一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置及方法，第二水槽内依次设置有注水区、试验区、排水区，稳流装置位于注水区和试验区之间，模拟植物群位于试验区内，泥沙槽位于试验区内，模拟植物群固定于泥沙槽内，泥沙位于泥沙槽内。在水深不变的条件下，使水流保持为恒定均匀状态，逐步加大往注水区内注水的水量，当流速达到一定值时，出现少量可数的泥沙颗粒在运动，且泥沙可以沿水流方向在植物区内穿越，带有持续性时，此时植物所在区域内水流的平均流速，即为泥沙起动流速。本发明结构简单，测试方便。填补国内外关于植物状态下泥沙起动研究的空白，为沿河两岸防冲、防洪建筑的建设提供了标准。
【专利说明】一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置及方法，属于环境水力学【技术领域】。
【背景技术】
[0002]泥沙起动流速是指泥沙在水流作用下发生运动所需要的最小水流流速。泥沙发生运动时容易造成河段的岸线冲刷进而带来河床演变，这对于河道的行洪安全以及沿岸居民的生活、生产安全可能产生巨大的安全隐患。河道整治过程中，若选用过大的泥沙起动流速作为沿河堤防的设计依据，虽然具有良好的安全性，但是工程成本也会显著增加；相反，若采用较小的起动流速，工程造价虽然减小，但工程的可靠性降低。为此，需要综合考虑安全、经济两个方面，准确界定泥沙的起动，为沿河堤防建设标准提供参考。
[0003]随着近年来环保水平的提升，沿河、沿江绿化带的建设对泥沙运动研究提出新的挑战。植物存在条件下，原先的水流、泥沙间的二元作用演变为水流、植物、泥沙之间的三元作用，使得泥沙起动作用过程复杂化。而传统意义上泥沙的起动流速的研究多是集中在无植物平整床面上，对植物条件下泥沙的起动流速还未能提供定量的研究报告。
【发明内容】
[0004]本发明针对上述研究现状及其局限性，通过室内实验模拟研究，分析冲刷发生位置，提供了一种含非淹没植物条件下的泥沙起动及起动流速的实验装置及方法，解决了如何测定非淹没植物条件下的泥沙起动流速的问题。
[0005]一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置，包括第二水槽、稳流装置、模拟植物群、泥沙、泥沙槽，第二水槽内依次设置有注水区、试验区、排水区，稳流装置位于注水区和试验区之间，模拟植物群位于试验区内，泥沙槽位于试验区内，模拟植物群固定于泥沙槽内，泥沙位于泥沙槽内。
[0006]优选地:还包括可调节尾门，排水区开有排水口，在排水口附近的第二水槽上安装有可调节尾门，通过调整可调节尾门的开度调节第二水槽排水量的大小。
[0007]优选地:第二水槽为变坡水槽，变坡装置设置在注水区内。
[0008]优选地:还包括第一水槽、进水管、超声波流量计、变频水泵、排水管，进水管的一端位于第一水槽的水中，进水管的另一端位于变坡装置的上方，进水管上安装有变频水泵、超声波流量计，排水管一端与排水口相连接，另一端与第一水槽相连接，第一水槽的水位低于第二水槽的水位。
[0009]优选地:稳流装置为平水格栅。
[0010]优选地:还包括沉沙区，沉沙区位于试验区与排水区之间，沉沙区的水槽底部设置有沉沙池内。
[0011]一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的试验方法，其步骤如下:
第一步，在泥沙槽内按照需要排列模拟植物，并使模拟植物固定在泥沙槽的底面上；第二步，在使泥沙槽内装满泥沙；
第三步，往注水区内缓慢注水，使水流保持为恒定均匀状态，并使得水位稳定在试验所需的水深位置，调节可调节尾门，使单位时间内注入注水区的水量与单位时间内排出排水区的水量相同，此时，植物区的泥沙均处于静止不动的状态；
第四步，在水深不变的条件下，逐步加大往注水区内注水的水量，调节变坡装置、可调节尾门，使单位时间内注入注水区的水量与单位时间内排出排水区的水量相同，当流速达到一定值时，植物根部附近逐渐形成冲刷坑，当流速增大到一定值，冲刷坑以外出现少量可数的泥沙颗粒在运动，且泥沙可以沿水流方向在植物区内穿越，带有持续性时，测定植物所在区域内水流的平均流速，即为泥沙起动流速。
[0012]优选地:在试验过程中测量泥沙重度力I泥沙粒径为，植物杆径力“植物密
度为I,测定泥沙起动时的水深为A，通过公式
【权利要求】
1.一种研究非淹没刚性植物条件下泥沙起动的装置，包括第二水槽(5)、稳流装置、模拟植物群(8)，第二水槽(5)内依次设置有注水区(14)、试验区(15)、排水区(16)，稳流装置位于注水区(14)和试验区(15)之间，模拟植物群(8)位于试验区(15)内，其特征在于:还包括泥沙(12)、泥沙槽(13)，泥沙槽(13)位于试验区(15)内，模拟植物群(8)固定于泥沙槽(13)内，泥沙(12)位于泥沙槽(13)内。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:还包括可调节尾门(10)，排水区(16)开有排水口(19)，在排水口(19)附近的第二水槽(5)上安装有可调节尾门(10)，通过调整可调节尾门(10)的开度调节第二水槽(5)排水量的大小。
3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于:还包括变坡装置(6)，第二水槽(5)为变坡水槽，变坡装置(6)设置在注水区(14)内。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于:还包括第一水槽(I)、进水管(2)、超声波流量计(3)、变频水泵(4)、排水管(11)，进水管(2)的一端位于第一水槽(I)的水中，进水管(2)的另一端位于变坡装置(6)的上方，进水管(2)上安装有变频水泵(4)、超声波流量计(3)，排水管(11)一端与排水口( 19)相连接，另一端与第一水槽(I)相连接，第一水槽(I)的水位低于第二水槽(5)的水位。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:稳流装置为平水格栅(7)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于:还包括沉沙区(17)，沉沙区(17)位于试验区(15)与排水区(16)之间，沉沙区(17)的水槽底部设置有沉沙池(9)内。
7.根据权利要求4所述的试验方法，其特征在于: 第一步，在泥沙槽(13)内按照需要排列模拟植物，并使模拟植物固定在泥沙槽(13)的底面上； 第二步，在使泥沙槽(13)内装满泥沙(12)； 第三步，往注水区(14)内缓慢注水，使水流保持为恒定均匀状态，并使得水位稳定在试验所需的水深位置，此时，植物区的泥沙均处于静止不动的状态； 第四步，在水深不变的条件下，逐步加大往注水区(14)内注水的水量，调节变坡装置(6)、可调节尾门(10)，使单位时间内注入注水区(14)的水量与单位时间内排出排水区(16)的水量相同，当流速达到一定值时，出现少量可数的泥沙颗粒在运动，且泥沙可以沿水流方向在植物区内穿越，带有持续性时，测定植物所在区域内水流的平均流速，即为泥沙起动流速。
8.根据权利要求7所述的试验方法，其特征在于:在试验过程中测量泥沙重度为Ys，泥沙粒径为d，植物杆径为D，植物密度为I ,测定泥沙起动时的水深为A，通过公式
【文档编号】G01M10/00GK103898863SQ201410081635
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】唐洪武, 王浩, 刘震, 赵汗青, 赵翾宇, 袁赛瑜 申请人:河海大学