CN111025429A - 水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法，该装置包括底座以及底座上设置的支撑单元和设置在支撑单元上的雨量收集单元；雨量收集单元由水平设置的支撑面板以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布，雨量收集器由收集管和测量容器组成，收集管设于支撑面板上并与支撑面板一体成型制成，并且收集管上下两端突出对应支撑面板所在平面一定长度，收集管下端的外表面设有螺纹，测量容器上端的内表面设有与收集管螺纹配合的螺纹，收集管和测量容器通过螺纹实现紧固连接；测量容器的外壁上设有数值刻度。该装置操作方便、精确度高，可对整个泄洪雾化雨量强度空间分布的雨强进行测量。

Description

水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体涉及水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法。

背景技术

水利工程中，特别是高坝工程泄洪时，泄水建筑物在泄水过程中由于高速水舌在空气中掺气扩散或者水舌碰撞，从而形成雾化现象。水利工程产生的雾化所引起的降雨强度十分巨大，一般可高达数百甚至数千mm/h以上，远远超过自然降雨中特大暴雨的降雨强度值(11.67mm/h)。故对下游岸坡稳定、建筑物的安全运行、交通安全以及下游生态环境产生较大危害。

近些年来，针对泄水建筑物泄洪雾化问题，国内外学者在研究与实验后，形成了采用模型实验与理论分析相结合的方法。但雾化现象在理论分析上具有一定的难度，于是水工模型实验成为了研究泄洪雾化问题的主要技术手段，然而现在用于测量水工模型泄洪雾化雨量的装置非常少，并且只能对一个平面内的雾化雨量强度的分布进行测量，同时，现有的雨量收集器要么为固定量程的容器进行收集，当不知道某一空间内的雨量强度时，采用小量程的容器无法长时间收集雨量强度大的空间内的雨量，而采用大量程的容器容易导致测得的雨量强度小的空间内的雨量强度存在误差；要么雨量收集器采用长软管与收集容器连通进行雨量收集，这样不但操作不方便，而且存在沿程损失，同时软管内存在一定的压强，会对进入雨量收集器的雨水造成影响，进而对实验结果造成误差。

因此，设计一种操作方便、精确度高，可对泄洪雾化雨量强度空间分布的雨强进行测量的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置十分必要。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的就在于提供水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置及方法，该装置操作方便、精确度高，可对整个泄洪雾化雨量强度空间分布的雨强进行测量。

本发明的技术方案是这样实现的：

水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，包括底座以及底座上设置的支撑单元和设置在支撑单元上的雨量收集单元；所述雨量收集单元由水平设置的支撑面板以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布，所述雨量收集器由收集管和测量容器组成，所述收集管设于支撑面板上并与支撑面板一体成型制成，并且收集管上下两端突出对应支撑面板所在平面一定长度，所述收集管下端的外表面设有螺纹，所述测量容器上端的内表面设有与收集管螺纹配合的螺纹，收集管和测量容器通过螺纹实现紧固连接；所述测量容器的外壁上设有数值刻度，便于通过读取测量容器外壁的数值得知测量容器内雨量的收集量。

进一步地，所述支撑面板为网格状的矩形板，所有雨量收集器分别设置在对应的网格的交点处。

进一步地，测量容器底部设有控制开关，便于通过控制开关实现收集雨水和排出测量容器内收集的雨水。

进一步地，所述底座由两根水平设置且相互平行的横梁和连接两根横梁的连系梁构成，并在每根横梁的两端分别设有滚轮，便于通过滚动滚轮实现装置在平面上移动。

所述支撑单元为两根立柱，两根立柱竖直设置并分别固定在两根横梁上，在两根立柱顶端设有连接横梁，连接横梁的两端分别与两根立柱固定连接，并在连接横梁上设有滑轮。

支撑面板通过连接架和钢绳设置在支撑单元上，连接架由两根竖直设置的竖块和用于连接两竖块的连接块构成，竖块上设有沿长度方向的凹槽，所述立杆上设有凹槽对应的凸起，竖块与立杆通过凹槽和凸起连接，便于通过上下滑动连接架实现雨量收集单元在立柱上做上下运动，所述钢绳一端与连接块固定，另一端绕过滑轮并固定在连系梁上，便于通过调节钢绳升降支撑面板，实现雨量收集单元的升降。

进一步地，所述滑轮设于连接横梁下方且位于连接横梁中点，并在连接块中心设有通孔，所述钢绳穿过通孔并与连接块固定；在连系梁上设有手动滑轮和止动组件，便于通过转动手动滑轮实现钢绳长度的调节，并能通过止动组件固定手动滑轮防止其转动。

进一步地，在支撑面板上方设有挡雨板，所述挡雨板可旋转设置在支撑单元顶端。

进一步地，在滚轮上设有锁紧机构，便于通过锁紧机构固定滚轮以将装置固定。

进一步地，在横梁和对应的立杆之间设有第一斜撑杆，所述第一斜撑杆一端与横梁固定连接，另一端与对应的立杆中下部固定连接；在竖块与支撑面板之间设有第二斜撑杆，所述第二斜撑杆一端与竖块的下端固定连接，另一端与对应的支撑面板所在边固定连接。

进一步地，在立柱上设有刻度，便于在立柱上调节雨量收集单元的高度。

水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量方法，利用前面所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置进行测量，其具体方法如下：

(1)观测泄洪雾化区域确定待测量的区域，将测量装置移动并固定在待测量的区域内部，关闭控制开关，然后抬起挡雨板，并在抬起挡雨板的同时，开始计时，T分钟到后，放下挡雨板，阻止水流继续流入雨量收集器中，完成一次测量，读取在T分钟内测量容器收集到的雨量，并记录每个雨量收集器收集到的雨量值；

(2)打开控制开关，待测量容器中水流尽后，重复步骤(1)进行多次测量，将多次测量得到有效雨量进行平均，通过以下公式计算得到每个雨量收集器对应坐标(x,y,z)的降雨雨强；

式中：I_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处的降雨雨强，mm/min；

q_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处测量容器收集到的平均雨量，mL；

S-收集管的有效接水面积，S＝πD²/4，其中D为收集管的内径，mm²；

T-测量时间，s；

(3)保持每个雨量收集器的x坐标和y坐标不变，调节雨量收集单元的上下位置改变每个雨量收集器的z坐标，重复步骤(1)和步骤(2)以得到对应坐标的降雨雨强；

(4)移动测量装置，重复步骤(1)、步骤2和步骤(3)完成整个待测区域的雨强的测量。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的雨量收集器由收集管和测量容器通过螺合组成，在雨量测量过程中，拆卸方便，并且针对不同的测定点，可以采用不同量程的测量容器，减小了因量程造成雨量测量形成的误差，以保证实验的精确度；也避免了采用长软管，使得雨水不因压强的原因不能顺利进入测量容器，提高了实验精确度。

2、本发明通过在测量装置底座上设置滚轮，实现装置在平面上进行移动，通过滑轮、钢绳及手动滑轮的协同实现雨量测量单元高度方向上的移动，如此实现测量装置的雨量收集单元在雨量强度空间上的移动，进而可以对水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的雨量进行测量。

附图说明

图1-本发明主视图。

图2-本发明侧视图。

图3-本发明俯视图。

其中：1-底座；1A-横梁；1B-连系梁；2-立柱；3-雨量收集单元；3A-支撑面板；3B-收集管；3C-测量容器；3D-控制开关；4-滑轮；5-钢绳；6-凸起；7-手动滑轮；8-滚轮；9-止动组件；10-锁紧机构；11-连接块；12-竖块；13-第一斜撑杆；14-第二斜撑杆；15-连接横梁；16-挡雨板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

参见图1、图2和图3，水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，包括底座1以及底座1上设置的支撑单元和设置在支撑单元上的雨量收集单元3；所述雨量收集单元3由水平设置的支撑面板3A以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布，所述雨量收集器由收集管3B和测量容器3C组成，所述收集管3B设于支撑面板3A上并与支撑面板3A一体成型制成，并且收集管3B上下两端突出对应支撑面板3A所在平面一定长度，所述收集管3B下端的外表面设有螺纹，所述测量容器3C上端的内表面设有与收集管3B螺纹配合的螺纹，收集管3B和测量容器3C通过螺纹实现紧固连接；所述测量容器3C的外壁上设有数值刻度，便于通过读取测量容器3C外壁的数值得知测量容器3C内雨量的收集量。

这里的测量容器可以为上端设有螺纹的量筒。对各测量点的雨强进行测量时，为保证实验的准确性，测量时间越长越好，一般为60～1000s，时间用秒表计时。为了保证测量的精度，同样的工况进行两次测量，如果两次测量值相差超过10％则重复进行第三次测量。取得到的有效值进行平均，得到最后的测量值，从而计算出各测量点雨强值，雨强计算公式如下：

式中：I_(x,y)表示坐标(x,y)处的降雨雨强(mm/min)，q_(x,y)表示该测量点测量容器收集到的雨量的读数为mL，S＝πD²/4是收集管的有效接水面积(mm²)，T为测量时间(s)。

收集管和测量容器这样设置后，拆卸方便，针对不同的测量点，也方便更换量程不同的测量容器用于测量，雨量大的地方使用大量程的测量容器，雨量小的地方就可以使用小量程的测量容器，减少因测量容器量程造成测量误差，从而有利于保证实验的精度。

具体实施时，所述支撑面板3A为网格状的矩形板，所有雨量收集器分别设置在对应的网格的交点处。

这样，支撑面板除了支撑收集管部分，其余的均为镂空设置，采用本装置进行测量时，雨水直接通过镂空部分掉落，从而可以避免雨水碰撞到支撑面板后溅水到收集管内对试验结果产生影响。

具体实施时，测量容器3C底部设有控制开关3D，便于通过控制开关3D实现收集雨水和排出测量容器内收集的雨水。

这样，当需要收集雨水时，关闭控制开关就可以收集，一定时间后停止试验，读取测量容器外壁上的数值并记录，然后打开控制开关，将测量容器内的雨水排尽后关闭控制开关便可进行下一次测量。

具体实施时，所述底座1由两根水平设置且相互平行的横梁1A和连接两根横梁1A的连系梁1B构成，并在每根横梁1A的两端分别设有滚轮8，便于通过滚动滚轮8实现装置在平面上移动。

这样，可以通过滚动底座上的滚轮实现装置在平面上作前后、左右移动。

所述支撑单元为两根立柱2，两根立柱2竖直设置并分别固定在两根横梁1A上，在两根立柱顶端设有连接横梁15，连接横梁15的两端分别与两根立柱2固定连接，并在连接横梁15上设有滑轮4。

支撑面板3A通过连接架和钢绳5设置在支撑单元上，连接架由两根竖直设置的竖块12和用于连接两竖块的连接块11构成，竖块12上设有沿长度方向的凹槽，所述立杆2上设有凹槽对应的凸起，竖块12与立杆2通过凹槽和凸起连接，便于通过上下滑动连接架实现雨量收集单元3在立柱2上做上下运动，所述钢绳5一端与连接块11固定，另一端绕过滑轮4并固定在连系梁1B上，便于通过调节钢绳升降支撑面板3A，实现雨量收集单元3的升降。

具体实施时，所述滑轮4设于连接横梁15下方且位于连接横梁15中点，并在连接块11中心设有通孔，所述钢绳5穿过通孔并与连接块11固定；在连系梁1B上设有手动滑轮7和止动组件9，便于通过转动手动滑轮7实现钢绳5长度的调节，并能通过止动组件9固定手动滑轮7防止其转动。

具体实施时，在支撑面板3A上方设有挡雨板16，所述挡雨板16可旋转设置在支撑单元顶端。当挡雨板水平设置时，其垂直投影将支撑面板3A全覆盖

这样，当完成一次测量时，可以放下挡雨板对测量容器的数值进行读数，并记录，完成后打开控制开关排尽进行再一次测量，测量时，抬起挡雨板的同时开始计时，放下挡雨板后停止计时，再读取测量容器的数值，避免了移动装置，也不需要关闭水工模型试验，保证在相同位置坐标上进行多次测量，保证实验数据的准确性。

具体实施时，在滚轮8上设有锁紧机构10，便于通过锁紧机构10固定滚轮8以将装置固定。

当装置通过滚轮滚动移动到确定位置时，通过锁紧机构锁紧滚轮，从而将整个装置固定了，操作简单方便，并且可靠。

具体实施时，在横梁1A和对应的立杆2之间设有第一斜撑杆13，所述第一斜撑杆13一端与横梁1A固定连接，另一端与对应的立杆2中下部固定连接。

这样通过在横梁和立杆之间设置第一斜撑杆增强装置的稳定性。

具体实施时，在竖块12与支撑面板3A之间设有第二斜撑杆14，所述第二斜撑杆14一端与竖块12的下端固定连接，另一端与对应的支撑面板3A所在边固定连接。

这样，第二斜撑杆可以对支撑面板进行良好的支撑作用，同时也增强了装置的稳定性。

具体实施时，在立柱2上设有刻度，便于在立柱2上调节雨量收集单元3的高度。

利用前面所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置进行测量，其具体方法如下：

(1)水舌碰撞之后将在周围产生雾化现象，观测泄洪雾化区域确定待测量的区域，将测量装置移动并固定在待测量的区域内部，关闭控制开关，然后抬起挡雨板，并在抬起挡雨板的同时，开始计时，T分钟到后，放下挡雨板，阻止水流继续流入雨量收集器中，完成一次测量，读取在T分钟内测量容器收集到的雨量，并记录每个雨量收集器收集到的雨量值；

这里每个雨量收集器对应的就是一个测量点。

(2)打开控制开关，待测量容器中水流尽后，重复步骤(1)进行多次测量，将多次测量得到有效雨量进行平均，这里的有效雨量为多次测量的数值不超过10％的雨量值；通过以下公式计算得到每个雨量收集器对应坐标(x,y,z)的降雨雨强；

式中：I_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处的降雨雨强，mm/min；

q_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处测量容器收集到的平均雨量，mL；

S-收集管的有效接水面积，S＝πD²/4，其中D为收集管的内径，mm²；

T-测量时间，s；

(3)保持每个雨量收集器的x坐标和y坐标不变，调节雨量收集单元的上下位置改变每个雨量收集器的z坐标，重复步骤(1)和步骤(2)以得到对应坐标的降雨雨强；

这里可以在待测区域内选择几个不同的Z坐标进行测量，从而得到(x,y,z₁)、(x,y,z₂),(x,y,z₃)....不同测量点的降雨雨强。

(4)移动测量装置，重复步骤(1)、步骤2和步骤(3)完成整个待测区域的雨强的测量。

由于水滴影响区域一般大于雨量收集单元的面积，通过调节底座水平位置和调节雨量收集单元空间的上下位置，重复测量步骤，以完成整个泄洪雾化雨量强度空间的空间测量。

最后需要说明的是，本发明的上述实施例仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (10)

1.水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，包括底座以及底座上设置的支撑单元和设置在支撑单元上的雨量收集单元；所述雨量收集单元由水平设置的支撑面板以及竖直设置在支撑面板上的若干雨量收集器构成，所有雨量收集器呈矩阵式间隔分布，其特征在于，所述雨量收集器由收集管和测量容器组成，所述收集管设于支撑面板上并与支撑面板一体成型制成，并且收集管上下两端突出对应支撑面板所在平面一定长度，所述收集管下端的外表面设有螺纹，所述测量容器上端的内表面设有与收集管螺纹配合的螺纹，收集管和测量容器通过螺纹实现紧固连接；所述测量容器的外壁上设有数值刻度，便于通过读取测量容器外壁的数值得知测量容器内雨量的收集量。

2.根据权利要求1所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，所述支撑面板为网格状的矩形板，所有雨量收集器分别设置在对应的网格的交点处。

3.根据权利要求1所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，测量容器底部设有控制开关，便于通过控制开关实现收集雨水和排出测量容器内收集的雨水。

4.根据权利要求1～3任一所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，所述底座由两根水平设置且相互平行的横梁和连接两根横梁的连系梁构成，并在每根横梁的两端分别设有滚轮，便于通过滚动滚轮实现装置在平面上移动；

所述支撑单元为两根立柱，两根立柱竖直设置并分别固定在两根横梁上，在两根立柱顶端设有连接横梁，连接横梁的两端分别与两根立柱固定连接，并在连接横梁上设有滑轮；

支撑面板通过连接架和钢绳设置在支撑单元上，连接架由两根竖直设置的竖块和用于连接两竖块的连接块构成，竖块上设有沿长度方向的凹槽，所述立杆上设有凹槽对应的凸起，竖块与立杆通过凹槽和凸起连接，便于通过上下滑动连接架实现雨量收集单元在立柱上做上下运动，所述钢绳一端与连接块固定，另一端绕过滑轮并固定在连系梁上，便于通过调节钢绳升降支撑面板，实现雨量收集单元的升降。

5.根据权利要求4所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，所述滑轮设于连接横梁下方且位于连接横梁中点，并在连接块中心设有通孔，所述钢绳穿过通孔并与连接块固定；在连系梁上设有手动滑轮和止动组件，便于通过转动手动滑轮实现钢绳长度的调节，并能通过止动组件固定手动滑轮防止其转动。

6.根据权利要求5所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，在支撑面板上方设有挡雨板，所述挡雨板可旋转设置在支撑单元顶端。

7.根据权利要求4所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，在滚轮上设有锁紧机构，便于通过锁紧机构固定滚轮以将装置固定。

8.根据权利要求4所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，在横梁和对应的立杆之间设有第一斜撑杆，所述第一斜撑杆一端与横梁固定连接，另一端与对应的立杆中下部固定连接；在竖块与支撑面板之间设有第二斜撑杆，所述第二斜撑杆一端与竖块的下端固定连接，另一端与对应的支撑面板所在边固定连接。

9.根据权利要求4所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置，其特征在于，在立柱上设有刻度，便于在立柱上调节雨量收集单元的高度。

10.水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量方法，其特征在于，利用权利要求6所述的水工模型泄洪雾化雨量强度空间分布的测量装置进行测量，其具体方法如下：

(1)观测泄洪雾化区域确定待测量的区域，将测量装置移动并固定在待测量的区域内部，关闭控制开关，然后抬起挡雨板，并在抬起挡雨板的同时，开始计时，T分钟到后，放下挡雨板，阻止水流继续流入雨量收集器中，完成一次测量，读取在T分钟内测量容器收集到的雨量，并记录每个雨量收集器收集到的雨量值；

(2)打开控制开关，待测量容器中水流尽后，重复步骤(1)进行多次测量，将多次测量得到有效雨量进行平均，通过以下公式计算得到每个雨量收集器对应坐标(x,y,z)的降雨雨强；

式中：I_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处的降雨雨强，mm/min；

q_(x,y,z)-坐标(x,y,z)处测量容器收集到的平均雨量，mL；

S-收集管的有效接水面积，S＝πD²/4，其中D为收集管的内径，mm²；

T-测量时间，s；

(3)保持每个雨量收集器的x坐标和y坐标不变，调节雨量收集单元的上下位置改变每个雨量收集器的z坐标，重复步骤(1)和步骤(2)以得到对应坐标的降雨雨强；

(4)移动测量装置，重复步骤(1)、步骤2和步骤(3)完成整个待测区域的雨强的测量。

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