本發(fā)明屬于水利測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及對(duì)明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量的設(shè)備。

背景技術(shù)：
自然河流的演變是水流和泥沙相互作用的結(jié)果，其中，以滾動(dòng)、滑動(dòng)和躍移為主要運(yùn)動(dòng)形式的推移質(zhì)是大多數(shù)河流中泥沙輸運(yùn)的主要形式。由于泥沙運(yùn)動(dòng)的機(jī)理極為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)觀測(cè)是目前開(kāi)展推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)的主要方法，其中，在實(shí)驗(yàn)室建造明渠水槽(河工模型)是開(kāi)展推移質(zhì)輸沙實(shí)驗(yàn)的重要途徑。推移質(zhì)輸沙率是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)河流或水槽斷面的泥沙質(zhì)量，單位為kg/s。為了在河工模型中對(duì)推移質(zhì)輸沙率進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，中國(guó)專利申請(qǐng)公開(kāi)文件CN102877438A提出了一種河工模型試驗(yàn)推移質(zhì)輸沙率測(cè)量系統(tǒng)，如圖1，該系統(tǒng)主要由沉沙坑01、集沙漏斗02、載沙籃03、吊繩04、重量測(cè)量機(jī)構(gòu)05組成，其中，沉沙坑01布置在河工模型或水槽出口斷面上游的底板下方，用于安裝集沙漏斗02等，集沙漏斗02大開(kāi)口端向上、小開(kāi)口端向下安裝在沉沙坑01上沿，載沙籃03通過(guò)吊繩04穿過(guò)集沙漏斗02，并且懸掛在重量測(cè)量機(jī)構(gòu)05上，重量測(cè)量機(jī)構(gòu)05設(shè)置在河工模型或水槽的上方。實(shí)驗(yàn)時(shí)，泥沙通過(guò)集沙漏斗02沉入載沙籃03，重量測(cè)量機(jī)構(gòu)05通過(guò)測(cè)量載沙籃03和籃內(nèi)泥沙的重量，可實(shí)時(shí)測(cè)得推移質(zhì)輸沙率。由于載沙籃容積有限，當(dāng)籃內(nèi)泥沙裝滿時(shí)，該文件還提出在籃內(nèi)放置虹吸管06，通過(guò)虹吸效應(yīng)將籃內(nèi)泥沙排空，在虹吸排沙期間暫停測(cè)量輸沙率。虹吸效應(yīng)利用虹吸管兩端的液面差所形成的壓力，將水流從載沙籃內(nèi)排出，在這個(gè)過(guò)程中，泥沙也將隨水流從籃內(nèi)排出。但在大多數(shù)情況下，由虹吸效應(yīng)產(chǎn)生的水流流速均較小，水流挾沙力較弱，只適用于排出細(xì)顆粒泥沙，且排沙過(guò)程較長(zhǎng)，在排沙期間在一定程度上亦會(huì)影響模型的水流流動(dòng)。因此，現(xiàn)有的上述技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)具有較大的局限性：一方面，在粗顆粒泥沙實(shí)驗(yàn)中，由于集沙籃內(nèi)的泥沙無(wú)法排出，當(dāng)集沙籃被填滿時(shí)，必須終止實(shí)驗(yàn)進(jìn)行排沙；另一方面，即使在細(xì)顆粒泥沙實(shí)驗(yàn)中，因排沙而暫停測(cè)量的時(shí)間也較長(zhǎng)，無(wú)法滿足非恒定流輸沙實(shí)驗(yàn)的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)干擾實(shí)驗(yàn)的條件，不能連續(xù)不間斷測(cè)量任意粒徑的推移質(zhì)輸沙率的不足，提出了一種明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量系統(tǒng)；該系統(tǒng)可在不干擾實(shí)驗(yàn)的條件下，連續(xù)不間斷測(cè)量任意粒徑的推移質(zhì)輸沙率。本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：本系統(tǒng)在重力的作用下，集沙籃內(nèi)的泥沙可快速落入排沙籃，排沙時(shí)間小于非恒定流實(shí)驗(yàn)的特征時(shí)間尺度，排沙過(guò)程不影響試驗(yàn)的連續(xù)運(yùn)行，從而真正實(shí)現(xiàn)推移質(zhì)輸沙率的不間斷測(cè)量。排沙過(guò)程不影響實(shí)驗(yàn)水流條件，也不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)水流產(chǎn)生干擾。本發(fā)明的推移質(zhì)輸沙率測(cè)量系統(tǒng)可滿足任意粒徑泥沙的不間斷測(cè)量。附圖說(shuō)明圖1為已有的推移質(zhì)測(cè)量系統(tǒng)示意圖；圖2為本發(fā)明的明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量系統(tǒng)沿水槽中線的剖面示意圖；圖3為本發(fā)明的明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量系統(tǒng)垂直于水槽的剖面示意圖圖4為本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)箱示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例的測(cè)箱安裝示意圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施例的三維結(jié)構(gòu)示意圖。具體實(shí)施方式以下將結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明提出的一種明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量系統(tǒng)實(shí)施例總體結(jié)構(gòu)，如圖2和圖3所示，包括測(cè)箱2、稱重儀器3、導(dǎo)流板4、集沙籃5、排沙籃6、牽引機(jī)構(gòu)7、起吊機(jī)構(gòu)8和吊繩9；其中，測(cè)箱2安裝在水槽出口斷面1a上游的底板1b下方；稱重儀器3安裝在測(cè)箱2上方，其底部高于水槽內(nèi)的水位；導(dǎo)流板4水平蓋在測(cè)箱2頂端，與水槽底板1b的上表面齊平；集沙籃5通過(guò)吊繩9懸掛在導(dǎo)流板3下方的測(cè)箱2內(nèi)，吊繩9的一端與集沙籃5的頂端連接，另一端與稱重儀器3底部的稱重掛鉤連接；排沙籃6平放在集沙籃5正下方的測(cè)箱內(nèi)；牽引機(jī)構(gòu)7布置在排沙籃6的下方和側(cè)方，起支撐和移動(dòng)排沙籃6的作用；起吊機(jī)構(gòu)8位于集沙籃5側(cè)面，安裝在測(cè)箱2頂部以上，與排沙籃6柔性連接。本發(fā)明的各部件的具體實(shí)施方式及功能分別說(shuō)明如下:本實(shí)施例中，實(shí)驗(yàn)水槽寬1m、高0.5m，實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌车淖畲罅?cm，最大實(shí)驗(yàn)水深20cm，最大輸沙率為0.2kg/s。為敘述方便，定義沿水流方向1d的水平尺寸為長(zhǎng)，垂直于水流方向的水平尺寸為寬，豎直向下的尺寸為深。測(cè)箱2具體結(jié)構(gòu)如圖4、5所示，測(cè)箱分為兩部分空間，測(cè)箱頂部敞開(kāi)，中部豎直向下設(shè)置隔板23，一側(cè)空間位于水槽正下方為集沙倉(cāng)21，另一側(cè)空間為排沙倉(cāng)22。集沙倉(cāng)21的寬度略大于水槽寬度，長(zhǎng)度不小于50倍實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌车淖畲罅剑疃鹊扔诩郴@5高度、排沙籃6高度、導(dǎo)流板4與集沙籃5的間隙h1、集沙籃5與排沙籃6的間隙h2，以及牽引機(jī)構(gòu)7高度之和(如圖2)。排沙倉(cāng)22的寬度和長(zhǎng)度不小于集沙倉(cāng)21，深度不小于集沙倉(cāng)21深度與水槽側(cè)壁1c的高度之和。隔板23頂端與集沙倉(cāng)21的上端齊平，底端高于排沙籃6的上口。如圖5所示，集沙倉(cāng)21頂端低于水槽底板1b的上表面，二者之間的高差等于導(dǎo)流板4的厚度，入口側(cè)壁21a與水流方向1d垂直，出口側(cè)壁21b與水槽出口11之間的水平距離不小于10倍水深，側(cè)壁21c和隔板23均位于水槽邊壁的外側(cè)下方。整個(gè)排沙倉(cāng)22位于水槽邊壁1c外側(cè)。集沙倉(cāng)21和排沙倉(cāng)22與水槽之間的接縫均不漏水，保證水流只從水槽出口1a流出。本實(shí)施例中，測(cè)箱2出口側(cè)壁21b與水槽出口1a的水平距離為2m，排沙倉(cāng)22位于水槽右岸，緊鄰右邊墻，隔板23位于水槽邊壁13b的外側(cè)下方，二者之間的間距為10cm。集沙倉(cāng)21和排沙倉(cāng)22的寬度均為1.2m，長(zhǎng)度均為0.7m，集沙倉(cāng)的深度為1.2m，排沙倉(cāng)的深度為1.7m，隔板的高度為0.5m。稱重儀器3安裝在集沙倉(cāng)21的正上方，用于稱量集沙籃5及籃內(nèi)泥沙的重量。本實(shí)施例的稱重儀器為量程100kg/0.1g的電子天平，固定于架設(shè)在水槽邊墻1c的支架10上。導(dǎo)流板4具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，由整塊板材加工，沿垂直于水流方向間隔切縫，形成格柵，作用是減小實(shí)驗(yàn)水流與集沙倉(cāng)21內(nèi)水體的接觸面積，避免集沙倉(cāng)21內(nèi)形成渦流。導(dǎo)流板4平蓋在測(cè)箱的集沙倉(cāng)21上方，與水槽底板1b齊平，兩端固定架設(shè)在隔板23和集沙倉(cāng)側(cè)壁21c頂端(圖3)。本實(shí)施例中，導(dǎo)流板4由長(zhǎng)1.4m、寬0.7m、厚度1cm的整塊鋁板切縫加工而成。垂直水流方向切1.0m長(zhǎng)、30mm寬的縫，相鄰縫之間的間距為30mm，邊框?qū)?5mm。集沙籃5安裝在集沙倉(cāng)21內(nèi)導(dǎo)流板4的正下方，二者之間的間距h1一般可設(shè)置在1cm-10cm之間。集沙籃5具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，上部為平行段5a，寬度小于集沙倉(cāng)21的寬度但大于等于水槽寬度，長(zhǎng)度小于集沙倉(cāng)21的長(zhǎng)度；下部為收縮段5b，收縮段的底部開(kāi)口，并設(shè)有可開(kāi)閉的閘門(mén)5c。為了保證閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)泥沙可快速下沉，收縮段的坡度應(yīng)大于泥沙的水下休止角。集沙籃5通過(guò)吊繩9與稱重儀器3的底部連接，當(dāng)泥沙通過(guò)導(dǎo)流板4落入集沙籃5后，稱重儀器3可讀出籃內(nèi)泥沙的重量。集沙籃5的容積與推移質(zhì)輸沙率成正比，通常應(yīng)保證集沙籃被填滿的時(shí)間不小于半小時(shí)。本實(shí)施例中，集沙籃5由2mm厚不銹鋼板焊接而成。平行段5a長(zhǎng)0.6m、寬1.2m、深0.35m；收縮段深0.25m，邊壁坡度為68°；收縮段5b底端的開(kāi)口長(zhǎng)0.3m、寬0.8m；閘門(mén)5c為2mm厚不銹鋼板，長(zhǎng)0.35m、寬0.85m，一端通過(guò)活頁(yè)與收縮段6b底端連接，另一端連接拉繩5d，通過(guò)收放拉繩5d控制其向下開(kāi)啟和關(guān)閉。排沙籃6位于集沙籃5的正下方，二者之間的間距h2應(yīng)保證閘門(mén)5c開(kāi)啟后的傾斜角度大于泥沙水下休止角。排沙籃6的長(zhǎng)度和寬度不小于集沙籃5收縮段5b底端開(kāi)口的長(zhǎng)度和寬度，容積不小于集沙籃5的容積，以保證可收集和容納集沙籃5內(nèi)的所有泥沙。排沙籃放置在牽引機(jī)構(gòu)7上，可沿測(cè)箱2底部往復(fù)運(yùn)動(dòng)。本實(shí)施例中，排沙籃6的四周由2mm厚不銹鋼板焊接而成，底部為10mm孔徑的不銹鋼絲網(wǎng)，根據(jù)不同的泥沙粒徑在其上敷設(shè)小于泥沙粒徑的紗網(wǎng)。排沙籃6長(zhǎng)0.6m、寬0.9m、深0.5m，與集沙籃5之間的間距為0.1m。牽引機(jī)構(gòu)7具體結(jié)構(gòu)如圖6所示，由牽引車7a、定滑輪7b和牽引繩7c組成。牽引車7a停放在測(cè)箱2底部，用于支撐和移動(dòng)排沙籃5。定滑輪7b固定在排沙倉(cāng)側(cè)壁22a的中下部，用于改變牽引繩7c的走向。牽引繩7c兩端固定在牽引車7a寬度方向的兩端，繞過(guò)定滑輪7b后沿排沙倉(cāng)側(cè)壁22a延伸出水面，構(gòu)成閉合傳動(dòng)帶。本實(shí)施例中，牽引車7a為普通平板小車，上部為不銹鋼平板，底部為四個(gè)軸承組成的車輪；定滑輪7b直徑8cm，固定在排沙倉(cāng)側(cè)壁22a的豎直中線上，距排沙倉(cāng)22底板0.1m。牽引繩7c為不銹鋼航空鋼絲繩。起吊機(jī)構(gòu)8由纜繩8a和起吊設(shè)備8b組成。纜繩8a的一端與排沙籃6連接，另一端與起吊設(shè)備8b連接。起吊設(shè)備8b安裝在排沙倉(cāng)22的正上方，起重量大于排沙籃6裝滿泥沙時(shí)的重量，起吊高度應(yīng)使排沙籃6的底部高于排沙倉(cāng)22頂部。起吊排沙籃6離開(kāi)水面時(shí)稍停，使籃內(nèi)水體從籃底漏出。優(yōu)選實(shí)施例中，起吊機(jī)構(gòu)8的纜繩8a為直徑2.5mm、1股19絲的不銹鋼航空鋼絲繩，起吊設(shè)備8b為起重量1噸、起升高度3m的電動(dòng)葫蘆，電動(dòng)葫蘆通過(guò)鋼架11安裝在排沙倉(cāng)22的上方。本實(shí)施例的明渠水槽推移質(zhì)輸沙率不間斷測(cè)量系統(tǒng)的工作流程為：(1)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，集沙倉(cāng)21和排沙倉(cāng)22內(nèi)均自然充滿水，且水位與水槽內(nèi)的水位一致。推移質(zhì)泥沙在水流作用下向水槽出口1a運(yùn)動(dòng)，當(dāng)運(yùn)動(dòng)至集沙倉(cāng)21上方時(shí)，由于泥沙運(yùn)動(dòng)步長(zhǎng)小于集沙倉(cāng)21長(zhǎng)度，這些泥沙將在重力作用下通過(guò)導(dǎo)流板4上的孔隙向集沙倉(cāng)內(nèi)沉降，由于導(dǎo)流板4上的孔隙位于集沙籃5正上方，因此，落入集沙倉(cāng)21內(nèi)的泥沙可被集沙籃5完全收集。當(dāng)集沙籃5內(nèi)的泥沙數(shù)量發(fā)生改變時(shí)，稱重儀器3的讀數(shù)也將發(fā)生變化，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)儀器度數(shù)的變化量，即可求得推移質(zhì)的實(shí)時(shí)輸沙率。(2)隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，集沙籃5內(nèi)的泥沙越來(lái)越多，并最終將集沙籃5填滿。此時(shí)，暫停測(cè)量推移質(zhì)輸沙率，打開(kāi)集沙籃底部的閘門(mén)5c，使泥沙快速落入下方的排沙籃6內(nèi)。待集沙籃5內(nèi)的泥沙排空后，重新關(guān)閉閘門(mén)5c，繼續(xù)測(cè)量推移質(zhì)輸沙率。(3)當(dāng)集沙籃5內(nèi)的泥沙全部倒入排沙籃6后，拉動(dòng)牽引繩7c，使排沙籃6同牽引車7a一起從集沙倉(cāng)21底部運(yùn)動(dòng)至排沙倉(cāng)22底部。然后，開(kāi)啟起吊設(shè)備8b，將排沙籃6吊出水面傾倒泥沙。在吊起排沙籃6的過(guò)程中，通過(guò)控制起吊設(shè)備8b的速度，使排沙籃6緩慢露出水面，可避免對(duì)實(shí)驗(yàn)水流產(chǎn)生干擾。倒完泥沙后，將排沙籃6重新吊入排沙倉(cāng)22底部，放在牽引車7a上，反向拉動(dòng)牽引繩7c，使排沙籃6重新回到集沙籃5的下方。(4)通過(guò)不斷的將集沙籃5內(nèi)的泥沙泄入排沙籃6，再通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)7和起吊機(jī)構(gòu)8將排沙籃6內(nèi)的泥沙排出測(cè)箱2，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間不間斷地測(cè)量推移質(zhì)輸沙率。本實(shí)施例的技術(shù)效果為：(1)在重力的作用下，集沙籃5內(nèi)的泥沙可快速落入排沙籃6，排沙時(shí)間小于非恒定流實(shí)驗(yàn)的特征時(shí)間尺度，排沙過(guò)程不影響試驗(yàn)的連續(xù)運(yùn)行，從而真正實(shí)現(xiàn)推移質(zhì)輸沙率的不間斷測(cè)量。(2)由于集沙倉(cāng)21和排沙倉(cāng)22均充滿水，泥沙從集沙籃5轉(zhuǎn)移至排沙籃6不會(huì)引起集沙倉(cāng)21內(nèi)的水體體積變化，因此，排沙過(guò)程不影響實(shí)驗(yàn)水流條件。在吊起排沙籃6時(shí)，由于起吊速度緩慢，且排沙倉(cāng)22和集沙倉(cāng)21之間有隔板23阻擋水面波動(dòng)，起吊過(guò)程也不會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)水流產(chǎn)生干擾。(3)只要集沙籃5底部開(kāi)口的孔徑大于實(shí)驗(yàn)?zāi)嗌车牧剑心嗌尘煽焖購(gòu)募郴@5落入排沙籃6，因此，本發(fā)明的推移質(zhì)輸沙率測(cè)量系統(tǒng)可滿足任意粒徑泥沙的不間斷測(cè)量。