專利名稱：一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水工模型含沙量取樣系統(tǒng)，特別涉及一種適用于峽谷型水庫的異重流模型試驗的含水量取樣系統(tǒng)，屬于水利工程技術領域。
技術背景兩種或兩種以上的流體互相接觸，其重度有一定的但是較小的差異，如果其中一種流體沿著交界面的方向流動，在流動過程中不發(fā)生全局性的摻混現(xiàn)象，這種流動稱為異重流。異重流是挾沙水流的一種特殊運動形式，它通常出現(xiàn)在水庫、盲腸河段、挖入式河港和船間引航道等處，對這些地方的泥沙運動與河床演變有重要影響。水庫上游來的渾水，在水庫的某處潛入庫底，有的運行百余公里到達壩前，而表層庫水卻清澈不渾，這是挾沙渾水所形成的水庫異重流。在水庫運作中，由于異重流的發(fā)生不易發(fā)現(xiàn)，如果異重流已到達壩前而未及時發(fā)現(xiàn)并開啟孔口排沙，大量渾水在壩前停留，引起泥沙沉積在壩前，庫容會很快縮小。但是，如果摸清了水庫異重流的發(fā)生和運行規(guī)律，在多沙河流上修建蓄水庫和水電站時，設置底孔，合理運用在庫底運動的渾水異重流可把泥沙排走，減少水庫淤積。由于每個水庫的水沙、水文、地質、地形等條件不同，因此，必須通過精確的水庫異重流模型試驗，準確模擬各種邊界條件下異重流的發(fā)生和運行情況，摸清水庫異重流的發(fā)生和運行規(guī)律，利用異重流減少水庫淤積。甚至可以根據(jù)其發(fā)生及運行規(guī)律人工塑造異重流，以排泄水庫淤積的泥沙，延長水庫使用壽命。一般情況下，河道模型或者河道型水庫模型水深比較淺，試驗時利用取樣勺直接取樣，盛入比重瓶，利用電子天平快速稱量，輸入電腦進行實時計算，獲得各取樣點實時含沙量數(shù)值。該值實際為取樣點處平均含沙量數(shù)值。但是，我國的山區(qū)水庫大部分是峽谷型水庫，庫區(qū)邊坡非常陡，其水工模型經(jīng)過變態(tài)處理后，邊坡變得更加陡峻，大部分庫段的邊坡都在70°以上，部分庫段甚至接近90°， 使得各斷面含沙量要素取樣受到限制。尤其是在發(fā)生異重流的時段，水庫內存在蓄水體，清水水深較大，異重流潛入后， 在清水下層運行，各斷面含沙量要素取樣異常困難，傳統(tǒng)的含沙量取樣方法不能取樣。異重流測驗的難度高，時間緊，在很多情況下，不能夠施測或施測不及時，會嚴重影響異重流試驗結果的精度。為了保證取樣精度，需要根據(jù)水流不同流態(tài)，緩慢或者快速進行采樣，在大水深、 高含沙量的水庫中進行異重流取樣，大大地增加取樣的工作量和難度。針對上述情況，開發(fā)適應于水庫模型含沙量的取樣裝置成為迫切解決的重要問題，小浪底庫區(qū)模型試驗項目組的工作人員在模型的制作與試驗過程中，總結多年模型試驗取樣工作經(jīng)驗，通過多次摸索嘗試開發(fā)和應用了此套基于伯努利原理的水庫模型含沙量取樣的系統(tǒng)，實用新型內容本實用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)。本實用新型的技術方案如下一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，包括取樣模塊、負壓模塊、管道模塊和沖洗模塊，所述取樣模塊包括探桿、觸底板、取樣管、取樣控制閥門和輔助水尺，所述觸底板安裝在所述探桿底端并與探桿垂直，所述輔助水尺和取樣管固定在所述探桿上，取樣管的進水端安裝有銅管，銅管的入水口朝向水庫上游來水方向，且每根銅管在探桿上的高度位置不同；所述取樣管的另一端延伸到模型墻體的外側，所述取樣控制閥門設置在取水管的出水端；取水管出水端的高程低于所述銅管的高程；所述負壓模塊由水環(huán)真空泵和儲氣罐組成；所述管道模塊包括抽壓管和排棄水管，所述抽壓管連接所述取樣管和所述儲氣罐；所述沖洗模塊由一臺清水泵和抽水管組成，所述清水泵的進水口通過所述抽水管連接蓄水池，所述清水泵的出水口連接所述排棄水管。優(yōu)選地，還包括通訊模塊，所述通訊模塊為簡易電話裝置。本實用新型的取樣系統(tǒng)，造價低，安裝容易，操作方便，提高了取樣的效率和含沙量樣本的有效性，增加了試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，提高了試驗精度，工作效率顯著提高。

圖1為本實用新型的水庫模型取樣系統(tǒng)的平面示意圖。圖2為本實用新型的水庫模型取樣系統(tǒng)的縱剖面示意圖。圖中，1為軌道，2為采樣橋，3為探桿，4為取樣管，5為觸底板，6為銅管，7為水環(huán)真空泵，8為儲氣罐，9為抽壓管，10為抽樣桶，11為插接頭，12為接水槽，13為排棄水管，14 為模型墻體，15為蓄水池，16為清水泵，17為攪拌池。
具體實施方式
本實用新型的水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)的目的是利用伯努利原理，在取樣管內形成真空負壓，然后利用負壓抽取渾水至比重瓶，完成含沙量取樣。伯努利原理原理虹吸管里灌滿水，沒有氣，來水端水位高，出水口用閥門封閉住。此時管內壓強處處相等。一切安置好后，打開出水口，雖然兩邊的大氣壓相等，但是取樣端的水位高，壓強大，推動來水不斷流出出水口。原理概括由于壓強差在起作用。當彎管兩側中同一液面的壓強不同時，管中的水(或其它液體)就會向著壓強較小的一側流動。本實用新型的水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，主要包括取樣模塊、負壓模塊、管道模塊、沖洗模塊和通訊模塊5部分。所述取樣模塊包括探桿、觸底板、取樣管、取樣控制閥門和輔助水尺，所述負壓模塊由水環(huán)真空泵和儲氣罐組成；所述管道模塊包括抽壓管和排棄水管，所述抽壓管連接所述取樣管和所述儲氣罐；所述沖洗模塊由一臺清水泵和抽水管組成，所述清水泵的進水口通過抽水管連接蓄水池，所述清水泵的出水口連接所述排棄水管。所述通訊模塊為簡易電
話裝置。下面通過具體的實施例來對本實用新型的取樣系統(tǒng)進行詳細的說明。[0027]小浪底水庫是典型的峽谷型水庫，小浪底庫區(qū)模型是“模型黃河”的重要組成部分。整個模型從小浪底大壩至三門峽水文站，原型庫段長約125km，高程從155m至^5m，模型包括庫區(qū)100%的干流原始庫容及近95%的支流庫容。依據(jù)所選用的幾何比尺(水平比尺300，垂直比尺60)縮尺后，模型長約440m，模型平均寬度約15m，高約2.細。在模型的兩岸，分別固定設置一條軌道1，兩條所述軌道1的走向分別與兩岸的走向大致一致。軌道1可以由工字鋼制成。根據(jù)水庫的長度和邊界條件，確定模型計劃測量的斷面數(shù)量，然后，每隔50-100m，設置一個橫跨水庫模型兩岸的采樣橋2，采樣橋2的寬度為 0. 5-1. 5米，操作人員能夠在上面操作試驗設備。在采樣橋2的兩側固定設置有導軌(圖中為示出)，所述導軌可以采用U型或H型的型鋼制成，也可以采用其他形狀的型鋼制成。在采樣橋的兩端設置有滑動裝置，所述滑動裝置可以同時在兩岸的所述軌道1上和采樣橋2 兩側的導軌上滑動，所述滑動可以由滑動裝置上的電動機提供動力。本實用新型采用的這種滑動裝置是常見的機械裝置，本領域技術人員很容易設計制造出來，只要能夠同時在兩岸的所述軌道1上和采樣橋2兩側的導軌上實現(xiàn)雙向滑動，就能夠實現(xiàn)本實用新型的目的， 此處不再對其具體結構作詳細說明。通過這樣的滑動，操作人員可以很方便地操縱采樣橋 2沿著軌道1，向著水庫模型的上游或下游移動，在臨近的多個斷面上測量。在所述采樣橋2上游側的導軌上安裝有一根金屬探桿3，所述探桿3與所述導軌連接處設有水平和垂直調整螺栓，利用所述水平調整螺栓，可以使所述探桿沿著所述導軌水平移動，利用所述垂直調整螺栓，可以使所述探桿垂直移動，這樣，在同一個施測斷面上，可以測量不同位置、不同水深處的含水量。在所述探桿3上固定安裝有觸底板5，觸底板5與探桿3垂直，觸底板5的作用是能夠使操作人員準確感知河底的位置。在所述探桿3上安裝取樣裝置，所述取樣裝置包括一根輔助水尺和四根取樣管4。 輔助水尺固定在所探桿3上，用于測量水深；四根所述的取樣管4為軟性膠管，即水工試驗常用的橡膠軟管，取樣管4被綁定在探桿3上，每根取樣管4的進水端均安裝有銅管6，銅管6長度為5-lOcm，四根銅管6的入水口均朝向水庫上游來水方向，且每根銅管6在探桿3 上的高度位置不同，用于在不同的水深留取水樣。四根取樣管4的另一端延伸到模型墻體 14的外側，在取水管4出水端安裝有取樣控制閥門，用于開始或停止取樣。取水管4出水端的高程均應當?shù)陀谒鲢~管6的高程。取樣管4的長度根據(jù)測驗斷面邊界條件確定具體長度，一般不宜過長。在水庫模型的外部設置負壓裝置，所述負壓裝置由水環(huán)真空泵7、儲氣罐8、抽壓管9和抽樣桶10組成，水環(huán)真空泵7連接儲氣罐8，儲氣罐8連接抽壓管9，抽壓管9包括抽壓干管和抽壓支管，抽壓干管和抽壓支管通過三通連接，抽壓干管布設在模型墻體14的外側，抽壓支管布設在臨近取樣管4出水端的地方，抽壓支管進口端安裝有控制閥門；所述抽樣桶10的上部設有兩個接口，其中一個接口通過軟性膠管與所述抽壓支管的出口端連通，另一個接口安裝有與所述抽樣管10的出水端匹配的插接頭11 ；在臨近取樣管4出水端的模型墻體外側安裝有接水槽12，所述接水槽12和所述抽樣桶10的底部均與排棄水管13 連通，用于排泄取水管4的棄水。水環(huán)真空泵7(簡稱水環(huán)泵)是一種粗真空泵，它所能獲得的極限真空為 2000-4000Pa,串聯(lián)大氣噴射器可達270_670Pa。水環(huán)泵也可用作壓縮機，稱為水環(huán)式壓縮機，是屬于低壓的壓縮機，其壓力范圍為1-2 X 105Pa表壓力。[0033]經(jīng)過比較分析，抽壓管采用Pra管及其PPR管件。排棄水管為預埋管道，模型制作時可以再安裝一套備用管道，材料采用PP管。在泵體中裝有適量的水作為工作液。當葉輪按圖中順時針方向旋轉時，水被葉輪拋向四周，由于離心力的作用，水形成了一個決定于泵腔形狀的近似于等厚度的封閉圓環(huán)。 水環(huán)的下部分內表面恰好與葉輪輪轂相切，水環(huán)的上部內表面剛好與葉片頂端接觸(實際上葉片在水環(huán)內有一定的插入深度)。此時葉輪輪轂與水環(huán)之間形成一個月牙形空間，而這一空間又被葉輪分成和葉片數(shù)目相等的若干個小腔。如果以葉輪的下部0°為起點，那么葉輪在旋轉前180°時小腔的容積由小變大，且與端面上的吸氣口相通，此時氣體被吸入，當吸氣終了時小腔則與吸氣口隔絕；當葉輪繼續(xù)旋轉時，小腔由大變小，使氣體被壓縮；當小腔與排氣口相通時，氣體便被排出泵外。設置棄水沖洗裝置，所述沖洗裝置包括一臺清水泵16和抽水管，所述清水泵16通過抽水管抽取蓄水池15內的清水，對排棄水管13內淤積的泥沙進行沖洗。淤積是由于取樣管4較長，取樣過程中排棄水較多，棄水從取樣管4進入排棄水管13后流速減小，泥沙淤積，積少成多，不及時沖洗將會堵塞排棄水管13，因此設置了棄水沖洗裝置，用于排除棄水在管內形成的淤積。分別在臨近采樣橋2、接水槽12和水環(huán)真空泵7的地方設置簡易通訊裝置，如簡易電話裝置、電子指示裝置或對講裝置等，用于上述三個地方的操作人員隨時聯(lián)系，做好試驗的配合，以保證試驗的連續(xù)性。上述各項試驗設備準備妥當后，根據(jù)水庫上游來水來沙的實測資料，進行往水庫模型放水，模擬不同流量、不同含沙量的來水來沙情況。根據(jù)試驗要求，綜合分析小浪底水庫運用以來進出庫水沙過程、水庫運用情況，考慮驗證試驗水沙條件對后期運用方式研究應具有代表性，選定2004年6月至8月的水沙系列作為驗證試驗的水沙條件。該時段包括了黃河第三次調水調沙試驗及“04. 8”洪水水沙過程。開啟負壓裝置，使抽壓干管和抽壓支管內的氣壓達到負1個大氣壓。將四根取樣管4的出水端依次插接到抽樣桶10的插接頭11上，打開取樣管4和抽壓支管上的控制閥門，在負壓的作用下，使取樣管4內充滿渾水，然后關閉控制閥門，將取樣管4的出水端放置在接水槽12內，以備取樣。取樣時，根據(jù)取樣管4的長度，先將取樣管4內的渾水在接水槽12內排泄20-60 秒，使取樣管4內先前存蓄的渾水排凈，保證后面所留取的水樣是取樣時刻水庫的實時水樣，然后，將比重瓶放置在接水槽12內，將取樣管4的出水口置于比重瓶口，利用比重瓶進行含沙量取樣，比重瓶滿時關閉取樣控制閥門。通過取樣數(shù)據(jù)分析，或在模型上觀測到異重流潛入后，在潛入斷面下游，應加密測驗，觀測異重流到達每個擬測驗斷面的時間。試驗進行一定時間后，啟動棄水沖洗裝置，沖洗排棄水管13內淤積的泥沙。每項試驗開始后，不能間斷，試驗數(shù)據(jù)要隨測隨記。本實用新型的基于伯努利原理的水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，與國內外同類技術的比較，具有以下優(yōu)點1)結構簡單，安裝簡單，原理清晰結構比較簡單，安裝過程中只需把管道和管件連接起來，軟性膠管上裝有控制加壓閥門；原理清晰，更適合水庫異重流的測驗，技術價值高。2)可重復使用，簡單易行由于構思巧妙，所有部件采購加工都比較方便，容易實施。單套設備一次投資，可重復使用。操作人員學習掌握較好。3)工作效率顯著提高壓力源采用電機自動控制管道加負壓；提高了取樣的效率和含沙量樣本的有效性；操作方便，增加了實驗數(shù)據(jù)的數(shù)量，為準確塑造和預報水庫異重流提供了數(shù)據(jù)支持，工作的總體效率可以提高3倍以上。
權利要求1.一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，其特征在于包括取樣模塊、負壓模塊、管道模塊和沖洗模塊；所述取樣模塊包括探桿、觸底板、取樣管、取樣控制閥門和輔助水尺，所述觸底板安裝在所述探桿底端并與所述探桿垂直，所述輔助水尺和取樣管固定在所述探桿上，取樣管的進水端安裝有銅管，銅管的入水口朝向水庫上游來水方向，且每根銅管在探桿上的高度位置不同；所述取樣管的另一端延伸到模型墻體的外側，所述取樣控制閥門設置在取水管的出水端；取水管出水端的高程低于所述銅管的高程；所述負壓模塊由水環(huán)真空泵和儲氣罐組成；所述管道模塊包括抽壓管和排棄水管，所述抽壓管連接所述取樣管和所述儲氣罐；所述沖洗模塊由一臺清水泵和抽水管組成，所述清水泵的進水口通過所述抽水管連接蓄水池，所述清水泵的出水口連接所述排棄水管。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，其特征在于，還包括通訊模塊，所述通訊模塊為簡易電話裝置。
專利摘要本實用新型涉及一種水庫模型含沙量取樣系統(tǒng)，包括取樣模塊、負壓模塊、管道模塊和沖洗模塊，所述取樣模塊包括探桿、觸底板、取樣管、取樣控制閥門和輔助水尺，所述取水管出水端的高程低于其進水端的高程；所述負壓模塊由水環(huán)真空泵和儲氣罐組成；管道模塊包括抽壓管和排棄水管，所述抽壓管連接所述取樣管和所述儲氣罐；所述沖洗模塊由一臺清水泵和抽水管組成。本實用新型的取樣系統(tǒng)，利用伯努利原理，通過負壓裝置和安裝在不同水深部位的取樣管，可以非常方便及時地對多個斷面、不同水深取樣，提高了取樣的效率和含沙量樣本的有效性，增加了試驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)量，提高了試驗精度，工作效率顯著提高。
文檔編號G01N1/14GK201965040SQ20112008250
公開日2011年9月7日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權日2011年3月25日
發(fā)明者于國卿, 岳瑜素, 張俊華, 張攀, 張曉華, 曾賀, 李書霞, 李昆鵬, 李濤, 王仲梅, 王婷, 王巖, 石標欽, 蔣思奇, 謝志剛, 鄧宇, 陳書奎, 顧列亞, 馬懷寶, 馬濤 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學研究院