CN112630413A - 土壤管道流输沙能力模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置及方法，该土壤管道流输沙能力模拟试验装置包括土壤管道流模拟管、混合漏斗、接收容器、称重器以及多个压力传感器，土壤管道流模拟管的内壁上粘附有模拟土壤管道环境的沙粒，各压力传感器沿土壤管道流模拟管的延伸方向依次间隔设置于土壤管道流模拟管上，混合漏斗的进料口加入沙子和水流，并在混合漏斗内混合形成含沙水流，混合漏斗的出料口与土壤管道流模拟管的一端连接，土壤管道流模拟管的另一端与接收容器连接，且接收容器放置于称重器上。本申请解决了缺少定量研究土壤管道流的试验装置的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及土壤侵蚀及泥沙运移规律试验研究领域，具体而言，涉及一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置及方法。
背景技术
土壤管道流引起的土壤侵蚀过程发生在地下，具有隐蔽性且不容易被地表监测所发现，因此，在过去的研究工作中一直被忽视，但其对流域内的侵蚀产沙过程具有重要的贡献。
与地表薄层径流和沟道内的明渠流不同，土壤管道流的特性和输沙规律明显不同，特别是土壤管道内粗糙的不均匀性质，其水流特性和输沙规律会存在明显差异。在土壤管道内，当径流输沙能力达到饱和输沙能力，泥沙颗粒就会在土壤管道内发生沉积，而当沉积过程不断积累，土壤管道则会发生堵塞，进而引发堵塞处水压力不断增强，最终水压力冲开堵塞，这一过程不断循环往复，会在出水口处监测到忽大忽小的流量和差异明显的产沙量。然而目前针对这一过程的定量化机理研究相对较少，还无法通过模拟试验定量研究土壤管道流的输沙规律以及找出临界输沙能力，更无法定量描述土壤管道流的输沙过程，严重阻碍对土壤管道流的研究。
针对相关技术中缺少定量研究土壤管道流的试验装置的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置及方法，以解决缺少定量研究土壤管道流的试验装置的问题。
为了实现上述目的，本申请提供了一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置。
根据本申请的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，包括土壤管道流模拟管、对沙子和水流进行混合的混合漏斗、接收容器、称重器以及多个压力传感器，其中：
所述土壤管道流模拟管的内壁上粘附有模拟土壤管道环境的沙粒，各所述压力传感器沿所述土壤管道流模拟管的延伸方向依次间隔设置于所述土壤管道流模拟管上，所述混合漏斗的进料口加入沙子和水流，并在所述混合漏斗内混合形成含沙水流，所述混合漏斗的出料口与所述土壤管道流模拟管的一端连接，所述土壤管道流模拟管的另一端与所述接收容器连接，且所述接收容器放置于所述称重器上。
进一步的，所述土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括数据采集器和上位机，所述称重器的检测信号输出端和各所述压力传感器的检测信号输出端分别与所述数据采集器检测信号接收端电性连接，所述数据采集器与所述上位机通信连接。
进一步的，所述混合漏斗的顶部扩口端为所述混合漏斗的进料口，所述混合漏斗的底部缩口端为所述混合漏斗的出料口；
所述混合漏斗上开设有与所述混合漏斗的内部相连通的溢流口。
进一步的，所述土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括向所述混合漏斗内添加沙子的加沙装置和向所述混合漏斗内泵入水流的水泵，所述加沙装置设置于所述混合漏斗的进料口的上方，所述水泵的出水口通过输水管道与所述混合漏斗的进料口连接。
进一步的，所述土壤管道流模拟管为沿水平方向设置透明长管。
进一步的，所述土壤管道流模拟管采用透明塑料制成。
进一步的，所述土壤管道流模拟管的内壁上粘附的沙粒的粒径为0.25mm至0.35mm。
为了实现上述目的，本申请另外提供了一种土壤管道流输沙能力模拟试验方法。
根据本申请的土壤管道流输沙能力模拟试验方法，包括如下步骤：
步骤S1：向混合漏斗中以稳定的速率加入沙子，同时向所述混合漏斗中持续注入足量的水流，以在所述混合漏斗与所述土壤管道流模拟管之间保持稳定的水头高度；
步骤S2：所述混合漏斗内的沙子与水流混合形成流动的含沙水流，并获取所述含沙水流的径流含沙浓度；
步骤S3：逐渐增加所述径流含沙浓度，并记录各径流含沙浓度下的产流速率、产沙速率、所述土壤管道流模拟管进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及所述土壤管道流模拟管处于堵塞状态的持续时间；
步骤S4：改变所述混合漏斗与所述土壤管道流模拟管之间的水头高度，并依次按照所述步骤S1至所述步骤S3获取多组所述临界径流含沙浓度以及多组所述土壤管道流模拟管处于堵塞状态的持续时间；
步骤S5：对各组所述临界径流含沙浓度以及各组所述土壤管道流模拟管处于堵塞状态的持续时间进行比较，获得并分析各水头高度条件下的土壤管道流的挟沙能力。
进一步的，所述步骤S1中，向所述混合漏斗中注入足量的水流能够保证所述混合漏斗始终处于溢流状态。
进一步的，所述步骤S2中，通过称重器接取所述含沙水流，并称量所述含沙水流中的径流量和泥沙含量，进而获得所述含沙水流中的径流含沙浓度。
在本申请实施例中，在土壤管道流模拟管的内壁上粘附沙粒，用以模拟土壤管道环境，土壤管道流模拟管与混合漏斗连接，通过混合漏斗对沙子和水流进行混合并形成含沙水流，由于在土壤管道流模拟管的延伸方向依次间隔设置于多个压力传感器，含沙水流在通过土壤管道流模拟管过程中，通过透明管目测以及通过各压力传感器采集到的压力数据可实时监测土壤管道流模拟管内是否发生堵塞，并通过称重器可获取含沙水流中的径流含沙浓度、产流速率以及产沙速率，通过多组不同水头高度条件下土壤管道流模拟管进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及土壤管道流模拟管处于堵塞状态的持续时间，即可达到获取不同边界条件下土壤管道流的挟沙能力的目的，本发明对土壤管道流模拟管内不同位置的压力进行实时监测，能够动态描述土壤管道流模拟管中发生的由沉积至堵塞，再由堵塞引起压力上升至冲开堵塞位置，最后再沉积的整个过程，从而通过模拟试验的方式定量研究土壤管道流的输沙规律并顺利找出临界输沙能力，进而解决了缺少定量研究土壤管道流的试验装置的技术问题。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是本发明土壤管道流输沙能力模拟试验装置的结构示意图；
图2是本发明土壤管道流输沙能力模拟试验装置的电气结构框图；
图3是本发明土壤管道流输沙能力模拟试验装置中各压力传感器的压力值变化示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“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数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。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。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本发明及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本发明中的具体含义。
此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”、“套接”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
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申请。
实施方式一
如图1所示，本发明提供了一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置，该土壤管道流输沙能力模拟试验装置包括土壤管道流模拟管1、对沙子和水流进行混合的混合漏斗3、接收容器4、称重器8以及多个压力传感器2，其中：土壤管道流模拟管1的内壁上粘附有模拟土壤管道环境的沙粒，各压力传感器2沿土壤管道流模拟管1的延伸方向依次间隔设置于土壤管道流模拟管1上，混合漏斗3的进料口加入沙子和水流，并在混合漏斗3内混合形成含沙水流，混合漏斗3的出料口与土壤管道流模拟管1的一端连接，土壤管道流模拟管1的另一端与接收容器4连接，且接收容器4放置于称重器8上。
本发明在土壤管道流模拟管1的内壁上粘附沙粒，用以模拟土壤管道环境，土壤管道流模拟管1与混合漏斗3连接，通过混合漏斗3对沙子和水流进行混合并形成含沙水流，由于在土壤管道流模拟管1的延伸方向依次间隔设置于多个压力传感器2，含沙水流在通过土壤管道流模拟管1过程中，通过各压力传感器2采集到的压力数据可实时监测土壤管道流模拟管1内是否发生堵塞，并通过称重器8接取含沙水流，并称量含沙水流中的径流量和泥沙含量，进而获得含沙水流中的径流含沙浓度、产流速率以及产沙速率，通过改变多组不同水头高度条件下土壤管道流模拟管1进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及土壤管道流模拟管1处于堵塞状态的持续时间，即可达到获取不同边界条件下土壤管道流的挟沙能力的目的，本发明对土壤管道流模拟管1内不同位置的压力进行实时监测，能够动态描述土壤管道流模拟管1中发生的由沉积至堵塞，再由堵塞引起压力上升至冲开堵塞位置，最后再沉积的整个过程，从而通过模拟试验的方式定量研究土壤管道流的输沙规律并顺利找出临界输沙能力。
在本发明的一个可选实施例中，如图1、图2所示，土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括数据采集器7和上位机9，称重器8的检测信号输出端和各压力传感器2的检测信号输出端分别与数据采集器7检测信号接收端电性连接，数据采集器7与上位机9通信连接。称重器8以及各压力传感器2所采集到的数据分别传输至数据采集器7中，数据采集器7将接收到的数据上传质上位机9(电脑)，从而可对采集到的数据进行记录和比对，方便对试验数据进行分析。
在本发明的一个可选实施例中，如图1所示，混合漏斗3为倒锥形筒状结构，混合漏斗3的顶部扩口端为混合漏斗3的进料口，混合漏斗3的底部缩口端为混合漏斗3的出料口；混合漏斗3上开设有与混合漏斗3的内部相连通的溢流口301。在试验过程中向混合漏斗3中提供足量的水源，保证始终有水流从溢流口301溢出(即：混合漏斗3始终处于溢流状态)，以在试验过程中保证混合漏斗3与土壤管道流模拟管1之间保持稳定的水头高度。
进一步的，溢流口301与混合漏斗3的进料口之间在竖直方向上的距离可为但不限于2cm。
在本发明的一个可选实施例中，如图1所示，土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括加沙装置5和水泵6，加沙装置5设置于混合漏斗3的进料口的上方，水泵6的出水口通过输水管道与混合漏斗3的进料口连接，通过加沙装置5能够稳定的以一定速率向混合漏斗3内添加沙子，并通过水泵6向混合漏斗3内泵入足量的水流，以保证混合漏斗3始终处于溢流状态。
进一步的，如图1所示，土壤管道流模拟管1为沿水平方向设置透明长管，土壤管道流模拟管1的长度可为但不限于100cm，土壤管道流模拟管1的内径可为但不限于19mm；土壤管道流模拟管1的内壁上粘附的沙粒的粒径可为但不限于0.25mm至0.35mm。当然，土壤管道流模拟管1的长度、内径以及土壤管道流模拟管1的内壁上粘附的沙粒的粒径等参数可根据试验需要进行调整。
进一步的，土壤管道流模拟管1可采用但不限于透明塑料制成。
本发明的土壤管道流输沙能力模拟试验装置的特点及优点是：
一、该土壤管道流输沙能力模拟试验装置可以测定不同水头高度(入流流量)条件下的在土壤管道中发生淤积的临界径流含沙浓度，进而获取不同边界条件下的土壤管道流的挟沙能力。
二、该土壤管道流输沙能力模拟试验装置实现了土壤管道不同位置水压力的监测，能够动态描述土壤管道流模拟管1中发生的由沉积至堵塞，再由堵塞引起压力上升至冲开堵塞位置，最后再沉积的整个过程。
实施方式二
本发明提供了一种土壤管道流输沙能力模拟试验方法，该土壤管道流输沙能力模拟试验方法包括如下步骤：
步骤S1：向混合漏斗3中以稳定的速率加入沙子，同时向混合漏斗3中持续注入足量的水流，以在混合漏斗3与土壤管道流模拟管1之间保持稳定的水头高度；
步骤S2：混合漏斗3内的沙子与水流混合形成流动的含沙水流，并获取含沙水流中的径流含沙浓度、产流速率以及产沙速率；
步骤S3：逐渐增加径流含沙浓度，并记录产流速率、产沙速率、土壤管道流模拟管1进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及土壤管道流模拟管1处于堵塞状态的持续时间；
步骤S4：改变混合漏斗3与土壤管道流模拟管1之间的水头高度，并依次按照步骤S1至步骤S3获取多组临界径流含沙浓度以及多组土壤管道流模拟管1处于堵塞状态的持续时间；
步骤S5：对各组临界径流含沙浓度以及各组土壤管道流模拟管1处于堵塞状态的持续时间进行比较，获得并分析各水头高度条件下的土壤管道流的挟沙能力。
进一步的，步骤S1中，向混合漏斗3中足量的水流能够保证混合漏斗3始终处于溢流状态。
进一步的，步骤S2中，通过称重器8接取含沙水流，并称量含沙水流中的径流量和泥沙含量，进而获得含沙水流中的径流含沙浓度。
以下为本发明的具体实施例：
表1
表2
有以上试验数据所获取的表1和表2中的数据可知：
通过测试不同(8cm和14cm)的水头高度的土壤管道流模拟管1的输沙能力，获得径流含沙浓度、产流速率以及产沙速率等数据(其中：土壤管道的径流含沙浓度是通过加沙量以及稳定的径流量进行确定，产流速率和产沙速率是通过称重器8称重确定)，结果显示，在8cm的稳定水头高度的条件下，土壤管道流模拟管1进入堵塞状态的临界径流含沙浓度为91.4g/L至110.1g/L之间，而为14cm的稳定水头高度的条件下，土壤管道流模拟管1进入堵塞状态的临界径流含沙浓度为102.1g/L至113.2g/L之间。因此可见，随着土壤管道流流速的增加以及水头高度的增加，临界径流含沙浓度增加，土壤管道流的挟沙能力逐渐增加。
如图3所示，显示了不同位置的压力传感器2的水压力值变化(其中：图3中横坐标为时间，纵坐标为压强值)，由图可知，当土壤管道流模拟管1的内部发生堵塞时，土壤管道流模拟管1内的压力值瞬间增大，并维持在该较高的压力值附近，直至土壤管道流模拟管1内的堵塞位置被压力完全冲开。
本发明的土壤管道流输沙能力模拟试验方法的特点及优点是：
一、该土壤管道流输沙能力模拟试验方法通过检测土壤管道流模拟管1内不同位置的压力值变化，从而可获知土壤管道流模拟管1内是否发生堵塞，并通过对含沙水流中的径流量和泥沙含量进行称量，可获得含沙水流中的径流含沙浓度，通过改变多组不同水头高度条件，从而获得土壤管道流模拟管1进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及土壤管道流模拟管1处于堵塞状态的持续时间等数据，即可达到获取不同边界条件下土壤管道流的挟沙能力的目的。
二、该土壤管道流输沙能力模拟试验方法对土壤管道流模拟管1内不同位置的压力进行实时监测，能够动态描述土壤管道流模拟管1中发生的由沉积至堵塞，再由堵塞引起压力上升至冲开堵塞位置，最后再沉积的整个过程，从而通过模拟试验的方式定量研究土壤管道流的输沙规律并顺利找出临界输沙能力。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流输沙能力模拟试验装置包括土壤管道流模拟管(1)、对沙子和水流进行混合的混合漏斗(3)、接收容器(4)、称重器(8)以及多个压力传感器(2)，其中：
所述土壤管道流模拟管(1)的内壁上粘附有模拟土壤管道环境的沙粒，各所述压力传感器(2)沿所述土壤管道流模拟管(1)的延伸方向依次间隔设置于所述土壤管道流模拟管(1)上，所述混合漏斗(3)的进料口加入沙子和水流，并在所述混合漏斗(3)内混合形成含沙水流，所述混合漏斗(3)的出料口与所述土壤管道流模拟管(1)的一端连接，所述土壤管道流模拟管(1)的另一端与所述接收容器(4)连接，且所述接收容器(4)放置于所述称重器(8)上。
2.根据权利要求1所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括数据采集器(7)和上位机(9)，所述称重器(8)的检测信号输出端和各所述压力传感器(2)的检测信号输出端分别与所述数据采集器(7)检测信号接收端电性连接，所述数据采集器(7)与所述上位机(9)通信连接。
3.根据权利要求1所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述混合漏斗(3)的顶部扩口端为所述混合漏斗(3)的进料口，所述混合漏斗(3)的底部缩口端为所述混合漏斗(3)的出料口；
所述混合漏斗(3)上开设有与所述混合漏斗(3)的内部相连通的溢流口(301)。
4.根据权利要求3所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流输沙能力模拟试验装置还包括向所述混合漏斗(3)内添加沙子的加沙装置(5)和向所述混合漏斗(3)内泵入水流的水泵(6)，所述加沙装置(5)设置于所述混合漏斗(3)的进料口的上方，所述水泵(6)的出水口通过输水管道与所述混合漏斗(3)的进料口连接。
5.根据权利要求1所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流模拟管(1)为沿水平方向设置透明长管。
6.根据权利要求5所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流模拟管(1)采用透明塑料制成。
7.根据权利要求1、5或6所述的土壤管道流输沙能力模拟试验装置，其特征在于，所述土壤管道流模拟管(1)的内壁上粘附的沙粒的粒径为0.25mm至0.35mm。
8.一种土壤管道流输沙能力模拟试验方法，其特征在于，所述土壤管道流输沙能力模拟试验方法包括如下步骤：
步骤S1：向混合漏斗(3)中以稳定的速率加入沙子，同时向所述混合漏斗(3)中持续注入足量的水流，以在所述混合漏斗(3)与所述土壤管道流模拟管(1)之间保持稳定的水头高度；
步骤S2：所述混合漏斗(3)内的沙子与水流混合形成流动的含沙水流，并获取所述含沙水流中的径流含沙浓度；
步骤S3：逐渐增加所述径流含沙浓度，并记录各径流含沙浓度下的产流速率、产沙速率、所述土壤管道流模拟管(1)进入堵塞状态的临界径流含沙浓度以及所述土壤管道流模拟管(1)处于堵塞状态的持续时间；
步骤S4：改变所述混合漏斗(3)与所述土壤管道流模拟管(1)之间的水头高度，并依次按照所述步骤S1至所述步骤S3获取多组所述临界径流含沙浓度以及多组所述土壤管道流模拟管(1)处于堵塞状态的持续时间；
步骤S5：对各组所述临界径流含沙浓度以及各组所述土壤管道流模拟管(1)处于堵塞状态的持续时间进行比较，获得并分析各水头高度条件下的土壤管道流的挟沙能力。
9.根据权利要求1所述的土壤管道流输沙能力模拟试验方法，其特征在于，所述步骤S1中，向所述混合漏斗(3)中注入足量的水流能够保证所述混合漏斗(3)始终处于溢流状态。
10.根据权利要求1所述的土壤管道流输沙能力模拟试验方法，其特征在于，所述步骤S2中，通过称重器(8)接取所述含沙水流，并称量所述含沙水流的径流量和泥沙含量，进而获得所述含沙水流中的径流含沙浓度。
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