河流薄層泥沙采樣器研制課件

河流薄層泥沙采樣器研制1、簡介

河流泥沙可分為河床質(zhì)、推移質(zhì)和懸移質(zhì)。河床質(zhì)相對來說比較獨(dú)立，其與推移質(zhì)、懸移質(zhì)的區(qū)別較明顯，測驗(yàn)上容易區(qū)別開來。推移質(zhì)和懸移質(zhì)是運(yùn)動(dòng)著的泥沙，運(yùn)動(dòng)過程相互摻雜，沒有明顯的區(qū)分界面，稱為“全沙”。

河流泥沙測驗(yàn)應(yīng)該是全沙測驗(yàn)。

懸移質(zhì)輸沙率測驗(yàn)技術(shù)相對成熟，全沙測驗(yàn)重點(diǎn)是推移質(zhì)測驗(yàn)。全沙（起源）床沙質(zhì)沿河床懸浮沖瀉質(zhì)推移質(zhì)懸移質(zhì)全沙（輸移）習(xí)慣上：測“全沙”就是指測“推移質(zhì)”存在問題

推移質(zhì)泥沙測驗(yàn)有直接測驗(yàn)方法和間接測驗(yàn)方法。

直接測驗(yàn)方法是用儀器直接進(jìn)行推移質(zhì)采樣的方法。該法將具有內(nèi)在聯(lián)系的全沙輸移過程人為地分割為兩個(gè)部分——懸移質(zhì)部分和推移質(zhì)部分。

在河床穩(wěn)定的河流，該方法很容易實(shí)現(xiàn)。沙質(zhì)沖淤性河床很難進(jìn)行直接采樣，或采樣的代表性不強(qiáng)。目前，還沒有可以作為沙質(zhì)沖淤性河床推移質(zhì)測驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)儀器。黃河上雖做過試驗(yàn)，目前還沒有作為生產(chǎn)實(shí)際開展起來。

黃河上世紀(jì)五十年代曾在個(gè)別測站進(jìn)行了推移質(zhì)試驗(yàn)，但在水文年鑒上刊印這部分資料時(shí)也特別備注了“精度較低”的字樣。存在問題

間接法進(jìn)行全沙輸沙率測驗(yàn)，是根據(jù)實(shí)測流量、懸移質(zhì)輸沙率及床沙等資料推算全沙。多采用“修正愛因斯坦”方法。

由于缺乏較高精度的實(shí)測推移質(zhì)資料，間接法成果缺乏可靠的支撐基礎(chǔ)。

隨著懸移質(zhì)含沙量的減小，全沙與懸移質(zhì)輸沙率的關(guān)系會(huì)越來越差。極限情況，既是懸移質(zhì)含沙量為0，推移質(zhì)還是存在的，數(shù)量并不見得很小，利用懸移質(zhì)等推算河床質(zhì)會(huì)極不合理。每年非汛期潼關(guān)高程抬高0.7m左右，懸移質(zhì)含沙量很小，怎樣把那么多沙子推出來。存在問題

對沙質(zhì)河床來說，推移質(zhì)基本上是停測的。

對懸移質(zhì)測驗(yàn)來說，基本上都存在漏測。

對鉛魚采樣器來說，其漏測的范圍至少是管嘴中心到鉛魚

底部的范圍。對橫式采樣器來說，其漏測的范圍至少是采樣器中心到采樣器

底部的范圍。對橫式采樣器來說，即使采集到河底的水樣，也是存在泥沙漏測的——因?yàn)椴蓸悠鞑蓸映晒淼膬x器中心的情況。存在問題

由于推移質(zhì)測驗(yàn)的停頓，泥沙測驗(yàn)成果是不全面的。

河流推移質(zhì)測驗(yàn)及近河底懸移質(zhì)測驗(yàn)存在較大困難，該領(lǐng)域的研究工作也很難得以開展。

河流薄層泥沙采樣器的研制成功，將有助以上問題的解決，推動(dòng)泥沙規(guī)律性研究的開展。2儀器設(shè)計(jì)

2.1研究思路

類似黃河沙質(zhì)河床的推移質(zhì)測驗(yàn)可以說是世界性難題，其主要問題在于，沙質(zhì)河床的易擾動(dòng)性。采樣器不貼近河床，無法取得完整的推移質(zhì)沙樣。采樣器貼近河床，又會(huì)將河床泥沙擾動(dòng)，使河床泥沙擾起，測得推移質(zhì)也不真實(shí)。

河底部分的流速一般較小，要想采集薄層泥沙，勢必采樣器的過水面積很小，這在小流速時(shí)儀器倉內(nèi)水流基本是不可能正常流動(dòng)的，造成采樣工作困難。只有加大采樣器的過水面積，才有可能采集到合適的水樣。將原來需要的一個(gè)采樣器改成兩個(gè)采樣器，兩個(gè)采樣器的過水面積都較大，都可以在流速較小時(shí)使水流正常通過。

薄層泥沙采樣器有“采樣倉1”和“采樣倉2”組成，兩個(gè)儀器的長和寬是相同的。兩個(gè)采樣倉高度有差異，將兩個(gè)采樣倉的上部等平，則下部有差異。“采樣倉1”分為“A”和“B”兩部分，“采樣倉2”只有“C”部分。A和C部分采樣是相同的，“采樣倉1”減去“采樣倉2”就剩下“采樣倉1”的“B”部分，這個(gè)正是我們需要的部分。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（1）總體設(shè)計(jì)：

儀器總體為鉛魚、采樣器及采樣控制系統(tǒng)3部分。鉛魚作為采樣器的安裝平臺(tái)，采樣器安裝在鉛魚上，可拆卸。采樣器的作用是采取水樣，能把采得的水樣完整的保存起來，帶出水面?？刂葡到y(tǒng)作用是控制采樣器采樣，在采樣器到達(dá)采樣位置后，關(guān)閉采樣器口門。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（2）鉛魚設(shè)計(jì)：鉛魚主體的形狀設(shè)計(jì)為由流線型平面向兩側(cè)拉伸形成，俯視圖為長方形，側(cè)視圖為流線型。鉛魚線型設(shè)計(jì)為茹可夫斯基流線型，按鉛魚重150kg，長度1000mm設(shè)計(jì)。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)

鉛魚尾翼設(shè)計(jì)由水平尾翼、垂直上尾翼、垂直下尾翼組成。垂直下尾翼有兩個(gè)，水平尾翼的下部。垂直上尾翼按流線型設(shè)計(jì)，造型美觀。其他尾翼的前段設(shè)計(jì)為弧形，減少掛水草的機(jī)會(huì)。

鉛魚魚體前部上方設(shè)計(jì)懸吊點(diǎn)，焊接懸吊樁。垂直上尾翼前端設(shè)計(jì)懸吊孔，共4個(gè)，便于選擇懸吊。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)鉛魚前部側(cè)面設(shè)計(jì)一貫通圓孔，孔徑50mm。在圓孔側(cè)壁中段向上設(shè)計(jì)一圓孔，從鉛魚上表面邊壁垂直向下與側(cè)向圓孔連通，垂向孔徑16mm側(cè)面圓孔的作用是為了安裝電磁鐵安裝架而設(shè)計(jì)的，垂直方向的圓孔是為了引出控制導(dǎo)線而設(shè)計(jì)的。當(dāng)采用人工提拉控制開關(guān)閉合時(shí)，側(cè)向圓孔是為了安裝拉線轉(zhuǎn)向架，垂直方向的圓孔是為了布置拉線使用的。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（3）采樣倉設(shè)計(jì)：采樣倉設(shè)計(jì)為直管，斜口，橫斷面為方形，斜口方向相對，形成一個(gè)長邊和一個(gè)短邊。采樣倉設(shè)計(jì)為大小兩種，兩種采樣器長、寬相同，高度有差異。這個(gè)差異值越小，我們采樣的厚度就越薄。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)

采樣器斜口按45°設(shè)計(jì)，斜口的方向面向內(nèi)側(cè)，安裝后兩個(gè)采樣器的斜口相對，主要考慮的是口門關(guān)閉統(tǒng)一控制的要求。兩端45°拼接后，實(shí)際計(jì)算長度為450mm。采樣器1（高度90mm）容積為：50×90×450=2025000mm3=2025cm3采樣器2（高度70mm）容積為：50×70×450=1575000mm3=1575cm32.2技術(shù)設(shè)計(jì)（4）密封設(shè)計(jì)

采樣倉口門密封采用方形的板材，厚度6mm，制作采樣倉蓋。采樣倉蓋上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)軸座，使蓋板可以轉(zhuǎn)動(dòng)。蓋板上伸出一個(gè)舌頭，連接控制開關(guān)，使蓋板受到控制作用后能產(chǎn)生動(dòng)作，將口門關(guān)閉。在蓋板的另一端設(shè)計(jì)一小管，主要用于打開口門時(shí)搬動(dòng)采樣倉蓋用。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（4）口門密封設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)：口門密封采用橡膠板或硅膠板，固定于采樣倉蓋的內(nèi)側(cè)。當(dāng)采樣倉蓋與采樣倉口門接觸時(shí)，靠彈簧的彈力使采樣倉口門密封。密封板固定方法是在采樣倉蓋上打兩個(gè)孔，用螺絲固定密封板。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)采樣倉口門開啟需要靠人工打開，用力搬動(dòng)采樣倉蓋向開的方向板即可。搬到一定位置，采樣倉蓋上的舌頭將與采樣倉上的鎖頭相碰后鎖住采樣倉蓋上的舌頭，使采樣倉口門保持開啟狀態(tài)。采樣倉口門開啟的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)是采樣倉蓋與采樣倉壁平行，放到水中不影響水流正常進(jìn)入采樣倉。與采樣倉蓋相配套的在采樣倉短邊外壁上設(shè)計(jì)了轉(zhuǎn)動(dòng)軸座及安裝轉(zhuǎn)動(dòng)軸，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與采樣倉蓋配合可完成采樣倉口門啟閉2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（5）口門控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采樣倉口門控制由采樣倉口門控制開關(guān)完成。采樣倉口門控制開關(guān)由開關(guān)座、開關(guān)卡頭和彈簧組成。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)每個(gè)采樣倉由兩根拉簧供力進(jìn)行采樣倉密封。由于采樣倉要接近河床，設(shè)計(jì)采樣倉靠下的拉簧系統(tǒng)不能超過采樣倉底部。采樣倉靠下一側(cè)不能安裝拉簧，拉簧安裝在采樣倉內(nèi)。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（6）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采樣器與鉛魚連接采用插頭、插座式。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（6）連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)插管焊裝在鉛魚上，其中簡單直管焊在鉛魚頭部靠前，帶螺孔的連接插管焊在鉛魚頭部靠后。帶螺孔的連接插管的螺孔方向應(yīng)向后。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)組裝后的黃河全沙采樣器2.2技術(shù)設(shè)計(jì)（7）控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)橫式采樣器采樣倉的兩個(gè)口門要求同時(shí)關(guān)閉，而本采樣器事實(shí)上是兩個(gè)采樣器，各有兩個(gè)倉門，共四個(gè)倉門。根據(jù)本儀器的測驗(yàn)?zāi)康?，采樣倉的四個(gè)倉門應(yīng)該同時(shí)關(guān)閉。需要設(shè)計(jì)一個(gè)系統(tǒng)來完成這個(gè)工作。控制設(shè)計(jì)采用兩種方案，一種為手拉式控制，一種為電磁鐵控制。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)為減少提拉繩與邊壁的摩擦力，設(shè)計(jì)拉繩導(dǎo)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)向軸承2.2技術(shù)設(shè)計(jì)

電磁鐵控制是采用電磁鐵的吸力將采樣器開關(guān)打開的一種控制方法。電磁鐵控制可以用一根電纜將供電信號送到電磁鐵，因此不需要人力的作用，也與操作人員的站立位置無關(guān)。2.2技術(shù)設(shè)計(jì)吸盤采用低碳鋼，制成圓板。圓板后部與兩個(gè)采樣倉開關(guān)卡頭的尾端相連，電磁鐵吸動(dòng)吸盤后，使采樣倉口門同時(shí)關(guān)閉。一個(gè)電磁鐵控制一個(gè)采樣器，共兩個(gè)電磁鐵控制兩個(gè)采樣器，用同一電源供電，可使兩個(gè)采樣器的四個(gè)口門同時(shí)關(guān)閉。電磁鐵的供電線從橫向控制孔向中間集中，從垂直控制孔引出，拉到操作位置。試驗(yàn)與分析三含沙量試驗(yàn)顆粒級配試驗(yàn)3.1含沙量試驗(yàn)2014年9月24日上午10時(shí)，在黃河潼關(guān)水文站（七）斷面進(jìn)行了現(xiàn)場采樣的河底含沙量試驗(yàn)，試驗(yàn)在潼關(guān)測船上進(jìn)行。3.1含沙量試驗(yàn)試驗(yàn)時(shí)，先測量采樣處水深，然后將采樣器口門打開，下放儀器。為避免采樣器擾動(dòng)河床，在絞關(guān)起重鋼絲繩上用紅繩標(biāo)記下放位置。儀器下放到采樣位置，停頓約10s，用提拉繩關(guān)閉采樣器，然后提出水面。開始幾次，將采樣器從鉛魚上取下，把水樣倒入水樣桶。后來，直接將水樣桶放到儀器口門處，打開口門，提高尾翼，倒出水樣，并用清水沖洗采樣器。3.1含沙量試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果，在30次近河底含沙量試驗(yàn)中，有7次異常，23次反映出下部薄層含沙量大于上層含沙量。底層（20mm）薄層含沙量與上部（70mm）含沙量關(guān)系偏大比例在40%～130%之間。由于水流條件及時(shí)間的關(guān)系，試驗(yàn)僅在一個(gè)位置進(jìn)行了一場試驗(yàn)，試驗(yàn)從數(shù)量關(guān)系上不一定具有普遍的特性，但試驗(yàn)結(jié)果說明，河床底部含沙量與上部含沙量的變化是較大的。以往沒有這方面的儀器來監(jiān)測近河床薄層含沙量，河流薄層泥沙采樣設(shè)備的研制成功將填補(bǔ)該方面的空白，為多沙河流底層含沙量變化規(guī)律的研究奠定基礎(chǔ)和條件。3.1含沙量試驗(yàn)3.2顆粒級配試驗(yàn)顆粒級配試驗(yàn)的目的是從采樣泥沙組成上進(jìn)一步說明研制儀器的功能和意義。顆粒級配試驗(yàn)和含沙量試驗(yàn)同步進(jìn)行，含沙量處理后的泥沙進(jìn)行顆粒級配分析。試驗(yàn)共進(jìn)行31次，其中近河底30次，60個(gè)水樣。相對水深0.5出試驗(yàn)1次，共2個(gè)水樣。在30次近河底泥沙顆粒級配試驗(yàn)中，中值粒徑有5次異常，25次反映出下部薄層中值粒徑大于上層中值粒徑。平均粒徑有7次異常，23次反映出下部薄層平均粒徑大于上層平均粒徑。90mm高采樣器采得的沙樣較70mm高采樣器采得的沙樣明顯偏粗，計(jì)算結(jié)果反映的下部薄層泥沙偏粗更多，同級顆粒級配的百分?jǐn)?shù)相差可達(dá)60%以上，細(xì)沙部分的減少必然是粗紗部分的增多。這些資料表明，近河底泥沙各層之間不僅含沙量變化很大且很復(fù)雜，顆粒級配組成方面變化也很大且很復(fù)雜。結(jié)論與建議四7結(jié)論與建議（1）河流上很多工程都與泥沙有關(guān)，都是圍繞泥沙而開展的。全沙不僅影響本河段的沖淤變化，在長距離輸送后也影響其它河段的沖淤變化，影響河流泥沙的平衡問題。由于沒有開展全沙測驗(yàn)，多數(shù)情況下是用懸移質(zhì)的成果去分析河床的沖淤變化，很難準(zhǔn)確分析出河床沖淤規(guī)律。由于無法開展全沙測驗(yàn)，使得河流泥沙規(guī)律研究無法全面的開展，存在諸多空白區(qū)域。7結(jié)論與建議（2）“河流薄層泥沙采樣器”橫斷面可選用較大過水面積，避免流速較小時(shí)，含沙水流不容易通過采樣器的問題，保證在近河底水流中的采樣效果。儀器的該種特點(diǎn)，使儀器適合進(jìn)行近河底泥沙的采樣。（3）初步試驗(yàn)表明，河底薄層泥沙是可以通過實(shí)測的方法獲得的，能夠區(qū)分其差異，分析其變化規(guī)律，使今后垂線近河底泥沙變化規(guī)律的研究成為可能。近河底泥沙也主要是推移質(zhì)的領(lǐng)域，河流薄層泥沙采樣器的研制成功為推移質(zhì)變化規(guī)律的