CN211973347U - 一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，包括：用于给上游供水的上游边界供水装置、用于给下游供水的下游边界供水装置，以及用于给动床区供水的移动式动床区反坡供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路。本发明实施例预先在动床低洼区域采用移动式供水装置，小流量供水流路用于开始流速测量装置正常工作前的补水，而后通过与流速测量装置配合，大流量供水流路在小于底沙起动流速的流量下，中段供水、反坡涨水，低洼区的水体成为了抵挡外围水体冲击床沙的有效防御。待水面淹没动床边界后，通过大流量供水流路与上、下游边界供水装置一起快速供水，大幅减少水边界供水对初始地形的破坏。

Description

一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统

技术领域

本实用新型应用于河工模型试验领域，主要涉及动床底沙河段的平稳注水，特别是一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统。

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。

河工模型试验根据试验区域和研究目的的不同，开放的水边界一般分为单边界和多边界，无论几条边界，各水边界后方均有外部供水设备，如水泵等进行供水。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，水边界慢速供水法存在较大弊端，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。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，以解决目前水边界单独供水的方法与动床地形较易破坏的矛盾问题。

为了达到上述目的，本实用新型的实施例提供一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，包括：

用于给上游供水的上游边界供水装置、

用于给下游供水的下游边界供水装置，以及

用于给动床区供水的移动式动床区反坡供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路。

进一步地，所述上游边界供水装置包括上游变频器、与所述上游变频器电连接的上游潜水泵以及用于采集上游水位测量值的上游自记水位仪。

进一步地，所述下游边界供水装置包括下游变频器、与所述下游变频器电连接的下游潜水泵以及用于采集下游水位测量值的下游自记水位仪。

进一步地，所述上游潜水泵和下游潜水泵均布置在一个循环水池中。

进一步地，所述上游潜水泵的出水口通入上游前池中。

进一步地，所述下游潜水泵的出水口通入下游前池中。

进一步地，所述移动式动床区反坡供水装置包括清水箱、第一真空泵、第二真空泵、第一变频器、第二变频器、用于检测动床沙面上流速的流速测量装置、稳流设施，所述第一真空泵与第一变频器电连接，第二真空泵与第二变频器电连接，所述第一真空泵和第二真空泵均从清水箱取水，所述稳流设施布置在动床沙面的低洼处，接收第一真空泵和第二真空泵泵出的水。

进一步地，所述流速测量装置包括流速仪和与所述流速仪电连接的旋桨流速测杆，所述旋桨流速测杆固定于需测量流速的动床沙面上。

进一步地，所述稳流设施采用橡胶软垫，所述橡胶软垫的表面具有非光滑的波浪形条纹。

根据本实用新型的上述实施例，本实用新型的实施例主要结合低洼深水区往往占模型的面积比并不大，需水量也较小，有实现慢速供水的条件，本实用新型实施例预先在动床低洼区域采用移动式供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路，小流量供水流路用于开始流速测量装置正常工作前的补水，而后通过与流速测量装置配合，大流量供水流路在小于底沙起动流速的流量下，中段供水、反坡涨水，低洼区的水体成为了抵挡外围水体冲击床沙的有效防御。待水面淹没动床边界后，通过大流量供水流路与上、下游边界供水装置一起快速供水，亦能保证注水速度，使得关键动床区地形面貌稳定、不侵蚀，从而大幅减少水边界供水对初始地形的破坏。通过联合注水提高动床沙面质量和试验精度。

附图说明

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

图1为河工模型基本布置示意图；

图2为沿深泓线A的立面结构示意图；

图3为试验前基本准备工作相关示意图；

图中，下游前池11、上游前池12、回水渠13、出水孔14、定床河床2、动床沙面21、动床区铺沙层22、地面23、控制终端3、下游变频器41、上游变频器42、第一变频器43、第二变频器44、循环水池51、清水箱52、下游潜水泵61、上游潜水泵62、第一真空泵63、第二真空泵64、出水管71、进水管72、流速仪8、下游自记水位仪91、上游自记水位仪92、旋桨流速测杆93、稳流设施10、深泓线A、目标水位Z_t、第一判定水位Z₁、第二判定水位Z₂、下游满池水位M₁、上游满池水位M₂。

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实用新型。

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为河工模型基本布置示意图，为一条河道的一部分，模型主体边墙、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，图中标识了整个模型沿河道长度方向的深泓线A。边界处供水设施包括水池、潜水泵群、前池及其他辅助设施组成。潜水泵群从水池抽水，首先进入前池，经过消能设施(图中未标识)，水流混合均匀后即可进入河道模型中，其中上、下游水池通过回水渠连通，另外各边界前池除了有进水潜水泵外还有配阀门(图中未标识)的出水孔，便于模拟水流运动和水体稳定。

图2为本实用新型实施例提供的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统的结构示意图，该图中可以看出模型沿深泓线A方向立面结构，其中的河道由定床河床2、动床沙面21和铺沙层22组成。河道中的定床河床2为硬化的水泥面，水流无法侵蚀冲刷，动床区位于河道中部，铺沙层22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21，在常规试验水流条件下，铺沙层均可冲。

结合图2，本实用新型实施例提供的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，包括：

用于给上游供水的上游边界供水装置、

用于给下游供水的下游边界供水装置，以及

用于给动床区供水的移动式动床区反坡供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路。

根据本实用新型的上述实施例，本实用新型的实施例中的动床低洼深水区往往占模型的面积比并不大，需水量也较小，有实现慢速供水的条件，本实用新型实施例预先在动床低洼区域采用移动式供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路，小流量供水流路用于开始流速测量装置正常工作前的补水，而后通过与流速测量装置配合，大流量供水流路在小于底沙起动流速的流量下，中段供水、反坡涨水，低洼区的水体成为了抵挡外围水体冲击床沙的有效防御。待水面淹没动床边界后，通过大流量供水流路与上、下游边界供水装置一起快速供水，亦能保证注水速度，使得关键动床区地形面貌稳定、不侵蚀，从而大幅减少水边界供水对初始地形的破坏。通过联合注水提高动床沙面质量和试验精度。

根据本实用新型的实施例，所述上游边界供水装置包括上游变频器42、与所述上游变频器42电连接的上游潜水泵62以及用于采集上游水位测量值的上游自记水位仪92。所述下游边界供水装置包括下游变频器41、与所述下游变频器41电连接的下游潜水泵61以及用于采集下游水位测量值的下游自记水位仪91。上、下游自记水位仪安装于动床上、下边界外侧的水泥面，并需垂直安装，除测针外，主体结构部件有防水的要求，安装高度均需高于模型中最高水位10cm以上。

进一步地，所述上游潜水泵62和下游潜水泵61均布置在一个循环水池51中，其中循环水池51位于地面以下，水池容量需考虑模型中总用水量和潜水泵吃水深度要求，上游和下游的循环水池需通过回水渠连通。

进一步地，所述上游潜水泵62的出水口通入上游前池12中，所述下游潜水泵61的出水口通入下游前池11中，经过消能设施(图中未标识)，水流混合均匀后即可进入河道模型中。

对于上游边界供水，上游自记水位仪92的水位测量值与触发参照值自动比对，决定该上游变频器42的启动。上游潜水泵62置于循环水池51底部，与上游变频器42连接，水泵启动后，水流经过出水管71进入前池进行充分混合后，汇入模型中。下游边界供水与上游边界基本相同，下游自记水位仪91的水位测量值与触发参照值自动比对，决定下游变频器41启动，且上、下游循环水池需通过回水渠连通。

根据本实用新型的实施例，所述移动式动床区反坡供水装置包括清水箱52、第一真空泵63、第二真空泵64、第一变频器43、第二变频器44、流速测量装置、稳流设施10，所述第一真空泵63和第二真空泵64均从清水箱52取水，所述稳流设施10布置在动床沙面21的低洼处，接收第一真空泵63和第二真空泵64泵出的水，所述流速测量装置布置于稳流设施10旁的动床沙面用于检测动床沙面上流速。

进一步地，第一真空泵63和第二真空泵64均有对应的变频器控制流量，第一路是第一真空泵63，通过第一变频器43的控制用于旋桨流速测杆93可正常工作前的慢速供水，额定流量1m³/h。另一路是第二真空泵64，在保证底沙基本不起动的条件下，通过第二变频器44的控制进行相对略大流量供水，需采用额定流量为5～10m³/h的泵。

进一步地，所述流速测量装置包括流速仪8和与所述流速仪8电连接的旋桨流速测杆93。流速仪8布置于模型外干燥处，用于测量的旋桨流速测杆93垂直安置于模型中，旋桨方向需顺水流方向，下部探头置于需测量处。

根据本实用新型的实施例，所述稳流设施10采用柔性材料，优选采用橡胶软垫，所述橡胶软垫的表面具有非光滑的波浪形条纹(凸起幅度5mm以上)，通过增加粗糙度利于减小水流的流速，待模型注水基本完成时择机再取出稳流设施10。

需要说的是，下游变频器41、上游变频器42、第一变频器43、第二变频器44、流速仪8、下游自记水位仪91和上游自记水位仪92均可以通过控制终端3来进行控制，所述控制终端3为工业控制机。变频器起到改变各泵出水量的作用。其中自记水位仪采用机械钢架固定于模型中，使得水位仪的测针始终跟踪水面，用于检测水位高程值。流速仪8端口连接一台旋桨流速测杆93，旋桨流速测杆93布置于模型中获取单点流速信号，经流速仪数据转换后传入控制终端3。

本实用新型实施例提供的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，应用于河工模型试验领域，主要为实现包含动床河段和定床河段模型的初始稳定注水。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模型为例进行说明如下：

试验前的安装和准备工作，包括承担判别功能的自记水位仪的定点安装，边界处不同特征水位下的稳定频率率定，模型沙起动流速值及其他常规安装等。

如图3所示，本实例为包含上游和下游两条水边界的模型，结合试验经验尝试，在水位上涨至动床外侧2m处时，边界水流的对冲对动床区地形基本不会产生底部侵蚀，所以上、下游自记水位仪安装在动床上、下游边界外侧约2m的深泓水泥面处。无水状态时，水位仪测针跟踪水泥面，水位慢速上涨至测针位置时，会及时收到信号。本例下游河床地形总体低于上游，因此下游自记水位仪91检测第一判定水位Z₁，上游自记水位仪92检测第二判定水位Z₂。水位仪要求测量精度0.02mm，检测时间约2秒。

在未铺沙的状态下需提前完成各边界水位与稳定频率的关系率定，作为今后每次试验的基础资料。稳定频率是在模型中处于无流状态，长时间稳定在某一水位下对应的变频器频率值，若频率大于该值，则模型中水为净流入，水位上涨，反之，频率小于稳定值，则净流出，水位下降。对于下游边界，需要率定前池刚好保持稳定的下游满水位M₁时对应的频率f_0下，达到目标水位Z_t时对应的下游变频器频率值f_1下，制作变频器下游自动控制文件(file-kz₁)，启动初期，自f_0下至f_1下按时间线性插值，频率稳步抬升，后期则按最大值f_1下进行注水和模型水面稳定，线性增加的时间段主要根据达到目标水位实际需水量的大小一般制定10-20分钟内。需要说明的是，下游和上游的频率控制是完全独立的，因此，上游也需要与下游一样进行变频器率定，前池刚好保持稳定的上游满池水位M₂时对应的频率f_0上，达到目标水位时对应的下游变频器频率值f_1上，同理需制作变频器上游自动控制文件(file-kz₂)，启动初期，自f_0上至f_1上按时间线性插值，后期则按最大值f_1上进行注水和模型水面稳定，初期启动时间可略小于下游。为使水泵频率稳定，模型总电需配置接入稳压器。

动床区所铺模型沙，常根据模型比尺换算的需求，选取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。

多边界联合注水系统基本控制流程如下：

步骤S101，将稳流设施10平铺放置于动床沙面21的低洼处，连接好供水管路和流速仪8、旋桨流速测杆93等。

步骤S102，动床区移动式反坡供水，首先启动第一真空泵63，虽然此时无法测量流速，但该阶段的任务只需使洼区水位上涨3～5cm即可，需要的总水量很小，只需在水中插入浊度仪(图中未标识)，以现场监测浊度基本不增加为准，在控制终端3中，为第一变频器43设定固定的小频率(10～25hz频率)，从而带动第一真空泵供水，使底部水位慢速上涨，直至流速测杆探头处有足够水深，可正常运行为止，关闭第一真空泵63。

步骤S103，自小频率启动第二真空泵64，同步测量流速V，根据流速与V0的比较判定，由控制终端3自动控制第二变频器44的频率，V<V0时，逐步增大变频器频率(一般频率变化速度为每分钟增幅限制在1hz内)，至V>V0时，停止增加频率，从而使得动床区底沙不启动，向动床深坑中不断注水。

步骤S104，下游自记水位仪91检测到第一判定水位Z₁时，控制系统调取自动控制文件(file-kz₁)，控制下游潜水泵61启动，并慢速增大流量。

步骤S105，上游自记水位仪92检测第二判定水位Z₂时，控制系统调取自动控制文件(file-kz₂)，控制上游潜水泵62启动，并慢速增大流量，直至达到目标水位Z_t，并进行一定时间的水面稳定。

步骤S106，在水面稳定期，关闭第二真空泵64，并移除稳流设施10和旋桨流速测杆93，水面稳定后，则完成了多边界联合注水，为下一步的涨、落潮流运动的模拟奠定了重要基础。

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实用新型的范围内。

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。

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

Claims (10)

1.一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，包括：

用于给上游供水的上游边界供水装置、

用于给下游供水的下游边界供水装置，以及

用于给动床区供水的移动式动床区反坡供水装置，所述移动式动床区反坡供水装置包括小流量供水流路和大流量供水流路。

2.根据权利要求1所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述上游边界供水装置包括上游变频器、与所述上游变频器电连接的上游潜水泵以及用于采集上游水位测量值的上游自记水位仪。

3.根据权利要求2所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述下游边界供水装置包括下游变频器、与所述下游变频器电连接的下游潜水泵以及用于采集下游水位测量值的下游自记水位仪。

4.根据权利要求3所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述上游潜水泵和下游潜水泵均布置在一个循环水池中。

5.根据权利要求2所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述上游潜水泵的出水口通入上游前池中。

6.根据权利要求3所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述下游潜水泵的出水口通入下游前池中。

7.根据权利要求1所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述移动式动床区反坡供水装置包括清水箱、第一真空泵、第二真空泵、第一变频器、第二变频器、用于检测动床沙面上流速的流速测量装置、稳流设施，所述第一真空泵与第一变频器电连接，第二真空泵与第二变频器电连接，所述第一真空泵和第二真空泵均从清水箱取水，所述稳流设施布置在动床沙面的低洼处，接收第一真空泵和第二真空泵泵出的水。

8.根据权利要求7所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述流速测量装置包括流速仪和与所述流速仪电连接的旋桨流速测杆，所述旋桨流速测杆固定于需测量流速的动床沙面上。

9.根据权利要求7所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述稳流设施采用橡胶软垫。

10.根据权利要求9所述的一种用于动床河工模型的多边界联合注水系统，其特征在于，所述橡胶软垫的表面具有非光滑的波浪形条纹。

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