一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法，屬于環(huán)境原位監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】；該裝置包括垂桿、定滑輪、電子天平、編碼器、鋼纜、計(jì)算機(jī)、固定平臺(tái)與支架；垂桿頂端設(shè)置吊裝環(huán)，吊裝環(huán)上安裝鋼纜，鋼纜的另一端繞過(guò)第一定滑輪和第二定滑輪連接在編碼器上；第一定滑輪吊裝在電子天平下，電子天平、第二定滑輪和編碼器均安裝在固定平臺(tái)上，并位于固定平臺(tái)的下方，且第二定滑輪的位置能使繞過(guò)第一定滑輪兩邊的鋼纜相互平行；固定平臺(tái)由支架支撐，支架下端固定在浮泥層下的穩(wěn)定河床上，計(jì)算機(jī)固定在固定平臺(tái)上面，編碼器和電子天平通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明具有原位實(shí)時(shí)測(cè)量、精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種天然河流中淳泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于環(huán)境原位監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位 實(shí)時(shí)測(cè)量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 天然河流中常常存在粒徑很小的粘性泥沙顆粒，粘性細(xì)顆?？稍谖锢砘瘜W(xué)作用下 產(chǎn)生絮團(tuán)，絮團(tuán)成長(zhǎng)發(fā)育形成具有一定抗剪能力的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，即產(chǎn)生了賓漢剪切力。在河 流、水庫(kù)、港口的回流、緩流部位，是細(xì)顆粒泥沙集中淤積的區(qū)域，因細(xì)顆粒泥沙的粘性而產(chǎn) 生絮凝結(jié)構(gòu)，相對(duì)穩(wěn)定的絮網(wǎng)使床面淤積的泥沙長(zhǎng)時(shí)期不易密實(shí)，且具有一定的流動(dòng)性，即 形成了浮泥層。浮泥是典型的賓漢體，其流變特性表現(xiàn)為具有比牛頓流體更大的剪切應(yīng)力 (以剛度系數(shù)表示）和屈服應(yīng)力，剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力稱(chēng)為流變參數(shù)。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，在一 定的流變參數(shù)范圍內(nèi)，浮泥層中可以通航，因此，原位實(shí)時(shí)測(cè)量浮泥的流變參數(shù)意義重大。 目前能夠得到流變參數(shù)的方法主要有立管式粘度計(jì)和音叉粘度-密度計(jì)。
[0003] 立管式粘度計(jì)是將待測(cè)賓漢體灌裝入堅(jiān)直立管內(nèi)，在立管上下兩端加壓，使得賓 漢體在立管內(nèi)作層流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)不同壓差的實(shí)驗(yàn)結(jié)果擬合得到賓漢體的流變參數(shù)。對(duì)于浮 泥來(lái)講，立管式粘度計(jì)需要將浮泥從河床挖出，再裝入立管內(nèi)進(jìn)行測(cè)量，這些操作均會(huì)破壞 浮泥中的絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，最終所得流變參數(shù)與原位浮泥差異較大。
[0004] 音叉粘度-密度計(jì)的原理是使用音叉高頻振動(dòng)發(fā)出聲波，根據(jù)穿過(guò)浮泥的聲波變 化得到浮泥的流變參數(shù)。實(shí)際使用時(shí)需要將音叉插入待測(cè)賓漢體中并做高頻振動(dòng)。對(duì)于一 般的均質(zhì)賓漢體來(lái)講，這種測(cè)量方式能夠得到準(zhǔn)確的流變參數(shù)，但是對(duì)于浮泥，音叉高頻振 動(dòng)會(huì)破壞絮網(wǎng)結(jié)構(gòu)，得不到反映原位浮泥流變參數(shù)的有效數(shù)據(jù)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是為克服已有浮泥流變參數(shù)測(cè)量方法的不足之處，提供一種天然河 流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置及其方法，本發(fā)明利用編碼器控制垂桿在原位浮泥層 中勻速運(yùn)動(dòng)，使用電子天平測(cè)量垂桿在浮泥中運(yùn)動(dòng)或靜止時(shí)的受力，得到浮泥的流變參數(shù)， 具有原位實(shí)時(shí)測(cè)量、精度高的優(yōu)點(diǎn)。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置， 其特征在于：該裝置包括垂桿、定滑輪、電子天平、編碼器、鋼纜、計(jì)算機(jī)、固定平臺(tái)與支架； 垂桿頂端設(shè)置吊裝環(huán)，吊裝環(huán)上安裝鋼纜，鋼纜的另一端繞過(guò)第一定滑輪和第二定滑輪連 接在編碼器上；第一定滑輪吊裝在電子天平下，電子天平、第二定滑輪和編碼器均安裝在固 定平臺(tái)上，并位于固定平臺(tái)的下方，且第二定滑輪的位置能使繞過(guò)第一定滑輪兩邊的鋼纜 相互平行；固定平臺(tái)由支架支撐，支架下端固定在浮泥層下的穩(wěn)定河床上，計(jì)算機(jī)固定在固 定平臺(tái)上面，編碼器和電子天平通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。
[0007] 本發(fā)明還提出一種采用上述裝置的天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量方法， 包括以下步驟：
[0008] 1)將所述天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在天然河流上，支架下 端固定在穩(wěn)定河床上，并保證整個(gè)固定平臺(tái)在測(cè)量過(guò)程中穩(wěn)定；
[0009] 2)計(jì)算機(jī)控制編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，放下垂桿，當(dāng)垂桿末端剛好沒(méi)入水面時(shí)，計(jì)算機(jī)記錄編 碼器的讀數(shù)為Hs ;之后計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，將垂桿放下深度為dH，計(jì)算機(jī)控制編 碼器停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄電子天平讀數(shù)為匕，匕為垂桿在水面以下dH處所受重力和液體浮力 的差；計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿繼續(xù)放下深度為2dH后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄電子天 平的測(cè)量讀數(shù)為G 2, G2為垂桿在水面以下2dH處所受重力和液體浮力的差；如此往復(fù)，直至 垂桿到達(dá)穩(wěn)定河床不再能夠下降為止；
[0010] 3)計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿提升至水面，此時(shí)編碼器讀數(shù)為Hs ;之后計(jì) 算機(jī)控制編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使垂桿以速度仏勻速下沉，計(jì)算機(jī)同時(shí)連續(xù)記錄編碼器與電子 天平的讀數(shù)，直到垂桿接觸固定床面后不再向下移動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制編碼器停止轉(zhuǎn)動(dòng)；得到編 碼器記錄的讀數(shù)曲線氏與電子天平記錄的讀數(shù)曲線匕；
[0011] 4)計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿提升至水面，當(dāng)編碼器讀數(shù)為Hs時(shí)，計(jì)算機(jī) 控制編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得垂桿以速度隊(duì)勻速下沉，計(jì)算機(jī)同時(shí)連續(xù)記錄編碼器與電子天 平的讀數(shù)，直到垂桿接觸固定床面后不再向下移動(dòng)，得到曲線4與&;如此往復(fù)N次，得到 垂桿在勻速下降速度為Ui?U N時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器讀數(shù)曲線序列Hi?HN和電子天平讀數(shù)曲線 序列Fi?FN ;
[0012] 5)使用所得數(shù)據(jù)計(jì)算得到由浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力組成的浮泥流變參數(shù)。
[0013] 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果如下：本裝置控制垂桿在浮泥中勻速運(yùn)動(dòng)，利用電子天 平測(cè)量勻速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中垂桿的受力，計(jì)算出垂桿表面所受浮泥的剪切應(yīng)力，從而得到浮泥 的流變參數(shù)。本裝置可在不干擾浮泥層穩(wěn)定的情況下真正實(shí)現(xiàn)對(duì)浮泥流變參數(shù)的原位測(cè) 量，可獲得浮泥流變參數(shù)在堅(jiān)直方向上的變化過(guò)程。對(duì)保證航運(yùn)、研究河道演變與水庫(kù)淤積 等具有重要應(yīng)用價(jià)值。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)及布置示意圖；
[0015] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例數(shù)據(jù)擬合結(jié)果。

【具體實(shí)施方式】
[0016] 下面結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案中所涉及的各個(gè)細(xì)節(jié)問(wèn)題。應(yīng) 指出的是，所描述的實(shí)施例僅旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0017] 本發(fā)明的一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，如圖1所示，該裝置 包括垂桿11、第一定滑輪16、電子天平17、第二定滑輪18、編碼器19、細(xì)鋼纜15、計(jì)算機(jī) 110、固定平臺(tái)111與支架112。垂桿11頂端設(shè)置吊裝環(huán)14,吊裝環(huán)14上安裝鋼纜15,鋼 纜15的另一端繞過(guò)第一定滑輪16和第二定滑輪18連接在編碼器19上；第一定滑輪16吊 裝在電子天平17下，電子天平17、第二定滑輪18和編碼器19均安裝在固定平臺(tái)111上， 位于固定平臺(tái)的下方，且第二定滑輪18的安裝位置要保證繞過(guò)第一定滑輪16兩邊的細(xì)鋼 纜15相互平行；固定平臺(tái)111由支架112支撐，支架112下端固定在浮泥層下的穩(wěn)定河床 114上，計(jì)算機(jī)110固定在固定平臺(tái)111上面，編碼器19和電子天平17通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算 機(jī)110連接。
[0018] 上述垂桿11為圓柱體，下端部為半圓球體，圓柱體內(nèi)下部設(shè)有配重12使得在測(cè)量 過(guò)程中垂桿始終保持垂直，圓柱體內(nèi)上部設(shè)有空心孔13用于調(diào)節(jié)垂桿的整體密度約為5g/ cm3(為浮泥密度的4倍，保證垂桿11能夠在浮泥層中自由下沉）。
[0019] 采用上述裝置的天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量方法，包括以下步驟：
[0020] 1)將所述天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在天然河流上，支架 112下端固定在穩(wěn)定河床114上，并保證整個(gè)固定平臺(tái)在測(cè)量過(guò)程中穩(wěn)定；
[0021] 2)計(jì)算機(jī)110控制編碼器19轉(zhuǎn)動(dòng)，放下垂桿11，在垂桿11末端吊裝環(huán)14剛好沒(méi) 入水面113時(shí)，計(jì)算機(jī)110記錄編碼器19的讀數(shù)為Hs ;之后計(jì)算機(jī)110控制編碼器19緩 慢轉(zhuǎn)動(dòng)，將垂桿11放下深度為dH，計(jì)算機(jī)110控制編碼器19停止轉(zhuǎn)動(dòng)（垂桿11懸停在水 面113以下dH處），待電子天平17的測(cè)量值穩(wěn)定時(shí)，計(jì)算機(jī)110記錄電子天平17讀數(shù)h， h為垂桿11在水面113以下dH處所受重力和液體浮力的差；待匕記錄完畢之后，計(jì)算機(jī) 110控制編碼器19緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿11繼續(xù)放下dH深后停止轉(zhuǎn)動(dòng)（垂桿11懸停在水面113 以下2dH處），待電子天平17的測(cè)量值穩(wěn)定時(shí)記錄讀數(shù)G 2，為垂桿11在水面113以下2dH 處所受重力和液體浮力的差；如此往復(fù)，直至垂桿11到達(dá)穩(wěn)定河床114不再能夠下降為止 (dH越小，最終測(cè)量結(jié)果在垂向上的分辨率越大，但測(cè)量耗時(shí)越長(zhǎng)，相反則測(cè)量結(jié)果在垂向 上的分辨率越低，耗時(shí)越短）；
[0022] 3)計(jì)算機(jī)110控制編碼器19緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿11提升至水面113,此時(shí)編碼器19 讀數(shù)為Hs ;之后計(jì)算機(jī)110控制編碼器19勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使垂桿11以速度仏勻速下沉，計(jì)算機(jī) 110同時(shí)連續(xù)記錄編碼器19與電子天平17的讀數(shù)，垂桿11接觸固定床面114后不再向下 移動(dòng)，計(jì)算機(jī)110控制編碼器19停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并停止記錄編碼器19和電子天平17的讀數(shù)；得 到編碼器19記錄的讀數(shù)曲線氏與電子天平17記錄的讀數(shù)曲線匕；
[0023] 4)計(jì)算機(jī)110控制編碼器19緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿11提升至水面113,此時(shí)編碼器19 讀數(shù)為Hs ;計(jì)算機(jī)110控制編碼器19勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得垂桿11以速度U2勻速下沉，計(jì)算機(jī) 110同時(shí)連續(xù)記錄編碼器19與電子天平17的讀數(shù)，垂桿11接觸固定床面114后不再向下 移動(dòng)，計(jì)算機(jī)110控制編碼器19停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并停止記錄編碼器19和電子天平17的讀數(shù)；得 至IJ曲線H 2與F2 ;如此往復(fù)N次，得到垂桿11在勻速下降速度為仏?UN時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器19 讀數(shù)曲線序列氏?HN和電子天平17讀數(shù)曲線序列Fi?F N ;
[0024] 5)使用所得數(shù)據(jù)計(jì)算浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力，具體計(jì)算步驟為：
[0025] 51)首先計(jì)算水面113以下dH處的浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力，在曲線氏上查找值 為Hs+dH的時(shí)刻，之后從曲線Fi上讀取相應(yīng)時(shí)刻的值F n，根據(jù)Fn、Gi和垂桿直徑D與長(zhǎng)度 L，用式（1)計(jì)算垂桿11在勻速下降速度為仏時(shí)在水面113以下dH處浮泥作用于垂桿11 表面的粘性應(yīng)力值τη:
[0026]

【權(quán)利要求】
1. 一種天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括垂桿、 定滑輪、電子天平、編碼器、鋼纜、計(jì)算機(jī)、固定平臺(tái)與支架；垂桿頂端設(shè)置吊裝環(huán)，吊裝環(huán)上 安裝鋼纜，鋼纜的另一端繞過(guò)第一定滑輪和第二定滑輪連接在編碼器上；第一定滑輪吊裝 在電子天平下，電子天平、第二定滑輪和編碼器均安裝在固定平臺(tái)上，并位于固定平臺(tái)的下 方，且第二定滑輪的位置能使繞過(guò)第一定滑輪兩邊的鋼纜相互平行；固定平臺(tái)由支架支撐， 支架下端固定在浮泥層下的穩(wěn)定河床上，計(jì)算機(jī)固定在固定平臺(tái)上面，編碼器和電子天平 通過(guò)數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接。
2. 如權(quán)利要求1所述測(cè)量裝置，其特征在于，所述垂桿為圓柱體，下端部為半圓球體； 圓柱體內(nèi)下部設(shè)有配重，使得在測(cè)量過(guò)程中垂桿始終保持垂直，圓柱體內(nèi)上部設(shè)有空腔，以 調(diào)節(jié)垂桿的整體密度，保證垂桿能夠在浮泥層中自由下沉。
3. -種采用如權(quán)利要求1所述裝置的天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量方法，包 括以下步驟： 1) 將所述天然河流中浮泥流變參數(shù)原位實(shí)時(shí)測(cè)量裝置架設(shè)在天然河流上，支架下端固 定在穩(wěn)定河床上，并保證整個(gè)固定平臺(tái)在測(cè)量過(guò)程中穩(wěn)定； 2) 計(jì)算機(jī)控制編碼器轉(zhuǎn)動(dòng)，放下垂桿，當(dāng)垂桿末端剛好沒(méi)入水面時(shí)，計(jì)算機(jī)記錄編碼器 的讀數(shù)為Hs ;之后計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)，將垂桿放下深度為dH，計(jì)算機(jī)控制編碼器 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄電子天平讀數(shù)為匕，^為垂桿在水面以下dH處所受重力和液體浮力的差； 計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿繼續(xù)放下深度為2dH后停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并記錄電子天平的測(cè) 量讀數(shù)為G 2，G2為垂桿在水面以下2dH處所受重力和液體浮力的差；如此往復(fù)，直至垂桿到 達(dá)穩(wěn)定河床不再能夠下降為止； 3) 計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿提升至水面，此時(shí)編碼器讀數(shù)為Hs ;之后計(jì)算機(jī) 控制編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使垂桿以速度仏勻速下沉，計(jì)算機(jī)同時(shí)連續(xù)記錄編碼器與電子天平 的讀數(shù)，直到垂桿接觸固定床面后不再向下移動(dòng)，計(jì)算機(jī)控制編碼器停止轉(zhuǎn)動(dòng)；得到編碼器 記錄的讀數(shù)曲線氏與電子天平記錄的讀數(shù)曲線Fi ; 4) 計(jì)算機(jī)控制編碼器緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)將垂桿提升至水面，當(dāng)編碼器讀數(shù)為Hs時(shí)，計(jì)算機(jī)控制 編碼器勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，使得垂桿以速度隊(duì)勻速下沉，計(jì)算機(jī)同時(shí)連續(xù)記錄編碼器與電子天平的 讀數(shù)，直到垂桿接觸固定床面后不再向下移動(dòng)，得到曲線H 2與F2 ;如此往復(fù)N次，得到垂桿 在勻速下降速度為A?UN時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器讀數(shù)曲線序列氏?HN和電子天平讀數(shù)曲線序列 Fi ?FN ; 5) 使用所得數(shù)據(jù)計(jì)算得到由浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力組成的浮泥流變參數(shù)。
4. 如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述步驟5)具體包括以下步驟： 51) 首先計(jì)算水面以下dH處的浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力，在曲線氏上查找值為Hs+dH 的時(shí)刻，之后從曲線Fi上讀取相應(yīng)時(shí)刻的值Fn，根據(jù)Fn、Gi和垂桿直徑D與長(zhǎng)度L，用式 (1)計(jì)算垂桿在勻速下降速度為Α時(shí)在水面以下dH處浮泥作用于垂桿表面的粘性應(yīng)力值 τ 11 ：
式中JI為圓周率；粘性應(yīng)力值τ η與Ui/D組成數(shù)組（τ n，Ui/D); 52) 在曲線H2上查找值為Hs+dH的時(shí)刻，從曲線F2上讀取相應(yīng)時(shí)刻的值F21，根據(jù)F 21、 Gi和垂桿直徑D與長(zhǎng)度L，用式（1)計(jì)算垂桿勻速下降速度為U2時(shí)在水面以下dH處浮泥作 用于垂桿表面的粘性應(yīng)力值τ12，得到數(shù)組（t12，U2/D); 53) 依次計(jì)算得到數(shù)組序列（TmUi/D)?（t1n，Un/D)，將數(shù)組序列點(diǎn)繪在以τ為縱 坐標(biāo)、U/D為橫坐標(biāo)的圖中，使用最小二乘法用直線擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線的斜率即為水面以下 dH處的浮泥的剛度系數(shù)L，直線在τ軸上的截距即為浮泥的屈服應(yīng)力τΒ1; 54) 計(jì)算水面以下2dH處的浮泥剛度系數(shù)和屈服應(yīng)力，在曲線氏上查找值為Hs+2dH的 時(shí)刻，之后從曲線匕上讀取相應(yīng)時(shí)刻的值F 12，根據(jù)F12、G2和垂桿直徑D與長(zhǎng)度L，可得到數(shù) 組（τ 21，U/D);依次計(jì)算得到數(shù)組序列（τ 21，U/D)?（τ 2N, UN/D)，將數(shù)組序列點(diǎn)繪在以 τ為縱坐標(biāo)、U/D為橫坐標(biāo)的圖中，使用最小二乘法用直線擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)，直線的斜率即為水 面以下dH處的浮泥剛度系數(shù)il2，直線在τ軸上的截距即為浮泥的屈服應(yīng)力τ Β2;依次計(jì) 算，即可得到水面以下每個(gè)位置的浮泥剛度系數(shù)ηΝ與屈服應(yīng)力τΒ1?τ ΒΝ。
【文檔編號(hào)】G01N11/10GK104155211SQ201410406574
【公開(kāi)日】2014年11月19日 申請(qǐng)日期:2014年8月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月18日
【發(fā)明者】鐘強(qiáng), 李丹勛, 楊文俊, 陳啟剛, 王興奎 申請(qǐng)人:清華大學(xué)