一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置及方法
2023-09-21 11:37:25
一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置及方法
【專利摘要】本發明公開了一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置及方法，第二水槽內依次設置有注水區、試驗區、排水區，穩流裝置位於注水區和試驗區之間，模擬植物群位於試驗區內，泥沙槽位於試驗區內，模擬植物群固定於泥沙槽內，泥沙位於泥沙槽內。在水深不變的條件下，使水流保持為恆定均勻狀態，逐步加大往注水區內注水的水量，當流速達到一定值時，出現少量可數的泥沙顆粒在運動，且泥沙可以沿水流方向在植物區內穿越，帶有持續性時，此時植物所在區域內水流的平均流速，即為泥沙起動流速。本發明結構簡單，測試方便。填補國內外關於植物狀態下泥沙起動研究的空白，為沿河兩岸防衝、防洪建築的建設提供了標準。
【專利說明】一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置及方法，屬於環境水力學【技術領域】。
【背景技術】
[0002]泥沙起動流速是指泥沙在水流作用下發生運動所需要的最小水流流速。泥沙發生運動時容易造成河段的岸線衝刷進而帶來河床演變，這對於河道的行洪安全以及沿岸居民的生活、生產安全可能產生巨大的安全隱患。河道整治過程中，若選用過大的泥沙起動流速作為沿河堤防的設計依據，雖然具有良好的安全性，但是工程成本也會顯著增加；相反，若採用較小的起動流速，工程造價雖然減小，但工程的可靠性降低。為此，需要綜合考慮安全、經濟兩個方面，準確界定泥沙的起動，為沿河堤防建設標準提供參考。
[0003]隨著近年來環保水平的提升，沿河、沿江綠化帶的建設對泥沙運動研究提出新的挑戰。植物存在條件下，原先的水流、泥沙間的二元作用演變為水流、植物、泥沙之間的三元作用，使得泥沙起動作用過程複雜化。而傳統意義上泥沙的起動流速的研究多是集中在無植物平整床面上，對植物條件下泥沙的起動流速還未能提供定量的研究報告。
【發明內容】
[0004]本發明針對上述研究現狀及其局限性，通過室內實驗模擬研究，分析衝刷發生位置，提供了一種含非淹沒植物條件下的泥沙起動及起動流速的實驗裝置及方法，解決了如何測定非淹沒植物條件下的泥沙起動流速的問題。
[0005]一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置，包括第二水槽、穩流裝置、模擬植物群、泥沙、泥沙槽，第二水槽內依次設置有注水區、試驗區、排水區，穩流裝置位於注水區和試驗區之間，模擬植物群位於試驗區內，泥沙槽位於試驗區內，模擬植物群固定於泥沙槽內，泥沙位於泥沙槽內。
[0006]優選地:還包括可調節尾門，排水區開有排水口，在排水口附近的第二水槽上安裝有可調節尾門，通過調整可調節尾門的開度調節第二水槽排水量的大小。
[0007]優選地:第二水槽為變坡水槽，變坡裝置設置在注水區內。
[0008]優選地:還包括第一水槽、進水管、超聲波流量計、變頻水泵、排水管，進水管的一端位於第一水槽的水中，進水管的另一端位於變坡裝置的上方，進水管上安裝有變頻水泵、超聲波流量計，排水管一端與排水口相連接，另一端與第一水槽相連接，第一水槽的水位低於第二水槽的水位。
[0009]優選地:穩流裝置為平水格柵。
[0010]優選地:還包括沉沙區，沉沙區位於試驗區與排水區之間，沉沙區的水槽底部設置有沉沙池內。
[0011]一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的試驗方法，其步驟如下:
第一步，在泥沙槽內按照需要排列模擬植物，並使模擬植物固定在泥沙槽的底面上；第二步，在使泥沙槽內裝滿泥沙；
第三步，往注水區內緩慢注水，使水流保持為恆定均勻狀態，並使得水位穩定在試驗所需的水深位置，調節可調節尾門，使單位時間內注入注水區的水量與單位時間內排出排水區的水量相同，此時，植物區的泥沙均處於靜止不動的狀態；
第四步，在水深不變的條件下，逐步加大往注水區內注水的水量，調節變坡裝置、可調節尾門，使單位時間內注入注水區的水量與單位時間內排出排水區的水量相同，當流速達到一定值時，植物根部附近逐漸形成衝刷坑，當流速增大到一定值，衝刷坑以外出現少量可數的泥沙顆粒在運動，且泥沙可以沿水流方向在植物區內穿越，帶有持續性時，測定植物所在區域內水流的平均流速，即為泥沙起動流速。
[0012]優選地:在試驗過程中測量泥沙重度力I泥沙粒徑為，植物杆徑力「植物密
度為I,測定泥沙起動時的水深為A，通過公式
【權利要求】
1.一種研究非淹沒剛性植物條件下泥沙起動的裝置，包括第二水槽(5)、穩流裝置、模擬植物群(8)，第二水槽(5)內依次設置有注水區(14)、試驗區(15)、排水區(16)，穩流裝置位於注水區(14)和試驗區(15)之間，模擬植物群(8)位於試驗區(15)內，其特徵在於:還包括泥沙(12)、泥沙槽(13)，泥沙槽(13)位於試驗區(15)內，模擬植物群(8)固定於泥沙槽(13)內，泥沙(12)位於泥沙槽(13)內。
2.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:還包括可調節尾門(10)，排水區(16)開有排水口(19)，在排水口(19)附近的第二水槽(5)上安裝有可調節尾門(10)，通過調整可調節尾門(10)的開度調節第二水槽(5)排水量的大小。
3.根據權利要求2所述的試驗裝置，其特徵在於:還包括變坡裝置(6)，第二水槽(5)為變坡水槽，變坡裝置(6)設置在注水區(14)內。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於:還包括第一水槽(I)、進水管(2)、超聲波流量計(3)、變頻水泵(4)、排水管(11)，進水管(2)的一端位於第一水槽(I)的水中，進水管(2)的另一端位於變坡裝置(6)的上方，進水管(2)上安裝有變頻水泵(4)、超聲波流量計(3)，排水管(11)一端與排水口( 19)相連接，另一端與第一水槽(I)相連接，第一水槽(I)的水位低於第二水槽(5)的水位。
5.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:穩流裝置為平水格柵(7)。
6.根據權利要求1所述的裝置，其特徵在於:還包括沉沙區(17)，沉沙區(17)位於試驗區(15)與排水區(16)之間，沉沙區(17)的水槽底部設置有沉沙池(9)內。
7.根據權利要求4所述的試驗方法，其特徵在於: 第一步，在泥沙槽(13)內按照需要排列模擬植物，並使模擬植物固定在泥沙槽(13)的底面上； 第二步，在使泥沙槽(13)內裝滿泥沙(12)； 第三步，往注水區(14)內緩慢注水，使水流保持為恆定均勻狀態，並使得水位穩定在試驗所需的水深位置，此時，植物區的泥沙均處於靜止不動的狀態； 第四步，在水深不變的條件下，逐步加大往注水區(14)內注水的水量，調節變坡裝置(6)、可調節尾門(10)，使單位時間內注入注水區(14)的水量與單位時間內排出排水區(16)的水量相同，當流速達到一定值時，出現少量可數的泥沙顆粒在運動，且泥沙可以沿水流方向在植物區內穿越，帶有持續性時，測定植物所在區域內水流的平均流速，即為泥沙起動流速。
8.根據權利要求7所述的試驗方法，其特徵在於:在試驗過程中測量泥沙重度為Ys，泥沙粒徑為d，植物杆徑為D，植物密度為I ,測定泥沙起動時的水深為A，通過公式
【文檔編號】G01M10/00GK103898863SQ201410081635
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月7日 優先權日:2014年3月7日
【發明者】唐洪武, 王浩, 劉震, 趙汗青, 趙翾宇, 袁賽瑜 申請人:河海大學