一种水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于实验测量技术领域，具体涉及一种水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法。


背景技术：

2.丁坝是一种典型的水工整治建筑物，在航道及河道整治、海岸防护以及围填工程中使用广泛，尤其在航道治理工程中，丁坝用于调整水流冲刷浅区从而实现浅滩治理、稳定航槽和确保航深；丁坝的作用除了促进主槽冲刷外，还会引起坝田淤积，如长江口深水航道治理工程后北槽的冲淤分布，坝田淤积有利于沿设计导线形成准岸线，水流进一步归槽，更好地达到航道整治效果；另外，在不同的水沙条件下，有些淤积的坝田进一步形成滩涂和湿地后对周围生态环境产生有益影响，所以对坝田内的淤积形态和淤积过程的研究就显得尤为重要；物理模型实验是研究此课题常用的手段，其中泥沙的淤积的精确测量一直是实验过程中的难题，由于泥沙淤积过程中，含沙量较大，水体较为浑浊，使得传统的激光测量等方式误差较大，若想测量研究区域的泥沙淤积过程，需要在泥沙淤积过程中，连续多个时间间隔对淤积区域进行快速测量，目前尚未有科研仪器可以完成这一工作，因此需要研发一种新的水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法解决这一难题。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法，以解决在泥沙淤积过程中，无法连续多个时间间隔对淤积区域进行快速测量的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种水槽泥沙淤积过程测量系统，包括：用于测量淤积断面的淤积断面测量装置；用于承载淤积断面测量装置的可沿水槽滑动的作业平台；与淤积断面测量装置相连接用于将淤积断面测量装置获取的若干个测点的淤积厚度数据进行汇总分析的淤积分布合成单元；所述淤积断面测量装置包括：至少一个单点悬浮泥沙测量组件；所述单点悬浮泥沙测量组件包括：用于抵触水槽底部的单点测量杆；沿单点测量杆滑动的活动杆；设置于活动杆用于显示落淤厚度测量的实时显示器；固定在活动杆用于感应淤积面的落淤面检测板；其中，所述落淤面检测板设置有用于感应淤积面的压力传感器。
5.优选的，所述作业平台包括：
用于承载淤积断面测量装置的固定架；设置于固定架下端，沿水槽边壁滑动的平台滑轮；与所述平台滑轮匹配用于滑动用的皮带；用于驱动平台滑轮的电机；与所述电机以及实时显示器相连接，用于设置作业平台测量断面位置的总控制台；其中，所述皮带设置有校准固定架水平方向的移动距离的刻度。
6.优选的，所述固定架中设置有用于装配单点测量杆的平台孔，所述平台孔沿同一直线分布。
7.优选的，所述固定架上设置有用于控制单点测量杆活动的旋钮开关。
8.优选的，所述实时显示器通过连接线与总控制台传输数据。
9.优选的，所述平台孔的孔径大于单点测量杆的直径。
10.优选的，所述固定架为长方体结构，其长度为水槽的水面宽度的1.2倍，所述平台滑轮分为两组，分别设置在相对称的两个水槽边壁上，每组平台滑轮分别设置有两个滑轮；相邻两个平台孔之间间距为整个固定架长度的1/10,且位于纵向水平线的中点位置，平台孔的孔径为单点测量杆外径的1.1-1.3倍之间，使用时多个所述单点测量杆的长度均相同，长度为水槽深度的1.5-1.8倍，且所述单点测量杆穿过平台孔后突出部分的长度为整体长度的2/5。
11.优选的，所述单点测量杆为钢针。
12.优选的，所述淤积分布合成单元包括：用于设置断面上各个测点之间间距的测点间距模块；用于设置每个断面之间间距的断面间距模块；用于设置所测量断面编号的断面编号模块；用于根据断面编号模块的汇总数据得到淤积分布图的淤积分布模块。
13.本发明另提供一种水槽泥沙淤积过程测量系统的测量方法，包括以下步骤：初始状态下，将单点测量杆全部提高至水面之上，关闭平台孔内旋钮开关，将作业平台移动至需要测量的断面位置，平台孔内旋钮开关打开，单点测量杆直插入淤积泥面中使其底端接触到水槽底部，旋钮开关关闭固定单点测量杆，落淤面检测板、活动杆的位置高于淤积泥沙面；设置测量断面之间间隔为l，启动测量，落淤面检测板、活动杆一起自动缓慢下沉，压力传感器传递的压强p一直在变化，当落淤面检测板接触到泥沙淤积面后，检测到压强p》5kpa时停止下沉，此时落淤面检测板距单点测量杆末端的距离即为该点在该时刻的淤积厚度，该距离显示在实时显示器中，同时通过连接线记录于总控制台中；读取该断面所有测点的多个数据，由差值法软件可绘制出该断面的淤积形态，通过断面差值可获得该测量断面在该时刻的淤积分布；再将平台孔内旋钮开关打开，将单点测量杆提起至水面以上，关闭平台孔，将作业平台移至下个断面重复新的断面测量步骤；测量多个断面进行平面差值，获得水槽在该时刻整体的三维淤积分布图像，合成研究区域该时刻的淤积分布图；每隔时间，对该淤积区域进行一次测量，获得在一定边界条件下，该区域内每一个测点、每一个断面以及整体区域随时间变化泥沙淤积过程的数据；
对于每一个测点，计算得到该点的淤积速率随时间的变化规律：,其中：，为单个测点时间内所测淤积厚度；通过前后两次所测得差值计算得到，为每次两次测量的时间间隔，为单个测点在时间间隔内的淤积厚度，为单个测点的淤积速率，对应求得每个断面的淤积速率随时间变化的规律：,其中：为时间内测量断面上各测点的平均淤积厚度，表示测量断面的各测点随着时间变化的平均变化率，即断面的平均淤积速度；为断面所有测点在时间内的平均淤积厚度，为断面所有测点在时间内的淤积厚度的总和，为测量断面的测点个数，故断面的平均淤积速率可通过断面所有测点在时间内的平均淤积厚度除以计算得到；测量区域的平均淤积速率通过区域内所有测点在时间内的平均淤积厚度除以计算得到：,其中：为时间内测量区域内各测点的平均淤积厚度，表示整体区域的测点随着时间变化的平均变化率，即整体区域的平均淤积速度。为测量区域内所有测点在时间内的淤积厚度的总和，为测量区域内所有测点在时间内的平均淤积厚度，为测量区域的测点个数；当区域内每一个测点在时间内的淤泥厚度的差值均小于0.002m时，则该区域内泥沙已经达到冲淤平衡，泥沙淤积过程结束，终止测量过程，获得时间序列的多次测量结果数据；多个单点测量仪串联，通过差值获取当前时刻整个断面的泥沙淤积情况。
14.本发明的技术效果和优点：该水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法，实验方便，自动化程度高，实现了在泥沙淤积过程中，连续多个时间间隔对淤积区域进行快速测量，在物理模型实验中提高了泥沙的淤积的测量的精确性和效率，解决了传统的激光测量方法在含沙量较大，水体较为浑浊的环境下测量误差较大的问题。
附图说明
15.图1为本发明的侧视图；图2为本发明的正视图；图3为本发明的俯视图；图4为本发明绘制出断面的淤积形态图；
图5为本发明的三维淤积分布图像示意图；图6为本发明的淤积分布图。
16.图中：1、单点测量杆；2、落淤面检测板；3、活动杆；4、连接线；5、实时显示器；6、电机；7、固定架；8、平台孔；9、平台滑轮；10、皮带；11、水槽边壁；12、总控制台；13、丁坝。
具体实施方式
17.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
18.本发明提供了如图1、图2中所示的一种水槽泥沙淤积过程测量系统，包括：用于测量淤积断面的淤积断面测量装置；用于承载淤积断面测量装置的可沿水槽滑动的作业平台；所述作业平台包括：用于承载淤积断面测量装置的固定架7；所述固定架7中设置有用于装配单点测量杆1的平台孔8，所述平台孔8沿同一直线分布。所述平台孔8的孔径大于单点测量杆1的直径；所述固定架7上设置有用于控制单点测量杆1活动的旋钮开关；设置于固定架7下端，沿水槽边壁11滑动的平台滑轮9；与所述平台滑轮9匹配用于滑动的皮带10；用于驱动平台滑轮9的电机6；与所述电机6以及实时显示器5相连接，用于设置作业平台测量断面位置的总控制台12；所述固定架7为长方体结构，其长度为水槽的水面宽度的1.2倍，所述平台滑轮9分为两组，每组平台滑轮9分别设置在相对称的两个水槽边壁11上，分别设置有两个滑轮；相邻两个平台孔8之间间距为整个固定架7长度的1/10,且位于纵向水平线的中点位置，平台孔8孔径为单点测量杆1外径的1.1-1.3倍之间，使用时多个所述单点测量杆1的长度均相同，长度为水槽深度的1.5-1.8倍，且所述单点测量杆1穿过平台孔8后突出部分的长度为整体长度的2/5；其中，所述皮带10设置有校准固定架7水平方向的移动距离的刻度；与淤积断面测量装置相连接用于将淤积断面测量装置获取的若干个测点的淤积厚度数据汇总分析的淤积分布合成单元；所述淤积分布合成单元包括：用于设置断面上各个测点之间间距的测点间距模块；用于设置每个断面之间间距的断面间距模块；用于设置所测量断面编号的断面编号模块；用于根据断面编号模块的汇总数据得到淤积分布图的淤积分布模块；所述淤积断面测量装置包括：至少一个单点悬浮泥沙测量组件；所述单点悬浮泥沙测量组件包括：用于抵触水槽底部的单点测量杆1；本实施例中，单点测量杆1为钢针；沿单点测量杆1滑动的是活动杆3；设置于活动杆3用于显示落淤厚度测量的是实时显示器5；所述实时显示器5通过
连接线4与总控制台12传输数据；固定在活动杆3用于感应淤积面的是落淤面检测板2；其中，所述落淤面检测板2设置有用于感应淤积面的压力传感器；本实施例中，单点悬浮泥沙测量仪器如下，单点测量杆1为仪器底部支撑点，为一根较细的钢针；落淤面检测板2下部装有压力传感器；活动杆3与落淤面检测板2固定在一起，可垂直上下活动，其与单点测量杆1的差值即为该位置的淤积厚度；连接线4将一排多个单点测量仪器串联起来；实时显示器5用于显示落淤厚度测量；控制电机6控制测量平台的水平移动，可依次自动测量多个断面；固定架7，主要为将多个淤积断面测量装置水平固定；平台孔8孔径稍大与单点测量杆1，上有旋钮开关可稳固单点测量杆1；平台滑轮9可沿着水槽边壁11滑动，其移动距离受电机6控制，用于测量多个不同位置的断面；边壁上皮带10，为方便滑轮滑动，上面附有刻度，可校准断面测量平台水平方向的移动距离；本发明另提供一种水槽泥沙淤积过程测量系统的测量方法，包括以下步骤：设定需要测量的泥沙淤积区域，如图3中泥沙淤积区；设置测量断面之间间隔为l，启动程序，作业平台在测量区初始断面开始测量，该断面所有测点测量结束后，记录数据，作业平台移动到距离l的下个位置，如此循环，直到测量完整个淤积区域；由所测得散点数据差值得到该次测量区域整体的淤积分布。
19.测量前，将水槽调整至往复流状态，在水槽上游端混入悬浮泥沙，在上游位置设置悬浮泥沙浓度检测点，通过控制悬浮泥沙的排入速度，使监测点悬浮泥沙浓度维持相对稳定，从而可以确认整个实验水槽的悬浮泥沙含量；每隔15min记录一次丁坝坝田淤积情况，同时绘制坝田淤积过程线；设置不同的往复流流速及潮差，探讨不同条件下悬浮泥沙的淤积速率及最终的淤积形态；初始状态下，将单点测量杆1全部提高至水面之上，关闭平台孔8内旋钮开关，将平台移动至需要测量的断面位置，平台孔8内旋钮开关打开，单点测量杆1直插入淤积泥面中使其底端接触到水槽底部，旋钮开关关闭固定单点测量杆1，落淤面检测板2、活动杆3的位置高于淤积泥沙面；设置测量断面之间间隔为l，启动测量，落淤面检测板2、活动杆3一起自动缓慢下沉，压力传感器传递的压强p一直在变化，当落淤面检测板2接触到泥沙淤积面后，检测到压强p》5kpa时停止下沉，此时落淤面检测板2距单点测量杆1末端的距离即为该点在该时刻的淤积厚度，该距离显示在实时显示器5中，同时通过连接线4记录于总控制台12中；读取该断面所有测点的多个数据，由差值法软件可绘制出该断面的淤积形态，差值法软件是电脑端的汇总的软件，通过汇总每一次测量的淤积厚度画出该时刻的测量区域的淤积分布，通过断面差值可获得该测量断面在该时刻的淤积分布；断面和区域的淤积分布是通过很多点插值得到的，通过连接线4，汇总得到多个断面多个测点的淤积数据，通过软件的插值算法可以得到断面的淤积分布，测量区域的淤积分布，再将平台孔8内旋钮开关打开，将单点测量杆1提起至水面以上，关闭平台孔8，将作业平台移至下个断面重复新的断面测量步骤；测量多个断面进行平面差值，获得水槽在该时刻整体的三维淤积分布图像，合成研究区域该时刻的淤积分布图；
每隔时间，对该淤积区域进行一次测量，获得在一定边界条件下，该区域内每一个测点、每一个断面以及整体区域随时间变化泥沙淤积过程的数据；对于每一个测点，计算得到该点的淤积速率随时间的变化规律：,其中：，为单个测点时间内所测淤积厚度；通过前后两次所测得差值计算得到，为每两次测量的时间间隔，为单个测点在时间间隔内的淤积厚度，为单个测点的淤积速率，对应求得每个断面的淤积速率随时间变化的规律：,其中：为时间内测量断面上各测点的平均淤积厚度，表示测量断面的各测点随着时间变化的平均变化率，即断面的平均淤积速度；为断面所有测点在时间内的平均淤积厚度，为断面所有测点在时间内的淤积厚度的总和，为测量断面的测点个数，故断面的平均淤积速率可通过断面所有测点在时间内的平均淤积厚度除以计算得到；测量区域的平均淤积速率通过区域内所有测点在时间内的平均淤积厚度除以计算得到：,其中：为时间内测量区域内各测点的平均淤积厚度，表示整体区域的测点随着时间变化的平均变化率，即整体区域的平均淤积速度。为测量区域内所有测点在时间内的淤积厚度的总和，为测量区域内所有测点在时间内的平均淤积厚度，为测量区域的测点个数；当区域内每一个测点的淤泥厚度差值均小于0.002m时，则该区域内泥沙已经达到冲淤平衡，泥沙淤积过程结束，终止测量过程，获得时间序列的多次测量结果数据；多个单点测量仪串联，通过差值获取当前时刻整个断面的泥沙淤积情况；本实施例中，平台孔8旋钮开关打开，单点测量杆1直插入淤积泥面中使其底端接触到水槽底部，旋钮关闭固定单点测量杆1，落淤面检测板2、活动杆3在明显高于淤积泥沙面的位置,开始测量后，落淤面检测板2、活动杆3一起自动缓慢下沉，当落淤面检测板2接触到泥沙淤积面后，其底部的压力传感器感应到压力骤增后停止下沉，此时落淤面检测板2距单点测量杆1末端的距离即为该点在该时刻的淤积厚度，该距离显示在实时显示器5中，同时通过连接线4记录于总控制台12中。
20.机器运行前需进行归零操作，单点测量杆1和落淤面检测板2处于同一平面，此时实时显示器5显示为0，后续单点测量杆1和落淤面检测板2发生垂向错位时，实时显示器5即
显示为两者的距离。在机器运行过程中，由底部压力传感器传递的压强为，随着落淤面检测板2、活动杆3下沉过程中，由于水流的紊动作用，压强一直在变化，当系统检测到时，系统判定为落淤面检测板2、活动杆3已经接触到泥沙淤积面。此时读取实时显示器5的读数，即为该点的淤积厚度；连续读该断面的多个数据，由差值法软件可绘制出该断面的淤积形态，如图4所示，其中黑色的点为断面上各个点位的实测数据，黑色虚线为差值线；通过断面差值可获得该测量断面在该时刻的淤积分布；通过测量多个断面，之后进行平面差值，可以获得水槽在该时刻整体的三维淤积分布图像，如图5、图6所示，最终可合成研究区域的淤积分布图；在泥沙淤积过程中，每过一个固定间隔时间内，对淤积区域进行一次测量。对比前后两次的测验结果，计算每个测点前后两次测量值的差值，当研究区域内每一个测点的淤泥厚度差值均小于0.002m时，认为在该区域内，泥沙已经达到冲淤平衡，泥沙淤积过程结束，终止测量过程，从而可以获得时间序列的多次测量结果数据，由这些数据，可对泥沙研究过程进行分析和研究。
21.多个单点测量仪串联在一起，通过差值可以当前时刻整个断面的泥沙淤积情况，其中总控制台12用于设置作业平台测量的断面位置；如图3中，丁坝13由于阻水前后一段距离会形成回流区导致水流流速降低，泥沙淤积；该水槽泥沙淤积过程测量系统及测量方法，实验方便，自动化程度高，实现了在泥沙淤积过程中，连续多个时间间隔对淤积区域进行快速测量，在物理模型实验中提高了泥沙的淤积的测量的精确性和效率性，解决了传统的激光测量方法在含沙量较大，水体较为浑浊的环境下测量误差较大的问题。
22.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。