CN109029916A - 一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法，包括矩形水槽和蓄水槽，两者之间通过循环管道联通形成顺时针水流的水循环结构，在进水方向，蓄水槽和矩形水槽之间布设水泵，在出水方向，矩形水槽和蓄水槽之间安装阀门；还包括顶推结构，其内安设用于待检测的土样，检测结构，用于检测泥沙冲刷特性；前述的检测结构与顶推结构构成自反馈循环回路；本发明提供了一种能实时监测土样表面冲刷形态、计算壁面切应力和土样表面冲刷平均损失量、自反馈调整土样高度的较高精确度的泥沙冲刷率测量系统，同时本发明还能获得冲刷土样表面的水流紊动特性，为泥沙冲刷特性机理研究提供数据基础。

Description

一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法，属于模型试验观测技术领域。

背景技术

沙土表面的泥沙冲刷与侵蚀是水工建筑物破坏，河床演变的主要原因，合理测定泥沙的冲刷特性具有重要的工程和科学价值。由于泥沙运动的复杂性，目前工程科学界任然很难建立理论公式对其运动特性进行推演，多采用大量物理模型试验来测定沙土表面的冲刷率对相关冲刷防护工程进行指导，冲刷率的测量在于标定不同水流强度条件下单位时间内沙土表层泥沙的损失速度(水流强度一般指沙土壁面切应力，这个参数反映的是水流对壁面的剪切力，一般可以通过测量或相关水力学经验公式求得)。

目前测量泥沙冲刷率的仪器，基本采用手动或电动圆筒顶推装置配合水槽试验进行测量，例如申请号：201420731666.X的一种明渠基岩冲刷模型试验装置，所测定的土样冲刷率仅能以平均水流速度予以对应，无法合理给出对应的沙土壁面切应力，以进行泥沙冲刷特性的深度机理研究；

此外，现有顶推式冲刷率测量设备，例如申请号：201310168885.1的小型固结粘性泥沙起动测量系统，对于顶推速度的控制仍依赖靠肉眼判断，采用手动或人工操控电机调节土样高度，精确度难以达到，测量结果存在较多不确定性。

由此可见，现有的对于泥沙冲刷率的测量装置还是不完善的。

发明内容

本发明提供一种自反馈泥沙冲刷率测量系统及测量方法，提供了一种能实时监测土样表面冲刷形态、计算壁面切应力和土样表面冲刷平均损失量、自反馈调整土样高度的较高精确度的泥沙冲刷率测量系统，同时本发明还能获得冲刷土样表面的水流紊动特性，为泥沙冲刷特性机理研究提供数据基础。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：包括矩形水槽和蓄水槽，两者之间通过循环管道联通形成顺时针水流的水循环结构，在进水方向，蓄水槽和矩形水槽之间布设水泵，在出水方向，矩形水槽和蓄水槽之间安装阀门；

还包括顶推结构，其内安设用于待检测的土样，顶推结构布设在矩形水槽下方，且其顶部开口端与矩形水槽底面密封贯通，测量时顶推结构将土样向矩形水槽内推送；

检测结构，用于检测泥沙冲刷特性，其包括水槽三维冲刷形貌测量装置、测压结构、电磁流量计和PIV测速装置，其中，水槽三维冲刷形貌测量装置架设在矩形水槽上方，测压结构布设在靠近顶推结构的循环管道上，在靠近水泵的循环管道处安装电磁流量计，PIV测速装置布设在矩形水槽上方，且位于顶推结构中轴线上；

前述的检测结构与顶推结构构成自反馈循环回路；

作为本发明的进一步优选，前述的顶推结构包括顶部呈开口状的土样筒，开口端与矩形水槽底部联通，其内滑动连接顶推活塞，土样置于土样筒内；

前述的水槽三维冲刷形貌测量装置包括两台参数相同的工业相机，两者架设在矩形水槽上方，且两台工业相机之间的连接线中心位于土样筒的中轴线上；

测压结构包括第一测压管和第二测压管，分别布设在顶推结构两侧的进水方向、出水方向的循环管道上；

PIV测速装置的光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供；

作为本发明的进一步优选，置于土样筒内的土样其表面与矩形水槽的底面之间的距离为0mm-3mm；

作为本发明的进一步优选，钢架架设在矩形水槽正上方，其两端向外侧延伸安装托盘，托盘内布设工业相机；

作为本发明的进一步优选，土样筒的开口端通过橡胶圈密封；

作为本发明的进一步优选，第一测压管和第二测压管之间的距离为土样筒直径的2-3倍；

一种自反馈泥沙冲刷率测量系统的测量方法，包括以下步骤：

第一步，安装系统，循环管道顺次联通蓄水槽、水泵、电磁流量计、矩形水槽和阀门，形成顺时针水流的水循环结构，在矩形水槽底部开设孔洞，顶推结构的土样筒开口端与孔洞贯通，且通过橡胶圈密封，矩形水槽上方架设钢架，钢架两端向外侧延伸，延伸端分别安装固定托盘，托盘内分别布设参数相同的工业相机，在顶推结构两侧的循环管道上分别布设第一测压管和第二测压管，在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上架设PIV测速装置，其光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供；

第二步，泥沙颗粒运动情况监测，位于土样筒中轴线上方的激光发射装置向矩形水槽发出激光作为PIV测速装置的光源，测出水流实时流速，架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机对矩形水槽内泥沙颗粒的运动情况进行视频图像录入，同时传输至计算机，测得土样表面水流紊动强度，计算机将信息传送至顶推结构，以确定顶推结构的顶推活塞是否向矩形水槽方向推动；

第三步，壁面切应力计算，将土样筒的进水方向、出水方向的边界分别标示为第二断面、第三断面，第一测压管、第二测压管所在断面分别标示为第一断面、第四断面，第一断面与第二断面、第二断面与第三断面、第三断面与第四断面、第一断面与第四断面之间的间距分别为l₁₂、l₂₃、l₃₄、l₁₄

土样筒内不放置土样，在稳定流量下测定矩形水槽壁面切应力其中，ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，Δh′₁₄为不放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；

土样筒内放置土样，顶推结构的顶推活塞向矩形水槽方向顶推，开始泥沙冲刷实验，在稳定流量下，得出第一断面和第四断面之间的平均断面切应力为其中，ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，Δh₁₄为放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；由第一断面、第四断面之间的受力平衡分析推导出泥沙冲刷区第二断面和第三断面之间的等效切应力B表示矩形水槽断面的宽度，H表示矩形水槽断面的高度；

第四步，流量读取，电磁流量计实时读取流量，流量大小由阀门控制；

结合上述测得水流流速、壁面切应力数据，从而获取与冲刷率相关性数据，完成测量实验；

作为本发明的进一步优选，架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机获取土样表面照片后建立土样表面的数字高程模型，通过数字高程模型的平均高程与初始高程获得土样实时冲刷量，从而取得平均冲刷量，前述的平均冲刷量等于单位时间内顶推活塞的顶推高度；

作为本发明的进一步优选，土样筒内土样的表面高度与水槽底部保持0mm-3mm的距离。

通过以上技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明土样管可直接采样，以保证最小的土样扰动；工业相机实时测量并计算出土样表面的三维冲刷形貌及平均冲刷量，并反馈给顶推模块以确定顶推装置是否向上推动土样筒内的土样以保证冲刷率测量的精确度；土样的平均冲刷率由顶推结构与检测结构协同计算，等于单位时间内的顶推高度；

本发明自动化程度高，集成三维冲刷形貌测量技术，PIV紊动流场和壁面切应力测量功能，可精准输出水流流速、壁面切应力与冲刷率相关性数据，在泥沙冲刷研究中具有较高的应用价值。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的优选实施例的整体结构示意图；

图2是本发明的优选实施例的矩形水槽剖视图；

图3是本发明的优选实施例的矩形水槽俯视图；

图4是本发明的优选实施例计算壁面切应力时断面的设定示意图；

图5是本发明的优选实施例的各结构之间相互作用示意图。

图中：1为土样筒，2为第一测压管，3为第二测压管，4为激光，5为电磁流量计，6为水泵，7为循环管道，8为矩形水槽，9为蓄水槽，10为工业相机，11为托盘，12为钢架，13为土样，14为顶推结构，15为阀门，16为第一断面，17为第二断面，18为第三断面，19为第四断面。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1-图5所示，本发明包括以下特征部件：1为土样筒，2为第一测压管，3为第二测压管，4为激光，5为电磁流量计，6为水泵，7为循环管道，8为矩形水槽，9为蓄水槽，10为工业相机，11为托盘，12为钢架，13为土样，14为顶推结构，15为阀门，16为第一断面，17为第二断面，18为第三断面，19为第四断面。

图1所示，本发明的一种自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：包括矩形水槽和蓄水槽，两者之间通过循环管道联通形成顺时针水流的水循环结构，在进水方向，蓄水槽和矩形水槽之间布设水泵，在出水方向，矩形水槽和蓄水槽之间安装阀门；前述的矩形水槽为封闭的有机玻璃管道水槽；

图2所示，还包括顶推结构，其内安设用于待检测的土样，顶推结构布设在矩形水槽下方，且其顶部开口端与矩形水槽底面密封贯通，测量时顶推结构将土样向矩形水槽内推送；

检测结构，用于检测泥沙冲刷特性，其包括水槽三维冲刷形貌测量装置、测压结构、电磁流量计和PIV测速装置，其中，水槽三维冲刷形貌测量装置架设在矩形水槽上方，测压结构布设在靠近顶推结构的循环管道上，在靠近水泵的循环管道处安装电磁流量计，PIV测速装置布设在矩形水槽上方，且位于顶推结构中轴线上；

前述的检测结构与顶推结构构成自反馈循环回路；

作为本发明的进一步优选，前述的顶推结构包括顶部呈开口状的土样筒，开口端与矩形水槽底部联通，其内滑动连接顶推活塞，土样置于土样筒内；

图3所示，前述的水槽三维冲刷形貌测量装置包括两台参数相同的工业相机，两者架设在矩形水槽上方，且两台工业相机之间的连接线中心位于土样筒的中轴线上；

测压结构包括第一测压管和第二测压管，分别布设在顶推结构两侧的进水方向、出水方向的循环管道上，用以测量泥沙冲刷区土样表面的等效切应力；

PIV测速装置的光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供；

作为本发明的进一步优选，置于土样筒内的土样其表面与矩形水槽的底面之间的距离为0mm-3mm；

作为本发明的进一步优选，钢架架设在矩形水槽正上方，其两端向外侧延伸安装托盘，托盘内布设工业相机；用已知高度和长度的铝块进行率定，不改变工业相机的位置，对土样筒顶部的泥沙进行实时拍摄，同时将图片传入电脑分析处理得到实时地形；

作为本发明的进一步优选，土样筒的开口端通过橡胶圈密封；

作为本发明的进一步优选，第一测压管和第二测压管之间的距离为土样筒直径的2-3倍；这个距离能够较好的反映土样筒上下游的压力值，同时也不会过近，避免了泥沙对水流结构的过分扰动作用而引起测点处读数发生剧烈脉动。

图5所示，一种自反馈泥沙冲刷率测量系统的测量方法，包括以下步骤：

第一步，安装系统，循环管道顺次联通蓄水槽、水泵、电磁流量计、矩形水槽和阀门，形成顺时针水流的水循环结构，在矩形水槽底部开设孔洞，顶推结构的土样筒开口端与孔洞贯通，且通过橡胶圈密封，矩形水槽上方架设钢架，钢架两端向外侧延伸，延伸端分别安装固定托盘，托盘内分别布设参数相同的工业相机，在顶推结构两侧的循环管道上分别布设第一测压管和第二测压管，在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上架设PIV测速装置，其光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供；

第二步，泥沙颗粒运动情况监测，位于土样筒中轴线上方的激光发射装置向矩形水槽发出激光作为PIV测速装置的光源，测出水流实时流速，架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机对矩形水槽内泥沙颗粒的运动情况进行视频图像录入，同时传输至计算机，测得土样表面水流紊动强度，计算机将信息传送至顶推结构，以确定顶推结构的顶推活塞是否向矩形水槽方向推动；

第三步，壁面切应力计算，图4所示，将土样筒的进水方向、出水方向的边界分别标示为第二断面、第三断面，第一测压管、第二测压管所在断面分别标示为第一断面、第四断面，第一断面与第二断面、第二断面与第三断面、第三断面与第四断面、第一断面与第四断面之间的间距分别为l₁₂、l₂₃、l₃₄、l₁₄。

土样筒内不放置土样，在稳定流量下测定矩形水槽壁面切应力其中，ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，Δh₁₄为不放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；

土样筒内放置土样，顶推结构的顶推活塞向矩形水槽方向顶推，开始泥沙冲刷实验，在稳定流量下，得出第一断面和第四断面之间的平均断面切应力为其中，ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，Δh₁₄为放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；由第一断面、第四断面之间的受力平衡分析推导出泥沙冲刷区第二断面和第三断面之间的等效切应力B表示矩形水槽断面的宽度，H表示矩形水槽断面的高度；

第四步，流量读取，电磁流量计实时读取流量，流量大小由阀门控制；

结合上述测得水流流速、壁面切应力数据，从而获取与冲刷率相关性数据，完成测量实验；

作为本发明的进一步优选，架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机获取土样表面照片后建立土样表面的数字高程模型，通过数字高程模型的平均高程与初始高程获得土样实时冲刷量，从而取得平均冲刷量，前述的平均冲刷量等于单位时间内顶推活塞的顶推高度；

作为本发明的进一步优选，土样筒内土样的表面高度与水槽底部保持0mm-3mm的距离。

需要说明的是，冲刷形貌测量装置中的两台工业相机实时测量并计算出土样表面的三维冲刷形貌及平均冲刷量，并反馈给顶推结构以确定顶推结构是否向上推动土样筒内的土样；其中，土样表面三维冲刷形貌的实时测量采用现有较为成熟的数字摄影形貌测量技术进行，利用两台工业相机所获得的土样表面照片建立土样表面的数字高程模型，再通过数字高程模型的平均高程与初始平均高程之差获得土样的实时冲刷量。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本申请所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本申请中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：包括矩形水槽和蓄水槽，两者之间通过循环管道联通形成顺时针水流的水循环结构，在进水方向，蓄水槽和矩形水槽之间布设水泵，在出水方向，矩形水槽和蓄水槽之间安装阀门；

还包括顶推结构，其内安设用于待检测的土样，顶推结构布设在矩形水槽下方，且其顶部开口端与矩形水槽底面密封贯通，测量时顶推结构将土样向矩形水槽内推送；

检测结构，用于检测泥沙冲刷特性，其包括水槽三维冲刷形貌测量装置、测压结构、电磁流量计和PIV测速装置，其中，水槽三维冲刷形貌测量装置架设在矩形水槽上方，测压结构布设在靠近顶推结构的循环管道上，在靠近水泵的循环管道处安装电磁流量计，PIV测速装置布设在矩形水槽上方，且位于顶推结构中轴线上；

前述的检测结构与顶推结构构成自反馈循环回路。

2.根据权利要求1所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：前述的顶推结构包括顶部呈开口状的土样筒，开口端与矩形水槽底部联通，其内滑动连接顶推活塞，土样置于土样筒内；

前述的水槽三维冲刷形貌测量装置包括两台参数相同的工业相机，两者架设在矩形水槽上方，且两台工业相机之间的连接线中心位于土样筒的中轴线上；

测压结构包括第一测压管和第二测压管，分别布设在顶推结构两侧的进水方向、出水方向的循环管道上；

PIV测速装置的光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供。

3.根据权利要求2所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：置于土样筒内的土样其表面与矩形水槽的底面之间的距离为0mm-3mm。

4.根据权利要求2所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：钢架架设在矩形水槽正上方，其两端向外侧延伸安装托盘，托盘内布设工业相机。

5.根据权利要求2所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：土样筒的开口端通过橡胶圈密封。

6.根据权利要求2所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统，其特征在于：第一测压管和第二测压管之间的距离为土样筒直径的2-3倍。

7.一种自反馈泥沙冲刷率测量系统的测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，安装系统，循环管道顺次联通蓄水槽、水泵、电磁流量计、矩形水槽和阀门，形成顺时针水流的水循环结构，在矩形水槽底部开设孔洞，顶推结构的土样筒开口端与孔洞贯通，且通过橡胶圈密封，矩形水槽上方架设钢架，钢架两端向外侧延伸，延伸端分别安装固定托盘，托盘内分别布设参数相同的工业相机，在顶推结构两侧的循环管道上分别布设第一测压管和第二测压管，在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上架设PIV测速装置，其光源由架设在矩形水槽上方且位于土样筒中轴线上的激光发射装置提供；

第二步，泥沙颗粒运动情况监测，位于土样筒中轴线上方的激光发射装置向矩形水槽发出激光作为PIV测速装置的光源，测出水流实时流速，架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机对矩形水槽内泥沙颗粒的运动情况进行视频图像录入，同时传输至计算机，测得土样表面水流紊动强度，计算机将信息传送至顶推结构，以确定顶推结构的顶推活塞是否向矩形水槽方向推动；

第三步，壁面切应力计算，将土样筒的进水方向、出水方向的边界分别标示为第二断面、第三断面，第一测压管、第二测压管所在断面分别标示为第一断面、第四断面，第一断面与第二断面、第二断面与第三断面、第三断面与第四断面、第一断面与第四断面之间的间距分别为l₁₂、l₂₃、l₃₄、l₁₄；

土样筒内不放置土样，在稳定流量下测定矩形水槽壁面切应力其中ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，为不放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；

土样筒内放置土样，顶推结构的顶推活塞向矩形水槽方向顶推，开始泥沙冲刷实验，在稳定流量下，得出第一断面和第四断面之间的平均断面切应力为其中，ρ为水的密度，R为水槽的水力半径，为放置土样条件下第一测压管和第二测压管的水头差；由第一断面、第四断面之间的受力平衡分析推导出泥沙冲刷区第二断面和第三断面之间的等效切应力B表示矩形水槽断面的宽度，H表示矩形水槽断面的高度；

第四步，流量读取，电磁流量计实时读取流量，流量大小由阀门控制；

结合上述测得水流流速、壁面切应力数据，从而获取与冲刷率相关性数据，完成测量实验。

8.根据权利要求7所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统的测量方法，其特征在于：架设在矩形水槽上方两台参数相同的工业相机获取土样表面照片后建立土样表面的数字高程模型，通过数字高程模型的平均高程与初始高程获得土样实时冲刷量，从而取得平均冲刷量，前述的平均冲刷量等于单位时间内顶推活塞的顶推高度。

9.根据权利要求8所述的自反馈泥沙冲刷率测量系统的测量方法，其特征在于：土样筒内土样的表面高度与水槽底部保持0mm-3mm的距离。