一种天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置及其方法
【专利摘要】本发明涉及一种天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置及其方法，属于环境原位监测【技术领域】；该装置包括垂杆、定滑轮、电子天平、编码器、钢缆、计算机、固定平台与支架；垂杆顶端设置吊装环，吊装环上安装钢缆，钢缆的另一端绕过第一定滑轮和第二定滑轮连接在编码器上；第一定滑轮吊装在电子天平下，电子天平、第二定滑轮和编码器均安装在固定平台上，并位于固定平台的下方，且第二定滑轮的位置能使绕过第一定滑轮两边的钢缆相互平行；固定平台由支架支撑，支架下端固定在浮泥层下的稳定河床上，计算机固定在固定平台上面，编码器和电子天平通过数据线与计算机连接。本发明具有原位实时测量、精度高的优点。
【专利说明】一种天然河流中淳泥流变参数原位实时测量装置及其方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于环境原位监测【技术领域】，特别涉及一种天然河流中浮泥流变参数原位 实时测量装置。
【背景技术】
[0002] 天然河流中常常存在粒径很小的粘性泥沙颗粒，粘性细颗粒可在物理化学作用下 产生絮团，絮团成长发育形成具有一定抗剪能力的网状结构，即产生了宾汉剪切力。在河 流、水库、港口的回流、缓流部位，是细颗粒泥沙集中淤积的区域，因细颗粒泥沙的粘性而产 生絮凝结构，相对稳定的絮网使床面淤积的泥沙长时期不易密实，且具有一定的流动性，即 形成了浮泥层。浮泥是典型的宾汉体，其流变特性表现为具有比牛顿流体更大的剪切应力 (以刚度系数表示）和屈服应力，刚度系数和屈服应力称为流变参数。实践经验表明，在一 定的流变参数范围内，浮泥层中可以通航，因此，原位实时测量浮泥的流变参数意义重大。 目前能够得到流变参数的方法主要有立管式粘度计和音叉粘度-密度计。
[0003] 立管式粘度计是将待测宾汉体灌装入坚直立管内，在立管上下两端加压，使得宾 汉体在立管内作层流运动，通过不同压差的实验结果拟合得到宾汉体的流变参数。对于浮 泥来讲，立管式粘度计需要将浮泥从河床挖出，再装入立管内进行测量，这些操作均会破坏 浮泥中的絮网结构，最终所得流变参数与原位浮泥差异较大。
[0004] 音叉粘度-密度计的原理是使用音叉高频振动发出声波，根据穿过浮泥的声波变 化得到浮泥的流变参数。实际使用时需要将音叉插入待测宾汉体中并做高频振动。对于一 般的均质宾汉体来讲，这种测量方式能够得到准确的流变参数，但是对于浮泥，音叉高频振 动会破坏絮网结构，得不到反映原位浮泥流变参数的有效数据。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是为克服已有浮泥流变参数测量方法的不足之处，提供一种天然河 流中浮泥流变参数原位实时测量装置及其方法，本发明利用编码器控制垂杆在原位浮泥层 中匀速运动，使用电子天平测量垂杆在浮泥中运动或静止时的受力，得到浮泥的流变参数， 具有原位实时测量、精度高的优点。
[0006] 为实现上述目的，本发明提出一种天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置， 其特征在于：该装置包括垂杆、定滑轮、电子天平、编码器、钢缆、计算机、固定平台与支架； 垂杆顶端设置吊装环，吊装环上安装钢缆，钢缆的另一端绕过第一定滑轮和第二定滑轮连 接在编码器上；第一定滑轮吊装在电子天平下，电子天平、第二定滑轮和编码器均安装在固 定平台上，并位于固定平台的下方，且第二定滑轮的位置能使绕过第一定滑轮两边的钢缆 相互平行；固定平台由支架支撑，支架下端固定在浮泥层下的稳定河床上，计算机固定在固 定平台上面，编码器和电子天平通过数据线与计算机连接。
[0007] 本发明还提出一种采用上述装置的天然河流中浮泥流变参数原位实时测量方法， 包括以下步骤：
[0008] 1)将所述天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置架设在天然河流上，支架下 端固定在稳定河床上，并保证整个固定平台在测量过程中稳定；
[0009] 2)计算机控制编码器转动，放下垂杆，当垂杆末端刚好没入水面时，计算机记录编 码器的读数为Hs ;之后计算机控制编码器缓慢转动，将垂杆放下深度为dH，计算机控制编 码器停止转动，并记录电子天平读数为匕，匕为垂杆在水面以下dH处所受重力和液体浮力 的差；计算机控制编码器缓慢转动将垂杆继续放下深度为2dH后停止转动，并记录电子天 平的测量读数为G 2, G2为垂杆在水面以下2dH处所受重力和液体浮力的差；如此往复，直至 垂杆到达稳定河床不再能够下降为止；
[0010] 3)计算机控制编码器缓慢转动将垂杆提升至水面，此时编码器读数为Hs ;之后计 算机控制编码器匀速转动，使垂杆以速度仏匀速下沉，计算机同时连续记录编码器与电子 天平的读数，直到垂杆接触固定床面后不再向下移动，计算机控制编码器停止转动；得到编 码器记录的读数曲线氏与电子天平记录的读数曲线匕；
[0011] 4)计算机控制编码器缓慢转动将垂杆提升至水面，当编码器读数为Hs时，计算机 控制编码器匀速转动，使得垂杆以速度队匀速下沉，计算机同时连续记录编码器与电子天 平的读数，直到垂杆接触固定床面后不再向下移动，得到曲线4与&;如此往复N次，得到 垂杆在匀速下降速度为Ui?U N时对应的编码器读数曲线序列Hi?HN和电子天平读数曲线 序列Fi?FN ;
[0012] 5)使用所得数据计算得到由浮泥刚度系数和屈服应力组成的浮泥流变参数。
[0013] 本发明的特点及有益效果如下：本装置控制垂杆在浮泥中匀速运动，利用电子天 平测量匀速运动过程中垂杆的受力，计算出垂杆表面所受浮泥的剪切应力，从而得到浮泥 的流变参数。本装置可在不干扰浮泥层稳定的情况下真正实现对浮泥流变参数的原位测 量，可获得浮泥流变参数在坚直方向上的变化过程。对保证航运、研究河道演变与水库淤积 等具有重要应用价值。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 图1为本发明装置结构及布置示意图；
[0015] 图2为本发明实施例数据拟合结果。
【具体实施方式】
[0016] 下面结合附图及实施例详细说明本发明的技术方案中所涉及的各个细节问题。应 指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0017] 本发明的一种天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置，如图1所示，该装置 包括垂杆11、第一定滑轮16、电子天平17、第二定滑轮18、编码器19、细钢缆15、计算机 110、固定平台111与支架112。垂杆11顶端设置吊装环14,吊装环14上安装钢缆15,钢 缆15的另一端绕过第一定滑轮16和第二定滑轮18连接在编码器19上；第一定滑轮16吊 装在电子天平17下，电子天平17、第二定滑轮18和编码器19均安装在固定平台111上， 位于固定平台的下方，且第二定滑轮18的安装位置要保证绕过第一定滑轮16两边的细钢 缆15相互平行；固定平台111由支架112支撑，支架112下端固定在浮泥层下的稳定河床 114上，计算机110固定在固定平台111上面，编码器19和电子天平17通过数据线与计算 机110连接。
[0018] 上述垂杆11为圆柱体，下端部为半圆球体，圆柱体内下部设有配重12使得在测量 过程中垂杆始终保持垂直，圆柱体内上部设有空心孔13用于调节垂杆的整体密度约为5g/ cm3(为浮泥密度的4倍，保证垂杆11能够在浮泥层中自由下沉）。
[0019] 采用上述装置的天然河流中浮泥流变参数原位实时测量方法，包括以下步骤：
[0020] 1)将所述天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置架设在天然河流上，支架 112下端固定在稳定河床114上，并保证整个固定平台在测量过程中稳定；
[0021] 2)计算机110控制编码器19转动，放下垂杆11，在垂杆11末端吊装环14刚好没 入水面113时，计算机110记录编码器19的读数为Hs ;之后计算机110控制编码器19缓 慢转动，将垂杆11放下深度为dH，计算机110控制编码器19停止转动（垂杆11悬停在水 面113以下dH处），待电子天平17的测量值稳定时，计算机110记录电子天平17读数h， h为垂杆11在水面113以下dH处所受重力和液体浮力的差；待匕记录完毕之后，计算机 110控制编码器19缓慢转动将垂杆11继续放下dH深后停止转动（垂杆11悬停在水面113 以下2dH处），待电子天平17的测量值稳定时记录读数G 2，为垂杆11在水面113以下2dH 处所受重力和液体浮力的差；如此往复，直至垂杆11到达稳定河床114不再能够下降为止 (dH越小，最终测量结果在垂向上的分辨率越大，但测量耗时越长，相反则测量结果在垂向 上的分辨率越低，耗时越短）；
[0022] 3)计算机110控制编码器19缓慢转动将垂杆11提升至水面113,此时编码器19 读数为Hs ;之后计算机110控制编码器19匀速转动，使垂杆11以速度仏匀速下沉，计算机 110同时连续记录编码器19与电子天平17的读数，垂杆11接触固定床面114后不再向下 移动，计算机110控制编码器19停止转动，并停止记录编码器19和电子天平17的读数；得 到编码器19记录的读数曲线氏与电子天平17记录的读数曲线匕；
[0023] 4)计算机110控制编码器19缓慢转动将垂杆11提升至水面113,此时编码器19 读数为Hs ;计算机110控制编码器19匀速转动，使得垂杆11以速度U2匀速下沉，计算机 110同时连续记录编码器19与电子天平17的读数，垂杆11接触固定床面114后不再向下 移动，计算机110控制编码器19停止转动，并停止记录编码器19和电子天平17的读数；得 至IJ曲线H 2与F2 ;如此往复N次，得到垂杆11在匀速下降速度为仏?UN时对应的编码器19 读数曲线序列氏?HN和电子天平17读数曲线序列Fi?F N ;
[0024] 5)使用所得数据计算浮泥刚度系数和屈服应力，具体计算步骤为：
[0025] 51)首先计算水面113以下dH处的浮泥刚度系数和屈服应力，在曲线氏上查找值 为Hs+dH的时刻，之后从曲线Fi上读取相应时刻的值F n，根据Fn、Gi和垂杆直径D与长度 L，用式（1)计算垂杆11在匀速下降速度为仏时在水面113以下dH处浮泥作用于垂杆11 表面的粘性应力值τη:
[0026]
【权利要求】
1. 一种天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置，其特征在于，该装置包括垂杆、 定滑轮、电子天平、编码器、钢缆、计算机、固定平台与支架；垂杆顶端设置吊装环，吊装环上 安装钢缆，钢缆的另一端绕过第一定滑轮和第二定滑轮连接在编码器上；第一定滑轮吊装 在电子天平下，电子天平、第二定滑轮和编码器均安装在固定平台上，并位于固定平台的下 方，且第二定滑轮的位置能使绕过第一定滑轮两边的钢缆相互平行；固定平台由支架支撑， 支架下端固定在浮泥层下的稳定河床上，计算机固定在固定平台上面，编码器和电子天平 通过数据线与计算机连接。
2. 如权利要求1所述测量装置，其特征在于，所述垂杆为圆柱体，下端部为半圆球体； 圆柱体内下部设有配重，使得在测量过程中垂杆始终保持垂直，圆柱体内上部设有空腔，以 调节垂杆的整体密度，保证垂杆能够在浮泥层中自由下沉。
3. -种采用如权利要求1所述装置的天然河流中浮泥流变参数原位实时测量方法，包 括以下步骤： 1) 将所述天然河流中浮泥流变参数原位实时测量装置架设在天然河流上，支架下端固 定在稳定河床上，并保证整个固定平台在测量过程中稳定； 2) 计算机控制编码器转动，放下垂杆，当垂杆末端刚好没入水面时，计算机记录编码器 的读数为Hs ;之后计算机控制编码器缓慢转动，将垂杆放下深度为dH，计算机控制编码器 停止转动，并记录电子天平读数为匕，^为垂杆在水面以下dH处所受重力和液体浮力的差； 计算机控制编码器缓慢转动将垂杆继续放下深度为2dH后停止转动，并记录电子天平的测 量读数为G 2，G2为垂杆在水面以下2dH处所受重力和液体浮力的差；如此往复，直至垂杆到 达稳定河床不再能够下降为止； 3) 计算机控制编码器缓慢转动将垂杆提升至水面，此时编码器读数为Hs ;之后计算机 控制编码器匀速转动，使垂杆以速度仏匀速下沉，计算机同时连续记录编码器与电子天平 的读数，直到垂杆接触固定床面后不再向下移动，计算机控制编码器停止转动；得到编码器 记录的读数曲线氏与电子天平记录的读数曲线Fi ; 4) 计算机控制编码器缓慢转动将垂杆提升至水面，当编码器读数为Hs时，计算机控制 编码器匀速转动，使得垂杆以速度队匀速下沉，计算机同时连续记录编码器与电子天平的 读数，直到垂杆接触固定床面后不再向下移动，得到曲线H 2与F2 ;如此往复N次，得到垂杆 在匀速下降速度为A?UN时对应的编码器读数曲线序列氏?HN和电子天平读数曲线序列 Fi ?FN ; 5) 使用所得数据计算得到由浮泥刚度系数和屈服应力组成的浮泥流变参数。
4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤5)具体包括以下步骤： 51) 首先计算水面以下dH处的浮泥刚度系数和屈服应力，在曲线氏上查找值为Hs+dH 的时刻，之后从曲线Fi上读取相应时刻的值Fn，根据Fn、Gi和垂杆直径D与长度L，用式 (1)计算垂杆在匀速下降速度为Α时在水面以下dH处浮泥作用于垂杆表面的粘性应力值 τ 11 ：
式中JI为圆周率；粘性应力值τ η与Ui/D组成数组（τ n，Ui/D); 52) 在曲线H2上查找值为Hs+dH的时刻，从曲线F2上读取相应时刻的值F21，根据F 21、 Gi和垂杆直径D与长度L，用式（1)计算垂杆匀速下降速度为U2时在水面以下dH处浮泥作 用于垂杆表面的粘性应力值τ12，得到数组（t12，U2/D); 53) 依次计算得到数组序列（TmUi/D)?（t1n，Un/D)，将数组序列点绘在以τ为纵 坐标、U/D为横坐标的图中，使用最小二乘法用直线拟合数据点，直线的斜率即为水面以下 dH处的浮泥的刚度系数L，直线在τ轴上的截距即为浮泥的屈服应力τΒ1; 54) 计算水面以下2dH处的浮泥刚度系数和屈服应力，在曲线氏上查找值为Hs+2dH的 时刻，之后从曲线匕上读取相应时刻的值F 12，根据F12、G2和垂杆直径D与长度L，可得到数 组（τ 21，U/D);依次计算得到数组序列（τ 21，U/D)?（τ 2N, UN/D)，将数组序列点绘在以 τ为纵坐标、U/D为横坐标的图中，使用最小二乘法用直线拟合数据点，直线的斜率即为水 面以下dH处的浮泥刚度系数il2，直线在τ轴上的截距即为浮泥的屈服应力τ Β2;依次计 算，即可得到水面以下每个位置的浮泥刚度系数ηΝ与屈服应力τΒ1?τ ΒΝ。
【文档编号】G01N11/10GK104155211SQ201410406574
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月18日 优先权日:2014年8月18日
【发明者】钟强, 李丹勋, 杨文俊, 陈启刚, 王兴奎 申请人:清华大学