CN103529237B - 一种泥沙群体沉速的测量方法及测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种泥沙群体沉速测量方法采用的测量装置，属于河工模型试验领域，该装置包括沉降筒、多个测压设备和计算机三部分；沉降筒为垂直放置的任意截面形状的柱状容器，边壁沿垂向均匀布置多个测压孔，测压孔的个数不少于3个；测压设备垂直安装在测压孔中，并与边壁密封，测压设备的感压元件的中心与测压孔中心齐平；各测压设备与计算机相连，在计算机的控制下同步测量压强，并将测量结果实时传回计算机进行分析和存储。本方法通过测量压强的变化过程计算出泥沙浓度的变化过程，进而计算出泥沙的群体沉降速度。本发明能实现自动、无干扰、准确地测量含沙水体中泥沙群体沉降速度。

Description

一种泥沙群体沉速的测量方法及测量装置

技术领域

本发明属于河工模型试验领域，特别涉及对泥沙群体沉降速度的测量。

背景技术

在泥沙运动的基本理论研究和工程应用中，泥沙的群体沉速是重要的参数。对于单个圆球形颗粒，细颗粒的沉速可以用斯托克斯公式计算，粗颗粒的沉速可以用阻力公式计算，介于粗细颗粒之间的过渡区颗粒的沉速则需要试验测量；如天然沙等形状不规则颗粒的沉速也需通过试验测定。传统的单颗粒沉速试验一般是在专门的沉降筒中每次投入一个颗粒，待其达到稳定速度后记录沉降距离和对应的时间，即可计算沉速，多次重复试验，取各次试验的统计平均作为此种沙样的沉速。

在天然情况下和工程应用中，水流含有的泥沙均有一定的浓度，即泥沙颗粒会以群体的方式在水流中沉降和扩散，颗粒之间的运动也会相互影响，其沉速与单颗粒的沉速会有差异。特别是细颗粒泥沙的群体沉降，还可能发生絮凝，使泥沙群体沉速的研究更加复杂。

对于极细颗粒的泥沙，通常是将搅拌均匀、具有一定浓度的浆体盛入量筒中，观测清、浑水交界面的下降速度作为此种泥沙在该浓度下的群体沉速，此类试验经常需要几天的时间。对于一般的泥沙颗粒的群体沉速试验，典型的方法是设计一个专门的沉降筒，在筒壁的不同高度设置取样孔，将搅拌均匀、具有一定浓度的浆体盛入沉降中，在不同的时刻从各取样孔抽取样本，进行含沙浓度和级配的分析，根据含沙浓度随时间的变化推求泥沙的群体沉速。此种方法工作量极大，且由于抽取样本将降低沉降筒内的液面高度，给数据分析增加了难度。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种泥沙群体沉降速度的测量方法及测量装置，以实现自动、无干扰、准确地测量含沙水体中泥沙群体沉降速度。

本发明提出的一种泥沙群体沉速测量方法采用的测量装置，其特征在于，该装置包括沉降筒、多个测压设备和计算机三部分；沉降筒为垂直放置的任意截面形状的柱状容器，边壁沿垂向均匀布置多个测压孔，测压孔的个数不少于3个；测压设备垂直安装在测压孔中，并与边壁密封，测压设备的感压元件的中心与测压孔中心齐平；各测压设备与计算机相连，在计算机的控制下同步测量压强，并将测量结果实时传回计算机进行分析和存储。

本发明还提出采用上述装置的泥沙群体沉速测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）将待测沙浆盛入沉降筒，静置沙浆待液面恢复平静后，通过计算机开启各测压设备开始按设定的频率同步测量浑水压强，各测压设备将实时测量的压强传回计算机；

2）根据各测压设备测量的压强计算沙浆在任意时刻t的平均含沙量：设测压设备的个数为N，各测压设备2及所在的水平面分别编号为n（n=1,2,…N）,水平面n距离沙浆液面的高差为H_n(n=1,2,…N)，测压设备n在任意时刻t的压强读数为P_n(t)(n=1,2,…N)，各测压设备测量压强的频率为f＝1/Δt，其中Δt为测压时间间隔；根据静水压强的定义，水平面n与液面之间的沙浆在任意时刻t的体积平均容重为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)=\frac{P_n\left(t\right)}{H_n},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

根据质量含沙量的定义，水平面n与液面之间的沙浆的平均含沙量与体积平均容重之间满足如下关系：

$\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_s\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)-\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(2\right)$

式中γ_s为待测泥沙的干容重，γ为水的容重；

3）根据式（2）求得所有水平面与液面之间的沙浆的平均含沙量，得到水平面n与水平面n-1之间的沙浆在时刻t的平均含沙量为：

$\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)=\frac{H_n\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)-H_{n-1}\stackrel{\‾}{S_{n-1}}\left(t\right)}{H_n-H_{n-1}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(3\right)$

将取为与液面高差为(H_n+H_n-1)/2的平面处的含沙量，插值得到水平面n处的含沙量S_n(t)；

$S_n\left(t\right)=\frac{\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)+\stackrel{\‾}{S_{n,n+1}}\left(t\right)}{2},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(4\right)$

4）根据输沙率的定义，时刻t-Δt至t+Δt之间通过水平面n的泥沙量除以沉降筒截面面积A及时间即为输沙率g_n(t)，计算如下：

$g_n\left(t\right)=\frac{(\stackrel{\‾}{S_n}(t+\mathrm{\Δt})-\stackrel{\‾}{S_n}(t-\mathrm{\Δt}))H_{n}A}{2\mathrm{A\Δt}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(5\right)$

将g_n(t)取为水平面n在时刻t的瞬时输沙率；

5）根据式（4）和式（5）得到任意时刻t距液面高差为H_n处的泥沙的群体沉降速度ω_n(t)为：

${\mathrm{\ω}}_n\left(t\right)=\frac{g_n\left(t\right)}{S_n\left(t\right)},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(6\right).$

本发明的特点及效果为：

（1）测量过程中不会对泥沙的自然沉降过程产生干扰；

（2）压强测量和沉降速度的计算全部由计算机完成，实现了泥沙群体沉降速度的实时自动测量；

（3）本方法特别适用于测量中、高浓度浆体中泥沙的群体沉降速度。

附图说明

图1为测量装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明的基本原理为：沿沉降筒高度方向均匀安装测压设备，将搅拌均匀的浆体盛入沉降筒并静置后含沙浓度因泥沙沉降而随时间发生变化，导致各测压设备测得的压强随时间发生改变。由于压强与泥沙浓度具有严格的数学对应关系，通过测量压强的变化过程可以计算出泥沙浓度的变化过程，进而计算出泥沙的群体沉降速度。

基于上述原理，本发明的一种泥沙群体沉速测量方法采用的测量装置如图1所示，包括沉降筒1、多个测压设备2和计算机3三部分组成。沉降筒1为垂直放置的任意截面形状的柱状容器，高度不小于1m，边壁沿垂向均匀布置测压孔4，用于安装测压设备2，测压设备2垂直安装在测压孔中，并与边壁密封，其感压元件的中心与测压孔中心齐平；为保证测量精度且便于数学处理，测压孔的个数不少于3个；测压设备2为浑水压强测量仪器；测压设备2与计算机相连，在计算机3的控制下同步测量压强，并将测量结果实时传回计算机3进行分析和存储。

本测量装置的各部件的实施例分别说明如下：

计算机3为普通台式计算机或笔记本电脑。本实施例选用长、宽、高分别为80cm、80cm和200cm的矩形沉降筒，筒壁沿垂向均匀布置6个测压孔，孔间距为20cm；测压设备2为德国HeLM公司HM10(0～40KPa)-3-D1-V1-F1-W1型高精度浑水压强传感器，测量精度为满量程的0.1%；计算机3通过北京双诺公司生产的AC6616P板卡与压强传感器进行通信。

基于上述测量装置，本发明的泥沙群体沉速的测量方法包括以下步骤：

1）将待测沙浆盛入沉降筒1，静置沙浆待液面恢复平静后通过计算机3开启各测压设备2开始按设定的频率同步测量浑水压强，各测压设备2将实时测量的压强传回计算机3；

2）根据各测压设备测量的压强计算沙浆在任意时刻t的平均含沙量：设测压设备2的个数为N，各测压设备2及所在的水平面分别编号为n（n=1,2,…N）,水平面n距离沙浆液面的高差为H_n(n=1,2,…N)，测压设备n在任意时刻t的压强读数为P_n(t)(n=1,2,…N)，各测压设备测量压强的频率为f＝1/Δt，其中，Δt为测压时间间隔，本实施例为1分钟；根据静水压强的定义，水平面n与液面之间的沙浆在任意时刻t的体积平均容重为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)=\frac{P_n\left(t\right)}{H_n},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(1\right)$

根据质量含沙量的定义，水平面n与液面之间的沙浆的平均含沙量与体积平均容重之间满足如下关系：

$\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_s\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)-\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(2\right)$

式中γ_s为待测泥沙的干容重，γ为水的容重；

3）根据式（2）求得所有水平面与液面之间的沙浆的平均含沙量，得到水平面n与水平面n-1之间的沙浆在时刻t的平均含沙量为：

$\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)=\frac{H_n\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)-H_{n-1}\stackrel{\‾}{S_{n-1}}\left(t\right)}{H_n-H_{n-1}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(3\right)$

将取为与液面高差为(H_n+H_n-1)/2的水平面处的含沙量，插值得到水平面n处的含沙量S_n(t)；本方法的实施例采用线性插值，具体如下：

$S_n\left(t\right)=\frac{\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)+\stackrel{\‾}{S_{n,n+1}}\left(t\right)}{2},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(4\right)$

4）根据输沙率的定义，时刻t-Δt至t+Δt之间通过水平面n的泥沙量除以沉降筒截面面积A及时间即为输沙率g_n(t)，计算如下：

$g_n\left(t\right)=\frac{(\stackrel{\‾}{S_n}(t+\mathrm{\Δt})-\stackrel{\‾}{S_n}(t-\mathrm{\Δt}))H_{n}A}{2\mathrm{A\Δt}},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(5\right)$

将g_n(t)取为平面n在时刻t的瞬时输沙率；

5）根据式（4）和式（5）得到任意时刻t距液面高差为H_n处的泥沙的群体沉降速度ω_n(t)为：

${\mathrm{\ω}}_n\left(t\right)=\frac{g_n\left(t\right)}{S_n\left(t\right)},(n=\mathrm{1,2},...N)---\left(6\right).$

由上述步骤可知，本方法的优点在于测量过程中不会对泥沙的自然沉降过程产生干扰；另外，压强测量和沉降速度的计算全部由计算机自动完成，实现了泥沙群体沉降速度的实时自动测量；最后，本方法要求连续两次测量之间由泥沙沉降引起的压强变化量大于测压设备的分辨率，特别适用于测量中、高浓度浆体中泥沙的群体沉降速度。

Claims (1)

1.一种泥沙群体沉速测量方法，其特征在于，该方法采用的测量装置包括沉降筒、多个测压设备和计算机三部分；沉降筒为垂直放置的任意截面形状的柱状容器，边壁沿垂向均匀布置多个测压孔；测压设备垂直安装在测压孔中，并与边壁密封，测压设备的感压元件的中心与测压孔中心齐平；各测压设备与计算机相连；该方法包括以下步骤：

1)将待测沙浆盛入沉降筒，静置沙浆待液面恢复平静后，通过计算机开启各测压设备开始按设定的频率同步测量浑水压强，各测压设备将实时测量的压强传回计算机；

2)根据各测压设备测量的压强计算沙浆在任意时刻t的平均含沙量：设测压设备的个数为N，各测压设备(2)及所在的水平面分别编号为n，n＝1,2,…N,水平面n距离沙浆液面的高差为H_n，n＝1,2,…N，测压设备n在任意时刻t的压强读数为P_n(t)，n＝1,2,…N，各测压设备测量压强的频率为f＝1/Δt，其中Δt为测压时间间隔；根据静水压强的定义，水平面n与液面之间的沙浆在任意时刻t的体积平均容重为：

$\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)=\frac{P_n\left(t\right)}{H_n},(n=1,2,...N)---\left(1\right)$

根据质量含沙量的定义，水平面n与液面之间的沙浆的平均含沙量与体积平均容重之间满足如下关系：

$\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)={\mathrm{\γ}}_s\frac{\stackrel{\‾}{{\mathrm{\γ}}_n}\left(t\right)-\mathrm{\γ}}{{\mathrm{\γ}}_s-\mathrm{\γ}},(n=1,2,...N)---\left(2\right)$

式中γ_s为待测泥沙的干容重，γ为水的容重；

3)根据式(2)求得所有水平面与液面之间的沙浆的平均含沙量，得到水平面n与水平面n-1之间的沙浆在时刻t的平均含沙量为：

$\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)=\frac{H_n\stackrel{\‾}{S_n}\left(t\right)-H_{n-1}\stackrel{\‾}{S_{n-1}}\left(t\right)}{H_n-H_{n-1}},(n=1,2,...N)---\left(3\right)$

将取为与液面高差为(H_n+H_n-1)/2的平面处的含沙量，插值得到水平面n处的含沙量S_n(t)；

$S_n\left(t\right)=\frac{\stackrel{\‾}{S_{n-1,n}}\left(t\right)+\stackrel{\‾}{S_{n,n+1}}\left(t\right)}{2},(n=1,2,...N)---\left(4\right)$

4)根据输沙率的定义，时刻t-Δt至t+Δt之间通过水平面n的泥沙量除以沉降筒截面面积A及时间即为输沙率g_n(t)，计算如下：

$g_n\left(t\right)=\frac{\left(\stackrel{\‾}{S_n}\right(t+\mathrm{\Δ}t)-\stackrel{\‾}{S_n}(t-\mathrm{\Δ}t\left)\right)H_{n}A}{2A\mathrm{\Δ}t},(n=1,2,...N)---\left(5\right)$

将g_n(t)取为水平面n在时刻t的瞬时输沙率；

5)根据式(4)和式(5)得到任意时刻t距液面高差为H_n处的泥沙的群体沉降速度ω_n(t)为：

${\mathrm{\ω}}_n\left(t\right)=\frac{g_n\left(t\right)}{S_n\left(t\right)},(n=1,2,...N)---\left(6\right).$