[发明专利]一种设置河流动床水工模型的方法

说明书

技术领域：

本发明涉及一种设置河流动床水工模型的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/02，属于水利领域。

背景技术：

床沙的颗粒组成和变化不仅影响床面沙粒、沙波阻力和洪水位的高低，而且是影响水流挟沙力、输沙率及河床冲淤的重要因素，是研究水流泥沙运动的基本资料之一。在一般含沙量情况下，表层床沙与水中运动泥沙总在不断地相互交换，其床沙组成也随着冲淤及与深层床沙不断交换而调整变化，其调整是河床变形计算中一个十分重要的问题。在现有的河床变形计算数学模型中，一般引入一个床沙活动交换层厚度的物理量，大多取一个经验性的定常值；此外，有效河床质的厚度往往也都是假定的，这些假定对于河床变形的计算结果的影响很大。

天然冲积河流主要采用横管式、锥式、蚌式、击打式、锚式及海洋采泥的丸川式等采样器来对河床及流态下的床沙进行取样；这些采样器普遍存在采样率较低、沙样可靠性不高；同时，由于床沙变化受水流条件、来沙情况以及本身河床组成等多因素的影响，其变化规律极为复杂，加之资料跟随性以及量测仪器的制约，在天然河流中研究单因素对床沙变化的规律十分困难。动床模型试验为床沙变化规律的精细研究提供了一种方法。然而，天然河流中床沙取样采用的仪器在模型试验中根本无法使用；目前在模型试验中床沙实时保真取样的仪器与方法都鲜有报道。

目前，国内使用的河床床沙采样器有挖斗式采样器、重力式采样器和一种利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器等。挖斗式采样器由挖斗、定挖斗位置的卡爪和铅鱼壳体等构成。采样时，通过一套联动装置，首先使限位卡爪松开，然后收绞起重索，通过缠绕在挖斗轴上的钢丝绳带动挖斗旋转，挖取泥沙。各种重力式采样器，由于其自身的缺陷(利用仪器自身及配重重量把采样管压入河床)，亦经常取不到样品，且采样深度无法精确控制。一些改进型重力式采样器亦因结构复杂、制造使用费用昂贵及未能从根本上解决采样深度控制问题，均未能得到广泛应用。一种利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器是利用子弹瞬间的爆炸力推动活塞运动，把采样管打入河床泥沙中，在不破坏河床泥沙完整性和原状性的情况下，将河床泥沙采集到采样管内。利用火药爆炸驱动的深水床沙采样器可在原型河床上进行深水床沙采样，具有一定的危险性，不宜在模型河床上进行床沙取样。

动床模型试验中，水深较浅、并且取样精度要求高，原型的取样方法与采样仪器无法在模型试验中应用。同时，试验中河床底部床沙变化规律特别复杂，如何在动床模型试验中进行床沙垂线上的自动采样而不破坏模型河床泥沙淤积层次结构是一个难题。

发明内容：

本发明针对目前模型河床床沙采样的需求，设计了一种动床模型试验床沙实时保真取样方法。本发明的技术方案：

一种动床模型试验床沙实时保真取样方法，包括以下步骤：

(一)布设动床模型和取样设备：

所述动床模型的河床内有淤积泥沙，河床水底和所述淤积泥沙之间设有交换层泥沙；

所述取样设备包括支架、水平横梁、取样探针、高压气囊驱动器、垂直控制台支柱、液氮容器、高压气体容器和控制器；其中，所述支架设置在所述动床模型的两侧，所述水平横梁固定安装在所述支架上，所述水平横梁上设有水平导轨；所述垂直控制台支柱的底部固定在水平移动机械手上，所述水平移动机械手设置在所述水平导轨上，并能够沿着所述水平导轨移动；所述垂直控制台支柱上设有垂直导轨和垂直移动机械手，所述垂直移动机械手能够沿着所述垂直导轨上下移动，所述垂直移动机械手上固定有支承台，所述支承台侧面设有支承横梁，所述支承横梁远离所述支承台的一端设有一个高压气囊驱动器固定扣环，用于固定所述高压气囊驱动器；所述高压气囊驱动器上部依次通过高压气体输送控制阀门、高压气体输送管线和高压容器控制阀门与所述高压气体容器连接，下部通过取样机械手和所述取样探针连接；垂直控制台支柱顶端设有高压气体输送管线挂钩，所述高压气体输送管线挂钩上设有若干挂环，所述高压气体输送管线穿过所述挂环悬挂在所述高压气体输送管线挂钩上；所述水平移动机械手上设有水平位移传感器，所述垂直移动机械手上设有垂直位移传感器，所述水平位移传感器和所述垂直位移传感器通过位移控制信号线与所述控制器连接，分别用于控制所述水平移动机械手和所述垂直移动机械手的移动距离；

所述取样探针为中空的双层结构，包括外层的真空腔和内层的液氮腔，所述液氮腔的上端设有出气孔和液氮进口，所述出气孔通过出气孔阀门与所述控制器连接，所述液氮进口通过液氮输送管线和液氮电控阀门与所述液氮容器连接；所述液氮电控阀门、高压气体输送控制阀门和高压容器控制阀门分别与所述控制器连接；