CN114964710A - 一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法 - Google Patents

一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法，所述装置包括管道支架、管道支架脚垫、坡度调节支架、进水箱、实验直通管道、实验三通管道、电控阀门、实验管道出口、引流软管、管道卡箍、蓄水箱、管道超声波液位计、水泵、进水阀门、进水管、进水箱排水阀、进水箱排水管、排空阀、排空管、水泵回水阀、水泵回水管、流量计、中控箱、进水箱液位计、蓄水箱液位计、管道压力式液位计、管道坡度传感器、缺陷模拟管道。应用所述装置实现的市政排水管道缺陷仿真实验方法，具有大型化、自动化程度高、模拟参数齐全等优点，有利于探究排水管道缺陷对管道水力条件的影响，为校核排水管网水力模型参数提供科学依据。

Description

一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法
技术领域
本发明涉及管道仿真装置与方法，特别涉及一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法。
背景技术
市政排水管道是城市排水工程的重要组成部分，其具有结构复杂、规模庞大的特点，排水管网模型(如SWMM模型等)是管网规划建设及运行管理的重要工具。模型模拟受模型结构、参数和输入数据等因素影响，很多模型参数难以实测获取，而参数的不确定性是造成模型不确定的主要来源，因此参数校核的有效与否最终决定模型的应用。
排水管网中的破裂、脱节、错口、渗漏、结垢等缺陷都对管道的水力特性造成影响，量化这些缺陷对管道水力条件的影响是校核水力模型参数的关键步骤。通过构建市政排水管道缺陷仿真实验装置对管道缺陷在不同流量、坡度、水质等工况进行仿真，以获得其对管道水力条件的影响。现有的市政排水管道缺陷仿真实验装置的应用主要停留在小管径、自动化程度低、模拟参数较少的阶段，无法满足各种管道缺陷的模拟仿真需求。因此，现亟需一种大型化、自动化程度高、模拟参数齐全的市政排水管道缺陷仿真实验装置，并根据缺陷模拟需求进行相应的工作流程设计。
发明内容
本发明的目的是提供一种市政排水管道缺陷仿真实验装置与方法，其具有大型化、自动化程度高、模拟参数齐全的优点。
为了达到上述目的，本发明采用以下方案：
一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，包括管道支架、管道支架脚垫、坡度调节支架、进水箱、实验直通管道、实验三通管道、电控阀门、实验管道出口、引流软管、管道卡箍、蓄水箱、管道超声波液位计、水泵、进水阀门、进水管、进水箱排水阀、进水箱排水管、排空阀、排空管、水泵回水阀、水泵回水管、流量计、中控箱、进水箱液位计、蓄水箱液位计、管道压力式液位计、管道坡度传感器、缺陷模拟管道。所述管道支架设置在管道支架脚垫、坡度调节支架上方，所述进水箱、实验直通管道、实验三通管道、电控阀门、实验管道出口、引流软管依次相连设置在管道支架上，所述管道卡箍设置在实验直通管道、实验三通管道上方，所述蓄水箱设置在引流软管下方，所述管道超声波液位计设置在实验直通管道上距离进水箱1.25m、1.75m、2.25m、2.75m、3.25m、3.75m、4.25m、4.75m、5.25m、5.75m、6.25m、6.75m处，共计12个，所述管道压力式液位计设置在距离进水箱最近的实验三通管道里，所述水泵设置在蓄水箱旁边，所述进水管设置在水泵与进水箱之间，所述流量计、进水阀门设置在进水管上，所述进水箱排水管设置在进水箱与蓄水箱之间，所述进水箱排水阀设置在进水箱排水管上，所述排空管设置在蓄水箱出水口处，所述排空阀设置在排空管上，所述水泵回水管设置在进水管与蓄水箱之间，所述水泵回水阀设置在水泵回水管上，所述进水箱液位计、蓄水箱液位计分别设置在进水箱、蓄水箱里，所述管道坡度传感器设置在实验直通管道下方。
进一步地，所述实验直通管道、实验三通管道分别为内径300mm、厚度20mm的透明有机玻璃直管、三通，其中实验直通管道长度为2m，共有2节，分别设置在管道两端，实验三通管道长度为1m，共有4节，设置在管道中间，两者采用法兰进行连接。
进一步地，所述管道支架由5cm*5cm、厚5mm不锈钢型材焊接而成，底部中间设有8个用于调节支架高低的坡度调节支架，底部四周设置有4个用于稳定支架的管道支架脚垫。
进一步地，所述电控阀门为内径300mm、采用RS485信号控制的手自一体电动蝶阀。
进一步地，所述进水箱为长1m、宽0.67m、高1m、厚5mm的铝合金箱体，其内部设有2层穿孔整流板，通过法兰与进水管与实验直通管道相连。
进一步地，所述水泵为变频离心泵，其额定流量为120m3/h。
进一步地，所述管道坡度传感器为高精度位移传感器，量程0～100mm，精度±0.25％F.S.，共计3个，其中1号、2号传感器分别设置在进水箱与实验直通管道连接处的左右侧，用于测量管道的横向坡度，3号传感器设置在实验直通管道与电控阀门连接左侧，用于测定管道的纵向坡度。
进一步地，所述缺陷模拟管道为内径300mm、厚度20mm的透明有机玻璃三通，通过开槽、填充等手段模拟渗漏、树根、障碍物、残墙、起伏、腐蚀、破裂等管道缺陷。
应用上述装置的市政排水管道缺陷仿真实验方法，其设备整体工作流程包括：
1、设置管道缺陷：根据实验要求选取相应数量、种类的缺陷模拟管道，将对应数量的实验三通管道从管道支架上拆除，再将缺陷模拟管道安装固定，并拧紧法兰上的螺丝。
2、手动调节管道坡度：通过中控箱查看横向坡度I1、纵向坡度I2的实时数据，管道的横向坡度I1计算公式如下：
Figure BDA0003643628660000041
式中，
I1为管道横向坡度；
H1为1号坡度传感器的测量值，m；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
L1为1、2号坡度传感器之间的距离，m。
管道的纵向坡度I2计算公式如下：
Figure BDA0003643628660000042
式中，
I2为管道纵向坡度；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
H3为3号坡度传感器的测量值，m；
L2为2、3号坡度传感器之间的距离，m。
先将管道支架脚垫向上调节至最高点，然后调节坡度调节支架的高度，使纵向坡度I2达到实验所需要的数值，同时使横向坡度I1的数值保持为0。
3、设置运行参数：在中控箱设置运行参数，包括模拟缺陷数量与种类、流速V、模拟时长T、管道坡度I、坡度允许偏差Idev、管径D、管道充满度R、充满度允许偏差Rdev、电控阀门初始开度A0、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3，设置完成后启动运行程序。各个参数的设置范围及默认值为：
流速V：结合流量上限100m3/h、管径、管道充满度计算流速上限，默认值0.1，单位m/h；
模拟时长T：0至720，默认值120，单位min；
管道坡度I：-0.01至0.01，默认值0.001，无量纲；
坡度允许偏差Idev：0.0001至0.001，默认值0.0005，无量纲；
管径D：200至400，默认值300，单位mm；
管道充满度R：0至0.1，默认值0.01，无量纲；
充满度允许偏差Rdev：0至1，默认值0.
电控阀门初始开度A0：0至100，默认值100，单位％；
进水箱液位上限Hmax1：0至1，默认值0.95，单位m；
蓄水箱液位下限Hmin2：0至1.5，默认值0.4，单位m；
管道液位上限Hmax3：0至1，默认值0.95，单位m。
4、初始参数运行：启动后程序按用户设置的流量Q、电控阀门初始开度A0参数运行。
5、自动调节电控阀门开度：持续读取管道超声波液位计的监测数值，计算各个断面液位离散系数Ci，i＝1,2,3…12：
Figure BDA0003643628660000061
Figure BDA0003643628660000062
Figure BDA0003643628660000063
式中，
Ci为第i个断面的液位的离散系数，i＝1,2,3…12，无量纲；
Figure BDA0003643628660000064
为第i个断面的液位不同时间监测数据的平均值，i＝1,2,3…12，mm；
Hi，1、Hi，2、Hi，3为第i个断面的液位最新的3个监测数据，i＝1,2,3…12，mm；
σi为第i个断面的液位不同时间监测数据的标准差，i＝1,2,3…12，无量纲。
若各个断面液位离散系数Ci最大值不超过0.01，则认为管道液位稳定，计算管道平均液位
Figure BDA0003643628660000065
Figure BDA0003643628660000066
Figure BDA0003643628660000067
为管道平均液位，mm。
若
Figure BDA0003643628660000068
则加大电控阀门的开度，若
Figure BDA0003643628660000069
则减小电控阀门的开度，调节电控阀门开度后重新等待管道液位稳定，直至将电控阀门开度调整至
Figure BDA00036436286600000610
则认为管道液位达到控制范围。
6、持续运行程序：管道液位达到控制范围后，程序持续运行，用户记录实验所需的数据，当运行时间达到模拟时长T或者用户自行终止程序，则结束程序，完成模拟实验。
进一步地，上述流程所有运行步骤均执行以下安全监控流程：
1、获取相关运行参数：获取管道坡度I、坡度允许偏差Idev、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3的设置值。
2、持续采集坡度传感器数据：持续获取管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的监测值。
3、管道坡度偏差检测：判断管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2数值是否存在偏差，当I1＞0.001或者I1＜-0.001，则触发管道横向坡度存在偏差警告；当I2-I＞Idev或者I2-I＜-Idev，则触发管道纵向坡度存在偏差警告。
4、管道坡度稳定性检测：若管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的连续3个监测值变化量超过0.0001，则触发管道坡度不稳定警告。
5、液位安全性检测：持续获取进水箱液位H进、蓄水箱液位H蓄、管道压力式液位H管，若H进≥Hmax1，则触发进水箱液位过高报警；若H蓄≤Hmin2，则触发蓄水箱液位过低报警；若H管≥Hmax3，则触发管道液位过高报警。
S306报警保护：当系统触发管道坡度不稳定报警与液位报警时，系统自动关闭水泵，并将电控阀门的开度调节至最大值，结束程序。
附图说明
图1为本发明所述的市政排水管道缺陷仿真实验装置顶面视图；
图2为本发明所述的市政排水管道缺陷仿真实验装置正面视图；
图3为本发明所述的市政排水管道缺陷仿真实验方法的整体工作流程图。
图4为本发明所述的市政排水管道缺陷仿真实验方法的安全监控流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明提供一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，包括管道支架101、管道支架脚垫102、坡度调节支架103、进水箱104、实验直通管道105、实验三通管道106、电控阀门107、实验管道出口108、引流软管109、管道卡箍110、蓄水箱111、管道超声波液位计112、水泵113、进水阀门114、进水管115、进水箱排水阀116、进水箱排水管117、排空阀118、排空管119、水泵回水阀120、水泵回水管121、流量计122、中控箱123、进水箱液位计124、蓄水箱液位计125、管道压力式液位计126、管道坡度传感器127、缺陷模拟管道128。
为了保证装置的整体稳定性，管道支架101由5cm*5cm、厚5mm不锈钢型材焊接而成，总长度为9.4m，用于支撑进水箱104、实验直通管道105、实验三通管道106、电控阀门107、实验管道出口108、引流软管109等部件，上述部件按“进水箱104-实验直通管道105-实验三通管道106-实验直通管道105-电控阀门107-实验管道出口108-引流软管109”的顺序进行连接。
本发明提供的市政排水管道缺陷仿真实验装置的实验管道设计长度为8m，分别有2节2m长的实验直通管道105、4节1m长的实验三通管道106组成，其中实验直通管道105分布在管道的两端，两者均由内径300mm、厚度20mm的有机玻璃管组成，通过法兰进行连接，使用半圆形的管道卡箍110固定在管道支架101上。
为了使上述装置能够模拟各种排水管道缺陷，缺陷模拟管道128采用模块化设计，在实验三通管道106的基础上，通过开槽、填充等手段模拟渗漏、树根、障碍物、残墙、起伏、腐蚀、破裂等管道缺陷，当使用需要模拟管道缺陷，只需将缺陷模拟管道128替换实验三通管道106。
为了使上述装置能够稳定模拟排水管道各个坡度的工况，管道支架101底部两侧设置有8个坡度调节支架103，每一侧设有4个，其由举升质量不低于2t的千斤顶组成，通过调节各个支架的高度以设置不同的实验坡度。另外，管道支架101底部四周各设置有1个管道支架脚垫102，共计4个，其通过M20螺杆与管道支架101连接，通过旋转调节其纵向位置，完成坡度调节后将道支架脚垫102旋转至与地面接触，以增强管道支架101的稳定性。
本发明提供的市政排水管道缺陷仿真实验装置采用循环方式模拟液体在管道内的流动，具体方法是在引流软管109下方设置蓄水箱111，为了水量模拟需求，蓄水箱111采用容积不低于2m3的塑料水箱，蓄水箱111旁设置有水泵113，其为额定流量120m3/h的变频离心泵，以满足不同流量的模拟。水泵113与进水箱104之间设置有DN150、PVC材质的进水管115。进行模拟实验时，水泵113将蓄水箱111的水加压输送至进水箱104，水经过进水箱104的整流后流入由实验直通管道105与实验三通管道106组成的实验管道，再经由电控阀门107、实验管道出口108、以及90°的引流软管109流回至蓄水箱111。
优选地，进水箱104为长1m、宽0.67m、高1m、厚5mm的铝合金箱体，其内部设有2层穿孔整流板，已达到较好的缓冲和整流作用，通过法兰与进水管115与实验直通管道105相连。
为了使上述装置能够模拟低流速、高充满度的工况，第2节实验直通管道105末端设置有电控阀门107，用于产生管道局部阻力，依次模拟实际排水管道的下游高水位顶托工况，优选地，电控阀门107为内径300mm、采用RS485信号控制的手自一体电动蝶阀，可通过程序或者手动调节不同的阀门开度。
为了满足装置的实验与自动化控制需求，其设有中控箱123以及各种传感器，其中中控箱123内设有带串口数据采集、触控功能的工控电脑，在实验直通管道105、实验三通管道106上距离进水箱1041.25m、1.75m、2.25m、2.75m、3.25m、3.75m、4.25m、4.75m、5.25m、5.75m、6.25m、6.75m处分别设有管道超声波液位计112，共计12个，用于监测实验管道非满管工况下的液位，其量程为30～300mm，精度为±0.1％F.S.；进水管115中设有流量计122，其为DN150的管道电磁流量计，用于监测管道的液体流量，量程为0～120m3/h，精度为±0.1％F.S.；实验管道下方共设有3个管道坡度传感器127，其为高精度位移传感器，量程0～100mm，精度±0.25％F.S.，其中1号、2号坡度传感器127分别设置在进水箱104与实验直通管道105连接处的左右侧，用于测量管道的横向高度差，以计算出横向坡度，3号坡度传感器127设置在实验直通管道105与电控阀门107连接左侧，用于测量管道的纵向高度差，以计算出纵向坡度；进水箱104、蓄水箱111、距离进水箱104最近的实验三通管道106里分别设有进水箱液位计124、蓄水箱液位计125、管道压力式液位计126，用于监测进水箱104、蓄水箱111、满管工况下管道的液位，其为投入式压力液位计，量程为0～10m，精度±0.5％F.S.。
为了便于装置的日常维护，进水管115上设有进水阀门114，所进水箱104与蓄水箱111之间设有进水箱排水管117，进进水箱排水管117上设有水箱排水阀116，蓄水箱111出水口处设有排空管119，排空管119上设有排空阀118，进水管115与蓄水箱111之间设有水泵回水管121，水泵回水管(121)上设有水泵回水阀120。
参见附图3，应用上述市政排水管道缺陷仿真实验装置进行的排水管道缺陷仿真实验方法，其整体工作流程包括：
S201设置管道缺陷：根据实验要求选取相应数量、种类的缺陷模拟管道128，将对应数量的实验三通管道106从管道支架101上拆除，再将缺陷模拟管道128安装固定，并拧紧法兰上的螺丝。
优选地，缺陷模拟管道128的安装数量不超过4组，安装时，连接法兰处应使用硅胶密封垫进行密封，法兰螺丝紧固扭矩应控制在15～20N*m，当缺陷模拟管道128的数量小于4时，其安装位置应尽量远离进水箱104，以获得最佳的水力条件。
S202手动调节管道坡度：通过中控箱123查看横向坡度I1、纵向坡度I2的实时数据，数据采集频率不低于5Hz，管道的横向坡度I1计算公式如下：
Figure BDA0003643628660000121
式中，
I1为管道横向坡度；
H1为1号坡度传感器的测量值，m；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
L1为1、2号坡度传感器之间的距离，m。
管道的纵向坡度I2计算公式如下：
Figure BDA0003643628660000122
式中，
I2为管道纵向坡度；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
H3为3号坡度传感器的测量值，m；
L2为2、3号坡度传感器之间的距离，m。
先将管道支架脚垫102向上调节至最高点，然后调节坡度调节支架103的高度，调节时采用少量多次调整的原则，避免同一个调节坡度调节支架103调节量过大导致管道支架101不稳定，使纵向坡度I2达到实验所需要的数值，同时使横向坡度I1的数值保持为0，最后将管道支架脚垫102向下调节至地面，以增加管道支架101的稳定性。
S203设置运行参数：在中控箱123设置运行参数，参数至少包括模拟缺陷数量与种类、流速V、模拟时长T、管道坡度I、坡度允许偏差Idev、管径D、管道充满度R、充满度允许偏差Rdev、电控阀门初始开度A0、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3，设置完成后启动运行程序。各个参数的设置范围及默认值为：
流速V：结合流量上限100m3/h、管径、管道充满度计算流速上限，默认值0.1，单位m/h；
模拟时长T：0至720，默认值120，单位min；
管道坡度I：-0.01至0.01，默认值0.001，无量纲；
坡度允许偏差Idev：0.0001至0.001，默认值0.0005，无量纲；
管径D：200至400，默认值300，单位mm；
管道充满度R：0至0.1，默认值0.01，无量纲；
充满度允许偏差Rdev：0至1，默认值0.
电控阀门初始开度A0：0至100，默认值100，单位％；
进水箱液位上限Hmax1：0至1，默认值0.95，单位m；
蓄水箱液位下限Hmin2：0至1.5，默认值0.4，单位m；
管道液位上限Hmax3：0至1，默认值0.95，单位m。
S204初始参数运行：启动后程序按用户设置的流速V、管径D、管道充满度R计算出对应流量，启动水泵113以当前流量运行，并将电控阀门107调节至初始开度A0运行。
S205自动调节电控阀门开度：持续读取管道超声波液位计112的监测数值，计算各个断面液位离散系数Ci，i＝1,2,3…12：
Figure BDA0003643628660000141
Figure BDA0003643628660000142
Figure BDA0003643628660000143
式中，
Ci为第i个断面的液位的离散系数，i＝1,2,3…12，无量纲；
Figure BDA0003643628660000144
为第i个断面的液位不同时间监测数据的平均值，i＝1,2,3…12，mm；
Hi，1、Hi，2、Hi，3为第i个断面的液位最新的3个监测数据，i＝1,2,3…12，mm；
σi为第i个断面的液位不同时间监测数据的标准差，i＝1,2,3…12，无量纲。
若各个断面液位离散系数Ci最大值不超过0.01，则认为管道液位稳定，计算管道平均液位
Figure BDA0003643628660000145
Figure BDA0003643628660000151
Figure BDA0003643628660000152
为管道平均液位，mm。
若
Figure BDA0003643628660000153
则加大电控阀门的开度，若
Figure BDA0003643628660000154
则减小电控阀门的开度，调节电控阀门开度后重新等待管道液位稳定，直至将电控阀门开度调整至
Figure BDA0003643628660000155
则认为管道液位达到控制范围。
优选地，若当前运行流量较大，进水箱104出口处水力条件不稳定，则适当除去靠近进水箱104的管道超声波液位计112进行计算。
S206持续运行程序：管道液位达到控制范围后，程序持续运行，用户记录实验所需的数据，当运行时间达到模拟时长T或者用户自行终止程序，则结束程序，完成模拟实验。
参见附图4，为了保证装置运行的安全，上述流程S201至S206的所有运行步骤均执行以下安全监控流程：
S301获取相关运行参数：获取管道坡度I、坡度允许偏差Idev、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3的设置值。
S302持续采集坡度传感器数据：持续获取管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的监测值，采集频率为5Hz。
S303管道坡度偏差检测：判断管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2数值是否存在偏差，当I1＞0.001或者I1＜-0.001，则触发管道横向坡度存在偏差警告；当I2-I＞Idev或者I2-I＜-Idev，则触发管道纵向坡度存在偏差警告，警告形式为中控箱123的屏幕右上角进行警告图标闪烁，并提示警告类型。
S304管道坡度稳定性检测：若管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的连续3个监测值变化量超过0.0001，则触发管道坡度不稳定警告，警告形式为中控箱123的屏幕右上角进行警告图标闪烁，并提示警告类型，并发出警告音。
S305液位安全性检测：持续获取进水箱液位H进、蓄水箱液位H蓄、管道压力式液位H管，采集频率为5Hz，若H进≥Hmax1，则触发进水箱液位过高报警；若H蓄≤Hmin2，则触发蓄水箱液位过低报警；若H管≥Hmax3，则触发管道液位过高报警，警告形式均为中控箱123的屏幕右上角进行警告图标闪烁，并提示警告类型，并发出警告音。
S306报警保护：当系统触发管道坡度不稳定报警与液位报警时，系统自动关闭水泵，并将电控阀门的开度调节至最大值，结束程序。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，包括管道支架(101)、管道支架脚垫(102)、坡度调节支架(103)、进水箱(104)、实验直通管道(105)、实验三通管道(106)、电控阀门(107)、实验管道出口(108)、引流软管(109)、管道卡箍(110)、蓄水箱(111)、管道超声波液位计(112)、水泵(113)、进水阀门(114)、进水管(115)、进水箱排水阀(116)、进水箱排水管(117)、排空阀(118)、排空管(119)、水泵回水阀(120)、水泵回水管(121)、流量计(122)、中控箱(123)、进水箱液位计(124)、蓄水箱液位计(125)、管道压力式液位计(126)、管道坡度传感器(127)、缺陷模拟管道(128)。所述管道支架(101)设置在管道支架脚垫(102)、坡度调节支架(103)上方，所述进水箱(104)、实验直通管道(105)、实验三通管道(106)、电控阀门(107)、实验管道出口(108)、引流软管(109)依次相连设置在管道支架(101)上，所述管道卡箍(110)设置在实验直通管道(105)、实验三通管道(106)上方，所述蓄水箱(111)设置在引流软管(109)下方，所述管道超声波液位计(112)设置在实验直通管道(105)、实验三通管道(106)上距离进水箱(104)1.25m、1.75m、2.25m、2.75m、3.25m、3.75m、4.25m、4.75m、5.25m、5.75m、6.25m、6.75m处，共计12个，所述管道压力式液位计(126)设置在距离进水箱(104)最近的实验三通管道(106)里，所述水泵(113)设置在蓄水箱(111)旁边，所述进水管(115)设置在水泵(113)与进水箱(104)之间，所述流量计(122)、进水阀门(114)设置在进水管(115)上，所述进水箱排水管(117)设置在进水箱(104)与蓄水箱(111)之间，所述进水箱排水阀(116)设置在进水箱排水管(117)上，所述排空管(119)设置在蓄水箱(111)出水口处，所述排空阀(118)设置在排空管(119)上，所述水泵回水管(121)设置在进水管(115)与蓄水箱(111)之间，所述水泵回水阀(120)设置在水泵回水管(121)上，所述进水箱液位计(124)、蓄水箱液位计(125)分别设置在进水箱(104)、蓄水箱(111)里，所述管道坡度传感器(127)设置在实验直通管道(105)下方。
2.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述实验直通管道(105)、实验三通管道(106)分别为内径300mm、厚度20mm的透明有机玻璃直管、三通，其中实验直通管道(105)长度为2m，共有2节，分别设置在管道两端，实验三通管道(106)长度为1m，共有4节，设置在管道中间，两者采用法兰进行连接。
3.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述管道支架(101)由5cm*5cm、厚5mm不锈钢型材焊接而成，底部中间设有8个用于调节支架高低的坡度调节支架(103)，底部四周设置有4个用于稳定支架的管道支架脚垫(102)。
4.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述电控阀门(107)为内径300mm、采用RS485信号控制的手自一体电动蝶阀。
5.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述进水箱(104)为长1m、宽0.67m、高1m、厚5mm的铝合金箱体，其内部设有2层穿孔整流板，通过法兰与进水管(115)与实验直通管道(105)相连。
6.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述水泵(113)为变频离心泵，其额定流量为120m3/h。
7.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述管道坡度传感器(127)为高精度位移传感器，量程0～100mm，精度±0.25％F.S.，共计3个，其中1号、2号传感器分别设置在进水箱(104)与实验直通管道(105)连接处的左右侧，用于测量管道的横向坡度，3号传感器设置在实验直通管道(105)与电控阀门(107)连接左侧，用于测定管道的纵向坡度。
8.根据权利要求1所述的一种市政排水管道缺陷仿真实验装置，其特征在于：所述缺陷模拟管道(128)为内径300mm、厚度20mm的透明有机玻璃三通，通过开槽、填充等手段模拟渗漏、树根、障碍物、残墙、起伏、腐蚀、破裂等管道缺陷。
9.一种应用权利要求1所述装置的市政排水管道缺陷仿真实验方法，其特征在于，设备整体工作流程包括：
S201设置管道缺陷：根据实验要求选取相应数量、种类的缺陷模拟管道(128)，将对应数量的实验三通管道(106)从管道支架(101)上拆除，再将缺陷模拟管道(128)安装固定，并拧紧法兰上的螺丝。
S202手动调节管道坡度：通过中控箱(123)查看横向坡度I1、纵向坡度I2的实时数据，管道的横向坡度I1计算公式如下：
Figure FDA0003643628650000041
式中，
I1为管道横向坡度；
H1为1号坡度传感器的测量值，m；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
L1为1、2号坡度传感器之间的距离，m。
管道的纵向坡度I2计算公式如下：
Figure FDA0003643628650000042
式中，
I2为管道纵向坡度；
H2为2号坡度传感器的测量值，m；
H3为3号坡度传感器的测量值，m；
L2为2、3号坡度传感器之间的距离，m。
先将管道支架脚垫(102)向上调节至最高点，然后调节坡度调节支架(103)的高度，使纵向坡度I2达到实验所需要的数值，同时使横向坡度I1的数值保持为0，最后将管道支架脚垫(102)向下调节至地面，以增加管道支架101的稳定性。
S203设置运行参数：在中控箱(123)设置运行参数，包括模拟缺陷数量与种类、流速V、模拟时长T、管道坡度I、坡度允许偏差Idev、管径D、管道充满度R、充满度允许偏差Rdev、电控阀门初始开度A0、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3，设置完成后启动运行程序。各个参数的设置范围及默认值为：
流速V：结合流量上限100m3/h、管径、管道充满度计算流速上限，默认值0.1，单位m/h；
模拟时长T：0至720，默认值120，单位min；
管道坡度I：-0.01至0.01，默认值0.001，无量纲；
坡度允许偏差Idev：0.0001至0.001，默认值0.0005，无量纲；
管径D：200至400，默认值300，单位mm；
管道充满度R：0至0.1，默认值0.01，无量纲；
充满度允许偏差Rev：0至1，默认值0.
电控阀门初始开度A0：0至100，默认值100，单位％；
进水箱液位上限Hmax1：0至1，默认值0.95，单位m；
蓄水箱液位下限Hmin2：0至1.5，默认值0.4，单位m；
管道液位上限Hmax3：0至1，默认值0.95，单位m。
S204初始参数运行：启动后程序按用户设置的流速V、管径D、管道充满度R计算出对应流量，启动水泵(113)以当前流量运行，并将电控阀门(107)调节至初始开度A0运行。
S205自动调节电控阀门开度：持续读取管道超声波液位计(112)的监测数值，计算各个断面液位离散系数Ci，i＝1,2,3…12：
Figure FDA0003643628650000051
Figure FDA0003643628650000052
Figure FDA0003643628650000061
式中，
Ci为第i个断面的液位的离散系数，i＝1,2,3…12，无量纲；
Figure FDA0003643628650000062
为第i个断面的液位不同时间监测数据的平均值，i＝1,2,3…12，mm；
Hi，1、Hi，2、Hi，3为第i个断面的液位最新的3个监测数据，i＝1,2,3…12，mm；
σi为第i个断面的液位不同时间监测数据的标准差，i＝1,2,3…12，无量纲。
若各个断面液位离散系数Ci最大值不超过0.01，则认为管道液位稳定，计算管道平均液位
Figure FDA0003643628650000063
Figure FDA0003643628650000064
Figure FDA0003643628650000065
为管道平均液位，mm。
若
Figure FDA0003643628650000066
则加大电控阀门的开度，若
Figure FDA0003643628650000067
则减小电控阀门的开度，调节电控阀门开度后重新等待管道液位稳定，直至将电控阀门开度调整至
Figure FDA0003643628650000068
则认为管道液位达到控制范围。
S206持续运行程序：管道液位达到控制范围后，程序持续运行，用户记录实验所需的数据，当运行时间达到模拟时长T或者用户自行终止程序，则结束程序，完成模拟实验。
10.根据权利要求9所述的市政排水管道缺陷仿真实验方法，其特征在于，所述流程S201至S206的所有运行步骤均执行以下安全监控流程：
S301获取相关运行参数：获取管道坡度I、坡度允许偏差Idev、进水箱液位上限Hmax1、蓄水箱液位下限Hmin2、管道液位上限Hmax3的设置值。
S302持续采集坡度传感器数据：持续获取管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的监测值。
S303管道坡度偏差检测：判断管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2数值是否存在偏差，当I1>0.001或者I1<-0.001，则触发管道横向坡度存在偏差警告；当I2-I>Idev或者I2-I<-Idev，则触发管道纵向坡度存在偏差警告。
S304管道坡度稳定性检测：若管道横向坡度I1、管道纵向坡度I2的连续3个监测值变化量超过0.0001，则触发管道坡度不稳定警告。
S305液位安全性检测：持续获取进水箱液位H进、蓄水箱液位H蓄、管道压力式液位H管，若H进≥Hmax1，则触发进水箱液位过高报警；若H蓄≤Hmin2，则触发蓄水箱液位过低报警；若H管≥Hmax3，则触发管道液位过高报警。
S306报警保护：当系统触发管道坡度不稳定报警与液位报警时，系统自动关闭水泵，并将电控阀门的开度调节至最大值，结束程序。
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