CN116840112A - 一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备及观测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备及观测方法，所述设备由絮凝生成器和观测仓主体组成，观测仓主体为多腔式长方体，通过纵向隔板将观测仓主体分隔为腔体A、腔体B和腔体C；腔体A为絮凝观测室、顶部开设分离口，絮凝生成器下端开口与分离口相连通，在腔体A分离口之下设有泥沙絮凝体过渡区，泥沙絮凝体过渡区是由若干弯折段连通形成的窄通道，腔体A与照相机相对一侧的内壁上设有黑色背景幕布；在腔体B的侧壁外设有不透光板，不透光板中部开设透光缝，不透光板的上端面低于泥沙絮凝体过渡区底部出口。利用本发明所述设备可实现非接触式泥沙絮凝体的采集，原位观测获得泥沙颗粒絮凝体形态/粒径大小、絮凝体静水沉降速度。
Description
技术领域
本发明属于絮凝沉降观测设备，特别涉及一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备及观测方法。
背景技术
随着各类水利工程的建造，大兴水利事业给航运、供水、生态、发电提供了有力的保障，但也带来的一系列后续维护问题，水库泥沙的淤积就是其中的一个问题。水库中泥沙淤积越多，会使水库库容减少，长此以往将会降低水库的兴利效益。为解决水库淤积，需从淤积的基本原理出发，有些研究者们认为这类淤积是单颗粒的泥沙沉降造成的，但也有学者认为这类淤积存在着一部分是由絮凝沉降引起的。为了尝试从中找到水库淤积的基本原理，探索库区中泥沙淤积是否是由絮凝沉降引起的，需进行絮凝观测试验。
泥沙颗粒絮凝沉降的观测试验，分为野外观测和室内观测。对于野外的絮凝观测试验，存在着许多局限之处，比如1、以往野外观测研究于河口、海岸等高盐度地区，对于水库研究较少；2、野外观测受外界因素较大，比较难控制变量观测絮凝体的变化；3、野外试验无法同时测得絮凝体大小和自由沉速变化。室内观测试验相对野外观测，干扰因素少。以往在室内进行絮凝沉降观测试验的主要设备有两大类，第一种提前在沉降筒中搅拌后，随后取样观测絮凝体大小和形态，但取样进行测定，会破坏原样的完整性导致误差。故此也有学者采用第二类设备——振荡格栅设备，重点模拟了垂直方向水流运动对絮凝体运动产生的扰动，更符合河口海岸的水动力条件模拟，但与水库水流运动条件不符，且无法准确模拟真实的絮凝体自由沉降过程，仅能实现生成絮凝体尺寸的观测。总结已有的试验研究设备，可以发现现有观测絮凝沉降的设备还无法准确模拟水库这类环境下泥沙絮凝体的大小和测量絮凝体的静水沉速，会受到设备一定的干扰。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备及观测方法，准确模拟真实的泥沙颗粒絮凝沉降过程，通过非接触式观测絮凝体沉降，实现准确、定量絮凝沉降过程的观测，为研究水库泥沙沉降提供理论支撑。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备，由絮凝生成器和观测仓主体组成，所述絮凝生成器位于观测仓主体上方中央位置；观测仓主体为多腔式长方体，通过纵向隔板将观测仓主体分隔为前部的腔体A、腔体B，以及后部的腔体C，各腔体间互不连通；其中，腔体A为絮凝观测室，其顶部开设有分离口，絮凝生成器下端开口与分离口相连通，在腔体A分离口之下设有泥沙絮凝体过渡区，泥沙絮凝体过渡区是由若干弯折段连通形成的窄通道，腔体A与照相机相对一侧的内壁上设有黑色背景幕布，且所述黑色背景幕布的上端面与泥沙絮凝体过渡区底部出口齐平；在腔体B的侧壁外设有不透光板，不透光板中部开设透光缝，所述不透光板的上端面低于泥沙絮凝体过渡区底部出口。
进一步的，所述分离口上设置有滑块，利用推杆推动滑块从而控制分离口的开闭。
进一步的，所述观测仓主体中，在腔体A所在处的顶部、底部分别设置有入水口和排水口。
进一步的，所述观测仓主体由透明亚克力板制成。
本发明的第二方面提供了一种利用上述设备进行泥沙颗粒絮凝沉降观测的方法，包括以下步骤：
试验开始前，通过入水口向观测仓主体中的腔体A注满清水；同时，将激光发射器置于观测仓主体侧面，开启激光发射器使激光光源通过透光缝进入絮凝观测室；
试验开始，首先开启上方的絮凝生成器，待生成泥沙絮凝体后，拉动推杆带动滑块移动、分离口打开，泥沙絮凝体通过分离口进入腔体A内的泥沙絮凝体过渡区，而后及时推动推杆、滑块归位关闭分离口；
照相机对准黑色背景幕布所在区域，当泥沙絮凝体从泥沙絮凝体过渡区底部出口排出，进入黑色背景幕布所在区域，开启照相机进行快速连续拍摄，获得絮凝体图像；采用专业图像处理软件对获得的絮凝体图像进行分析、计算，获得包括泥沙颗粒絮凝体形态/粒径大小、絮凝体静水沉降速度在内的相关数据。
本发明相比现有技术的有益效果为：
1、本发明所述泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备，将絮凝生成器置于观测仓主体正上方，形成的泥沙絮凝体直接自由落体进入下部观测仓，保证了泥沙絮凝体结构的完整性，并且通过控制分离口的开合，能随时开始或结束观测，可控性强；在设备外部通过照相机原位拍摄泥沙絮凝体的整个过程，实现非接触式泥沙絮凝体的影像采集，能不受干扰地采集图像获得长期的数据资料；
2、本发明所述泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备中，絮凝生成器形成的泥沙絮凝体首先经过泥沙絮凝体过渡区，有效减少了絮凝生成器中紊动水流对下部观测仓内水流的扰动，从而实现泥沙颗粒絮凝体自由沉降速度的观测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为实施例所述泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备的结构示意图；
图2为絮凝生成器、观测仓主体的俯视图；
图3为利用实施例所述观测设备进行絮凝沉降观测操作时观测仓主体的示意图；
图4为测试例所有原型沙各粒径范围占比测定结果图；
图5为测试例不同组次试验观测到的絮凝体照片；
图6为测试例絮凝体粒径与沉速间关系结果图。
图中，1-絮凝生成器，2-观测仓主体、201-腔体A、202-腔体B、203-腔体C，3-分离口、301-滑块、302-推杆，4-入水口，5-排水口，6-不透光板、601-透光缝，7-泥沙絮凝体过渡区，8-黑色背景幕布，9-激光发射器，10-照相机。
具体实施方式
实施例
如图1所示，本实施例提供了一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备，由絮凝生成器1和观测仓主体2组成，所述絮凝生成器1位于观测仓主体上方中央位置，由絮凝发生器提供水流紊动条件以促使泥沙絮凝体的生成。
如图2所示，观测仓主体2是由透明亚克力板制成的多腔式长方体，通过纵向隔板将观测仓主体分隔为前部的腔体A 201、腔体B 202，以及后部的腔体C203，各腔体间互不连通。其中，腔体A为絮凝观测室，在腔体A所在处的顶部、底部分别设置有入水口4和排水口5，试验开始前应通过入水口将腔体A注满清水，腔体A的顶部开设有分离口3，絮凝生成器下端开口与分离口相连通，絮凝发生器中生成的泥沙絮凝体可通过分离口进入絮凝观察室，以实现絮凝体原位观测，分离口3上设置有滑块301，利用推杆302推动滑块从而控制分离口的开闭。
所述腔体B为中空、不注入水，该设置是为了尽量减少激光穿过水体的距离，保证絮凝体的观测效果。腔体C的隔离是为了尽量减小絮凝观测室的大小，在试验过程中实现浑水的快速排换，提高试验效率，其内部为中空或充满水体均对试验不产生影响。
在腔体A分离口之下设有泥沙絮凝体过渡区7，泥沙絮凝体过渡区是由八个弯折段连通形成的窄通道，可消耗上方絮凝发生器中的紊动水流对絮凝体产生的作用力，絮凝体将仅受到重力的作用自由下落，从而保证后续泥沙絮凝体沉速是在静水条件下完成观测。腔体A与照相机10相对一侧的内壁上设有黑色背景幕布8，且所述黑色背景幕布的上端面与泥沙絮凝体过渡区底部出口齐平，配备的黑色背景幕布能够有效防止外界环境对絮凝体的观测造成影响、让絮凝体在光源照射下被照相机清晰地拍摄。在腔体B的侧壁外设有不透光板6，所述不透光板由不锈钢板制作而成，钢板中部开设宽约0.5mm的透光缝601，不透光板所在侧壁之外放置激光发射器9，使激光光源通过透光缝进入絮体观测室，设置透光缝的目的是使激光照射能形成一个尽量狭窄的光束面，更好地观测絮凝体，所述不透光板的上端面低于泥沙絮凝体过渡区底部出口。
利用本实施例所述设备进行泥沙颗粒絮凝沉降观测的方法，包括以下步骤：
试验开始前应做好各项准备工作，关闭絮凝观测室排水口5和分离口3，并且开启絮凝观测室入水口4向观测仓主体2中的腔体A 201注满清水，而后关闭入水口。同时，将激光发射器9置于观测仓主体2、不透光板所在侧壁之外，开启激光发射器使激光光源通过透光缝601进入絮凝观测室。
试验开始，首先开启上方的絮凝生成器1，模拟库区水流运动产生紊动水流，注入泥沙样品，使其在絮凝发生器中随水流充分紊动，待絮凝过程准备就绪、生成泥沙絮凝体后，即可进行絮凝运动现象的观测试验：拉动推杆302带动滑块301移动、分离口3打开，泥沙絮凝体通过分离口进入腔体A内的泥沙絮凝体过渡区7，而后及时推动推杆、滑块归位关闭分离口，避免过多的泥沙絮凝体造成观测不便。
照相机10对准黑色背景幕布8所在区域，当泥沙絮凝体从泥沙絮凝体过渡区底部出口排出，进入黑色背景幕布(8)所在充满静水的观测区域，激光光源透过透光缝601形成一个光束面，开启照相机进行快速连续拍摄，按照固定拍摄频率拍摄相应的絮凝体图像；采用专业图像处理软件对获得的絮凝体图像进行分析、计算，可得出特定时间下的絮凝体形态，后续图像处理可以得出絮凝体的粒径大小。记录试验进行时间，收集照相机拍得的图像，将相邻时间内的多张图片进行整理分析，追踪相邻图片上有效的泥沙絮凝体，测量絮凝体在采集时间内竖直方向上的位移，进而可得到絮凝体在静水中的自由下落速度。
在一组试验结束后和进行下一组试验前，应开启絮凝观测室入水口4注入清水，同时开启絮凝观测室排水口5，使絮凝观测室中的浑水排干净并再次注入澄清的静水，避免对下次试验的观测造成干扰，为下次试验做准备。
在试验前，检查仪器有无漏水、破损的情况，各衔接处是否衔接良好。
测试例
本测试例试验采用的原型沙来自三峡库区坝前采样泥沙，各粒径范围占比情况如图4所示。欧美常用的对泥沙颗粒大小及分类标准以0.004mm为界区分粘土与粉砂，我国水文工程界则常以0.005mm作为二者的分界。本测试例采用0.005mm作为粘土与粉砂的分界粒径，可见，由三峡坝前采样泥沙样品中，粘土含量约为32.5％，<20μm粒径含量约为87.3％，<50μm粒径含量约为96.1％。
本试验剔除了大于50μm的颗粒，最终小于20μm的颗粒占比达到90.8％，20～30μm的颗粒占比为5.7％。按照5组不同浓度、8组不同剪切力(流速)开展试验，共计开展了8组试验。具体试验组次见表1。
表1絮凝试验组次编号
初步分析结果如下：
(1)絮凝体的形成
在将原型沙大于50μm颗粒剔除后(即保留原型沙96.1％的原样沙粒)，在含沙量浓度为0.2kg/m3条件下，本测试例在流速0.15m/s～2.0m/s条件下均观测到絮凝体的形成，如图5所示。
由于本组试验已将原型沙中大于50μm的颗粒剔除，因此可简单根据粒径来判断拍摄到的是原型沙颗粒还是形成的絮凝体，粒径大于50μm必然为絮凝体。
(2)絮凝体直径与沉速的关系
图6的试验数据点展示了T1-1组试验中8组不同水流剪切力下所观测到的絮凝体沉速，主要测定了直径大于30μm的絮凝体沉速。本组试验中小于20μm的颗粒占比达到90.8％，20～30μm颗粒占比为5.7％，30～50μm颗粒占比为3.5％，因此首先可基本判定图6中的试验数据点均为絮凝体沉速而非散体泥沙颗粒沉速；进一步根据试验测得沉速与同粒径散体泥沙颗粒的Stokes沉速对比的差异可确定，图6中的试验数据点均为絮凝体沉速而非散体泥沙颗粒沉速，且这些絮凝体基本由原型沙中粒径小于20μm的散体泥沙颗粒絮凝形成。
图6中原型沙Stokes沉速点为根据本组试验采用的原型沙级配(原型沙剔除大于50μm的泥沙颗粒)而计算得到的泥沙颗粒Stokes沉速。其中绝大部分(90.8％)泥沙颗粒均小于20μm，约66.7％的泥沙颗粒粒径小于10μm，它们对应的Stokes沉速应该0.09mm/s以下，10～20μm的泥沙颗粒含量约为24.1％，它们对应的Stokes沉速为0.09～0.35mm/s。而本组试验观测到的大于30μm的絮凝体沉速基本均在0.1mm/s以上，且这些絮凝体理论上基本由原型沙中小于20μm的泥沙颗粒絮凝形成，可见形成絮凝体后，絮凝体沉速基本大于组成絮凝体的散体泥沙颗粒本身的静水沉速。
综上，T1-1组的试验结果可以初步说明，三峡库区原型沙在一定浓度和水流剪切力条件下，原本沉速较小的细颗粒泥沙可通过絮凝作用形成絮凝体，且从一定程度上增大了其颗粒本身的静水沉速，从而造成泥沙颗粒在库区输移过程中落淤更多的可能性。
最后应说明的是，以上仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (5)
1.一种泥沙颗粒絮凝沉降的观测设备，其特征在于，所述设备由絮凝生成器(1)和观测仓主体(2)组成，所述絮凝生成器(1)位于观测仓主体上方中央位置；观测仓主体(2)为多腔式长方体，通过纵向隔板将观测仓主体分隔为前部的腔体A(201)、腔体B(202)，以及后部的腔体C(203)，各腔体间互不连通；其中，腔体A为絮凝观测室，其顶部开设有分离口(3)，絮凝生成器下端开口与分离口相连通，在腔体A分离口之下设有泥沙絮凝体过渡区(7)，泥沙絮凝体过渡区是由若干弯折段连通形成的窄通道，腔体A与照相机(10)相对一侧的内壁上设有黑色背景幕布(8)，且所述黑色背景幕布的上端面与泥沙絮凝体过渡区底部出口齐平；在腔体B的侧壁外设有不透光板(6)，不透光板中部开设透光缝(601)，所述不透光板的上端面低于泥沙絮凝体过渡区底部出口。
2.根据权利要求1所述的观测设备，其特征在于，所述分离口(3)上设置有滑块(301)，利用推杆(302)推动滑块从而控制分离口的开闭。
3.根据权利要求1所述的观测设备，其特征在于，所述观测仓主体(2)中，在腔体A(201)所在处的顶部、底部分别设置有入水口(4)和排水口(5)。
4.根据权利要求1所述的观测设备，其特征在于，所述观测仓主体(2)由透明亚克力板制成。
5.一种利用如权利要求1～4所述设备进行泥沙颗粒絮凝沉降观测的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
试验开始前，通过入水口(4)向观测仓主体(2)中的腔体A(201)注满清水；同时，将激光发射器(9)置于观测仓主体(2)侧面，开启激光发射器使激光光源通过透光缝(601)进入絮凝观测室；
试验开始，首先开启上方的絮凝生成器(1)，待生成泥沙絮凝体后，拉动推杆(302)带动滑块(301)移动、分离口(3)打开，泥沙絮凝体通过分离口进入腔体A内的泥沙絮凝体过渡区(7)，而后及时推动推杆、滑块归位关闭分离口；
照相机(10)对准黑色背景幕布(8)所在区域，当泥沙絮凝体从泥沙絮凝体过渡区底部出口排出，进入黑色背景幕布(8)所在区域，开启照相机进行快速连续拍摄，获得絮凝体图像；采用专业图像处理软件对获得的絮凝体图像进行分析、计算，获得包括泥沙颗粒絮凝体形态/粒径大小、絮凝体静水沉降速度在内的相关数据。
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