一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，包括縮放系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng)?？s放系統(tǒng)包括側(cè)墻、寬度調(diào)節(jié)柵、夾板架、軌道、雙向伸縮桿和雙槽齒輪盒等；循環(huán)系統(tǒng)包括集水槽、回水管道、水泵、上水管、水箱和穩(wěn)流罩；測(cè)控系統(tǒng)包括三角量水堰、ADV三維流速儀、高頻數(shù)碼攝像機(jī)、水質(zhì)傳感器和數(shù)據(jù)處理器。本發(fā)明通過(guò)側(cè)墻分形、重組實(shí)現(xiàn)模型三維尺度任意縮放，利用側(cè)墻彎曲、底床變化實(shí)現(xiàn)河道形態(tài)、邊界仿真，設(shè)計(jì)巧妙，具有改造快、效率高、縮尺細(xì)觀(guān)效應(yīng)明顯等優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于環(huán)境水力學(xué)試驗(yàn)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]河流是一個(gè)完整的連續(xù)體，上下游、左右岸構(gòu)成一個(gè)完整的體系，高度連通性的河流對(duì)物質(zhì)和能量的循環(huán)流動(dòng)以及水環(huán)境的生態(tài)平衡等非常重要。興建水利工程能夠滿(mǎn)足人類(lèi)對(duì)供水、防洪、發(fā)電、灌溉、旅游等方面的需要，但在促進(jìn)河流發(fā)揮服務(wù)功能的同時(shí)，也產(chǎn)生了一定的負(fù)面效應(yīng)，造成河流水環(huán)境的各種響應(yīng)，影響著河流生態(tài)系統(tǒng)的健康。如修建大壩，會(huì)在壩上形成一個(gè)庫(kù)區(qū)，水體由動(dòng)水變成靜水，水深增大使水體自?xún)裟芰p弱、水溫結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，壩下則變成一個(gè)受大壩調(diào)度變化的人工河流，一旦超出了河流系統(tǒng)的承受能力，整個(gè)河流生態(tài)系統(tǒng)將失調(diào)或退化，河流水環(huán)境將遭到破壞，使得河流失去本來(lái)面目。高壩泄流時(shí)，常會(huì)導(dǎo)致下游水體中總?cè)芙鈿怏w過(guò)飽和，使得魚(yú)類(lèi)患?xì)馀莶。瑖?yán)重時(shí)可導(dǎo)致魚(yú)類(lèi)死亡。高壩修建對(duì)魚(yú)類(lèi)的危害程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)環(huán)境污染和捕撈，不僅由于阻隔魚(yú)類(lèi)的徊游通道直接影響?hù)~(yú)類(lèi)生存，而且改變生態(tài)環(huán)境間接影響?hù)~(yú)類(lèi)生存。
[0003]水利工程影響下的河流水環(huán)境變化需要在工程建設(shè)前期進(jìn)行論證，河流水環(huán)境物理模型試驗(yàn)是研究河流水動(dòng)力和水環(huán)境的重要手段。然而，模型經(jīng)常受到場(chǎng)地空間、供水能力、制作條件以及建造和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用等多方面因素的限制，往往需要按照一定比例縮小。河流水環(huán)境物理模型是建立在水流相似、水質(zhì)相似和邊界條件相似原理的基礎(chǔ)上，在實(shí)際建立模型過(guò)程中，模型的平面比尺不能選得過(guò)小(模型不能過(guò)大)，而垂直比尺不能選得過(guò)大(水深不能過(guò)小)，致使模型試驗(yàn)中出現(xiàn)若干水流現(xiàn)象、環(huán)境要素的縮尺、變態(tài)問(wèn)題。
[0004]縮尺效應(yīng)是影響河流水環(huán)境物理模型試驗(yàn)效果最重要的因素之一。研究縮尺效應(yīng)主要是根據(jù)原型觀(guān)測(cè)資料與模型試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)于缺乏原型觀(guān)測(cè)資料，或者難以獲得原型觀(guān)測(cè)參數(shù)的情況，利用系列模型進(jìn)行試驗(yàn)是主要的研究手段。目前，河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置缺少，且傳統(tǒng)模型存在較大的不足與缺陷:
[0005](I)模型材料為有機(jī)玻璃或混凝土。有機(jī)玻璃或混凝土材料決定了系列模型過(guò)程中，必須重復(fù)建設(shè)，工程量大、周期長(zhǎng)，浪費(fèi)大量財(cái)力和人力。有機(jī)玻璃或混凝土的糙率也難以調(diào)整，影響試驗(yàn)結(jié)果的精度。
[0006](2)模型結(jié)構(gòu)不易調(diào)節(jié)、比例難以縮放。傳統(tǒng)模型固定的整體結(jié)構(gòu)決定了模型的寬度、高度和底形無(wú)法變化，模型的垂直比尺和水平比尺難以調(diào)整。
[0007]因此，研發(fā)具有尺度縮放自由的試驗(yàn)裝置及相應(yīng)技術(shù)方案，對(duì)研究河流水環(huán)境物理模型試驗(yàn)過(guò)程中縮尺效應(yīng)產(chǎn)生的影響具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]發(fā)明目的:為了克服現(xiàn)有河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)的不利影響，本發(fā)明提供一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，以實(shí)現(xiàn)河流水環(huán)境物理模型比例縮放自由、壁面糙率調(diào)整方便、河床底形模仿逼真、環(huán)境因子監(jiān)測(cè)便捷等多重目的，用于揭示縮尺效應(yīng)對(duì)河流水環(huán)境物理模型試驗(yàn)的細(xì)觀(guān)影響機(jī)理，解決現(xiàn)有試驗(yàn)?zāi)Ｐ徒ㄔO(shè)成本較高、周期長(zhǎng)、工程量大和縮尺效應(yīng)難以研究等問(wèn)題。
[0009]技術(shù)內(nèi)容:為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明提出一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，包括縮放系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng):
[0010]所述縮放系統(tǒng)包括第一側(cè)墻、第二側(cè)墻、第三側(cè)墻、第四側(cè)墻、寬度調(diào)節(jié)柵、橫向軌道、雙向伸縮桿、縱向軌道、滑桿和帆布，其中，所述的第二側(cè)墻、第三側(cè)墻和第四側(cè)墻分別由若干側(cè)墻板組合而成；所述的寬度調(diào)節(jié)柵設(shè)置于第一側(cè)墻和第二側(cè)墻上，用于調(diào)節(jié)模型的寬度；所述的橫向軌道設(shè)置于模型的底部，與水流方向垂直，鑲嵌并固定在地面上；所述的雙向伸縮桿包括兩根方形桿，每根方形桿一端固定于第三側(cè)墻或第四側(cè)墻下端，另一端設(shè)有齒條并插入雙槽齒輪盒中，并與與雙槽齒輪盒中的齒輪互相嚙合，所述第三側(cè)墻和第四側(cè)墻在所述雙向伸縮桿的作用下沿著橫向軌道移動(dòng)；所述的縱向軌道設(shè)置于第三側(cè)墻和第四側(cè)墻的下端靠近地面的位置，與水流方向一致；所述滑桿設(shè)置于第一側(cè)墻和第二側(cè)墻的下端，所述第一側(cè)墻和第二側(cè)墻通過(guò)所述滑桿在縱向軌道上移動(dòng)；所述帆布鋪設(shè)于四個(gè)側(cè)墻內(nèi)壁和模型的底部，確保模型不漏水，所述的帆布具有不同的尺寸和不同等級(jí)的糙率，方便用于不同比尺模型內(nèi)壁和底部鋪蓋，模擬真實(shí)河道或者庫(kù)區(qū)岸坡的糙率，減小糙率比對(duì)試驗(yàn)精度的影響，所述的側(cè)墻內(nèi)壁和模型底部與帆布之間可以根據(jù)實(shí)際河岸、河床的形態(tài)建造臨時(shí)性泥土質(zhì)島嶼、淺灘以及其他河床底形，以更精確地保證模型和原型的邊界條件相似；所述的第三側(cè)墻和第四側(cè)墻均可折彎以精確模仿實(shí)際河道或庫(kù)區(qū)的岸坡形態(tài)，且長(zhǎng)度和高度可以調(diào)節(jié)，具體是通過(guò)不同規(guī)格的側(cè)墻板、直線(xiàn)型或彎曲型連接件和插銷(xiāo)組合而實(shí)現(xiàn)，折彎段采用長(zhǎng)度較小的側(cè)墻板和彎曲型連接件。
[0011]所述的循環(huán)系統(tǒng)包括穩(wěn)流罩、水箱、上水管、水泵、回水管道和集水槽，其中，所述穩(wěn)流罩和水箱固定于所述第二側(cè)墻最上面的側(cè)墻板上；所述上水管固定于所述第二側(cè)墻上，且所述上水管的一端與所述水箱相連通，另一端延伸至第二側(cè)墻底部并與所述水泵連接；所述回水管道設(shè)置于模型的底部，所述回水管道一端與水泵連接，另一端連接到集水槽；
[0012]所述的測(cè)控系統(tǒng)包括ADV三維流速儀、三角量水堰、高頻數(shù)碼攝像機(jī)、水質(zhì)傳感器、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)和數(shù)據(jù)處理器，其中，所述的ADV三維流速儀通過(guò)支撐桿固定座固定在設(shè)置于試驗(yàn)過(guò)程中水中建筑物的正上方的支撐桿上；所述三角量水堰位于所述集水槽的側(cè)上方，通過(guò)翼墻與第三側(cè)墻、第四側(cè)墻相連；所述高頻數(shù)碼攝像機(jī)設(shè)置于第一側(cè)墻的內(nèi)部，用于記錄水面下水工建筑物附近的水動(dòng)力現(xiàn)象；所述水質(zhì)傳感器設(shè)置于第一側(cè)墻附近的水工建筑物上游或下游位置，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)與數(shù)據(jù)處理器連接，優(yōu)選地，所述水質(zhì)傳感器采用美國(guó)IN-SITU的在線(xiàn)多合一水質(zhì)傳感器AQUA TR0LL400，可測(cè)定PH、0RP、熒光法溶解氧、溫度等多個(gè)參數(shù)。
[0013]其中，所述的縮放系統(tǒng)還包括固定裝置，所述固定裝置包括夾板架和支撐三角器，其中，所述夾板架橫跨在第三側(cè)墻和第四側(cè)墻的上方，用于固定第三側(cè)墻和第四側(cè)墻；所述的支撐三角器分別分布在第一側(cè)墻、第二側(cè)墻、第三側(cè)墻和第四側(cè)墻下端的兩側(cè)。
[0014]所述的支撐三角器下端設(shè)有單向擴(kuò)展支撐底座和彈簧，所述支撐三角器通過(guò)長(zhǎng)釘錨固在試驗(yàn)地面上，所述支撐三角器頂端設(shè)有鎖件，打開(kāi)的支撐三角器用長(zhǎng)釘固定在試驗(yàn)場(chǎng)地上，以確保最下端的側(cè)墻穩(wěn)定、豎立，在豎直方向上，側(cè)墻依靠直線(xiàn)型連接件、插銷(xiāo)和上端夾板架保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
[0015]所述的夾板架兩端分別裝有單向夾板和雙向夾板，所述雙向夾板可滑動(dòng)地設(shè)置在夾板架上，并且可在垂直于夾板架的面上旋轉(zhuǎn)-5°?5°，所述雙向夾板頂部閉合，通過(guò)直角架、卡槽和螺栓固定在夾板架上；所述單向夾板通過(guò)直角架固定在夾板架上。
[0016]所述的側(cè)墻板由木質(zhì)材料制作，四周為鐵邊，邊上設(shè)有鋼制插孔、橫插槽和豎插槽。
[0017]所述的側(cè)墻板通過(guò)連接件和插銷(xiāo)相互連接，其中，所述連接件由鋼質(zhì)材料制作，包括直線(xiàn)型和彎曲型，所述直線(xiàn)型用于模型不需要彎曲或者模型垂直增加高度時(shí)連接不同側(cè)墻板的橫插槽；所述彎曲型用于模型需要彎折時(shí)連接不同側(cè)墻板的豎插槽；所述的插銷(xiāo)用于側(cè)墻垂直增加高度時(shí)固定不同側(cè)墻板。
[0018]優(yōu)選地，所述上水管為塑料軟管。
[0019]優(yōu)選地，所述第一側(cè)墻由透明的亞克力材料制作而成。
[0020]所述的三角量水堰為90°的三角量水堰。
[0021 ] 上述河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置的組裝方法，包括如下步驟:
[0022](I)根據(jù)模型的最大尺寸，修建三角量水堰、集水槽與回水管道，確定側(cè)墻板的數(shù)量和規(guī)格、縱向軌道和橫向軌道的長(zhǎng)度、寬度調(diào)節(jié)柵的柵數(shù)；
[0023](2)將橫向軌道鑲嵌并固定在地面上，剛好出露地面為宜，將縱向軌道卡入橫向軌道，根據(jù)需要可以采用多條橫向軌道，然后，沿著軌道將最下端的側(cè)墻板、第一側(cè)墻和第二側(cè)墻用支撐三角器固定；
[0024](3)在水平方向根據(jù)側(cè)墻是否需要折彎，分別選擇彎曲型和直線(xiàn)型連接件，折彎段采用長(zhǎng)度較小的側(cè)墻板和彎曲型連接件，將彎曲型連接件兩端插入相鄰墻板的插孔中連接相鄰側(cè)墻板；在豎直方向用直線(xiàn)型連接件插入插孔中，再將插銷(xiāo)插入橫插槽中連接相鄰側(cè)墻板；用夾板架固定第三側(cè)墻和第四側(cè)墻，在側(cè)墻板安裝完畢，根據(jù)模型的實(shí)際需要確定夾板架的數(shù)量；
[0025](4)第三側(cè)墻、第四側(cè)墻和三角量水堰之間用翼墻連接，模型縮尺變化時(shí)，只需要調(diào)節(jié)翼墻即可；
[0026](5)安裝雙向伸縮桿，將有齒條的一端插入雙槽齒輪盒中，通過(guò)齒條與齒輪互相嚙合，將另一端連接在第三側(cè)墻和第四側(cè)墻下端；
[0027](6)模型組裝完畢后，在模型的內(nèi)壁和底部建造臨時(shí)性泥土質(zhì)島嶼、淺灘以及其他河床底形，接著鋪蓋帆布，然后，安裝水箱、穩(wěn)流罩、水泵和上水管，完成水循環(huán)系統(tǒng)的組裝；最后，安裝ADV三維流速儀、高頻數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)、數(shù)據(jù)處理器和水質(zhì)傳感器組成測(cè)控系統(tǒng)。
[0028]上述試驗(yàn)裝置的調(diào)節(jié)過(guò)程如下:
[0029]( I)在研究縮尺效應(yīng)過(guò)程中，調(diào)節(jié)模型寬度時(shí)，先將支撐三角器的長(zhǎng)釘拔出，松開(kāi)雙向夾板上的螺栓，再將第一側(cè)墻和第二側(cè)墻向內(nèi)水平放置，在人工協(xié)助下，用搖把轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪驅(qū)動(dòng)雙向伸縮桿，使第三側(cè)墻和第四側(cè)墻在橫線(xiàn)軌道上移動(dòng)，通過(guò)設(shè)在第一側(cè)墻、第二側(cè)墻上的寬度調(diào)節(jié)柵觀(guān)測(cè)模型寬度變化，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)橫向?qū)挾纫蠛?，將第一?cè)墻和第二側(cè)墻豎立，用夾板架固定第三側(cè)墻和第四側(cè)墻。[0030](2)在調(diào)節(jié)縱向尺度時(shí)，主要依靠第二側(cè)墻的滑桿在縱向軌道的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為方便操作，建議在第二側(cè)墻豎立前完成縱向尺度的調(diào)節(jié)；第一側(cè)墻可以起到縱向微調(diào)節(jié)作用。
[0031](3)在調(diào)節(jié)模型高度時(shí)，利用插孔、連接件和插銷(xiāo)安裝或拆卸側(cè)墻板，完成垂向不同水深系列比例試驗(yàn)，在從大比尺轉(zhuǎn)向小比尺試驗(yàn)時(shí)，模型高度也可以不降低，等試驗(yàn)結(jié)束后再拆卸側(cè)墻板。
[0032]有益效果:本發(fā)明的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，利用側(cè)墻板、橫向軌道、縱向軌道、滑桿、雙向伸縮桿和寬度調(diào)節(jié)柵等實(shí)現(xiàn)了模型三維尺度自由縮放，解決了傳統(tǒng)的河流水環(huán)境物理模型比尺不易調(diào)節(jié)、重復(fù)建設(shè)費(fèi)用高、縮尺效應(yīng)難以細(xì)觀(guān)研究等問(wèn)題；側(cè)墻板的特殊結(jié)構(gòu)和連接、組合方式使得模型改造快、效率高、建設(shè)工程量?。徽蹚澋牡谌齻?cè)墻和第四側(cè)墻設(shè)計(jì)使得模型更加靈活易用，能夠?qū)崿F(xiàn)模仿實(shí)際河道或庫(kù)區(qū)岸坡復(fù)雜邊界的需求；采用ADV三維流速儀、高頻數(shù)碼攝像機(jī)和水質(zhì)傳感器可以研究不同水流動(dòng)力條件對(duì)水環(huán)境的影響規(guī)律，通過(guò)水質(zhì)傳感器測(cè)量的水質(zhì)數(shù)據(jù)可以分析水利工程影響下的水質(zhì)變化和縮尺效應(yīng)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的敏感性；模型內(nèi)壁和底部采用不同等級(jí)糙率的帆布鋪蓋，可以減小糙率比對(duì)試驗(yàn)精度的影響，同時(shí)，利用帆布的柔韌性，在帆布下面可以建造臨時(shí)性泥土質(zhì)島嶼、淺灘以及其他河床底形，更精確地保證模型和原型的邊界條件相似，使試驗(yàn)結(jié)果與原型測(cè)量值更加吻合。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034]圖2為本發(fā)明的側(cè)墻板、連接件和插銷(xiāo)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035]圖3為本發(fā)明的支撐三角器結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036]圖4為第二側(cè)墻和第一側(cè)墻平面示意圖。
[0037]圖5為單向夾板和雙向夾板的平面示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0038]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作更進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0039]如附圖1-5所示，本發(fā)明的一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，包括第一側(cè)墻31、第二側(cè)墻15、第三側(cè)墻1、第四側(cè)墻17、支撐桿2、雙向夾板3、直角架4、卡槽5、螺栓6、夾板架7、單向夾板8、ADV三維流速儀9、插孔10、橫插槽11、豎插槽12、穩(wěn)流罩13、水箱14、寬度調(diào)節(jié)柵16、滑桿18、縱向軌道19、支撐三角器20、帆布21、三角量水堰22、集水槽23、回水管道24、支撐桿固定座25、翼墻26、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)27、數(shù)據(jù)處理器28、橫向軌道29、水質(zhì)傳感器30、高頻數(shù)碼攝像機(jī)32、雙向伸縮桿33、齒輪34、雙槽齒輪盒35、水泵36、上水管37、側(cè)墻板38、連接件39、插銷(xiāo)40、彈簧41、長(zhǎng)釘42和鎖件43。
[0040]其中，第一側(cè)墻31、第二側(cè)墻15、第三側(cè)墻1、第四側(cè)墻17、夾板架7、寬度調(diào)節(jié)柵16、縱向軌道19、橫向軌道29、支撐三角器20、雙向伸縮桿33以及帆布21構(gòu)成縮放系統(tǒng)，第三側(cè)墻1、第二側(cè)墻15、第四側(cè)墻17由若干側(cè)墻板38、連接件39和插銷(xiāo)40組合而成，側(cè)墻板38由木質(zhì)材料制作，四周為鐵邊，邊上設(shè)有鋼制插孔10、橫插槽11和豎插槽12 ;連接件39由鋼質(zhì)材料制作，包括直線(xiàn)型和彎曲型，其中，直線(xiàn)型用于模型不需要彎曲或者試驗(yàn)裝置垂直增加高度是連接不同側(cè)墻板38的橫插槽11，彎曲型用于模型需要彎折時(shí)連接不同側(cè)墻板38的豎插槽12 ;第一側(cè)墻31由透明的亞克力材料制作而成，第一側(cè)墻31和第二側(cè)墻15上設(shè)置寬度調(diào)節(jié)柵16 ;夾板架7橫跨在第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17的上方，用于固定第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17，夾板架7兩端分別裝有單向夾板8和雙向夾板3，雙向夾板3可滑動(dòng)地設(shè)置在夾板架7上，并且可以在垂直于夾板架7的面上旋轉(zhuǎn)-5°?5°，雙向夾板3頂部閉合，通過(guò)直角架4、卡槽5和螺栓6固定在夾板架7上；所述單向夾板8通過(guò)直角架4固定在夾板架7上；縱向軌道19設(shè)置于第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17的下端靠近地面的位置，與水流方向一致；橫向軌道29位于模型的下面，與水流方向垂直，鑲嵌并固定在地面上；第一側(cè)墻31和第二側(cè)墻15下端設(shè)有滑桿18，第一側(cè)墻31和第二側(cè)墻15通過(guò)滑桿18在縱向軌道19上移動(dòng)；支撐三角器20分別分布在第一側(cè)墻31、第二側(cè)墻15、第三側(cè)墻1、第四側(cè)墻17下端的兩側(cè)，支撐三角器20下端設(shè)有單向擴(kuò)展支撐底座和彈簧41，支撐三角器20通過(guò)長(zhǎng)釘42錨固在試驗(yàn)地面上，支撐三角器20頂端設(shè)有鎖件(43);雙向伸縮桿33由兩根方形桿組成，每根方形桿一端固定于第三側(cè)墻I或第四側(cè)墻17下端，另一端設(shè)有齒條并插入雙槽齒輪盒35中，與齒輪34通過(guò)齒條互相嚙合，第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17下端與雙向伸縮桿33連接，第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17在雙向伸縮桿33的作用下沿著橫向軌道29移動(dòng)；帆布21鋪設(shè)于四個(gè)側(cè)墻內(nèi)壁和模型的底部。模型的第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17均可折彎，通過(guò)彎曲型連接件39連接相鄰的側(cè)墻板38以滿(mǎn)足側(cè)墻彎曲的需要，方便精確模仿實(shí)際河道或庫(kù)區(qū)岸坡的不同形態(tài)。在第三側(cè)墻I或第四側(cè)墻17折彎處均在下端增加支撐三角器20、上端增加夾板架7加以固定。
[0041]穩(wěn)流罩13、水箱14、上水管37、水泵36、回水管道24和集水槽23構(gòu)成循環(huán)系統(tǒng)。其中，穩(wěn)流罩13和水箱14固定于第二側(cè)墻15最上面的側(cè)墻板上；上水管37為塑料軟管，固定于第二側(cè)墻15上，且上水管37的一端與水箱14相連通，另一端延伸至第二側(cè)墻15底部并與水泵36連接；回水管道24設(shè)置于模型的底部，回水管道24 —端與水泵36連接，另一端連接到集水槽23。
[0042]ADV三維流速儀9、三角量水堰22、高頻數(shù)碼攝像機(jī)32、水質(zhì)傳感器30、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)27和數(shù)據(jù)處理器28構(gòu)成測(cè)控系統(tǒng)。其中，ADV三維流速儀9通過(guò)支撐桿固定座25固定在設(shè)置于試驗(yàn)過(guò)程中水中建筑物的正上方的支撐桿2上；三角量水堰22為90°的三角量水堰，位于集水槽23的側(cè)上方，通過(guò)翼墻26與第三側(cè)墻1、第四側(cè)墻17相連；高頻數(shù)碼攝像機(jī)32設(shè)置于第一側(cè)墻31的內(nèi)部，用于記錄水面下水工建筑物附近的水動(dòng)力現(xiàn)象；水質(zhì)傳感器30設(shè)置于第一側(cè)墻31附近的水工建筑物上游或下游位置，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)27與數(shù)據(jù)處理器28連接。該水質(zhì)傳感器采用IN-SITU的在線(xiàn)多合一水質(zhì)傳感器AQUA TR0LL400，可測(cè)定PH、0RP、熒光法溶解氧、溫度等多個(gè)參數(shù)。
[0043]其組裝過(guò)程如下:
[0044](I)根據(jù)模型最大尺寸，修建三角量水堰22、集水槽23與回水管道24，確定側(cè)墻板38的數(shù)量和規(guī)格、縱向軌道19和橫向軌道29的長(zhǎng)度、寬度調(diào)節(jié)柵16的柵數(shù)；
[0045](2)將橫向軌道29鑲嵌并固定在地面上，剛好出露地面為宜，縱向軌道19卡入橫向軌道29，根據(jù)需要可以采用多條橫向軌道29 ;然后，沿著軌道將最下端的側(cè)墻板38、第一側(cè)墻31和第二側(cè)墻15用支撐三角器20固定；
[0046](3)在水平方向根據(jù)側(cè)墻是否需要折彎，分別選擇彎曲型和直線(xiàn)型連接件39，折彎段采用長(zhǎng)度較小的側(cè)墻板38和彎曲型連接件39，將彎曲型連接件39兩端插入相鄰墻板38的插孔10中連接相鄰側(cè)墻板38 ;在豎直方向用直線(xiàn)型連接件39插入插孔10中，再將插銷(xiāo)40插入橫插槽11中連接相鄰側(cè)墻板38 ；
[0047]在側(cè)墻板38的安裝過(guò)程中，為保證裝置結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，需要臨時(shí)采用夾板架7固定第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17。在側(cè)墻板38安裝完畢、帆布21鋪設(shè)好后，夾板架7始終固定在第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17上端，夾板架7的數(shù)量可以根據(jù)模型的實(shí)際需要確定。
[0048](4)第三側(cè)墻1、第四側(cè)墻17和三角量水堰22之間用翼墻26連接，模型縮尺變化時(shí)，只需要調(diào)節(jié)翼墻即可；
[0049](5)安裝雙向伸縮桿33，將有齒條的一端插入雙槽齒輪盒35中，通過(guò)齒條與齒輪34互相嚙合，將另一端連接在第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17下端；
[0050](6)模型組裝完畢后，在模型的內(nèi)壁和底部建造臨時(shí)性泥土質(zhì)島嶼、淺灘以及其他河床底形，接著鋪蓋帆布21，然后，安裝水箱14、穩(wěn)流罩13、水泵36和上水管37，完成水循環(huán)系統(tǒng)的組裝。最后，安裝ADV三維流速儀9、高頻數(shù)碼攝像機(jī)32、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)27、數(shù)據(jù)處理器28和水質(zhì)傳感器30組成測(cè)控系統(tǒng)。
[0051]本發(fā)明試驗(yàn)裝置的調(diào)節(jié)過(guò)程如下:
[0052](I)在研究縮尺效應(yīng)過(guò)程中，調(diào)節(jié)模型寬度時(shí)，先將支撐三角器20的長(zhǎng)釘42拔出，松開(kāi)雙向夾板3上的螺栓6，再將第一側(cè)墻31和第二側(cè)墻15向內(nèi)水平放置，在人工協(xié)助下，用搖把轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪34驅(qū)動(dòng)雙向伸縮桿33，使第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17在橫線(xiàn)軌道上移動(dòng)，通過(guò)設(shè)在第一側(cè)墻31、第二側(cè)墻15上的寬度調(diào)節(jié)柵16觀(guān)測(cè)模型寬度變化，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)橫向?qū)挾纫蠛?，將第一?cè)墻31和第二側(cè)墻15豎立，用夾板架7固定第三側(cè)墻I和第四側(cè)墻17。
[0053](2)在調(diào)節(jié)縱向尺度時(shí)，主要依靠第二側(cè)墻15的滑桿18在縱向軌道19的移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，為方便操作，建議在第二側(cè)墻15豎立前完成縱向尺度的調(diào)節(jié)；第一側(cè)墻31可以起到縱向微調(diào)節(jié)作用。
[0054](3)在調(diào)節(jié)模型高度時(shí)，利用插孔10、連接件39和插銷(xiāo)40安裝或拆卸側(cè)墻板38，完成垂向不同水深系列比例試驗(yàn)，在從大比尺向小比尺試驗(yàn)時(shí)，模型高度也可以不降低，等試驗(yàn)結(jié)束后再拆卸側(cè)墻板38。
[0055]本發(fā)明的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置利用側(cè)墻板、橫向軌道、縱向軌道、滑桿、雙向伸縮桿和寬度調(diào)節(jié)柵等實(shí)現(xiàn)了模型三維尺度自由縮放，解決了傳統(tǒng)的河流水環(huán)境物理模型比尺不易調(diào)節(jié)、重復(fù)建設(shè)費(fèi)用高、縮尺效應(yīng)難以細(xì)觀(guān)研究等問(wèn)題；側(cè)墻板的特殊結(jié)構(gòu)和連接、組合方式使得模型改造快、效率高、建設(shè)工程量??；折彎的第三側(cè)墻和第四側(cè)墻設(shè)計(jì)使得模型更加靈活易用，能夠?qū)崿F(xiàn)模仿實(shí)際河道或庫(kù)區(qū)岸坡復(fù)雜邊界的需求；采用ADV三維流速儀、高頻數(shù)碼攝像機(jī)和水質(zhì)傳感器可以研究不同水流動(dòng)力條件對(duì)水環(huán)境的影響規(guī)律，通過(guò)水質(zhì)傳感器測(cè)量的水質(zhì)數(shù)據(jù)可以分析水利工程影響下的水質(zhì)變化和縮尺效應(yīng)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的敏感性；模型內(nèi)壁和底部采用不同等級(jí)糙率的帆布鋪蓋，可以減小糙率比對(duì)試驗(yàn)精度的影響，同時(shí)，利用帆布的柔韌性，在帆布下面可以建造臨時(shí)性泥土質(zhì)島嶼、淺灘以及其他河床底形，更精確地保證模型和原型的邊界條件相似，使試驗(yàn)結(jié)果與原型測(cè)量值更加吻合。
[0056]本發(fā)明主要實(shí)現(xiàn)河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)試驗(yàn)研究，揭示縮尺效應(yīng)對(duì)河流水環(huán)境試驗(yàn)的細(xì)觀(guān)影響機(jī)理，特別是模型縮尺效應(yīng)對(duì)水利工程作用下的相關(guān)水環(huán)境變化測(cè)定的影響規(guī)律，如水利工程對(duì)壩下水域溶解氣體過(guò)飽和在模型縮尺效應(yīng)下響應(yīng)，在不同運(yùn)行工況和泄洪方式下，壩前水體水質(zhì)的變化、溫度分層、污染物質(zhì)的擴(kuò)散輸移特性變化規(guī)律在模型縮尺效應(yīng)下響應(yīng)等。本發(fā)明中的水質(zhì)傳感器采用IN-SITU的在線(xiàn)多合一水質(zhì)傳感器AQUA TR0LL400，可測(cè)定PH、ORP、熒光法溶解氧、溫度等多個(gè)參數(shù)，通過(guò)水工建筑物前、后水質(zhì)傳感器測(cè)量的水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以分析河流的水質(zhì)變化和縮尺效應(yīng)對(duì)水質(zhì)指標(biāo)的敏感性影響。通過(guò)高頻數(shù)碼攝像機(jī)記錄試驗(yàn)過(guò)程中水工建筑物附近的水動(dòng)力現(xiàn)象，從水流動(dòng)力特性變化分析模型縮尺效應(yīng)對(duì)水環(huán)境變化的影響。
[0057]試驗(yàn)過(guò)程中的水工建筑物可以是不同類(lèi)型壩體、堰或水閘等，對(duì)其進(jìn)行重要的水力特性問(wèn)題的預(yù)演和試驗(yàn)研究，如原型和模型水流運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，由于縮尺效應(yīng)的存在，對(duì)流量系數(shù)、阻力系數(shù)、壓力系數(shù)、脈動(dòng)壓力系數(shù)、水流摻氣、水霧和振動(dòng)等問(wèn)題的影響及其規(guī)律。
【權(quán)利要求】
1.一種河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，包括縮放系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)和測(cè)控系統(tǒng): 所述縮放系統(tǒng)包括第一側(cè)墻(31)、第二側(cè)墻(15)、第三側(cè)墻(I)、第四側(cè)墻(17)、寬度調(diào)節(jié)柵(16)、橫向軌道(29)、雙向伸縮桿(33)、縱向軌道(19)、滑桿(18)和帆布(21)，其中，所述的第二側(cè)墻(15)、第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17)分別由若干側(cè)墻板(38)組合而成；所述的寬度調(diào)節(jié)柵(16)設(shè)置于第一側(cè)墻(31)和第二側(cè)墻(15)上，用于調(diào)節(jié)模型的寬度；所述的橫向軌道(29)設(shè)置于模型的底部，與水流方向垂直，鑲嵌并固定在地面上；所述的雙向伸縮桿(33)包括兩根方形桿，每根方形桿一端固定于第三側(cè)墻(I)或第四側(cè)墻(17)下端，另一端設(shè)有齒條并插入雙槽齒輪盒(35)中，并與與雙槽齒輪盒(35)中的齒輪(34)互相嚙合，所述第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17)在所述雙向伸縮桿(33)的作用下沿著橫向軌道(29)移動(dòng)；所述的縱向軌道(19)設(shè)置于第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17)的下端靠近地面的位置，與水流方向一致；所述滑桿(18)設(shè)置于第一側(cè)墻(31)和第二側(cè)墻(15)的下端，所述第一側(cè)墻(31)和第二側(cè)墻(15)通過(guò)所述滑桿(18)在縱向軌道(19)上移動(dòng)；所述帆布(21)鋪設(shè)于四個(gè)側(cè)墻內(nèi)壁和模型的底部； 所述的循環(huán)系統(tǒng)包括穩(wěn)流罩(13)、水箱(14)、上水管(37)、水泵(36)、回水管道(24)和集水槽(23)，其中，所述穩(wěn)流罩(13)和水箱(14)固定于所述第二側(cè)墻(15)最上面的側(cè)墻板(38)上；所述上水管(37)固定于所述第二側(cè)墻(15)上，且所述上水管(37)的一端與所述水箱(14)相連通，另一端延伸至第二側(cè)墻(15)底部并與所述水泵(36)連接；所述回水管道(24)設(shè)置于模型的底部，所述回水管道(24)—端與水泵(36)連接，另一端連接到集水槽(23)； 所述的測(cè)控系統(tǒng)包括ADV三維流速儀(9 )、三角量水堰(22 )、高頻數(shù)碼攝像機(jī)(32 )、水質(zhì)傳感器(30)、數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(27)和數(shù)據(jù)處理器(28)，其中，所述的ADV三維流速儀(9)通過(guò)支撐桿固定座(25)固定在設(shè)置于試驗(yàn)過(guò)程中水中建筑物的正上方的支撐桿(2)上；所述三角量水堰(22)位于所述`集水槽(23)的側(cè)上方，通過(guò)翼墻(26)與第三側(cè)墻(I)、第四側(cè)墻(17)相連；所述高頻數(shù)碼攝像機(jī)(32)設(shè)置于第一側(cè)墻(31)的內(nèi)部，用于記錄水面下水工建筑物附近的水動(dòng)力現(xiàn)象；所述水質(zhì)傳感器(30)設(shè)置于第一側(cè)墻(31)附近的水工建筑物上游或下游位置，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸線(xiàn)(27 )與數(shù)據(jù)處理器(28 )連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述縮放系統(tǒng)還包括固定裝置，所述固定裝置包括夾板架(7)和支撐三角器(20)，其中，所述夾板架(7)橫跨在第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17)的上方，用于固定第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17);所述的支撐三角器(20)分別分布在第一側(cè)墻(31)、第二側(cè)墻(15)、第三側(cè)墻(I)和第四側(cè)墻(17)下端的兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的支撐三角器(20)下端設(shè)有單向擴(kuò)展支撐底座和彈簧(41)，所述支撐三角器(20)通過(guò)長(zhǎng)釘(42 )錨固在試驗(yàn)地面上，所述支撐三角器(20 )頂端設(shè)有鎖件(43 )。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的夾板架(7)兩端分別裝有單向夾板(8)和雙向夾板(3)，所述雙向夾板(3)可滑動(dòng)地設(shè)置在夾板架(7)上，并且可在垂直于夾板架(7)的面上旋轉(zhuǎn)-5°~5°，所述雙向夾板(3)頂部閉合，通過(guò)直角架(4)、卡槽(5)和螺栓(6)固定在夾板架(7)上；所述單向夾板(8)通過(guò)直角架(4)固定在夾板架(7)上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的側(cè)墻板(38)由木質(zhì)材料制作，四周為鐵邊，邊上設(shè)有鋼制插孔(10)、橫插槽(11)和豎插槽(12)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的側(cè)墻板(38)通過(guò)連接件(39)和插銷(xiāo)(40)相互連接，其中，所述連接件(39)由鋼質(zhì)材料制作，包括直線(xiàn)型和彎曲型，所述直線(xiàn)型用于模型不需要彎曲或者模型垂直增加高度時(shí)連接不同側(cè)墻板(38)的橫插槽(11);所述彎曲型用于模型需要彎折時(shí)連接不同側(cè)墻板(38)的豎插槽(12);所述的插銷(xiāo)(40)用于側(cè)墻垂直增加高度時(shí)固定不同側(cè)墻板(38)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的上水管(37)為塑料軟管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的第一側(cè)墻(31)由透明的亞克力材料制作而成。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的河流水環(huán)境物理模型縮尺效應(yīng)研究試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述的三角量水堰(22)為90°的`三角量水堰。
【文檔編號(hào)】G01M10/00GK103698103SQ201310695382
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月17日
【發(fā)明者】戴會(huì)超, 戎貴文, 毛勁喬, 張鴻清, 張培培, 趙倩 申請(qǐng)人:河海大學(xué), 中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)公司