CN111236137A - 一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置及方法，该装置包括：供水装置，由控制终端控制供水流量；分水装置，与供水装置相连通，将供水装置提供的水分流匀化；水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置减小水流的流速；流速测量装置，布置在所述水流缓冲装置的外侧沙面处，测量水流经所述水流缓冲装置后的流速，并将流速数据传递给控制终端。本发明采用动床低洼区预先注水的移动式反坡涨水装置，可实现低洼盆底区的慢速反坡涨水、大幅减小对动床铺设地形的破坏。

Description

一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置及方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置及方法。

背景技术

试验室研究水流冲刷问题常采用动床河工模型试验的手段，动床区为非硬化的床沙按照河床面貌精确铺设的河床面貌形态，通过与水动力的相互作用反映河床的冲淤演变特征。试验运行前，在完成河床精准铺沙和各种准备工作后，河道为干涸状态，需要在模型中注入水体，且满足严格的起始水深条件。

注水时为避免水流对动床铺沙地形产生不必要的破坏，目前常常采用边界水泵小功率慢速供水，该方法由于操作员和现场距离较远容易导致动床地形侵蚀，特别是对于水边界处地形高、中部动床区地形较低、落差较大的类似盆地式模型，水边界慢速供水存在较大弊端，虽然水边界可提供较小的流量，但由于模型中存在水流正坡，较薄的水层依然会在重力作用下顺着斜坡自动加速，对初始铺沙地形产生一定的破坏，影响试验精度，如果盆底也处于动床区，那么破坏区块会更大，需要花费很多时间对破坏区块进行水中修补和还原，影响试验效率、精度也受影响。

因此，需要一种在高程较低的模型盆底区域进行预先单独供水，水流以较小的底沙不起动流速反坡慢速上涨，在重要动床区注入一定深度的水层后再辅以边界供水，减小正坡加速效应，提高动床沙面质量。

发明内容

本发明的目的是提供一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置及方法，以解决相关技术中存在的水边界正坡水流较易破坏动床地形的问题。

为了达到上述目的，第一方面，本发明的实施例提供一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，包括：

供水装置，由控制终端控制供水流量；

分水装置，与供水装置相连通，将供水装置提供的水分流匀化；

水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置减小水流的流速；

流速测量装置，布置在所述水流缓冲装置的外侧沙面处，测量水流经所述水流缓冲装置后的流速，并将流速数据传递给控制终端。

进一步地，所述供水装置包括清水箱、第一自吸泵和第二自吸泵，所述第一自吸泵的额定流量小于第二自吸泵的额定流量，所述第一自吸泵和第二自吸泵的入口均与清水箱相连通，出口均与所述分水装置相连通，所述第二自吸泵与变频器相连，所述变频器受控于控制终端。

进一步地，所述第一自吸泵和第二自吸泵分别通过各自的进水管从清水箱中取水。

进一步地，每个进水管上安装有阀门。

进一步地，所述第一自吸泵的出水管上连接有回水管，回水管通入清水箱。

进一步地，所述回水管上安装有阀门。

进一步地，所述分水装置包括分水盒，所述分水盒上开有供所述供水装置通入的集水孔，所述分水盒底部开有多个分水孔，每个分水孔上连接有分水管，所述分水管延伸至所述水流缓冲装置上方。

进一步地，所述分水管末端连接有软管。

进一步地，所述水流缓冲装置采用橡胶软垫，所述橡胶软垫的表面具有非光滑的波浪形条纹。

进一步地，所述流速测量装置采用流速测杆和与流速测杆相连的流速仪，流速仪接入控制终端。

第二方面，本发明实施例还提供一种河工模型动床区移动式反坡涨水方法，包括：

在动床低洼区顺深泓线方向铺设水流缓冲装置，并在其正上方搭设分水装置，在水流缓冲装置外侧沙面安放流速测量装置；

在水中插入浊度仪，启动第一自吸泵，现场监测其浊度基本不增加，手动进行第一自吸泵压力微调，使河工模型底部水位慢速抬升，直至流速测量装置能正常测量为止，关闭第一自吸泵，移出浊度仪；

通过流速测量装置获取流速数据，第二自吸泵启动，由控制终端同步获取流速数据V，当V<V0时，逐步增大第二自吸泵频率，至V>V0时，则立即停止增加，从而使得动床区底沙不起动，向动床深坑中不断注水；其中V0为底沙冲刷起动的流速；

待水面达到目标水位标识位置时，即可关闭第二自吸泵。

根据本发明的实施例，本发明的供水装置由控制终端控制供水流量，先慢速供水，直至水深达到流速测量所需的要求，进而依据底沙不起动流速，以及流速测量装置测得的流速数据，依托控制终端，控制供水装置的流量进行继续注水，经分水装置均化分水，实现动床区水位的反坡稳定上涨，使得关键动床区地形面貌稳定、不侵蚀，从而大幅减少以往通过水边界正坡供水方法对初始地形的破坏。另外水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置能很好的减小水流的流速，减少水流的扰动。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为动床河工模型沿深泓线方向立面图；

图2为本发明实施例提供的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置的结构图；

图3为图2中分水段B局部放大图；

图4为图3中分水段A-A剖面图；

图中，定床河床1、动床铺沙层2、控制终端3、变频器4、清水箱5、第一自吸泵6、第二自吸泵7、出水管8、进水管9、回水管10、阀门11、支架12、钢桥13、流速仪14、集水孔15、分水盒16、分水管17、软管18、橡胶软垫19、拉手20、支撑杆21、流速测杆22、分水段B、深泓线C、上游水边界D、下游水边界E、动床边界F、动床沙面G。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

现在，将参照附图更详细地描述根据本申请的示例性实施方式。然而，这些示例性实施方式可以由多种不同的形式来实施，并且不应当被解释为只限于这里所阐述的实施方式。应当理解的是，提供这些实施方式是为了使得本申请的公开彻底且完整，并且将这些示例性实施方式的构思充分传达给本领域普通技术人员，在附图中，为了清楚起见，有可能扩大了层和区域的厚度，并且使用相同的附图标记表示相同的器件，因而将省略对它们的描述。

图1为动床河工模型沿深泓线C方向立面图，该河工模型为一条河道的一部分，模型主体边墙和底面均由红砖、砼制作，模型为封闭体，不漏水。水流运动通过模型上游边界和下游边界两条水边界共同模拟，重点研究的动床区位于模型中部，模拟水流运动前，需向模型中注入一定深度的水体。河道中的定床河床1为硬化的水泥面，水流无法侵蚀冲刷，动床区位于河道中部，动床铺沙层2是依据床沙起动相似原理选择的模型沙，模型沙按照实际试验需求精细制作的表面形态即为动床沙面G，在常规试验水流条件下，铺沙层均可冲。如图1所示，本实例为包含上游和下游两条水边界的模型，可用来模拟潮汐和洪水水流运动对河床的冲刷，其中动床区位于江道中部，且地形相对较低，试验前注水时，水向低处流，若首先采用上游水边界D或下游水边界E处供水，加速的水流则会对动床铺沙面G产生一定的破坏，影响河床冲淤试验精度。这里针对中间动床区采用移动式的反坡涨水装置。结合试验经验尝试，一般在水位上涨至动床外侧2m附近时，边界水流的对冲对动床区地形基本不会产生底部侵蚀，因此本反坡涨水在装置的目标是对中部低洼区域预先注水至动床安全的水位为止(水面上涨至动床边界外侧2m附近)。

结合图2至图4所示，根据本发明的一实施例，提供了一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，应用于河工模型试验领域，主要为实现动床河段的模型初始、稳定注水。

这里以包含上游、下游两条水边界，可模拟潮汐和洪水动力对河床冲刷的动床模型为例进行说明如下，该装置包括：

供水装置，由控制终端控制供水流量；

分水装置，与供水装置相连通，将供水装置提供的水分流匀化；

水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置减小水流的流速；

流速测量装置，布置在所述水流缓冲装置的外侧沙面处，测量水流经所述水流缓冲装置后的流速，并将流速数据传递给控制终端。

根据本发明上述实施例，本发明的供水装置由控制终端控制供水流量，先慢速供水，直至水深达到流速测量所需的要求，进而依据底沙不起动流速，以及流速测量装置测得的流速数据，依托控制终端，控制供水装置的流量进行继续注水，经分水装置均化分水，实现动床区水位的反坡稳定上涨，使得关键动床区地形面貌稳定、不侵蚀，从而大幅减少以往通过水边界正坡供水方法对初始地形的破坏。另外水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置能很好的减小水流的流速，减少水流的扰动。

根据本发明的实施例，所述供水装置包括清水箱5、第一自吸泵6和第二自吸泵7，所述第一自吸泵6和第二自吸泵7的入口分别通过各自的进水管9与清水箱5相连通，出口分别通过各自的出水管8与所述分水装置相连通，所述第二自吸泵7与变频器4相连，所述变频器4受控于控制终端。第二自吸泵7在保证底沙基本不起动的条件下，通过变频器的控制进行相对大流量供水。

供水装置分成两路自吸泵，第一路是第一自吸泵6，其额定流量为1m³/h之内，采用手动进行频率调节，用于流速测杆22可正常工作前的慢速供水。另一路是第二自吸泵7，经变频器4与控制终端3相连，其额定流量为5～10m³/h，在保证底沙基本不起动的条件下，通过变频器的控制进行相对大流量供水。

可选地，每个进水管9上安装有阀门11，方便调节。

可选地，所述第一自吸泵6的出水管8上连接有回水管10，回水管10通入清水箱5，所述回水管10上安装有阀门11，这样可以大大增加小流量的可调度。

根据本发明的实施例，所述分水装置包括分水盒16，所述分水盒16上开有供所述供水装置通入的集水孔15，所述分水盒16底部开有5～10个分水孔，每个分水孔上连接有分水管17，管径1cm，所述分水管17末端连接有软管18，软管长度较为灵活，可适应不同高低的河床形态，各软管均配有止水夹，针对不同的模型，可以控制由不同位置的出水孔出流。所述分水管17延伸至所述水流缓冲装置上方。

根据本发明的实施例，所述供水装置和分水装置之间可以通过钢桥13连接，两端通过支架12支撑。两根出水管8均置于钢桥13上，延伸至集水孔15位置。钢桥13上沿程有多个集水孔15，以便适应不同的深槽位置，钢桥采用U型钢，宽度10～15cm。两根出水管均置于钢桥的U型槽中，延伸至集水孔15位置，水流通过管路，经集水孔汇入集水孔下方固定的分水盒16。

根据本发明的实施例，所述水流缓冲装置采用橡胶软垫19，所述橡胶软垫19的表面具有非光滑的波浪形条纹(凸起幅度5mm以上)，通过增加粗糙度利于减小水流的流速。可选的，橡胶软垫侧边有两个拉手20，方便布控。

根据本发明的实施例，所述流速测量装置采用流速测杆22和与流速测杆22相连的流速仪14，流速仪14接入控制终端3。

可选的，在集水盒16处钢桥侧边锚固一根撑杆21，流速测杆22固定于撑杆上，并插入河床上部测点处即可，旋浆顺深泓线放置。

上述的控制终端为工业控制机。

本发明的另一实施例还提供一种河工模型动床区移动式反坡涨水方法，包括以下步骤：

步骤S101，在动床低洼区顺深泓线方向铺设水流缓冲装置，并在其正上方搭设钢桥和分水装置，在水流缓冲装置外侧沙面安放流速测量装置；

步骤S102，由于流速测杆有一定的测量盲区，首先在水中插入浊度仪(图中未标识)，启动第一自吸泵6，现场监测其浊度基本不增加，手动进行第一自吸泵压力微调，使河工模型底部水位慢速抬升，直至流速测量装置能正常测量为止，关闭第一自吸泵6，移出浊度仪；

步骤S103，通过流速测量装置获取流速数据，流速探头的测量频率10s，流速值取连续5s平均，第二自吸泵7自较小频率启动，由控制终端3同步获取流速数据V，当V<V0时，逐步增大第二自吸泵7频率(每分钟的频率增幅限制在1hz之内)，至V>V0时，则立即停止增加，从而使得动床区底沙不起动，向动床深坑中不断注水；其中V0为底沙冲刷起动的流速；

步骤S104，待水面达到目标水位标识位置时，即可关闭第二自吸泵7。

在水面稳定期，移除橡胶软垫、钢桥、分水装置、流速测杆22等，从而完成了移动式反坡涨水装置的供水任务。此时水边界的常规供水已不会对动床区地形产生影响。

需要说明的是，在进行步骤试验前，需要先确定承担底沙起动判别功能的模型沙起动流速值。动床区所铺模型沙，常根据模型比尺换算的需求，选取模型沙冲刷起动特性与天然河道相似的模型沙，底沙冲刷起动的流速V0是动床试验的必备参数，在流速达到该值后，随着流速的增大底沙会不断冲刷侵蚀。常规沙一般可直接查表获取，新型沙则要由另外的起动试验提供。

变频器4和其控制的第二自吸泵7开关均安装在电路控制箱中，通过电缆线、信号线与水泵及控制终端3连接，为使水泵流量与频率的关系稳定，模型总电需配置接入稳压器。

流速仪14布置于模型外干燥处，通过信号线直接与控制终端3连接。为方便接线，用于测量流速的流速测杆22为无线式，探头上部具有可更换的充电电池和无线模块，可实时将无线信号发送至流速仪14，经信号转换后，将流速数据传输至控制终端3。控制终端3根据预先设定的不起动流速与实测流速值得比较，判定供水流量的增减，再由变频器4的频率控制，实现第二自吸泵7流量的合理调节，使得底沙在不起动的情况下，反坡注入水体，利于稳定水流。

流速测杆22固定在支撑杆21下方，垂直悬挂，下部探头置于需测量处，旋桨方向需顺水流方向放置，以便准确测量流速。

清水箱5为供水容器，上部无盖，可及时补水。其底部自带PVC管孔和阀门，水箱容积约1m³，各第二自吸泵均安放在模型外，经进水管进入水泵，再经出水管和分水装置最终汇入模型中，各水管均采用塑料软管。

除上述以外，还需要说明的是在本说明书中所谈到的“一实施例”、“另一实施例”、“实施例”等，指的是结合该实施例描述的具体特征、结构或者特点包括在本申请概括性描述的至少一个实施例中。在说明书中多个地方出现同种表述不是一定指的是同一个实施例。进一步来说，结合任一实施例描述一个具体特征、结构或者特点时，所要主张的是结合其他实施例来实现这种特征、结构或者特点也落在本发明的范围内。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，包括：

供水装置，由控制终端控制供水流量；

分水装置，与供水装置相连通，将供水装置提供的水分流匀化；

水流缓冲装置，布置在动床洼地区，分流匀化后的水通过水流缓冲装置减小水流的流速；

流速测量装置，布置在所述水流缓冲装置的外侧沙面处，测量水流经所述水流缓冲装置后的流速，并将流速数据传递给控制终端。

2.根据权利要求1所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述供水装置包括清水箱、第一自吸泵和第二自吸泵，所述第一自吸泵的额定流量小于第二自吸泵的额定流量，所述第一自吸泵和第二自吸泵的入口均与清水箱相连通，出口均与所述分水装置相连通，所述第二自吸泵与变频器相连，所述变频器受控于控制终端。

3.根据权利要求2所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述第一自吸泵和第二自吸泵分别通过各自的进水管从清水箱中取水。

4.根据权利要求3所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，每个进水管上安装有阀门。

5.根据权利要求1所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述第一自吸泵的出水管上连接有回水管，回水管通入清水箱。

6.根据权利要求1所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述分水装置包括分水盒，所述分水盒上开有供所述供水装置通入的集水孔，所述分水盒底部开有多个分水孔，每个分水孔上连接有分水管，所述分水管延伸至所述水流缓冲装置上方。

7.根据权利要求6所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述分水管末端连接有软管。

8.根据权利要求1所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述水流缓冲装置采用橡胶软垫，所述橡胶软垫的表面具有非光滑的波浪形条纹。

9.根据权利要求1所述的一种河工模型动床区移动式反坡涨水装置，其特征在于，所述流速测量装置采用流速测杆和与流速测杆相连的流速仪，流速仪接入控制终端。

10.一种河工模型动床区移动式反坡涨水方法，其特征在于，包括：

在动床低洼区顺深泓线方向铺设水流缓冲装置，并在其正上方搭设分水装置，在水流缓冲装置外侧沙面安放流速测量装置；

在水中插入浊度仪，启动第一自吸泵，现场监测其浊度基本不增加，手动进行第一自吸泵压力微调，使河工模型底部水位慢速抬升，直至流速测量装置能正常测量为止，关闭第一自吸泵，移出浊度仪；

通过流速测量装置获取流速数据，第二自吸泵启动，由控制终端同步获取流速数据V，当V<V0时，逐步增大第二自吸泵频率，至V>V0时，则立即停止增加，从而使得动床区底沙不起动，向动床深坑中不断注水；其中V0为底沙冲刷起动的流速；

待水面达到目标水位标识位置时，即可关闭第二自吸泵。

Images