含沙水流河工模型精細模擬系統的製作方法

2023-04-30 01:53:11 1

專利名稱：含沙水流河工模型精細模擬系統的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種精細模擬河工及水力條件的實驗裝置，尤其是能夠實現水沙循環、含沙水流循環演進、泥沙分選、水沙分離以及模型系統的精確控制。
背景技術：
目前，公知的含沙水流河工模型是由攪拌池、進口穩流段、實驗觀測段、尾門段和尾水池等順次連接組成。按照實驗要求將一定比例的水沙放入攪拌池內混合均勻，由水泵將一定流量的含沙水流抽送至進水口，經穩流過渡段，水流平順進入實驗觀測段，並通過含沙水流同床面泥沙的相互作用改變河床的形態特徵，使用觀測設備(測針、測壓管等)對各測點的水力學參數進行實驗觀測和記錄，後水流進入尾門段並流入尾水池完成實驗。但是， 一般的含沙水流河工模型的攪拌池不能在實驗過程中根據水泵抽取清水的流量按比例勻速加沙；一般的含沙水流河工模型使用水泵從攪拌池抽取一定流量的含沙水流進行河工模擬實驗，由於水泵自身變頻特性的限制，使其難以穩定和連續調節實驗流量；一般的含沙水流河工模型的進口穩流段需要較長距離使水流平順；一般的含沙水流河工模型的實驗觀測段不具備測量斷面瞬時流速的功能；一般的含沙水流河工模型的尾門段不能精確控制尾水位和有效減少尾水池中的泥沙淤積；一般的含沙水流河工模型的水流進入尾水池後不能在實驗過程中直接循環使用，攪拌池應滿足整個實驗的用水需求，故體積大、耗資大；一般的含沙水流河工模型不具備分選模型沙和水沙分離的功能，需要建造沉沙池。
發明內容為了克服現有含沙水流河工模型的攪拌池不能在實驗過程中根據水泵流量變化按比例勻速加沙、實驗流量不能連續變化、進口穩流段需要較長距離、實驗觀測段的斷面瞬時流速無法測量、實驗觀測段尾水位無法精確控制、尾水池無法有效減於、實驗過程中的水量不能循環使用以及實驗系統無模型沙分選和水沙分離功能的不足，本實用新型提供一種含沙水流河工模型精細模擬系統，該含沙水流河工模型精細模擬系統不僅能實現攪拌池在實驗過程中根據水泵流量的變化按比例勻速加沙、實驗流量的連續調節、有效縮短進口穩流段的距離、實驗觀測段瞬時流速的簡易測量、實驗觀測段尾水位的精確控制、尾水池的有效減於和實驗過程中水量的循環使用，而且具備獨立的模型沙分選和水沙分離功能。本實用新型解決其技術問題所採用的技術方案是在含沙水流河工模型的攪拌池上部添加漏鬥型勻速加沙裝置，該裝置由加沙箱、加沙漏鬥、漏鬥閥門和集沙槽組成；將含沙水流河工模型的攪拌池底部高程抬高至有機玻璃槽底部高程，採用明渠溢流裝置溢流， 採用進口閥門出流；在含沙水流河工模型的進口穩流段添加穩流橫柱，由若干列垂直於過流方向的有機玻璃柱交錯布置組成；在含沙水流河工模型的實驗觀測段底部添加通氣孔， 使用橡皮塞堵塞通氣孔，並在通氣孔下部使用注射器與橡皮塞連接；在含沙水流河工模型的尾門段使用條型尾門，並在尾門後添加跌水坡段；在含沙水流河工模型的攪拌池和尾水池之間添加由水泵連接的可移動抽水軟管；在含沙水流河工模型的尾水池後添加環繞模型的模型沙分選槽，並設置清水池與之相連。當加沙箱中的模型沙經由上部的加沙箱漏鬥流入下部的加沙漏鬥時，在保證上部加沙箱漏鬥的模型沙下洩流量始終大於下部加沙漏鬥的加沙流量且不受外界擾動的情況下，加沙漏鬥上方能夠形成圓錐形模型沙穩定堆積體，若加沙漏鬥閥門的開啟度一定，則模型沙可按一定速率勻速下洩加沙；當實驗裝置循環運行時，水泵將尾水池或清水池中的水抽送至攪拌池，在水泵抽水流量始終大於進口閥門下洩流量的情況下，攪拌池內水頭高度保持恆定，多餘水量通過溢流明渠輸送至尾水池，進口閥門在恆定的水頭和開啟度下維持恆定的下洩流量，下洩流量可以在零流量和最大流量之間進行連續調節；當含沙水流由進口閥門下洩至進口穩流段時，交錯布置的穩流橫柱使得紊動水流趨於平順，並且避免了折衝水流的產生和含沙水流在此段的淤積，極大地縮短了進口穩流段長度；當水流流經實驗觀測段時，使用注射器從底部通氣孔處通過橡皮塞向床面注射空氣，同時在實驗觀測段一側設置強光源並對氣泡進行連續拍照，由照片上氣泡橫向位移變化計算氣泡所在位置的瞬時流速；當含沙水流流至尾門，通過調節尾水控制門的開啟寬度和高度能夠精確控制尾水位，而後流經跌水坡段的水流通過水跌獲得較大流速並衝擊尾水池內尾水，能夠有效減少尾水池內的泥沙淤積；當含沙水流通過尾門段流入尾水池後，水泵以略大於實驗下洩流量的某適當流量抽取尾水，使用軟管輸送至攪拌池，在實驗過程中實現水量的循環使用，節約了實驗用水量、減小了攪拌池體積；當含沙水流由尾水池進入實驗裝置下部的模型沙分選槽時，模型沙分選槽的水力篩選作用使得含沙水流中的泥沙顆粒按粒徑由大到小的次序依次沉積，完成模型沙的分選，隨後水流通過濾網隔板進入清水池最終完成水沙分離。本實用新型的有益效果是能夠在完成一般含沙水流河工模型實驗的同時，方便地進行勻速加沙、實驗流量連續調節、斷面瞬時流速簡易測量、尾水位精確調節、模型沙分選和水沙分離等精細模擬和精細控制；通過縮短進口穩流段長度和縮小攪拌池容積，有效地減小了模型尺寸，極大地節約了實驗水量；同時，整個含沙水流河工模型精細模擬系統通過對模型不同部分的平面布置和高程設計，充分利用了平面和垂向空間，實現了水平方向布置緊湊與垂直方向錯落有致的有機結合，使本含沙水流河工模型精細模擬系統具有功能全面、結構簡單、易於操作以及體積小和耗資少的特點。
以下結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。


圖1是本實用新型的主視結構示意圖。圖2是
圖1的A-A剖面結構示意圖。圖3是本實用新型的勻速加沙裝置細部構造圖。圖4是本實用新型的觀測段測量斷面細部構造圖。圖5是本實用新型的尾門細部構造圖。圖6是本實用新型的濾網隔板細部構造圖。圖中1.攪拌池，2.勻速加沙裝置，3.電動機，4.攪拌葉，5.溢流明渠，6.進口閥門，7.電磁流量計，8.穩流橫柱，9.有機玻璃槽(進口穩流段、實驗觀測段、尾門段)，10.測針，11.通氣孔，12.測壓管，13.尾門，14.尾水池，15.抽水軟管，16.水泵，17.隔板，18.模型沙分選槽，19.濾網隔板，20.清水池，21.加沙箱，22.加沙箱漏鬥，23.加沙漏鬥，24.集沙槽，25.橡皮塞，26.注射器，27.尾門固定閥，28.有機玻璃條，29.尾水控制門，30.尾坎， 31.尾門插槽，32.上層濾網，33.下層隔板。
具體實施方式一種含沙水流河工模型精細模擬系統，由攪拌池(1)、勻速加沙裝置( 、電動機 (3)、攪拌葉G)、溢流明渠(5)、進口閥門(6)、電磁流量計(7)、有機玻璃槽(9)、尾水池、抽水軟管(15)、水泵(16)、模型沙分選槽(18)和清水池(14)等連接組成，能夠進行含沙水流循環演進實驗、恆定水流含沙量條件下的衝淤平衡實驗和模型沙分選。含沙水流循環演進實驗。系統工作前，先把一定比例的水沙放入攪拌池(1)並調整水位至溢流明渠( ，由電動機C3)帶動攪拌葉(4)將池中水沙攪拌均勻。緩慢開啟進口閥門(6)，逐漸調整至實驗所需流量，其間不斷向攪拌池(1)添加清水以保持攪拌池(1)水位恆定。含沙水流由進口閥門(6)進入有機玻璃槽(9)，進口穩流段的穩流橫柱(8)使水流趨於平順，水流在實驗觀測段與鋪設在底部的模型沙床面進行水沙交換後流入尾門段，在尾門(1 處通過調整上部尾水控制門09)的開啟寬度和高度控制尾水位，並由尾坎(30) 阻止水流對模型沙床面的淘刷，最後含沙水流經跌水段流入尾水池(14)，能夠有效減少泥沙在尾水池(14)中的沉積。當尾水池(14)水位上升至一定程度，開啟水泵(16)，使用抽水軟管(1 將池中尾水抽送至攪拌池(1)，並停止向攪拌池(1)加水，系統開始自循環。含沙水流與模型沙床面不斷發生水沙交換，待水流含沙量和床面形態趨於穩定時，系統達到衝淤平衡狀態。此時，使用進口閥門(6)處的電磁流量計(7)測得實驗流量；使用實驗觀測段中的測針(10)、測壓管(1 等測量設備對段內含沙水流進行量測並記錄各測點的水位、壓強等實驗數據；使用注射器0 從底部通氣孔(11)處通過橡皮塞0 向床面注射空氣， 同時在實驗觀測段一側設置強光源並對氣泡進行連續拍照，由照片上氣泡橫向位移變化計算氣泡所在位置的瞬時流速。恆定水流含沙量條件下的衝淤平衡實驗。系統工作前，先以設計含沙量要求把水沙按比例放入攪拌池(1)並調整水位至溢流明渠(5)，由電動機C3)帶動攪拌葉(4)將池中水沙攪拌均勻，去除尾水池(14)與模型沙分選槽(18)連接處的隔板(17)並將尾水池 (14)端的抽水軟管(15)移至清水池(14)中。緩慢開啟進口閥門(6)，逐漸調整至實驗所需流量，其間不斷向攪拌池(1)添加設計濃度含沙水流以保持攪拌池(1)水位恆定。含沙水流由進口閥門(6)進入有機玻璃槽(9)，進口穩流段的穩流橫柱( 使水流趨於平順，水流在實驗觀測段與鋪設在底部的模型沙床面進行水沙交換後流入尾門段，在尾門(13)處通過調整上部尾水控制門09)的開啟寬度和高度控制尾水位，並由尾坎(30)阻止水流對模型沙床面的淘刷，而後含沙水流經跌水段流入尾水池(14)，能夠有效減少泥沙在尾水池 (14)中的沉積，尾水池(14)中的含沙水流進入模型沙分選槽(18)，水流中的泥沙按照粒徑由大到小的次序依次沿程沉積完成泥沙分選，表層低濃度含沙水流經過濾網隔板(19)的過濾最終成為清水併流入清水池OO)完成水沙分離。當清水池OO)中的清水水位上升至一定程度，開啟水泵(16)，使用抽水軟管(1 將池中清水抽送至攪拌池(1)，同時打開勻速加沙裝置O)的閥門，迅速調整至實驗所需加沙流量，並停止向攪拌池(1)添加含沙水流， 系統開始自循環。含沙水流與模型沙床面不斷發生水沙交換，待水流含沙量和床面形態趨於穩定時，系統達到衝淤平衡狀態。此時，使用進口閥門(6)處的電磁流量計(7)測得實驗流量；使用實驗觀測段中的測針(10)、測壓管(1 等測量設備對段內含沙水流進行量測並記錄各測點的水位、壓強等實驗數據；使用注射器06)從底部通氣孔(11)處通過橡皮塞 (25)向床面注射空氣，同時在實驗觀測段一側設置強光源並對氣泡進行連續拍照，由照片上氣泡橫向位移變化計算氣泡所在位置的瞬時流速。 模型沙分選功能。系統工作前，先把需要分選的模型沙放入攪拌池(1)並加水至溢流明渠(5)，由電動機C3)帶動攪拌葉(4)將池中水沙攪拌均勻，去除實驗觀測段內的模型沙動床和尾水池(14)與模型沙分選槽(18)連接處的隔板(17)，將尾門完全開啟，並將尾水池(14)端的抽水軟管(1 移至清水池(14)中。緩慢開啟進口閥門(6)，迅速調整至分選所需流量，其間不斷向攪拌池(1)添加清水以保持攪拌池(1)水位恆定。含沙水流由進口閥門(6)進入有機玻璃槽(9)，流經進口穩流段、實驗觀測段、尾門段進入尾水池(14)， 尾門(1 後的跌水段能夠有效減少泥沙在尾水池(14)中的沉積，尾水池(14)中的含沙水流進入模型沙分選槽(18)後流速降低，水流中的泥沙按照粒徑由大到小的次序依次沿程沉積完成泥沙分選，表層低濃度含沙水流經過濾網隔板(19)的過濾最終成為清水併流入清水池00)。當清水池OO)中的清水水位上升至一定程度，開啟水泵(16)，使用抽水軟管 (15)將池中清水抽送至攪拌池(1)，並停止向攪拌池(1)添加清水，系統開始自循環。隨著攪拌池中(1)水流含沙量的降低逐漸減小放水流量，當攪拌池(1)中的水流含沙量為零時系統完成水沙分離，實現模型沙分選功能。
權利要求1.一種含沙水流河工模型精細模擬系統，由攪拌池、進口穩流段、實驗觀測段、尾門段和尾水池等順次連接組成，其特徵是在河工模型的攪拌池上部添加漏鬥式勻速加沙裝置； 在河工模型的攪拌池部分，抬高攪拌池的底部高程並採用溢流明渠和進口閥門；在河工模型的進口穩流段添加穩流橫柱；在河工模型的實驗觀測段底部添加通氣孔；在河工模型的尾門段使用條型尾門，並在尾門前添加尾坎、在尾門後添加跌水坡段；在河工模型的尾水池和攪拌池之間添加由水泵連接的可移動的抽水軟管；在河工模型的下部添加模型沙分選槽和清水池。
2.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的攪拌池上部添加漏鬥型勻速加沙裝置，該裝置由加沙箱、加沙漏鬥、漏鬥閥門和集沙槽組成。
3.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是將含沙水流河工模型的攪拌池底部高程抬高至有機玻璃槽底部高程，採用明渠溢流裝置溢流，採用進口閥門出流。
4.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的進口穩流段添加穩流橫柱，由若干列垂直於過流方向的有機玻璃柱交錯布置組成。
5.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的實驗觀測段底部添加通氣孔，使用橡皮塞堵塞通氣孔，並在通氣孔下部使用注射器與橡皮塞連接。
6.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的尾門段使用條型尾門，並在尾門後添加跌水坡段。
7.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的攪拌池和尾水池之間添加由水泵連接的可移動抽水軟管。
8.根據權利要求1所述的含沙水流河工模型精細模擬系統，其特徵是在含沙水流河工模型的尾水池後添加環繞模型的模型沙分選槽，並設置清水池與之相連。
專利摘要一種具有水沙循環、含沙水流循環演進、泥沙分選、水沙分離功能並能夠進行精確控制的含沙水流河工模型精細模擬系統。它是由攪拌池、勻速加沙裝置、電動機、攪拌葉、溢流明渠、進口閥門、電磁流量計、有機玻璃槽、尾水池、抽水軟管、水泵、模型沙分選槽和清水池等連接組成。在有機玻璃槽中的進口穩流段設置穩流橫柱，在實驗觀測段設置通氣孔等測量裝置，在尾門段設置尾坎、尾門和跌水坡段，在尾水池後連接模型沙分選槽和清水池，能夠進行含沙水流循環演進實驗、恆定水流含沙量條件下的衝淤平衡實驗和模型沙分選。
文檔編號E02B1/02GK202157298SQ201120036408
公開日2012年3月7日 申請日期2011年2月11日 優先權日2011年2月11日
發明者嚴軍, 梁標, 焦鵬, 王其松, 葛高嶺 申請人:嚴軍, 梁標, 焦鵬