一种实验水槽泥沙床面整平方法及其装置与流程

本发明涉及水利工程、环境工程和海洋工程实验室中进行环境泥沙实验的试验水槽泥沙床面整平技术领域。

背景技术：

在河床形态演变、推移质输移、动床模型试验等实验研究中，需要平整泥沙床面作为初始条件，若床面不平整不仅影响初始条件，而且试验影响精度。

如《河海大学科技情报》1986年S2期，《平整床面上水流与泥沙的相互作用》，N.柯巴亚西S.N.苏郁伟族。该文建立了可冲河槽中水流和泥沙相互作用的数学模型。模型是建立在水流和泥沙的质量和动量守恒基础上的。模型描述了水流与泥沙之间的相互作用以及床面附近运动沙粒之间的相互作用。通过分析,得到了在宽浅明渠平整床面情况下的流速和含沙量沿垂线分布。从分析中还得到了由于沙粒粗糙和泥沙运动综合影响下的阻力系数和输沙率。在平整床面情况下,用该模型计算的结果与现有试验资料相比是吻合的。计算的粗沙输沙率与梅叶—彼得(Meyer-Peter)和穆勒(Müller)公式是一致的。然而仍需要精确的平整床面情况下的流速和含沙量实测资料来严格验证该文所建立的模型。

目前，平整泥沙床面，往往采用人工用刀片或薄板凭感觉推平，对于几十米或上百米的长水槽，不仅工作量大，而且很难做到纵向达到一致的平整度。

技术实现要素：

本发明要解决的是实验水槽的泥沙初始床面整平工作的问题，从而能针对几十米或上百米的长水槽做到纵向达到一致的平整度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

首先，本发明基于这样一种实验水槽泥沙床面整平方法，该方法是通过可调整高度的水平刀片去推平沙床，同时采用水平激光定位和校准沙床平整度，从而获得一致性很高的平整泥沙床面。

具体而言，该方法采用一种实验水槽泥沙床面整平系统，该系统结构至少包括如下部件：一个水槽，一块“工”形刀片、一个水准仪、一个激光器、两个滚轮、两根垂直连接杆和一根水平连接杆；该方法包括如下步骤：

步骤1：向水槽内加入水，然后倒入泥沙；水位慢慢增加，泥沙一层层铺高，直至泥沙厚度略高于所需要的泥沙厚度；

步骤2：采用木板刮平泥沙床面；

步骤3：在水槽的一端安置激光器，确定预先需要平整床面的高程位置，调节激光器高度与已确定床面高程重合，打开激光器，向另一端发射水平激光线；

步骤4：安置滚轮与水平连接杆在水槽两侧，放置“工”形刀片到泥沙床面，调节左右两个垂直连接杆相对位置，使得“工”形刀片上的水准仪居中水平，同时“工”形刀片的下边缘与激光线正中对齐；

步骤5：握紧滚轮的水平连接杆和“工”形刀片的水平连接杆的前端拉手，上下同步缓慢拉动整个整平系统，从而沿水槽纵向推平沙床；

步骤6：若刀片前面的多余沙堆积接近刀片上边缘，则清除多余泥沙到水槽外部，继续推平沙床，直至水槽另一端；

步骤7：完成第一遍拉平沙床后，若局部仍不平或凹陷，可以在“工”形刀片前面加入一定量的泥沙，继续第二次拉平，直至整个沙床完全水平。

本发明采用的实验水槽泥沙床面整平装置是这样的，它至少包括一个装有泥沙和水的玻璃水槽以及设置在该玻璃水槽其中一端外面的激光器，并包括设置在该玻璃水槽中的一个高度可调的“工”形刀片及与该“工”形刀片相连的水准仪。具体是这样的，在玻璃水槽的两侧各设有一个滚轮，两个滚轮通过水平连接杆连接，在水平连接杆上设有两根位置可调的垂直连接杆，两根垂直连接杆悬空垂入玻璃水槽中，“工”形刀片设在垂直连接杆的底部，水准仪设在“工”形刀片上部。

其中，滚轮设在玻璃水槽的侧壁顶部向外延展出的水槽顶面钢梁上。在“工”形刀片的两端设置橡胶片以使其与玻璃水槽软接触。垂直连接杆与水平连接杆连接处采用连续的卡口衔接，使得左右两根垂直连接杆可以上下微调节，使得两根垂直连接杆底部的“工”形刀片达到水平。该连续的卡口是这样设计的：在垂直连接杆上从顶部向下依次等距离设置若干个卡槽，该卡槽用于使水平连接杆卡入其中并固定，这样，当水平连接杆卡入不同高度的卡槽中，就能够对其底部高度进行微调。另外，在“工”形刀片纵向中线位置的两侧各设有一根水平拉杆，两根水平拉杆以“工”形刀片纵向中线为轴对称设置。

本发明具有如下优点：相比手工推动水床，本发明可以高精度地确定沙床水位位置和控制沙床的平整高达到1毫米误差范围；本发明还可以根据水槽不同的宽度，制作不同宽度的“工”形刀片，对实验室水槽具有广泛适用性。另外，本发明制作简单，方便省力，经济实用，值得推广。

附图说明

图1是本发明的侧面剖视图；

图2是本发明的平面结构图。

附图标记说明：1-沙床、2-水平拉杆、3-“工”形刀片、4-水准仪；5-橡胶片，6-玻璃水槽，7-水槽顶面钢梁，8-垂直连接杆，9-水平连接杆，10-滚轮，11-刀片的底面，12-自由水面，13-激光器，14-水平激光线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明的方法是通过可调整高度的水平刀片去推平沙床，同时采用水平激光定位和校准沙床平整度，从而获得一致性很高的平整泥沙床面。要实现该方法，本发明用了如图1和图2所示的实验水槽泥沙床面整平系统，下面结合附图分别说明该系统的组成、设置方式及其用途。

首先，本发明的系统主要结构包括“工”形刀片3、橡胶片5、水准仪4、激光器13、滚轮10、垂直连接杆8、水平连接杆9和水平拉杆2。

其中，“工”形刀片3可采用不锈薄钢片，其作用是刮平沙床1和拦挡多余泥沙；橡胶片5作用是为了避免“工”形刀片3直接接触玻璃水槽6的玻璃壁面，刮坏玻璃，同时玻璃水槽6纵向宽度不可能完成一致，需要在“工”形刀片3的两端设置密封的橡胶片5以软接触，同时保证橡胶片5与玻璃壁面紧密接触阻止泥沙向后挤漏。

水准仪4安置在“工”形刀片3上方，用于指示刀片水平，便于调节刀片达到完全水平。激光器13安置在水槽起始端，根据实验需要的泥沙水平位置，调节激光器13，使其放射水平激光线14刚好打到“工”形刀片3尾端，以此位置确定刀片高程位置。

左右两个滚轮10安置在水槽顶面的两侧的水槽顶面钢梁7上，对“工”形刀片3起到拉力，同时保证推平沙床1过程中与“工”形刀片3同步移动。垂直连接杆8用于连接“工”形刀片3与水平连接杆9，垂直连接杆8与水平连接杆9连接处采用连续的卡口衔接，使得左右两个垂直连接杆8可以上下微调节，使得“工”形刀片3达到水平。水平连接杆9用于连接左右两个滚轮10与垂直连接杆8。

水平拉杆2固定于“工”形刀片3中间位置的两侧，用于拉动“工”形刀片3，水平推平沙床1。

如图1和图2所示，本发明是这样实施的：先在玻璃水槽1的一端安置激光器13，确定沙床1平整床面的高程位置，调节激光器13沿着已确定水平位置向玻璃水槽6另一端发射水平激光。安置滚轮10与“工”形刀片3到玻璃水槽6内部，调节垂直连接杆8使得“工”形刀片3下边缘与水平激光线14对齐。然后用一只手扶滚轮10的水平连接杆9，另一只手拉着刀片上部的水平拉杆2，缓慢拉动，推平沙床1。若刀片前面的多余沙堆积接近刀片上边缘，则清除多余泥沙到水槽外部，继续推平沙床，直至水槽另一端。

具体的步骤是这样的：

步骤1：向玻璃水槽6内加入一定深度的水，然后倒入一定厚度的泥沙形成沙床1，保证水面始终在泥沙之上，以保证泥沙颗粒内部没有气泡。水位慢慢增加，泥沙一层层铺高，直至泥沙厚度略高于所需要的泥沙厚度；

步骤2：采用木板大致刮平泥沙床面；

步骤3：在玻璃水槽6的一端安置激光器13，确定预先需要平整床面的高程位置，调节激光器13高度与已确定床面高程重合，打开激光器13，向另一端发射水平激光线14；

步骤4：安置滚轮10与水平连接杆9在玻璃水槽6两侧，放置“工”形刀片3到泥沙床面，调节左右两个垂直连接杆8相对位置，使得“工”形刀片3上的水准仪4居中水平，同时“工”形刀片3的下边缘与水平激光线14正中对齐；

步骤5：握紧滚轮10的水平连接杆9和“工”形刀片3的水平拉杆2的前端拉手，上下同步缓慢拉动整个整平系统，从而沿水槽纵向推平沙床；

步骤6：若刀片前面的多余沙堆积接近刀片上边缘，则清除多余泥沙到玻璃水槽6外部，继续推平沙床1，直至玻璃水槽6另一端；

步骤7：完成第一遍拉平沙1后，若局部仍不平或凹陷，可以在“工”形刀片3前面加入一定量的泥沙，继续第二次拉平，直至整个沙床1完全水平。

本发明的技术方案中，水准仪4可采用电子坡度仪代替；水平拉杆2也可以采用在水槽上方安置小车，由小车牵引整个装置推平沙床1；还可以在玻璃水槽6玻璃外壁面画水平线标定平整沙床高程，以代表激光器13的水平激光线14；本发明既可采用水平拉，也可以采用水平推，还可以在水槽另一端固定两个滑轮，用长绳套在滑轮上并连接推平装置(水平杆、刀片及水准仪等组成的装置整体)，只需要在另一端缓慢拉动长绳，即可以完成整平工作。

当然，以上只是本发明的具体应用范例，本发明还有其他的实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求的保护范围之内。