专利名称：含沙水流河工模型精细模拟系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种精细模拟河工及水力条件的实验装置，尤其是能够实现水沙循环、含沙水流循环演进、泥沙分选、水沙分离以及模型系统的精确控制。
背景技术：
目前，公知的含沙水流河工模型是由搅拌池、进口稳流段、实验观测段、尾门段和尾水池等顺次连接组成。按照实验要求将一定比例的水沙放入搅拌池内混合均勻，由水泵将一定流量的含沙水流抽送至进水口，经稳流过渡段，水流平顺进入实验观测段，并通过含沙水流同床面泥沙的相互作用改变河床的形态特征，使用观测设备(测针、测压管等)对各测点的水力学参数进行实验观测和记录，后水流进入尾门段并流入尾水池完成实验。但是， 一般的含沙水流河工模型的搅拌池不能在实验过程中根据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从搅拌池抽取一定流量的含沙水流进行河工模拟实验，由于水泵自身变频特性的限制，使其难以稳定和连续调节实验流量；一般的含沙水流河工模型的进口稳流段需要较长距离使水流平顺；一般的含沙水流河工模型的实验观测段不具备测量断面瞬时流速的功能；一般的含沙水流河工模型的尾门段不能精确控制尾水位和有效减少尾水池中的泥沙淤积；一般的含沙水流河工模型的水流进入尾水池后不能在实验过程中直接循环使用，搅拌池应满足整个实验的用水需求，故体积大、耗资大；一般的含沙水流河工模型不具备分选模型沙和水沙分离的功能，需要建造沉沙池。
发明内容为了克服现有含沙水流河工模型的搅拌池不能在实验过程中根据水泵流量变化按比例勻速加沙、实验流量不能连续变化、进口稳流段需要较长距离、实验观测段的断面瞬时流速无法测量、实验观测段尾水位无法精确控制、尾水池无法有效减於、实验过程中的水量不能循环使用以及实验系统无模型沙分选和水沙分离功能的不足，本实用新型提供一种含沙水流河工模型精细模拟系统，该含沙水流河工模型精细模拟系统不仅能实现搅拌池在实验过程中根据水泵流量的变化按比例勻速加沙、实验流量的连续调节、有效缩短进口稳流段的距离、实验观测段瞬时流速的简易测量、实验观测段尾水位的精确控制、尾水池的有效减於和实验过程中水量的循环使用，而且具备独立的模型沙分选和水沙分离功能。本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是在含沙水流河工模型的搅拌池上部添加漏斗型勻速加沙装置，该装置由加沙箱、加沙漏斗、漏斗阀门和集沙槽组成；将含沙水流河工模型的搅拌池底部高程抬高至有机玻璃槽底部高程，采用明渠溢流装置溢流， 采用进口阀门出流；在含沙水流河工模型的进口稳流段添加稳流横柱，由若干列垂直于过流方向的有机玻璃柱交错布置组成；在含沙水流河工模型的实验观测段底部添加通气孔， 使用橡皮塞堵塞通气孔，并在通气孔下部使用注射器与橡皮塞连接；在含沙水流河工模型的尾门段使用条型尾门，并在尾门后添加跌水坡段；在含沙水流河工模型的搅拌池和尾水池之间添加由水泵连接的可移动抽水软管；在含沙水流河工模型的尾水池后添加环绕模型的模型沙分选槽，并设置清水池与之相连。当加沙箱中的模型沙经由上部的加沙箱漏斗流入下部的加沙漏斗时，在保证上部加沙箱漏斗的模型沙下泄流量始终大于下部加沙漏斗的加沙流量且不受外界扰动的情况下，加沙漏斗上方能够形成圆锥形模型沙稳定堆积体，若加沙漏斗阀门的开启度一定，则模型沙可按一定速率勻速下泄加沙；当实验装置循环运行时，水泵将尾水池或清水池中的水抽送至搅拌池，在水泵抽水流量始终大于进口阀门下泄流量的情况下，搅拌池内水头高度保持恒定，多余水量通过溢流明渠输送至尾水池，进口阀门在恒定的水头和开启度下维持恒定的下泄流量，下泄流量可以在零流量和最大流量之间进行连续调节；当含沙水流由进口阀门下泄至进口稳流段时，交错布置的稳流横柱使得紊动水流趋于平顺，并且避免了折冲水流的产生和含沙水流在此段的淤积，极大地缩短了进口稳流段长度；当水流流经实验观测段时，使用注射器从底部通气孔处通过橡皮塞向床面注射空气，同时在实验观测段一侧设置强光源并对气泡进行连续拍照，由照片上气泡横向位移变化计算气泡所在位置的瞬时流速；当含沙水流流至尾门，通过调节尾水控制门的开启宽度和高度能够精确控制尾水位，而后流经跌水坡段的水流通过水跌获得较大流速并冲击尾水池内尾水，能够有效减少尾水池内的泥沙淤积；当含沙水流通过尾门段流入尾水池后，水泵以略大于实验下泄流量的某适当流量抽取尾水，使用软管输送至搅拌池，在实验过程中实现水量的循环使用，节约了实验用水量、减小了搅拌池体积；当含沙水流由尾水池进入实验装置下部的模型沙分选槽时，模型沙分选槽的水力筛选作用使得含沙水流中的泥沙颗粒按粒径由大到小的次序依次沉积，完成模型沙的分选，随后水流通过滤网隔板进入清水池最终完成水沙分离。本实用新型的有益效果是能够在完成一般含沙水流河工模型实验的同时，方便地进行勻速加沙、实验流量连续调节、断面瞬时流速简易测量、尾水位精确调节、模型沙分选和水沙分离等精细模拟和精细控制；通过缩短进口稳流段长度和缩小搅拌池容积，有效地减小了模型尺寸，极大地节约了实验水量；同时，整个含沙水流河工模型精细模拟系统通过对模型不同部分的平面布置和高程设计，充分利用了平面和垂向空间，实现了水平方向布置紧凑与垂直方向错落有致的有机结合，使本含沙水流河工模型精细模拟系统具有功能全面、结构简单、易于操作以及体积小和耗资少的特点。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的主视结构示意图。图2是
图1的A-A剖面结构示意图。图3是本实用新型的勻速加沙装置细部构造图。图4是本实用新型的观测段测量断面细部构造图。图5是本实用新型的尾门细部构造图。图6是本实用新型的滤网隔板细部构造图。图中1.搅拌池，2.勻速加沙装置，3.电动机，4.搅拌叶，5.溢流明渠，6.进口阀门，7.电磁流量计，8.稳流横柱，9.有机玻璃槽(进口稳流段、实验观测段、尾门段)，10.测针，11.通气孔，12.测压管，13.尾门，14.尾水池，15.抽水软管，16.水泵，17.隔板，18.模型沙分选槽，19.滤网隔板，20.清水池，21.加沙箱，22.加沙箱漏斗，23.加沙漏斗，24.集沙槽，25.橡皮塞，26.注射器，27.尾门固定阀，28.有机玻璃条，29.尾水控制门，30.尾坎， 31.尾门插槽，32.上层滤网，33.下层隔板。
具体实施方式一种含沙水流河工模型精细模拟系统，由搅拌池(1)、勻速加沙装置( 、电动机 (3)、搅拌叶G)、溢流明渠(5)、进口阀门(6)、电磁流量计(7)、有机玻璃槽(9)、尾水池、抽水软管(15)、水泵(16)、模型沙分选槽(18)和清水池(14)等连接组成，能够进行含沙水流循环演进实验、恒定水流含沙量条件下的冲淤平衡实验和模型沙分选。含沙水流循环演进实验。系统工作前，先把一定比例的水沙放入搅拌池(1)并调整水位至溢流明渠( ，由电动机C3)带动搅拌叶(4)将池中水沙搅拌均勻。缓慢开启进口阀门(6)，逐渐调整至实验所需流量，其间不断向搅拌池(1)添加清水以保持搅拌池(1)水位恒定。含沙水流由进口阀门(6)进入有机玻璃槽(9)，进口稳流段的稳流横柱(8)使水流趋于平顺，水流在实验观测段与铺设在底部的模型沙床面进行水沙交换后流入尾门段，在尾门(1 处通过调整上部尾水控制门09)的开启宽度和高度控制尾水位，并由尾坎(30) 阻止水流对模型沙床面的淘刷，最后含沙水流经跌水段流入尾水池(14)，能够有效减少泥沙在尾水池(14)中的沉积。当尾水池(14)水位上升至一定程度，开启水泵(16)，使用抽水软管(1 将池中尾水抽送至搅拌池(1)，并停止向搅拌池(1)加水，系统开始自循环。含沙水流与模型沙床面不断发生水沙交换，待水流含沙量和床面形态趋于稳定时，系统达到冲淤平衡状态。此时，使用进口阀门(6)处的电磁流量计(7)测得实验流量；使用实验观测段中的测针(10)、测压管(1 等测量设备对段内含沙水流进行量测并记录各测点的水位、压强等实验数据；使用注射器0 从底部通气孔(11)处通过橡皮塞0 向床面注射空气， 同时在实验观测段一侧设置强光源并对气泡进行连续拍照，由照片上气泡横向位移变化计算气泡所在位置的瞬时流速。恒定水流含沙量条件下的冲淤平衡实验。系统工作前，先以设计含沙量要求把水沙按比例放入搅拌池(1)并调整水位至溢流明渠(5)，由电动机C3)带动搅拌叶(4)将池中水沙搅拌均勻，去除尾水池(14)与模型沙分选槽(18)连接处的隔板(17)并将尾水池 (14)端的抽水软管(15)移至清水池(14)中。缓慢开启进口阀门(6)，逐渐调整至实验所需流量，其间不断向搅拌池(1)添加设计浓度含沙水流以保持搅拌池(1)水位恒定。含沙水流由进口阀门(6)进入有机玻璃槽(9)，进口稳流段的稳流横柱( 使水流趋于平顺，水流在实验观测段与铺设在底部的模型沙床面进行水沙交换后流入尾门段，在尾门(13)处通过调整上部尾水控制门09)的开启宽度和高度控制尾水位，并由尾坎(30)阻止水流对模型沙床面的淘刷，而后含沙水流经跌水段流入尾水池(14)，能够有效减少泥沙在尾水池 (14)中的沉积，尾水池(14)中的含沙水流进入模型沙分选槽(18)，水流中的泥沙按照粒径由大到小的次序依次沿程沉积完成泥沙分选，表层低浓度含沙水流经过滤网隔板(19)的过滤最终成为清水并流入清水池OO)完成水沙分离。当清水池OO)中的清水水位上升至一定程度，开启水泵(16)，使用抽水软管(1 将池中清水抽送至搅拌池(1)，同时打开勻速加沙装置O)的阀门，迅速调整至实验所需加沙流量，并停止向搅拌池(1)添加含沙水流， 系统开始自循环。含沙水流与模型沙床面不断发生水沙交换，待水流含沙量和床面形态趋于稳定时，系统达到冲淤平衡状态。此时，使用进口阀门(6)处的电磁流量计(7)测得实验流量；使用实验观测段中的测针(10)、测压管(1 等测量设备对段内含沙水流进行量测并记录各测点的水位、压强等实验数据；使用注射器06)从底部通气孔(11)处通过橡皮塞 (25)向床面注射空气，同时在实验观测段一侧设置强光源并对气泡进行连续拍照，由照片上气泡横向位移变化计算气泡所在位置的瞬时流速。 模型沙分选功能。系统工作前，先把需要分选的模型沙放入搅拌池(1)并加水至溢流明渠(5)，由电动机C3)带动搅拌叶(4)将池中水沙搅拌均勻，去除实验观测段内的模型沙动床和尾水池(14)与模型沙分选槽(18)连接处的隔板(17)，将尾门完全开启，并将尾水池(14)端的抽水软管(1 移至清水池(14)中。缓慢开启进口阀门(6)，迅速调整至分选所需流量，其间不断向搅拌池(1)添加清水以保持搅拌池(1)水位恒定。含沙水流由进口阀门(6)进入有机玻璃槽(9)，流经进口稳流段、实验观测段、尾门段进入尾水池(14)， 尾门(1 后的跌水段能够有效减少泥沙在尾水池(14)中的沉积，尾水池(14)中的含沙水流进入模型沙分选槽(18)后流速降低，水流中的泥沙按照粒径由大到小的次序依次沿程沉积完成泥沙分选，表层低浓度含沙水流经过滤网隔板(19)的过滤最终成为清水并流入清水池00)。当清水池OO)中的清水水位上升至一定程度，开启水泵(16)，使用抽水软管 (15)将池中清水抽送至搅拌池(1)，并停止向搅拌池(1)添加清水，系统开始自循环。随着搅拌池中(1)水流含沙量的降低逐渐减小放水流量，当搅拌池(1)中的水流含沙量为零时系统完成水沙分离，实现模型沙分选功能。
权利要求1.一种含沙水流河工模型精细模拟系统，由搅拌池、进口稳流段、实验观测段、尾门段和尾水池等顺次连接组成，其特征是在河工模型的搅拌池上部添加漏斗式勻速加沙装置； 在河工模型的搅拌池部分，抬高搅拌池的底部高程并采用溢流明渠和进口阀门；在河工模型的进口稳流段添加稳流横柱；在河工模型的实验观测段底部添加通气孔；在河工模型的尾门段使用条型尾门，并在尾门前添加尾坎、在尾门后添加跌水坡段；在河工模型的尾水池和搅拌池之间添加由水泵连接的可移动的抽水软管；在河工模型的下部添加模型沙分选槽和清水池。
2.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的搅拌池上部添加漏斗型勻速加沙装置，该装置由加沙箱、加沙漏斗、漏斗阀门和集沙槽组成。
3.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是将含沙水流河工模型的搅拌池底部高程抬高至有机玻璃槽底部高程，采用明渠溢流装置溢流，采用进口阀门出流。
4.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的进口稳流段添加稳流横柱，由若干列垂直于过流方向的有机玻璃柱交错布置组成。
5.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的实验观测段底部添加通气孔，使用橡皮塞堵塞通气孔，并在通气孔下部使用注射器与橡皮塞连接。
6.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的尾门段使用条型尾门，并在尾门后添加跌水坡段。
7.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的搅拌池和尾水池之间添加由水泵连接的可移动抽水软管。
8.根据权利要求1所述的含沙水流河工模型精细模拟系统，其特征是在含沙水流河工模型的尾水池后添加环绕模型的模型沙分选槽，并设置清水池与之相连。
专利摘要一种具有水沙循环、含沙水流循环演进、泥沙分选、水沙分离功能并能够进行精确控制的含沙水流河工模型精细模拟系统。它是由搅拌池、匀速加沙装置、电动机、搅拌叶、溢流明渠、进口阀门、电磁流量计、有机玻璃槽、尾水池、抽水软管、水泵、模型沙分选槽和清水池等连接组成。在有机玻璃槽中的进口稳流段设置稳流横柱，在实验观测段设置通气孔等测量装置，在尾门段设置尾坎、尾门和跌水坡段，在尾水池后连接模型沙分选槽和清水池，能够进行含沙水流循环演进实验、恒定水流含沙量条件下的冲淤平衡实验和模型沙分选。
文档编号E02B1/02GK202157298SQ201120036408
公开日2012年3月7日 申请日期2011年2月11日 优先权日2011年2月11日
发明者严军, 梁标, 焦鹏, 王其松, 葛高岭 申请人:严军, 梁标, 焦鹏