一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统

摘要

本发明公开了一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统，包括相连接的控制端和测量端；其中，测量端包括呈筒状结构的反应器以及位于反应器内的剖面流速仪、浊度传感器和传动装置，所述剖面流速仪和浊度传感器分别与控制端连接，所述传动装置包括电机、连接柱和转桨，所述电机与转桨通过连接柱传动连接；所述反应器顶部设有盖板，所述电机固定在盖板上；所述反应器底部中心设有隔离槽，所述隔离槽顶部设有与其相互配合连接的槽盖，所述反应器的侧壁上分别设有进水阀和出水阀，所述反应器底部连接底板或连接环形加长撑板。本发明泥沙冲刷起动测量系统能够同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测试。

说明书

技术领域

本发明涉及一种泥沙冲刷起动试验系统，尤其涉及一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统，属于水利工程实验装置技术领域。

背景技术

在挟沙水体中，泥沙颗粒在水流的作用下起动(Erosion)、输移(Transportation)、沉降(Deposition)、固结(Consolidation)，形成ETDC循环，对河口海岸的物质输运和地貌演变有重大的意义。其中，泥沙冲刷特性对许多水利工程有指导作用，例如海岸侵蚀保护等。因此，泥沙冲刷特性的实验数据非常宝贵，尤其是现场的原位量测结果。然而，由于观测装置的局限性，有关泥沙起动冲刷特性的现场观测数据十分缺乏。目前，对于泥沙冲刷起动特性的现场测试装置很少见，未见可同时适用于实验室研究和现场测试的泥沙冲刷起动特性监测装置。而针对泥沙冲刷起动特性的实验室研究，大多在长直水槽和环形水槽中进行。长直水槽进水段、稳流段、出水段所需距离较长，空间占用大，可利用的实验段仅为装置总长的1/10，所需试验水量大；需要设回水系统和消能设施。长直水槽中的流速调节通常通过调节进出水口流量以提供不同流速，需要缓慢、逐步调节以获得固定的流速值，调节过程耗时长，且流速值不稳定，随流量变化而上下波动。此外，在普通的直水槽中只能通过肉眼观察得到泥沙的起动流速，也无法得到泥沙随床面深度变化的冲刷率曲线。相对于直水槽而言，环形水槽无流入口和流出口的影响，全周长均为试验段，提供无限长的水流流动距离。水流沿程均匀，通过调节水槽转速可获得精确的对应流速值，控制流速大小操作简便。虽然环形水槽的设计克服了普通长直水槽的缺点，但需剪力环与环形槽反转同时以削弱横向流，制造时需要克服偏心的问题，造价较高。且环形水槽一般尺度较大，不易移动，不能达到便捷测量的目的，一般只能用于实验室研究，不易于用于现场监测。因此一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的开发很有必要。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是提供一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统，该系统能够同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测试。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统，包括相互连接的控制端和测量端；其中，所述测量端包括呈筒状结构的反应器以及位于反应器内的剖面流速仪、浊度传感器和传动装置，所述剖面流速仪和浊度传感器分别与控制端连接，所述传动装置包括电机、连接柱和转桨，所述电机与转桨通过连接柱传动连接；所述反应器顶部设有盖板，所述电机固定在盖板上；所述反应器底部中心设有隔离槽，所述隔离槽顶部设有与其相互配合连接的槽盖，所述反应器的侧壁上分别设有进水阀和出水阀，所述反应器底部连接底板或连接环形加长撑板。

其中，所述反应器与底板通过螺口相互配合连接，且反应器与底板之间还设有密封圈；所述隔离槽与底板通过卡口相互配合连接。

其中，所述反应器与环形加长撑板通过卡口相互配合连接，且反应器与环形加长撑板之间还设有密封圈。

其中，所述浊度传感器为OBS 3+浊度传感器。

其中，所述电机为齿轮减速电机。

其中，所述转桨的转速为0～200rpm。

其中，所述反应器采用有机玻璃制成，所述盖板和底板均采用有机玻璃制成。

与现有技术相比，本发明技术方案具有的有益效果是：

首先，本发明泥沙冲刷起动测量系统可在实验室研究多种粒径泥沙的起动切应力和冲刷率，由于其能够精确产生多级可变的床面切应力对沙样进行冲刷，从而适用于从粘性细颗粒泥沙到粗砂的多种粒径泥沙起动流速以及冲刷率研究；

其次，本发明泥沙冲刷起动测量系统的反应器为可拆卸结构，通过简单转换即可同时应用于实验室研究和潮滩现场测试；

最后，本发明泥沙冲刷起动测量系统体积小、便于携带、适用性强，当需要配置一定盐度的人工海水进行实验时，需要的配水量少，从而提高了实验的可操作性。

附图说明

图1为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的结构示意图I；

图2为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的结构示意图II；

图3为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的A-A剖面图；

图4为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统中转桨的结构示意图；

图5为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统中转桨的主视图；

图6为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统中转桨的俯视图；

图7为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统中转桨的左视图；

图8为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的测得的泥沙冲刷率曲线图；

图9为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统底部切应力的径向分布图；

图10为本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统转速-流速-切应力对应关系图；

图11为应用在实验室中原状土冲刷试验系统对无粘性泥沙沉降不同天数后进行冲刷试验的实验结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的技术方案作进一步详细说明。

如图1所示，本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统，包括相互连接的控制端20和测量端；其中，测量端20包括呈圆筒状结构的反应器10以及位于反应器10内的剖面流速仪1、浊度传感器2和传动装置，剖面流速仪1和浊度传感器2分别通过数据连接线与控制端20连接，传动装置包括齿轮减速电机3、连接柱6和转桨7，齿轮减速电机3与转桨7通过连接柱6传动连接，转浆7通过电机3可精确、轻易获得0～200rpm之间的任何转速，以得到相应的床面水流切应力；反应器10顶部设有盖板4，电机3固定在盖板4上，剖面流速仪1和浊度传感器2的数据连接线穿过盖板4上的预留孔伸出反应器10外部与控制端20连接；反应器10上还设有用于支撑固定盖板4的盖板固定撑5；反应器10底部中心设有隔离槽15，隔离槽15顶部设有与其相互配合连接的槽盖14，槽盖14与隔离槽15通过螺口相互配合连接；反应器10的侧壁上还分别设有进水阀12和出水阀8以用于进水和排水，反应器10底部连接底板16或连接环形加长撑板17；当反应器10底部连接底板16时，反应器10与底板16通过螺口相互配合连接，且反应器10与底板16之间还设有密封圈，隔离槽15与底板16通过卡口相互配合连接；当反应器10底部连接环形加长撑板17时，反应器10与环形加长撑板17通过卡口相互配合连接，且反应器10与环形加长撑板17之间还设有密封圈。当反应器10装上底板16可用于实验室沙样的冲刷起动测试；不安装底板16时，在反应器10圆筒底部连接环形加长撑板17，可用于潮滩现场露滩时滩面表层2cm的泥沙的冲刷起动试验。

系统中的浊度传感器2为OBS 3+浊度传感器，OBS 3+浊度传感器2设有探头11，剖面流速仪1设有探头9，剖面流速仪1用于实时监测任一转速下近底2cm范围内的垂向剖面三维流速分布，由TKE算法得到床面切应力；OBS3+浊度传感器2用于泥沙冲刷时，泥沙由沉降状态起动、悬浮至水体中后，水体中某一断面处的平均悬沙浓度SSC；剖面流速仪1和浊度传感器2分别通过数据连接线18和数据连接线19与控制端20连接，剖面流速仪1和浊度传感器2将采集到的数据实时上传给控制端20，控制端20还可自动调控电机3的转速。

本发明泥沙冲刷起动测量系统的测量端为可拆卸结构。反应器10采用有机玻璃制成，盖板4为有机玻璃盖板，底板16也为有机玻璃底板；盖板4上有4个固定螺孔、1个剖面流速仪1数据线穿出孔，1个浊度传感器2数据线穿出孔；隔离槽15由环状有机玻璃隔离槽和与其配套的圆形有机玻璃槽盖14组成。隔离槽15的设置可削弱转浆7产生的中心漩涡对泥沙产生的影响，同时均衡测试泥沙表面的水流切应力分布。隔离槽15可根据实际需要而设置成不同的高度。隔离槽15直径需大于转浆7的旋涡区宽度，隔离槽15高度需大于泥沙的冲刷深度。

本发明可同时应用于实验室和潮滩现场的泥沙冲刷起动测量系统的工作原理：

①冲刷试验前，率定清水条件下各电机转速下(根据实际需要选择若干级转速值)反应器底部的水流切应力：

$TKE=\frac{1}{2}\rho (\overline{u^{\prime 2}}+\overline{v^{\prime 2}}+\overline{w^{\prime 2}});$

τ₀＝C₁TKE；

其中，u′，v′，w′为剖面流速仪测得的一段时间序列中某一时刻的三维脉动流速，ρ为水体密度，C₁为比例常数，取为0.19，该取值已被广泛应用到很多水流中，反应器底部中心隔离槽外环形区域内，各过水断面水流状态相同，故底部沿环向切应力均相同，如图9所示，由FLUENT数值模拟结果，环形区域边界以外区域，沿径向切应力近似均匀分布，因此，可以用床面上某一点的水流切应力代替整个环形床面上所受的切应力；

②当用于实验室沙样冲刷起动研究时，将底板连接于反应器圆筒底部，沙样铺设在底部中心隔离槽外的环形区域，沙样的高度与隔离槽等高，当用于现场泥沙冲刷起动研究时，拆卸底板，将加长撑板连接在反应器圆筒的底部，提高反应器圆筒的高度，将中心隔离槽插入滩面以下一定深度固定，插入深度根据实际情况而定，中心隔离槽槽盖与滩面等高；

③进行冲刷试验时，安装OBS3+浊度传感器探头实时监测水体中悬沙浓度；通过逐级调节转浆转速，增加床面切应力至泥沙起动，观察到测控系统中OBS3+浊度传感器模块示数突然升高，表示此时水体中悬沙浓度有较明显的增加，对应的水流切应力即为泥沙起动切应力，继续增加转浆转速，悬沙浓度继续增加，每一级转持续时间根据实际情况而定，可同时观察OBS3+浊度传感器示数，当示数稳定后维持一段时间，再继续增加至下一级转速，由此可得到连续的泥沙冲刷率曲线，如图8所示；

④当泥沙冲刷悬浮至水体中，被冲刷起进入水体的泥沙质量与水体中悬沙浓度的关系：

Δm＝ΔC·V；

其中，Δm为沉积泥沙被冲刷进入水体的质量，ΔC为水体中悬沙浓度增量，V为水体体积；

$V=\frac{\pi }{4}{D}^{2}H-\frac{\pi }{4}{d}^{2}h;$

其中，D为反应器圆筒内径，H为反应器圆筒中水体自由液面至底部的高度，d为中心隔离槽内径，h为中心隔离槽高度；

⑤测试泥沙冲刷高度与测试泥沙冲刷质量的关系：

$\Delta h=\frac{\Delta m}{A·{\rho }_s};$

其中，Δh为测试泥沙冲刷高度，ρ_s为沙样沉积密度系数，A为环形沙面面积；

$A=\frac{\pi }{4}(D^2-d^2);$

⑥泥沙冲刷率与测试泥沙冲刷高度的关系：

$ϵ={\rho }_s·\frac{\Delta h}{\Delta t};$

其中，ε为测试泥沙冲刷率，Δt为冲刷历时；

由④～⑥可得：

其中

本发明的泥沙冲刷起动测量系统，泥沙冲刷率即为浊度传感器得到的悬沙浓度随时间变化曲线的斜率，从而可方便得到精度较高的泥沙冲刷率曲线。

将本发明的泥沙冲刷起动测量系统应用在实验室中：试验前，将底板16连接在反应器圆筒10底部，沙样13铺设在底部中心隔离槽15外的环形区域，沙样13的高度与隔离槽15等高；转浆7通过连接柱6连接于齿轮减速电机3上，电机固定于盖板4上，盖板4固定于反应器圆筒10顶端；OBS3+浊度传感器2通过数据连接线19连接控制端20，通过控制端20的测控系统实时显示OBS 3+浊度传感器2的示数；关闭出水阀8，打进水阀12，通过调节进水阀12，使进水初期，系统外部以微小流量缓慢加水，防止土样受到扰动，当水位淹没进水阀12后，可逐步增加流量，直至水位达到试验水深；关闭进水阀12，测控系统开始冲刷试验，通过调节齿轮减速电机3转速，逐级增加转浆7转速，增加床面切应力至泥沙起动，观察到测控系统中浊度传感器2模块示数突然升高，表示此时水体中悬沙浓度有较明显的增加，对应的水流切应力即为泥沙起动切应力；继续增加转浆7转速，悬沙浓度继续增加，每一级转持续时间根据实际情况而定，可同时观察测控系统中的浊度传感器2模块示数，当示数稳定后维持一段时间，再继续增加至下一级转速，由此可得到连续的泥沙冲刷率曲线。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，这些引伸出的变化或变动也处于本发明的保护范围之中。