CN201965040U - 一种水库模型含沙量取样系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种水库模型含沙量取样系统，包括取样模块、负压模块、管道模块和冲洗模块，所述取样模块包括探杆、触底板、取样管、取样控制阀门和辅助水尺，所述取水管出水端的高程低于其进水端的高程；所述负压模块由水环真空泵和储气罐组成；管道模块包括抽压管和排弃水管，所述抽压管连接所述取样管和所述储气罐；所述冲洗模块由一台清水泵和抽水管组成。本实用新型的取样系统，利用伯努利原理，通过负压装置和安装在不同水深部位的取样管，可以非常方便及时地对多个断面、不同水深取样，提高了取样的效率和含沙量样本的有效性，增加了试验数据的数据量，提高了试验精度，工作效率显著提高。

Description

一种水库模型含沙量取样系统

技术领域：

本实用新型涉及一种水工模型含沙量取样系统，特别涉及一种适用于峡谷型水库的异重流模型试验的含水量取样系统，属于水利工程技术领域。

背景技术：

两种或两种以上的流体互相接触，其重度有一定的但是较小的差异，如果其中一种流体沿着交界面的方向流动，在流动过程中不发生全局性的掺混现象，这种流动称为异重流。异重流是挟沙水流的一种特殊运动形式，它通常出现在水库、盲肠河段、挖入式河港和船闸引航道等处，对这些地方的泥沙运动与河床演变有重要影响。水库上游来的浑水，在水库的某处潜入库底，有的运行百余公里到达坝前，而表层库水却清澈不浑，这是挟沙浑水所形成的水库异重流。在水库运作中，由于异重流的发生不易发现，如果异重流已到达坝前而未及时发现并开启孔口排沙，大量浑水在坝前停留，引起泥沙沉积在坝前，库容会很快缩小。但是，如果摸清了水库异重流的发生和运行规律，在多沙河流上修建蓄水库和水电站时，设置底孔，合理运用在库底运动的浑水异重流可把泥沙排走，减少水库淤积。

由于每个水库的水沙、水文、地质、地形等条件不同，因此，必须通过精确的水库异重流模型试验，准确模拟各种边界条件下异重流的发生和运行情况，摸清水库异重流的发生和运行规律，利用异重流减少水库淤积。甚至可以根据其发生及运行规律人工塑造异重流，以排泄水库淤积的泥沙，延长水库使用寿命。

一般情况下，河道模型或者河道型水库模型水深比较浅，试验时利用取样勺直接取样，盛入比重瓶，利用电子天平快速称量，输入电脑进行实时计算，获得各取样点实时含沙量数值。该值实际为取样点处平均含沙量数值。

但是，我国的山区水库大部分是峡谷型水库，库区边坡非常陡，其水工模型经过变态处理后，边坡变得更加陡峻，大部分库段的边坡都在70°以上，部分库段甚至接近90°，使得各断面含沙量要素取样受到限制。

尤其是在发生异重流的时段，水库内存在蓄水体，清水水深较大，异重流潜入后，在清水下层运行，各断面含沙量要素取样异常困难，传统的含沙量取样方法不能取样。异重流测验的难度高，时间紧，在很多情况下，不能够施测或施测不及时，会严重影响异重流试验结果的精度。

为了保证取样精度，需要根据水流不同流态，缓慢或者快速进行采样，在大水深、高含沙量的水库中进行异重流取样，大大地增加取样的工作量和难度。

针对上述情况，开发适应于水库模型含沙量的取样装置成为迫切解决的重要问题，小浪底库区模型试验项目组的工作人员在模型的制作与试验过程中，总结多年模型试验取样工作经验，通过多次摸索尝试开发和应用了此套基于伯努利原理的水库模型含沙量取样的系统，

实用新型内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术中存在的不足，提供一种水库模型含沙量取样系统。本实用新型的技术方案如下：

一种水库模型含沙量取样系统，包括取样模块、负压模块、管道模块和冲洗模块，

所述取样模块包括探杆、触底板、取样管、取样控制阀门和辅助水尺，所述触底板安装在所述探杆底端并与探杆垂直，所述辅助水尺和取样管固定在所述探杆上，取样管的进水端安装有铜管，铜管的入水口朝向水库上游来水方向，且每根铜管在探杆上的高度位置不同；所述取样管的另一端延伸到模型墙体的外侧，所述取样控制阀门设置在取水管的出水端；取水管出水端的高程低于所述铜管的高程；

所述负压模块由水环真空泵和储气罐组成；

所述管道模块包括抽压管和排弃水管，所述抽压管连接所述取样管和所述储气罐；

所述冲洗模块由一台清水泵和抽水管组成，所述清水泵的进水口通过所述抽水管连接蓄水池，所述清水泵的出水口连接所述排弃水管。

优选地，还包括通讯模块，所述通讯模块为简易电话装置。

本实用新型的取样系统，造价低，安装容易，操作方便，提高了取样的效率和含沙量样本的有效性，增加了试验数据的数据量，提高了试验精度，工作效率显著提高。

附图说明：

图1为本实用新型的水库模型取样系统的平面示意图。

图2为本实用新型的水库模型取样系统的纵剖面示意图。

图中，1为轨道，2为采样桥，3为探杆，4为取样管，5为触底板，6为铜管，7为水环真空泵，8为储气罐，9为抽压管，10为抽样桶，11为插接头，12为接水槽，13为排弃水管，14为模型墙体，15为蓄水池，16为清水泵，17为搅拌池。

具体实施方式：

本实用新型的水库模型含沙量取样系统的目的是利用伯努利原理，在取样管内形成真空负压，然后利用负压抽取浑水至比重瓶，完成含沙量取样。

伯努利原理原理：

虹吸管里灌满水，没有气，来水端水位高，出水口用阀门封闭住。此时管内压强处处相等。一切安置好后，打开出水口，虽然两边的大气压相等，但是取样端的水位高，压强大，推动来水不断流出出水口。原理概括：由于压强差在起作用。当弯管两侧中同一液面的压强不同时，管中的水(或其它液体)就会向着压强较小的一侧流动。

本实用新型的水库模型含沙量取样系统，主要包括取样模块、负压模块、管道模块、冲洗模块和通讯模块5部分。

所述取样模块包括探杆、触底板、取样管、取样控制阀门和辅助水尺，所述负压模块由水环真空泵和储气罐组成；所述管道模块包括抽压管和排弃水管，所述抽压管连接所述取样管和所述储气罐；所述冲洗模块由一台清水泵和抽水管组成，所述清水泵的进水口通过抽水管连接蓄水池，所述清水泵的出水口连接所述排弃水管。所述通讯模块为简易电话装置。

下面通过具体的实施例来对本实用新型的取样系统进行详细的说明。

小浪底水库是典型的峡谷型水库，小浪底库区模型是“模型黄河”的重要组成部分。整个模型从小浪底大坝至三门峡水文站，原型库段长约125km，高程从155m至285m，模型包括库区100％的干流原始库容及近95％的支流库容。依据所选用的几何比尺(水平比尺300，垂直比尺60)缩尺后，模型长约440m，模型平均宽度约15m，高约2.4m。

在模型的两岸，分别固定设置一条轨道1，两条所述轨道1的走向分别与两岸的走向大致一致。轨道1可以由工字钢制成。根据水库的长度和边界条件，确定模型计划测量的断面数量，然后，每隔50-100m，设置一个横跨水库模型两岸的采样桥2，采样桥2的宽度为0.5-1.5米，操作人员能够在上面操作试验设备。在采样桥2的两侧固定设置有导轨(图中为示出)，所述导轨可以采用U型或H型的型钢制成，也可以采用其他形状的型钢制成。在采样桥的两端设置有滑动装置，所述滑动装置可以同时在两岸的所述轨道1上和采样桥2两侧的导轨上滑动，所述滑动可以由滑动装置上的电动机提供动力。本实用新型采用的这种滑动装置是常见的机械装置，本领域技术人员很容易设计制造出来，只要能够同时在两岸的所述轨道1上和采样桥2两侧的导轨上实现双向滑动，就能够实现本实用新型的目的，此处不再对其具体结构作详细说明。通过这样的滑动，操作人员可以很方便地操纵采样桥2沿着轨道1，向着水库模型的上游或下游移动，在临近的多个断面上测量。

在所述采样桥2上游侧的导轨上安装有一根金属探杆3，所述探杆3与所述导轨连接处设有水平和垂直调整螺栓，利用所述水平调整螺栓，可以使所述探杆沿着所述导轨水平移动，利用所述垂直调整螺栓，可以使所述探杆垂直移动，这样，在同一个施测断面上，可以测量不同位置、不同水深处的含水量。在所述探杆3上固定安装有触底板5，触底板5与探杆3垂直，触底板5的作用是能够使操作人员准确感知河底的位置。

在所述探杆3上安装取样装置，所述取样装置包括一根辅助水尺和四根取样管4。辅助水尺固定在所探杆3上，用于测量水深；四根所述的取样管4为软性胶管，即水工试验常用的橡胶软管，取样管4被绑定在探杆3上，每根取样管4的进水端均安装有铜管6，铜管6长度为5-10cm，四根铜管6的入水口均朝向水库上游来水方向，且每根铜管6在探杆3上的高度位置不同，用于在不同的水深留取水样。四根取样管4的另一端延伸到模型墙体14的外侧，在取水管4出水端安装有取样控制阀门，用于开始或停止取样。取水管4出水端的高程均应当低于所述铜管6的高程。取样管4的长度根据测验断面边界条件确定具体长度，一般不宜过长。

在水库模型的外部设置负压装置，所述负压装置由水环真空泵7、储气罐8、抽压管9和抽样桶10组成，水环真空泵7连接储气罐8，储气罐8连接抽压管9，抽压管9包括抽压干管和抽压支管，抽压干管和抽压支管通过三通连接，抽压干管布设在模型墙体14的外侧，抽压支管布设在临近取样管4出水端的地方，抽压支管进口端安装有控制阀门；所述抽样桶10的上部设有两个接口，其中一个接口通过软性胶管与所述抽压支管的出口端连通，另一个接口安装有与所述抽样管10的出水端匹配的插接头11；在临近取样管4出水端的模型墙体外侧安装有接水槽12，所述接水槽12和所述抽样桶10的底部均与排弃水管13连通，用于排泄取水管4的弃水。

水环真空泵7(简称水环泵)是一种粗真空泵，它所能获得的极限真空为2000-4000Pa，串联大气喷射器可达270-670Pa。水环泵也可用作压缩机，称为水环式压缩机，是属于低压的压缩机，其压力范围为1-2×105Pa表压力。

经过比较分析，抽压管采用PPR管及其PPR管件。排弃水管为预埋管道，模型制作时可以再安装一套备用管道，材料采用PP管。

在泵体中装有适量的水作为工作液。当叶轮按图中顺时针方向旋转时，水被叶轮抛向四周，由于离心力的作用，水形成了一个决定于泵腔形状的近似于等厚度的封闭圆环。水环的下部分内表面恰好与叶轮轮毂相切，水环的上部内表面刚好与叶片顶端接触(实际上叶片在水环内有一定的插入深度)。此时叶轮轮毂与水环之间形成一个月牙形空间，而这一空间又被叶轮分成和叶片数目相等的若干个小腔。如果以叶轮的下部0°为起点，那么叶轮在旋转前180°时小腔的容积由小变大，且与端面上的吸气口相通，此时气体被吸入，当吸气终了时小腔则与吸气口隔绝；当叶轮继续旋转时，小腔由大变小，使气体被压缩；当小腔与排气口相通时，气体便被排出泵外。

设置弃水冲洗装置，所述冲洗装置包括一台清水泵16和抽水管，所述清水泵16通过抽水管抽取蓄水池15内的清水，对排弃水管13内淤积的泥沙进行冲洗。淤积是由于取样管4较长，取样过程中排弃水较多，弃水从取样管4进入排弃水管13后流速减小，泥沙淤积，积少成多，不及时冲洗将会堵塞排弃水管13，因此设置了弃水冲洗装置，用于排除弃水在管内形成的淤积。

分别在临近采样桥2、接水槽12和水环真空泵7的地方设置简易通讯装置，如简易电话装置、电子指示装置或对讲装置等，用于上述三个地方的操作人员随时联系，做好试验的配合，以保证试验的连续性。

上述各项试验设备准备妥当后，根据水库上游来水来沙的实测资料，进行往水库模型放水，模拟不同流量、不同含沙量的来水来沙情况。根据试验要求，综合分析小浪底水库运用以来进出库水沙过程、水库运用情况，考虑验证试验水沙条件对后期运用方式研究应具有代表性，选定2004年6月至8月的水沙系列作为验证试验的水沙条件。该时段包括了黄河第三次调水调沙试验及“04.8”洪水水沙过程。

开启负压装置，使抽压干管和抽压支管内的气压达到负1个大气压。将四根取样管4的出水端依次插接到抽样桶10的插接头11上，打开取样管4和抽压支管上的控制阀门，在负压的作用下，使取样管4内充满浑水，然后关闭控制阀门，将取样管4的出水端放置在接水槽12内，以备取样。

取样时，根据取样管4的长度，先将取样管4内的浑水在接水槽12内排泄20-60秒，使取样管4内先前存蓄的浑水排净，保证后面所留取的水样是取样时刻水库的实时水样，然后，将比重瓶放置在接水槽12内，将取样管4的出水口置于比重瓶口，利用比重瓶进行含沙量取样，比重瓶满时关闭取样控制阀门。

通过取样数据分析，或在模型上观测到异重流潜入后，在潜入断面下游，应加密测验，观测异重流到达每个拟测验断面的时间。

试验进行一定时间后，启动弃水冲洗装置，冲洗排弃水管13内淤积的泥沙。

每项试验开始后，不能间断，试验数据要随测随记。

本实用新型的基于伯努利原理的水库模型含沙量取样系统，与国内外同类技术的比较，具有以下优点：

1)结构简单，安装简单，原理清晰

结构比较简单，安装过程中只需把管道和管件连接起来，软性胶管上装有控制加压阀门；原理清晰，更适合水库异重流的测验，技术价值高。

2)可重复使用，简单易行

由于构思巧妙，所有部件采购加工都比较方便，容易实施。单套设备一次投资，可重复使用。操作人员学习掌握较好。

3)工作效率显著提高

压力源采用电机自动控制管道加负压；提高了取样的效率和含沙量样本的有效性；操作方便，增加了实验数据的数量，为准确塑造和预报水库异重流提供了数据支持，工作的总体效率可以提高3倍以上。

Claims (2)

1.一种水库模型含沙量取样系统，其特征在于包括取样模块、负压模块、管道模块和冲洗模块；

所述取样模块包括探杆、触底板、取样管、取样控制阀门和辅助水尺，所述触底板安装在所述探杆底端并与所述探杆垂直，所述辅助水尺和取样管固定在所述探杆上，取样管的进水端安装有铜管，铜管的入水口朝向水库上游来水方向，且每根铜管在探杆上的高度位置不同；所述取样管的另一端延伸到模型墙体的外侧，所述取样控制阀门设置在取水管的出水端；取水管出水端的高程低于所述铜管的高程；

所述负压模块由水环真空泵和储气罐组成；

所述管道模块包括抽压管和排弃水管，所述抽压管连接所述取样管和所述储气罐；

所述冲洗模块由一台清水泵和抽水管组成，所述清水泵的进水口通过所述抽水管连接蓄水池，所述清水泵的出水口连接所述排弃水管。

2.根据权利要求1所述的一种水库模型含沙量取样系统，其特征在于，还包括通讯模块，所述通讯模块为简易电话装置。

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