本發(fā)明涉及一種泥沙沖刷起動試驗(yàn)系統(tǒng)，尤其涉及一種可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)，屬于水利工程實(shí)驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在挾沙水體中，泥沙顆粒在水流的作用下起動(Erosion)、輸移(Transportation)、沉降(Deposition)、固結(jié)(Consolidation)，形成ETDC循環(huán)，對河口海岸的物質(zhì)輸運(yùn)和地貌演變有重大的意義。其中，泥沙沖刷特性對許多水利工程有指導(dǎo)作用，例如海岸侵蝕保護(hù)等。因此，泥沙沖刷特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)非常寶貴，尤其是現(xiàn)場的原位量測結(jié)果。然而，由于觀測裝置的局限性，有關(guān)泥沙起動沖刷特性的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)十分缺乏。目前，對于泥沙沖刷起動特性的現(xiàn)場測試裝置很少見，未見可同時適用于實(shí)驗(yàn)室研究和現(xiàn)場測試的泥沙沖刷起動特性監(jiān)測裝置。而針對泥沙沖刷起動特性的實(shí)驗(yàn)室研究，大多在長直水槽和環(huán)形水槽中進(jìn)行。長直水槽進(jìn)水段、穩(wěn)流段、出水段所需距離較長，空間占用大，可利用的實(shí)驗(yàn)段僅為裝置總長的1/10，所需試驗(yàn)水量大；需要設(shè)回水系統(tǒng)和消能設(shè)施。長直水槽中的流速調(diào)節(jié)通常通過調(diào)節(jié)進(jìn)出水口流量以提供不同流速，需要緩慢、逐步調(diào)節(jié)以獲得固定的流速值，調(diào)節(jié)過程耗時長，且流速值不穩(wěn)定，隨流量變化而上下波動。此外，在普通的直水槽中只能通過肉眼觀察得到泥沙的起動流速，也無法得到泥沙隨床面深度變化的沖刷率曲線。相對于直水槽而言，環(huán)形水槽無流入口和流出口的影響，全周長均為試驗(yàn)段，提供無限長的水流流動距離。水流沿程均勻，通過調(diào)節(jié)水槽轉(zhuǎn)速可獲得精確的對應(yīng)流速值，控制流速大小操作簡便。雖然環(huán)形水槽的設(shè)計(jì)克服了普通長直水槽的缺點(diǎn)，但需剪力環(huán)與環(huán)形槽反轉(zhuǎn)同時以削弱橫向流，制造時需要克服偏心的問題，造價較高。且環(huán)形水槽一般尺度較大，不易移動，不能達(dá)到便捷測量的目的，一般只能用于實(shí)驗(yàn)室研究，不易于用于現(xiàn)場監(jiān)測。因此一種可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的開發(fā)很有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測試。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)，包括相互連接的控制端和測量端；其中，所述測量端包括呈筒狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器以及位于反應(yīng)器內(nèi)的剖面流速儀、濁度傳感器和傳動裝置，所述剖面流速儀和濁度傳感器分別與控制端連接，所述傳動裝置包括電機(jī)、連接柱和轉(zhuǎn)槳，所述電機(jī)與轉(zhuǎn)槳通過連接柱傳動連接；所述反應(yīng)器頂部設(shè)有蓋板，所述電機(jī)固定在蓋板上；所述反應(yīng)器底部中心設(shè)有隔離槽，所述隔離槽頂部設(shè)有與其相互配合連接的槽蓋，所述反應(yīng)器的側(cè)壁上分別設(shè)有進(jìn)水閥和出水閥，所述反應(yīng)器底部連接底板或連接環(huán)形加長撐板。

其中，所述反應(yīng)器與底板通過螺口相互配合連接，且反應(yīng)器與底板之間還設(shè)有密封圈；所述隔離槽與底板通過卡口相互配合連接。

其中，所述反應(yīng)器與環(huán)形加長撐板通過卡口相互配合連接，且反應(yīng)器與環(huán)形加長撐板之間還設(shè)有密封圈。

其中，所述濁度傳感器為OBS 3+濁度傳感器。

其中，所述電機(jī)為齒輪減速電機(jī)。

其中，所述轉(zhuǎn)槳的轉(zhuǎn)速為0～200rpm。

其中，所述反應(yīng)器采用有機(jī)玻璃制成，所述蓋板和底板均采用有機(jī)玻璃制成。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果是：

首先，本發(fā)明泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)可在實(shí)驗(yàn)室研究多種粒徑泥沙的起動切應(yīng)力和沖刷率，由于其能夠精確產(chǎn)生多級可變的床面切應(yīng)力對沙樣進(jìn)行沖刷，從而適用于從粘性細(xì)顆粒泥沙到粗砂的多種粒徑泥沙起動流速以及沖刷率研究；

其次，本發(fā)明泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的反應(yīng)器為可拆卸結(jié)構(gòu)，通過簡單轉(zhuǎn)換即可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究和潮灘現(xiàn)場測試；

最后，本發(fā)明泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)體積小、便于攜帶、適用性強(qiáng)，當(dāng)需要配置一定鹽度的人工海水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時，需要的配水量少，從而提高了實(shí)驗(yàn)的可操作性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖I；

圖2為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖II；

圖3為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的A-A剖面圖；

圖4為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)槳的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)槳的主視圖；

圖6為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)槳的俯視圖；

圖7為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)中轉(zhuǎn)槳的左視圖；

圖8為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的測得的泥沙沖刷率曲線圖；

圖9為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)底部切應(yīng)力的徑向分布圖；

圖10為本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)速-流速-切應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系圖；

圖11為應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中原狀土沖刷試驗(yàn)系統(tǒng)對無粘性泥沙沉降不同天數(shù)后進(jìn)行沖刷試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1所示，本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)，包括相互連接的控制端20和測量端；其中，測量端20包括呈圓筒狀結(jié)構(gòu)的反應(yīng)器10以及位于反應(yīng)器10內(nèi)的剖面流速儀1、濁度傳感器2和傳動裝置，剖面流速儀1和濁度傳感器2分別通過數(shù)據(jù)連接線與控制端20連接，傳動裝置包括齒輪減速電機(jī)3、連接柱6和轉(zhuǎn)槳7，齒輪減速電機(jī)3與轉(zhuǎn)槳7通過連接柱6傳動連接，轉(zhuǎn)漿7通過電機(jī)3可精確、輕易獲得0～200rpm之間的任何轉(zhuǎn)速，以得到相應(yīng)的床面水流切應(yīng)力；反應(yīng)器10頂部設(shè)有蓋板4，電機(jī)3固定在蓋板4上，剖面流速儀1和濁度傳感器2的數(shù)據(jù)連接線穿過蓋板4上的預(yù)留孔伸出反應(yīng)器10外部與控制端20連接；反應(yīng)器10上還設(shè)有用于支撐固定蓋板4的蓋板固定撐5；反應(yīng)器10底部中心設(shè)有隔離槽15，隔離槽15頂部設(shè)有與其相互配合連接的槽蓋14，槽蓋14與隔離槽15通過螺口相互配合連接；反應(yīng)器10的側(cè)壁上還分別設(shè)有進(jìn)水閥12和出水閥8以用于進(jìn)水和排水，反應(yīng)器10底部連接底板16或連接環(huán)形加長撐板17；當(dāng)反應(yīng)器10底部連接底板16時，反應(yīng)器10與底板16通過螺口相互配合連接，且反應(yīng)器10與底板16之間還設(shè)有密封圈，隔離槽15與底板16通過卡口相互配合連接；當(dāng)反應(yīng)器10底部連接環(huán)形加長撐板17時，反應(yīng)器10與環(huán)形加長撐板17通過卡口相互配合連接，且反應(yīng)器10與環(huán)形加長撐板17之間還設(shè)有密封圈。當(dāng)反應(yīng)器10裝上底板16可用于實(shí)驗(yàn)室沙樣的沖刷起動測試；不安裝底板16時，在反應(yīng)器10圓筒底部連接環(huán)形加長撐板17，可用于潮灘現(xiàn)場露灘時灘面表層2cm的泥沙的沖刷起動試驗(yàn)。

系統(tǒng)中的濁度傳感器2為OBS 3+濁度傳感器，OBS 3+濁度傳感器2設(shè)有探頭11，剖面流速儀1設(shè)有探頭9，剖面流速儀1用于實(shí)時監(jiān)測任一轉(zhuǎn)速下近底2cm范圍內(nèi)的垂向剖面三維流速分布，由TKE算法得到床面切應(yīng)力；OBS3+濁度傳感器2用于泥沙沖刷時，泥沙由沉降狀態(tài)起動、懸浮至水體中后，水體中某一斷面處的平均懸沙濃度SSC；剖面流速儀1和濁度傳感器2分別通過數(shù)據(jù)連接線18和數(shù)據(jù)連接線19與控制端20連接，剖面流速儀1和濁度傳感器2將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時上傳給控制端20，控制端20還可自動調(diào)控電機(jī)3的轉(zhuǎn)速。

本發(fā)明泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的測量端為可拆卸結(jié)構(gòu)。反應(yīng)器10采用有機(jī)玻璃制成，蓋板4為有機(jī)玻璃蓋板，底板16也為有機(jī)玻璃底板；蓋板4上有4個固定螺孔、1個剖面流速儀1數(shù)據(jù)線穿出孔，1個濁度傳感器2數(shù)據(jù)線穿出孔；隔離槽15由環(huán)狀有機(jī)玻璃隔離槽和與其配套的圓形有機(jī)玻璃槽蓋14組成。隔離槽15的設(shè)置可削弱轉(zhuǎn)漿7產(chǎn)生的中心漩渦對泥沙產(chǎn)生的影響，同時均衡測試泥沙表面的水流切應(yīng)力分布。隔離槽15可根據(jù)實(shí)際需要而設(shè)置成不同的高度。隔離槽15直徑需大于轉(zhuǎn)漿7的旋渦區(qū)寬度，隔離槽15高度需大于泥沙的沖刷深度。

本發(fā)明可同時應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和潮灘現(xiàn)場的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)的工作原理：

①沖刷試驗(yàn)前，率定清水條件下各電機(jī)轉(zhuǎn)速下(根據(jù)實(shí)際需要選擇若干級轉(zhuǎn)速值)反應(yīng)器底部的水流切應(yīng)力：

$TKE=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}(\stackrel{\‾}{u^{\′2}}+\stackrel{\‾}{v^{\′2}}+\stackrel{\‾}{w^{\′2}});$

τ₀＝C₁TKE；

其中，u′，v′，w′為剖面流速儀測得的一段時間序列中某一時刻的三維脈動流速，ρ為水體密度，C₁為比例常數(shù)，取為0.19，該取值已被廣泛應(yīng)用到很多水流中，反應(yīng)器底部中心隔離槽外環(huán)形區(qū)域內(nèi)，各過水?dāng)嗝嫠鳡顟B(tài)相同，故底部沿環(huán)向切應(yīng)力均相同，如圖9所示，由FLUENT數(shù)值模擬結(jié)果，環(huán)形區(qū)域邊界以外區(qū)域，沿徑向切應(yīng)力近似均勻分布，因此，可以用床面上某一點(diǎn)的水流切應(yīng)力代替整個環(huán)形床面上所受的切應(yīng)力；

②當(dāng)用于實(shí)驗(yàn)室沙樣沖刷起動研究時，將底板連接于反應(yīng)器圓筒底部，沙樣鋪設(shè)在底部中心隔離槽外的環(huán)形區(qū)域，沙樣的高度與隔離槽等高，當(dāng)用于現(xiàn)場泥沙沖刷起動研究時，拆卸底板，將加長撐板連接在反應(yīng)器圓筒的底部，提高反應(yīng)器圓筒的高度，將中心隔離槽插入灘面以下一定深度固定，插入深度根據(jù)實(shí)際情況而定，中心隔離槽槽蓋與灘面等高；

③進(jìn)行沖刷試驗(yàn)時，安裝OBS3+濁度傳感器探頭實(shí)時監(jiān)測水體中懸沙濃度；通過逐級調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)漿轉(zhuǎn)速，增加床面切應(yīng)力至泥沙起動，觀察到測控系統(tǒng)中OBS3+濁度傳感器模塊示數(shù)突然升高，表示此時水體中懸沙濃度有較明顯的增加，對應(yīng)的水流切應(yīng)力即為泥沙起動切應(yīng)力，繼續(xù)增加轉(zhuǎn)漿轉(zhuǎn)速，懸沙濃度繼續(xù)增加，每一級轉(zhuǎn)持續(xù)時間根據(jù)實(shí)際情況而定，可同時觀察OBS3+濁度傳感器示數(shù)，當(dāng)示數(shù)穩(wěn)定后維持一段時間，再繼續(xù)增加至下一級轉(zhuǎn)速，由此可得到連續(xù)的泥沙沖刷率曲線，如圖8所示；

④當(dāng)泥沙沖刷懸浮至水體中，被沖刷起進(jìn)入水體的泥沙質(zhì)量與水體中懸沙濃度的關(guān)系：

Δm＝ΔC·V；

其中，Δm為沉積泥沙被沖刷進(jìn)入水體的質(zhì)量，ΔC為水體中懸沙濃度增量，V為水體體積；

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

其中，D為反應(yīng)器圓筒內(nèi)徑，H為反應(yīng)器圓筒中水體自由液面至底部的高度，d為中心隔離槽內(nèi)徑，h為中心隔離槽高度；

⑤測試泥沙沖刷高度與測試泥沙沖刷質(zhì)量的關(guān)系：

$\mathrm{\Δ}h=\frac{\mathrm{\Δ}m}{A\·{\mathrm{\ρ}}_s};$

其中，Δh為測試泥沙沖刷高度，ρ_s為沙樣沉積密度系數(shù)，A為環(huán)形沙面面積；

$A=\frac{\mathrm{\π}}{4}(D^2-d^2);$

⑥泥沙沖刷率與測試泥沙沖刷高度的關(guān)系：

$\mathrm{\ϵ}={\mathrm{\ρ}}_s\·\frac{\mathrm{\Δ}h}{\mathrm{\Δ}t};$

其中，ε為測試泥沙沖刷率，Δt為沖刷歷時；

由④～⑥可得：

其中

本發(fā)明的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)，泥沙沖刷率即為濁度傳感器得到的懸沙濃度隨時間變化曲線的斜率，從而可方便得到精度較高的泥沙沖刷率曲線。

將本發(fā)明的泥沙沖刷起動測量系統(tǒng)應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)室中：試驗(yàn)前，將底板16連接在反應(yīng)器圓筒10底部，沙樣13鋪設(shè)在底部中心隔離槽15外的環(huán)形區(qū)域，沙樣13的高度與隔離槽15等高；轉(zhuǎn)漿7通過連接柱6連接于齒輪減速電機(jī)3上，電機(jī)固定于蓋板4上，蓋板4固定于反應(yīng)器圓筒10頂端；OBS3+濁度傳感器2通過數(shù)據(jù)連接線19連接控制端20，通過控制端20的測控系統(tǒng)實(shí)時顯示OBS 3+濁度傳感器2的示數(shù)；關(guān)閉出水閥8，打進(jìn)水閥12，通過調(diào)節(jié)進(jìn)水閥12，使進(jìn)水初期，系統(tǒng)外部以微小流量緩慢加水，防止土樣受到擾動，當(dāng)水位淹沒進(jìn)水閥12后，可逐步增加流量，直至水位達(dá)到試驗(yàn)水深；關(guān)閉進(jìn)水閥12，測控系統(tǒng)開始沖刷試驗(yàn)，通過調(diào)節(jié)齒輪減速電機(jī)3轉(zhuǎn)速，逐級增加轉(zhuǎn)漿7轉(zhuǎn)速，增加床面切應(yīng)力至泥沙起動，觀察到測控系統(tǒng)中濁度傳感器2模塊示數(shù)突然升高，表示此時水體中懸沙濃度有較明顯的增加，對應(yīng)的水流切應(yīng)力即為泥沙起動切應(yīng)力；繼續(xù)增加轉(zhuǎn)漿7轉(zhuǎn)速，懸沙濃度繼續(xù)增加，每一級轉(zhuǎn)持續(xù)時間根據(jù)實(shí)際情況而定，可同時觀察測控系統(tǒng)中的濁度傳感器2模塊示數(shù)，當(dāng)示數(shù)穩(wěn)定后維持一段時間，再繼續(xù)增加至下一級轉(zhuǎn)速，由此可得到連續(xù)的泥沙沖刷率曲線。

顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉，這些引伸出的變化或變動也處于本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。