的零刻度端均位于第二支撑架4的边角位置，通过竖直尺和水平尺可测量水槽14的坡度。

本发明在实验过程中的使用步骤如下：

(1)根据研究需要，铺设床沙，床沙铺设相同级配或不同层次组成结构，开挖初始河道。通过调坡结构，调整河床坡降。可根据实验要求在开挖河道两岸种植草种，或插设竹签改变河岸强度。

(2)开启水泵，水流从集水箱抽出，经过循环管路进入供水箱，供水箱为实验装置为系统提供恒定流；水流再经过流量控制阀、浮子流量计，进入进水前池；过进口挡水堰进入水槽，一部分水流沿河道并携带泥沙经出口挡水堰，从河流出流通道流出，进入沉沙过水桶，经过滤沙，清水出流循环回流到集水箱；另一部分水流沿床沙下渗，经过渗流分离槽，沿槽与槽之间的通道最后从渗流出流通道流出至集水箱，完成水循环；河流通道出流为河道流量，渗流通道出流为渗流流量，通过浮子流量计，读取河道总流量，通过量筒在河流通道和渗流通道出口量取河道流量和渗流流量。

(3)可以通过吹风机、喷淋管、照明管模拟不同的天气，比如晴朗无风天气、晴朗有风天气、阴雨有风天气等，考察不同天气情况下模拟河流的情况。

(4)图像采集器是一种基于红外摄像的新型表面流场图像测速(PTV)系统，用粒子跟踪图像测量速法利用一次性低温冰颗粒代替传统的塑料等材质失踪粒子，一方面改善PTV在复杂光线环境、复杂水沙环境中的应用效果，另一方面巧妙利用冰颗粒的融化，环保、便捷，解决了失踪粒子滞留岸滩及回流区不方便回收的问题，根据实验河段长度在模型河流上方可设置一个，两个或多个图像采集装置，装置通过数据连接线连接数据采集与处理计算机。实验时，通过识别对撒入河道表面的失踪粒子进行实时图像采集，并对采集的图像进行粒子识别、匹配和跟踪形态及表面流场的测量。摄像的时间间隔为5～30分钟，具体由河道形态变化的速度确定。摄像获得的图像在计算机内进行变形矫正和坐标转换，并识别出每一幅图像中的河道两岸，捕捉模型河流平面形态演变的全过程。

图9为本发明试验装置的平面布局图，如图所示，将河道分为S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7，进行数据采取，并且进行5组对比实验，对比试验分别记为RUN1、RUN2、RUN3、RUN4、RUN5，结果如下表所示：

表1实验组次及初始数据

由图10和图11可看出，RUN1渗流量较RUN2～RUN5明显大，是因为初始床面处于不饱和含水状态，渗流梯度远远大于饱和状态，这也是很多学者研究在做河道演变试验时，先注水的原因。当床沙达到饱和状态时，渗流可以近似分解为横向渗流与纵向渗流两部分，横向渗流量的大小主要取决于入流量的大小，而纵向渗流取决于河道纵向坡降。通常情况下，渗流量会随着河道流量及水力坡降的增大而增加，但影响程度不同。观察图10和图11发现，RUN2与RUN3坡度相同，但流量相差较大时，两组试验中渗流量变化范围相差较小。RUN5河道渗流量较RUN2，RUN3及RUN4大，虽然流量较RUN3及RUN4小，因此可以看出水力坡降对于渗流量大小的影响较入流量明显。

图12显示的是试验观察模型河流从顺直向蜿蜒、辫状及分汊的演变过程。对于弯曲河流，因上游入流角的影响，上游开始变弯，从而影响下游，上游下游河流下游演变滞后于上游，河湾曲率具有向下传递性。图12为弯曲河流的演化过程，初始阶段，由于一般从上游到下游，随着演变的不断进行，下游河湾水流条件逐渐成熟，弯曲速率加大，下游河湾按照自身的演变机理进行演化，同时对上游起到制约作用。入流角对河湾演变的影响是短期作用，在初始时刻加速了其变化，但从长期来看，河流会按照水沙条件达到自身的平衡状态。

图13显示的是实验过程中模型河道中的泥沙通过尾门后在沉沙筒来测量输沙率。初始状态输沙率较小，随着水流冲刷及床沙启动，输沙率在河道演变约100min时达到最大，这是因为初始河道为小的矩形河道，而河道过水能力远远小于给定流量，因此河道急剧展宽，河床处于剧烈调整演化过程中。随着基本弯道的形成，主流线出现，河岸和床面开始稳定，河道稳定输沙。

以上对本发明的技术方案做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本技术方案的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本专利的保护范围。

Claims (10)

1.河流演变实验装置，其特征在于：包括供水箱、进水管、循环管路、排水管、水泵、调坡结构、集水箱、沉沙过水桶、河流出流通道、渗流出流通道、渗流分离槽、水槽、实验棚、吹风机、喷淋管、照明管、图像采集器、处理系统，进水前池；

所述供水箱设置在第一支撑架上，所述水槽设置在第二支撑架上，所述水槽的顶端设有实验棚，实验棚罩在水槽上；

所述渗流分离槽设置在所述水槽内中心位置，所述渗流分离槽的前端设有与其相连通的进水前池，所述进水前池的前端固定在水槽的前侧壁上，所述进水管的进水端连接在供水箱上，进水管的出水端延伸至进水前池内，所述渗流分离槽的侧壁由四块相互铆接的矩形有机玻璃板构成，所述渗流分离槽的侧壁上均布有渗流圆孔，所述进水前池在渗流分离槽的内部设置有进水口，在所述进水口和渗流分离槽接触的位置竖直设置有进口挡水堰，在河流出流通道与渗流分离槽接触的位置竖直设置有出口挡水堰；

所述水槽的后端设置有渗流出流通道，所述渗流分离槽的后端设有河流出流通道，所述渗流出流通道设置在河流出流通道的正下方；所述沉沙过水桶设置在河流出流通道出口处的下方，所述集水箱设置在所述渗流出流通道出口处的下方，所述沉沙过水桶设置在所述集水箱的顶端；

所述供水箱分为供水室和排水室，所述循环管路将集水箱的下部与排水室相连，所述排水管将所述排水室与集水箱的上部相连；

所述水槽底部前端铰接在第二支撑架的前端，所述水槽底部后端设有调坡装置，所述调坡装置采用手摇式螺旋升降器，手摇式螺旋升降器可驱动水槽底部后端升降；

所述实验棚内部的四周设置有吹风机，所述实验棚内部的顶部设置有喷淋管和照明管；所述实验棚的顶部设置有可以调节高度的第三支撑架，第三支撑架的顶部设置有图像采集器，所述图像采集器通过数据线与处理系统相连。

2.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述渗流圆孔的直径为0.3cm，所述渗流圆孔的孔间距为0.8cm；所述渗流分离槽的高度为15cm，厚度为4mm；所述渗流分离槽的侧壁内部设置有两层渗流滤网，一层为150目的不锈钢滤网，第二层为200目纱滤网。

3.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述进水前池的材料为有机玻璃。

4.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述渗流分离槽内铺设实验沙，以模拟河床结构，所述实验沙的厚度大于10cm，且小于或等于渗流分离槽的高度。

5.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述进水管为U形的有机玻璃管，所述进水管靠近供水箱一侧的竖直管段上设置有流量控制阀，所述进水管靠近进水前池一侧的竖直管段上设置有浮子流量计，所述流量控制阀和浮子流量计之间的进水管的底部设置有小排水管，所述小排水管的材料为橡胶，所述循环管路为铁管，所述循环管路上设置有水泵；所述排水管为螺纹塑料管。

6.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述手摇式螺旋升降器包括手轮、底座、丝杠和顶盘，所述手轮带动底座内的第一锥齿轮旋转，第一锥齿轮与第二锥齿轮啮合连接，第一锥齿轮可带动第二锥齿轮旋转，第二锥齿轮的中心孔与丝杠通过螺纹连接，第二锥齿轮可驱动丝杠升降，丝杠顶端设有顶盘，顶盘可带动水槽底部后端升降。

7.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述集水箱为铸铁材料，厚度为4mm，第一支撑架、第二支撑架和第三支撑架为5cm×5cm的截面为正方形的中空管架，材料为铸铁材料。

8.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述集水箱内部设置有第一滤网，沉沙过水桶内部设置有第二滤网，沉沙过水桶的底部设置有水桶出水口。

9.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述水槽和集水箱的内部和外部涂有油漆。

10.如权利要求1所述河流演变实验装置，其特征在于：所述供水箱的材料为有机玻璃；供水室的进水口的前侧竖直设置有稳流栅，稳流栅为布满圆孔的竖板结构。

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