CN107084831B - 一种快速铺平水槽床沙的装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种快速铺平水槽床沙的装置与方法，该装置包括铺沙板组件、铺沙导轨和测车；其中铺沙板组件主体为铺沙平板，垂直于水槽边壁横放在铺沙导轨和床沙上，两端安装导向轮，端部与水槽边壁之间的空隙用密封导沙软套密封，上部安装两根加筋横杆，保证铺沙平板的刚性和平整度，并通过转接杆、铺沙臂和固定横杆与测车连接；测车放置于水槽边壁上方测车导轨上；铺沙导轨紧贴水槽边壁内侧。该方法是将床沙及铺沙平板淹没于水下，调整好各部件后缓慢移动测车，带动铺沙平板在铺沙导轨上滑动，将床沙铺平。本发明可大大提高铺沙精度，可重复性高，为获取优质实验数据奠定了基础；并且装置操作简单，相比手动铺沙，可节约时间一倍以上。

Description

一种快速铺平水槽床沙的装置与方法

技术领域

本发明属于泥沙运动力学研究领域，对推移质水槽实验方法做出了改进，具体涉及一种快速铺平水槽床沙的装置与方法。

背景技术

水槽实验是泥沙运动力学研究的重要基础手段，在谢尔兹曲线、推移质输沙率等许多经典成果的建立过程中，都发挥了不可替代的作用。

在利用水槽实验进行泥沙运动力学研究时，往往需要以平整床面为实验的初始状态。在早期的研究中，铺平床面大都利用平板手工刮制，由于早期的水槽尺寸一般较小，操作较为简单且铺平精度也容易保证。然而随着学科的发展，新的课题不断涌现，对水槽尺寸规格的要求也不断提高。尤其是进行涉河工程泥沙问题研究时，需要加入工程模型，为避免水槽边壁效应的影响，就要求水槽具有足够的宽度。在大宽度水槽中进行床沙整平，原有方法的操作难度大大增加，导致费时费力，更重要的是铺平精度极难保证。具体而言存在如下困难，如果以浅水水面为基准利用平板刮平，由于平板尺寸增大，很难控制其在刮平过程中不发生倾斜，而轻微的倾斜就会造成水中局部床面的严重破坏，造成大量重复工作；如果在无水条件下进行铺平，则无法控制床面高度，且床沙孔隙的存在会导致加水后发生不均匀沉降，进一步影响床面平整度。

鉴于以上原因，床沙铺平操作对实验可靠性具有重要影响，有时甚至成为实验成败的决定因素。很多研究者都有因床沙铺平效果不好而重新进行实验的经历，这给研究者的工作和本学科的进展带来诸多不便。以上困难的存在，对床沙铺平装置和方法的改进提出了要求。

发明内容

发明目的：为了解决上述现存的困难，提高推移质水槽实验过程中铺平床沙的精度和效率，以利于优质实验数据的获取。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的一种快速铺平水槽床沙的装置，包括铺沙板组件、铺沙导轨和测车，

所述铺沙导轨紧贴水槽边壁内侧设置。

所述测车放置于水槽边壁上方测车导轨上；

所述铺沙板组件包括铺沙平板、导向轮、密封导沙软套、加筋横杆、转接杆、铺沙臂和固定横杆，所述铺沙平板垂直于水槽边壁横放在铺沙导轨和床沙上，所述导向轮安装在铺沙平板的两端，所述密封导沙软套安装于铺沙平板端部与水槽边壁之间，所述加筋横杆、转接杆、铺沙臂和固定横杆依次连接于铺沙平板顶部与测车之间。

具体地，所述铺沙平板长度L、铺沙导轨厚度d与水槽有效宽度B的关系为：L=B-d/2，d取10mm，该式保证装置运行时，铺沙平板不从铺沙导轨上掉落。

具体地，所述铺沙平板上方对称设置导沙齿条，由双向电机带动，与密封导沙软套一起，用于调整铺沙平板刮起的余沙在横向的分布；铺沙平板两端安装导向轮，便于铺沙平板平顺移动；在贴紧水槽边壁及铺沙导轨的位置，所述密封导沙软套的正常尺寸稍微超出玻璃边壁，从而在安装后可以利用挤压实现密封作用，避免沙粒进入空隙造成卡死，并且在压紧后，密封导沙软套的边缘与水槽边壁及铺沙导轨上表面保持贴紧。

具体地，所述铺沙导轨为矩形平板，其高度与床沙厚度相同，两侧铺沙导轨顶部平行且高程相同。当水槽铺沙段较长时，可用多块矩形平板对接，并保证铺沙导轨接缝顶部平整。

具体地，所述铺沙臂为两根平行杆件，铺沙臂加固杆安装于两根平行杆件之间，以保证结构的刚性；所述铺沙臂与固定横杆连接处设置槽形通孔，用螺栓加以固定，铺沙臂可以绕螺栓转动，通过松动螺栓可以调整铺沙平板与铺沙导轨顶部紧密贴合。

使用上述装置快速铺平水槽床沙的方法，是将床沙及铺沙平板淹没于水下，调整好各处部件后缓慢移动测车，带动铺沙平板在铺沙导轨上滑动，将床沙铺平。

该方法具体包括以下步骤：

步骤1，对床沙进行粗略铺平后，缓慢加水淹没床沙，震动密实并排除床沙中的气泡；

步骤2，移动测车将铺沙平板定位至铺沙段的一端，调整各处结构使铺沙平板紧贴在铺沙导轨上，紧固各连接件，在铺沙平板运动方向一侧的前缘散布一定量床沙，使其高出铺沙导轨顶部；

步骤3，缓慢移动测车，带动铺沙平板将床沙铺平。

在整个铺平过程中，须始终保持铺沙平板前缘床沙高于铺沙导轨顶部高程，且铺沙平板刮起的余沙不应落在铺沙平板的后方床面，必要时人工辅助。

有益效果：铺沙精度大大提高，且在铺沙平板及铺沙导轨等标准件的作用下，铺沙效果可重复性高，这为优质实验数据的获取奠定了基础；并且装置操作简单，相比常规的手动铺沙方法，节约时间一倍以上。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术方案的技术特征所带来的优点外，本发明的一种快速铺平水槽床沙的装置与方法所能解决的其他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1 是本发明实施例中铺沙装置整体示意图；

图2 是图1的左视图；

图3 是铺沙板主要部件的俯视图；

图4 是密闭导沙软套的结构示意图；

图5是图4的A-A剖视图；

图6是图4的B-B剖视图；

其中：1床沙；21铺沙平板，22密封导沙软套，23加筋横杆，24转接杆，25固定角件，26固定螺栓，27导向轮，28导沙齿条，29双向电机；31测车，32固定横杆，33铺沙臂，34铺沙臂加固杆；41铺沙导轨，42铺沙导轨接缝，43测车导轨，44测车轮，45水槽边壁。

具体实施方式

实施例

本实施例的快速铺平水槽床沙的装置如图1和图2所示，主要由铺沙板组件、铺沙导轨41和测车31组件组成；铺沙板组件主体为铺沙平板21，垂直于水槽边壁45横放在铺沙导轨41和床沙1上，两端安装导向轮27，端部与水槽边壁45之间的空隙用密封导沙软套22包住，上部安装两根加筋横杆23，保证铺沙平板21的刚性和平整度，并通过转接杆24、铺沙臂33和固定横杆32与测车31连接；测车31放置于水槽边壁45上方测车导轨43上；铺沙导轨41紧贴水槽边壁45内侧设置。使用装置铺平床沙1时，将床沙1及铺沙平板21淹没于水下，调整好各处部件后缓慢移动测车31，带动铺沙平板21在铺沙导轨41上滑动，从而将床沙1铺平。

如图3-图6所示， 铺沙平板21长度L、铺沙导轨41厚度d与水槽有效宽度B的关系为： L=B-d+δ，δ为一较小的尺寸，该式保证装置运行时，铺沙平板21不从铺沙导轨41上掉落；铺沙平板21上方对称设置导沙齿条28，由双向电机29带动，与密封导沙软套22一起，用于调整铺沙平板21刮起的余沙在横向的分布；铺沙平板21两端安装导向轮27，便于铺沙平板21平顺移动；在贴紧水槽边壁45及铺沙导轨41的位置，密封导沙软套22的正常尺寸稍微超出玻璃边壁，从而在安装后可以利用挤压实现密封作用，避免沙粒进入空隙造成卡死，并且在压紧后，密封导沙软套22的边缘与水槽边壁45及铺沙导轨41上表面保持贴紧。

铺沙导轨41为矩形平板，其高度与床沙1厚度相同，两侧铺沙导轨41顶部平行且高程相同；当水槽铺沙段较长时，可用多块矩形平板对接，并保证铺沙导轨接缝42顶部平整。

铺沙臂33为两根平行的杆件，二者之间设置铺沙臂加固件34进行加固，以保证结构的刚性；铺沙臂33与固定横杆32连接处设置槽形通孔，用螺栓加以固定，铺沙臂33可以绕螺栓转动，且通过松动螺栓可以调整铺沙平板21与铺沙导轨41顶部紧密贴合。

使用装置铺平床沙1须在水下进行，具体操作步骤如下：

①对床沙1进行粗略铺平后，缓慢加水淹没床沙1，震动密实并排除床沙1中的气泡；

②移动测车31将铺沙平板21定位至铺沙段的一端，调整各处结构使铺沙平板21紧贴在铺沙导轨41上，紧固各连接件，在铺沙平板21运动方向一侧的前缘散布一定量床沙1，使其高出铺沙导轨41顶部；

③缓慢移动测车31，带动铺沙平板21将床沙1铺平；

④在整个铺平过程中，须始终保持铺沙平板21前缘床沙1高于铺沙导轨41顶部高程，且铺沙平板21刮起的余沙不应落在铺沙平板21的后方床面；必要时可人工辅助。

为检验本发明的效果，在宽度为1.2m的玻璃水槽内进行了铺沙效果试验。铺沙段长度为6m，位于水槽中部，床沙为粒径均匀的白色石英砂，粒径为0.74mm，铺沙厚度为15cm。在使用本专利装置进行铺沙之前，都是利用平板手动刮平，完成一次铺沙大约需要6个小时，虽然期间可以加水观察后进行微调，但微调的力度难于把控，最终在加水之后还是可以明显看出床面平整度很差，高程的极差可以达到厘米级。

在同样的条件下，利用本发明的装置进行铺沙，一次即可完成铺沙作业，所需时间（含准备时间）约为2.5小时，铺沙时间大大缩短，更重要的是铺沙的精度大为提高。为定量描述本专利的铺沙精度，在48cm×40cm的范围内以4cm×4cm划分网格，利用同一测车上的声学多普勒测速仪进行距离测量，共测143点，如表1所示。分析可知，测距数值的均值为20.83cm，极差为0.25cm（20.95-20.70），均方差为0.056，对应方差为0.003。

由以上检验及分析可见，本专利装置的铺沙平整度非常高，且比手动铺沙方法节约一倍以上的时间。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种快速铺平水槽床沙的装置，包括铺沙板组件、铺沙导轨和测车，其特征在于：

所述铺沙导轨紧贴水槽边壁内侧设置；

所述测车放置于水槽边壁上方的测车导轨上；

所述铺沙板组件包括铺沙平板、导向轮、密封导沙软套、加筋横杆、转接杆、铺沙臂和固定横杆，所述铺沙平板垂直于水槽边壁，所述导向轮安装在铺沙平板的两端，所述导向轮放于水槽内床沙的两侧的铺沙导轨上，所述密封导沙软套安装于铺沙平板端部与水槽边壁之间，所述加筋横杆、转接杆、铺沙臂和固定横杆依次连接于铺沙平板顶部与测车之间；

所述铺沙平板淹没于水槽的水下，测车通过铺沙臂带动铺沙平板在铺沙导轨上滑动，将床沙铺平。

2. 根据权利要求1所述的一种快速铺平水槽床沙的装置，其特征在于：所述铺沙平板长度L、铺沙导轨厚度d与水槽有效宽度B的关系为： L=B-d/2，d取8-10mm，保证装置运行时，铺沙平板不从铺沙导轨上掉落。

3.根据权利要求1所述的一种快速铺平水槽床沙的装置，其特征在于：所述铺沙平板上方对称设置导沙齿条，由双向电机带动，用于调整铺沙平板刮起的余沙在横向的分布；所述密封导沙软套的边缘与水槽边壁及铺沙导轨上表面保持贴紧。

4.根据权利要求1所述的一种快速铺平水槽床沙的装置，其特征在于：所述铺沙导轨为矩形平板，其高度与床沙厚度相同，两侧铺沙导轨顶部平行且高程相同。

5.根据权利要求1所述的一种快速铺平水槽床沙的装置，其特征在于：所述加筋横杆安装于铺沙平板上部，用于保证铺沙平板的平整度；所述铺沙臂为两根平行杆件，铺沙臂加固杆安装于两根平行杆件之间，用于保证结构的刚性；所述铺沙臂与固定横杆通过槽形通孔及螺栓连接。

6.使用权利要求1所述的一种快速铺平水槽床沙的装置快速铺平水槽床沙的方法，其特征在于：将床沙及铺沙平板淹没于水下，调整好各处部件后缓慢移动测车，带动铺沙平板在铺沙导轨上滑动，将床沙铺平。

7.根据权利要求6所述的快速铺平水槽床沙的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1，对床沙粗略铺平后，缓慢加水淹没床沙，震动密实并排出床沙中的气泡；

步骤2，移动测车将铺沙平板定位至铺沙段的一端，调整各处结构使铺沙平板紧贴在铺沙导轨上，紧固各连接件，在铺沙平板运动方向一侧的前缘散布一定量床沙，使其高出铺沙导轨顶部；

步骤3，缓慢移动测车，带动铺沙平板将床沙铺平。

8.根据权利要求6所述的快速铺平水槽床沙的方法，其特征在于：在整个铺平过程中，须始终保持铺沙平板前缘床沙高于铺沙导轨顶部高程，且铺沙平板刮起的余沙不应落在铺沙平板的后方床面，必要时人工辅助。