本發(fā)明涉及土壤侵蝕及水土保持技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種穩(wěn)定流量及含沙率的擬配徑流實現(xiàn)方法和裝置。

背景技術(shù)：

我國面臨較為嚴峻的水土流失問題。在水土流失規(guī)律和土壤侵蝕研究中，徑流沖刷試驗是一種普遍而又重要的研究方法，應(yīng)用于研究土壤抗沖系數(shù)、徑流沖刷下土壤分離率等試驗，探討土壤抵抗徑流水力破壞作用和搬運泥沙的能力。通常，不論是室內(nèi)模擬坡面放水沖刷試驗、原狀土沖刷槽試驗，還是野外實地放水沖刷法等，需要供流裝置提供持續(xù)平穩(wěn)、特定流量及含沙率的擬配徑流。此類裝置最理想的配流方式是把一定比例水與沙均勻混合，將泥沙顆粒均勻地分布在流體中，形成水-沙均勻懸浮體系平穩(wěn)出流，保證試驗的順利開展及數(shù)據(jù)的科學(xué)準確性。

現(xiàn)有的試驗裝置技術(shù)中，水沙混合配流裝置存在底部泥沙淤積、擬配徑流水沙混合不均、徑流含沙率不穩(wěn)定等缺陷，目前的沖刷試驗裝置多數(shù)為定水頭清水沖刷為主，如公開號為CN 203630133 U等專利文件中提出在沖刷槽頂端焊接水箱和穩(wěn)流池。但是，此類技術(shù)僅能用于清水沖刷試驗，未見用于土壤侵蝕試驗的水沙混合裝置的報道，雖然國內(nèi)外工程設(shè)備中也有不少具備上述功能的混合設(shè)備設(shè)施，但是受適用性、成本、結(jié)構(gòu)、占地面積和國情的差異等多方面的制約，尚難在國內(nèi)土壤侵蝕試驗推廣應(yīng)用。所以，本領(lǐng)域亟需研究開發(fā)一種穩(wěn)定流量及含沙率的擬配徑流實現(xiàn)方法和裝置。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有土壤侵蝕試驗尤其是徑流沖刷試驗研究中的水沙均勻混合配流方法的不足，提供一種穩(wěn)定流量及含沙率的擬配徑流的實現(xiàn)方法。

本發(fā)明要解決的另一技術(shù)問題是提供實現(xiàn)所述方法的裝置。

本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：

提供一種穩(wěn)定流量及含沙率的擬配徑流的實現(xiàn)方法，是將水與泥沙在圓筒狀槽體中混合，所得混合物經(jīng)攪拌形成圍繞軸向和圓周上下傳輸徑流，徑流出流后作為土壤侵蝕室內(nèi)模擬及野外試驗的擬配徑流；所述徑流中含沙率為1～5％，流量為2.5～100kg/min；

所述攪拌的方法是設(shè)置葉輪和葉輪下方的底擋板共同攪拌實現(xiàn)；所述葉輪的直徑D值與槽體的直徑T值的比值為0.5；所述葉輪在槽體中的安裝高度C值與葉輪的直徑D值的比值為0.4；所述混合物的液位高度H值與槽體的直徑T值的比值為0.6。

在本發(fā)明設(shè)計的方法思想下，是與泥沙的混合物在被攪拌的時候不會產(chǎn)生內(nèi)部流體打旋的現(xiàn)象，有效地增大水沙混合的紊流強度，使被攪拌的徑流上下翻騰，混合更為均勻。進一步地，科學(xué)設(shè)計槽體直徑、葉輪直徑、安裝高度和混合物操作液面高度值，分別保證攪拌槽內(nèi)流體的循環(huán)速度與攪拌功率達到最佳的平衡，以合適的攪拌功率獲得最優(yōu)的液體循環(huán)速度。葉輪和底擋板聯(lián)合攪拌的方法，有效消除了混合液體底部沙粒淤積現(xiàn)象，泥沙顆粒均勻分布在流體之中，形成水-沙均勻混合懸浮體系，保證土壤侵蝕試驗的科學(xué)性和準確性。

優(yōu)選地，本發(fā)明根據(jù)試驗過程中各個關(guān)鍵影響因素之間的相互關(guān)系，設(shè)計所述葉輪的最小轉(zhuǎn)速按照以下公式確定，保證流量、含沙率的持續(xù)的穩(wěn)定供流，減少侵蝕試驗數(shù)據(jù)的誤差。

式中：N_k為懸浮臨界轉(zhuǎn)速，r/s；S為與槽結(jié)構(gòu)系數(shù)；d_p為泥沙顆粒直徑，m；x為平均泥沙顆粒相對重量百分濃度；γ為水的運動粘度，m²/s；Δρ_g、ρ_L分別為水沙密度差和水的密度，kg/m³。

本發(fā)明同時提供了一種實現(xiàn)所述方法的裝置，包括槽體、攪拌軸、水頭控制閥和出流閘閥；所述槽體頂部設(shè)有開口；所述攪拌軸設(shè)置于槽體的中央位置，其從槽體的頂部貫穿至槽體的底部并分別與槽體的頂部和底部固定連接，所述攪拌軸上設(shè)置葉輪；所述水頭控制閥和出流閘閥分別設(shè)置于槽體外壁的中上位置和底端位置；所述槽體的底部內(nèi)壁上設(shè)置有底擋板。

所述槽體優(yōu)選為圓筒狀槽體。采用圓筒狀槽體較好地避免產(chǎn)生泥沙淤積。

優(yōu)選地，所述攪拌軸的兩端分別通過軸承固定于槽體的底部和頂部。進一步優(yōu)選地，所述軸承采用液封防銹軸承。

優(yōu)選地，所述槽體的頂部為敞口式，敞口處設(shè)置有固定桿，所述攪拌軸與固定桿經(jīng)軸承固定連接。

進一步優(yōu)選地，所述固定桿為十字形結(jié)構(gòu)。

所述攪拌軸位于槽體的頂部的一端設(shè)有連接柄。通過轉(zhuǎn)動連接柄帶動攪拌軸的旋轉(zhuǎn)。所述連接柄的轉(zhuǎn)動可以通過手動也可以電動控制。

采用單層葉輪的淺型槽比深型槽較為節(jié)省能量損耗，因此優(yōu)選地，本發(fā)明所述水頭控制閥安裝的位置按照水頭控制閥距離槽體底部的高度(H)與槽體的直徑之比值(H/T)為0.6確定。

優(yōu)選地，所述葉輪的葉輪直徑與槽徑之比(D/T值)優(yōu)選為0.5。因D/T值一般是根據(jù)葉輪的型式、懸浮液特性、懸浮狀態(tài)等確定，槽內(nèi)流體的循環(huán)速度與固-液懸浮操作密切相關(guān)，一般選小轉(zhuǎn)速、大直徑軸向流葉輪較為有利，但是，隨著葉輪的增大，攪拌功率也將以D⁵增加。結(jié)合本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)和其他部件的設(shè)計，優(yōu)選取D/T值為0.5，可以獲得最佳協(xié)調(diào)的工作結(jié)果，攪拌效果與攪拌功率達到最佳平衡。

進一步優(yōu)選地，所述葉輪槳葉采用長薄葉螺旋槳?？梢圆捎娩摪迮で庸閮A斜角為25°的長薄葉螺旋槳，安裝在轉(zhuǎn)動軸上。

優(yōu)選地，所述底擋板為四個，圍繞底板中心呈十字型均勻分布，有效消除槽體內(nèi)部流體打旋現(xiàn)象，有效地增大水沙混合的紊流強度，使被攪拌的徑流上下翻騰。

優(yōu)選地，所述底擋板的尺寸按照底擋板高度：寬度(平行槽體直徑方向的尺寸)：槽體直徑的比值為0.06m：0.10m：1.2m確定。

進一步優(yōu)選地，所述底擋板采用材質(zhì)為1.2mm厚的不銹鋼板。

優(yōu)選地，本發(fā)明還包括平臺，平臺由角鐵及鍍鋅方管焊組而成。平臺的設(shè)置更加方便出流，進一步優(yōu)選所述平臺高度為2m。

基于本發(fā)明裝置，實現(xiàn)固-液體系均勻懸浮攪拌，適用于土壤侵蝕試驗的水沙均勻混合操作。

本發(fā)明的有益效果概括如下：

本發(fā)明提供了一種穩(wěn)定流量及含沙率的擬配徑流實現(xiàn)方法，簡單易行，且精確科學(xué)，具體是按照試驗要求將一定比例水與沙均勻混合，科學(xué)設(shè)計關(guān)鍵參數(shù)，成功將泥沙顆粒均勻地分布在流體中，形成水-沙均勻懸浮體系平穩(wěn)出流，能滿足室內(nèi)模擬坡面放水沖刷試驗、原狀土沖刷槽試驗、野外實地放水沖刷法等試驗要求，提供持續(xù)平穩(wěn)、特定流量及含沙率的擬配徑流，保證試驗的順利開展及數(shù)據(jù)的科學(xué)準確性。

本發(fā)明同時提供了一種裝置，彌補了現(xiàn)有沖刷試驗裝置只能采用定水頭清水沖刷為主的技術(shù)不足，克服了現(xiàn)有的水沙混合配流裝置存在底部泥沙淤積、擬配徑流水沙混合不均、徑流含沙率不穩(wěn)定等缺陷。本發(fā)明裝置具有以下有益效果：

1)通過槽體、攪拌軸、葉輪及底擋板的合理設(shè)計，流體在裝置內(nèi)部圍繞軸向和圓周上下傳輸；有效消除了裝置底部的沙粒淤積現(xiàn)象，泥沙顆粒均勻分布在流體之中，形成水-沙均勻混合懸浮體系；

2)裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，操作簡單，通過水頭控制閥和閘閥出流，可保證徑流流量、含沙率穩(wěn)定的持續(xù)供流，減少侵蝕試驗數(shù)據(jù)的誤差。

附圖說明

圖1本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2本發(fā)明實施例裝置尺寸設(shè)計示意圖。

圖3本發(fā)明裝置內(nèi)流體運動示意圖。

圖4本發(fā)明裝置流量折線圖。

圖5本發(fā)明裝置試驗中含沙率折線圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例進一步說明本發(fā)明。下述實施例僅用于示例性說明，不能理解為對本發(fā)明的限制。除非特別說明，下述實施例中使用的設(shè)備材料和方法為本領(lǐng)域常規(guī)使用的設(shè)備材料和方法。

實施例1

本實施例提供一種適用于土壤侵蝕試驗的水沙均勻混合配流裝置，如圖1所示，包括槽體1、攪拌軸2、水頭控制閥3和出流閘閥4；所述槽體1的頂部11設(shè)有開口；所述攪拌軸2設(shè)置于槽體1的中央位置，其從槽體1的頂部11貫穿至槽體1的底部12并分別與槽體1的頂部11和底部12固定連接，所述攪拌軸2上設(shè)置葉輪5；所述水頭控制閥3和出流閘閥4分別設(shè)置于槽體1外壁的中上位置和底端位置；所述槽體1的底部內(nèi)壁上設(shè)置有底擋板6。

本實施例所述槽體1為圓筒狀槽體。采用圓筒狀槽體能較好地避免產(chǎn)生泥沙淤積。

所述攪拌軸2的兩端分別通過軸承7固定于槽體1的頂部11和底部12。所述軸承7采用液封防銹軸承。

所述槽體1的頂部11為敞口式，敞口處設(shè)置有固定桿111，所述攪拌軸2與固定桿111經(jīng)軸承7固定連接。所述固定桿采用十字形結(jié)構(gòu)穩(wěn)固、節(jié)約材料并方便從槽體1的頂部11加入水和泥沙。

所述攪拌軸2位于槽體1的頂部11的一端設(shè)有連接柄21。通過轉(zhuǎn)動連接柄21帶動攪拌軸2的旋轉(zhuǎn)。所述連接柄21的轉(zhuǎn)動可以通過手動也可以電動控制。

所述葉輪槳葉可采用長薄葉螺旋槳。采用鋼板扭曲加工為傾斜角為25°的長薄葉螺旋槳(漿葉的外觀可參照美國Lightnin公司的三葉A310槳)，安裝在轉(zhuǎn)動軸上。

如附圖2所示。所述葉輪的葉輪直徑與槽徑之比(D/T值)優(yōu)選為0.5。因D/T值一般是根據(jù)葉輪的型式、懸浮液特性、懸浮狀態(tài)等確定，槽內(nèi)流體的循環(huán)速度與固-液懸浮操作密切相關(guān)，一般選小轉(zhuǎn)速、大直徑軸向流葉輪較為有利，但是，隨著葉輪的增大，攪拌功率也將以D5增加。結(jié)合本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)和其他部件的設(shè)計，優(yōu)選取D/T值為0.5，可以獲得最佳協(xié)調(diào)的工作結(jié)果，攪拌效果與攪拌功率達到最佳平衡。

采用單層葉輪的淺型槽比深型槽較為節(jié)省能量損耗，因此優(yōu)選地，本發(fā)明所述水頭控制閥安裝的位置按照水頭控制閥距離槽體底部的高度(H)與槽體的直徑之比值(H/T)為0.6確定。

本實施例的裝置中，所述底擋板6設(shè)計為四個，圍繞底板中心呈十字型均勻分布，有效消除槽體內(nèi)部流體打旋現(xiàn)象，有效地增大水沙混合的紊流強度，使被攪拌的徑流上下翻騰。

所述底擋板的尺寸按照底擋板高度：寬度(平行槽體直徑方向的尺寸)：槽體直徑的比值為0.06m：0.10m：1.2m確定。

所述底擋板可以采用材質(zhì)為1.2mm厚的不銹鋼板。

本發(fā)明裝置彌補了現(xiàn)有沖刷試驗裝置只能采用定水頭清水沖刷為主的技術(shù)不足，克服了現(xiàn)有的水沙混合配流裝置存在底部泥沙淤積、擬配徑流水沙混合不均、徑流含沙率不穩(wěn)定等缺陷，大量實驗證明，采用本實施例裝置開展土壤侵蝕試驗，葉輪及底擋板的合理設(shè)計，流體在裝置內(nèi)部圍繞軸向和圓周上下傳輸，如附圖3所示，有效消除了裝置底部的沙粒淤積現(xiàn)象，泥沙顆粒均勻分布在流體之中，形成水-沙均勻混合懸浮體系；本實施例裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊，操作簡單，通過水頭控制閥和閘閥出流，可保證徑流流量、含沙率穩(wěn)定的持續(xù)供流，減少侵蝕試驗數(shù)據(jù)的誤差。

實施例2本發(fā)明試驗方法

參照本發(fā)明實施例1的設(shè)計思想設(shè)計所述裝置。為方便說明，本實施例以下述尺寸數(shù)據(jù)進行說明。

1)取本發(fā)明設(shè)計的裝置槽體直徑T為1.2m，高h為1.1m，材質(zhì)為不銹鋼；

2)葉輪直徑D＝0.5T＝0.55m，葉輪安裝高度C＝0.22m，操作液位H＝0.6T＝0.66m；

3)操作液位處安裝50mm的水頭控制球閥，底部接75mm壓鑄銅合金閘閥；

4)將4塊不銹鋼底擋板呈十字型對稱焊接于裝置底部，規(guī)格均為0.10m×0.06m；

5)根據(jù)攪拌的泥沙顆粒參數(shù)，取槳葉傾斜角為25°，計算得攪拌轉(zhuǎn)速N_k＝70r/min，可采用手動逆時針攪拌。

基于本發(fā)明裝置，實現(xiàn)固-液體系均勻懸浮攪拌，適用于土壤侵蝕試驗的水沙均勻混合操作。均勻懸浮臨界轉(zhuǎn)速及運作方式：懸浮臨界轉(zhuǎn)速，是指槽內(nèi)懸浮操作達到某一指定的懸浮狀態(tài)時，葉輪所需要的最小轉(zhuǎn)速。

式中：N_k為懸浮臨界轉(zhuǎn)速，r/s；S為與槽結(jié)構(gòu)系數(shù)；d_p為泥沙顆粒直徑，m；x為平均泥沙顆粒相對重量百分濃度；γ為水的運動粘度，m²/s；Δρ_g、ρ_L分別為水沙密度差和水的密度，kg/m³。

根據(jù)配流裝置尺寸規(guī)格和設(shè)計的流量、含沙率(kg/min，％)，先向裝置內(nèi)投加相應(yīng)的泥沙量，隨后注入清水至操作液位處，攪拌1min后，打開裝置底端的出流閥，同時持續(xù)向裝置內(nèi)投加按比例的水和泥沙。測量項目包括擬配徑流的時段的流量、含沙率數(shù)據(jù)，分析該配流裝置流量、含沙率的平穩(wěn)性，試驗結(jié)果如附圖4、附圖5所示。附圖4、附圖5分別是徑流流量和含沙率隨時間變化的分析折線圖。從圖中可以看出，采用本發(fā)明提供的配流裝置進行配流時，隨機測試的6種徑流流量和6種含沙率僅在很小范圍內(nèi)波動，水沙混合均勻，徑流出流過程持續(xù)、平穩(wěn)，與設(shè)計的徑流流量、含沙率相同。

為方便出流，本發(fā)明裝置還可以設(shè)計包括平臺，平臺由角鐵及鍍鋅方管焊組而成。平臺的設(shè)置更加方便出流，優(yōu)選所述平臺高度為2m左右。