真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法及其仪器

摘要

真空组合式水沙物理模型地形测量方法及其测量仪器：（1）确定超声波测深仪到连通管底的距离D1；（2）确定跟踪式水位仪测针与管底的距离D2；（3）开启跟踪式水位仪，当其测针触及水面后开启真空泵，将连通管内空气抽出使管内充满水体；（4）开启超声波测深仪；（5）同时记录不同时刻的水位 QUOTE

说明书

技术领域

本发明涉及一种真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法，还涉及这种真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法所使用的测量仪器。

背景技术

目前，水沙物理模型试验地形测量主要采用三种方法。方法一是试验结束后，排出模型中的水体，对地形采用测针、超声波、激光等方法测量，简称为干测量法；方法二是停止模型试验并保持一定的水深，采用超声波（或其它）技术进行测量，简称静水测量法；方法三是在动水即进行试验条件下，采用超声波技术进行测量，简称动水测量法。

方法一（干测量法）得到的地形数据虽较为精确，但只是试验的最终结果，无法获取不同时刻的地形变化。因模型排水，会对地形造成一定影响，且测量耗时长，给连续试验带来不便。

方法二（静水测量法），克服了方法一需排水的缺点，缩短了测量时间。然而由于不同介质的影响，超声波测量仪必须在水下进行，受限于河口海岸模型水深较浅，往往只有几公分，而仪器的盲区一般为3~5cm（最大为10cm)，使用有较大的局限性。此外，泥沙物理模型水较为浑浊且有悬沙存在，激光测量方法也难以应用。

方法三（动水测量法），除方法二中超声波测量方法的缺陷外，目前超声波测量仪探头尺寸较大，在动水试验条件下对周围流场和地形有显著影响，特别是水深较小时，会导致因测量盲区影响测量方法失效。

为研究水动力与泥沙运动、地形变化之间的物理机制，需要研制能克服以上测量方法不足的仪器，解决动水条件下泥沙物理模型试验实时地形测量问题，以提高物理模型试验水平、量测精度和工作效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空组合式水沙物理模型地形测量方法，该方法能够克服现有技术的不足，主要是在超声波测量技术的基础上解决以下问题：（1）减小或消除仪器的测量盲区；（2）解决小水深条件下的地形测量；（3）减小或消除仪器对动水条件下流场和地形变化的影响；（4）提高地形测量精度。本发明还将提供这种真空组合式水沙物理模型地形测量方法所使用的测量仪器。

完成上述发明任务的技术方案是，一种真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法，即采用真空泵将连通管底部的水提升直至充满整个管道，通过跟踪式水位仪保持连通管底部在水面以下某一定常深度，使得超声波测深仪能在连通管内进行水下地形测量，步骤如下：

（1）确定超声波测深仪到连通管底的距离D1（初步取为10cm，可根据超声波测深仪的盲区范围进行具体设定，D1的取值应大于测量盲区值）；

（2）确定跟踪式水位仪测针与连通管底口的距离D2（初步取为0.5cm，可根据水面的波动情况进行具体设定，以连通管底口在测量时不露出水面为宜）；

（3）开启跟踪式水位仪，当其测针触及水面开始跟踪测量水位后，连通管（5-1）底口已没入水中，开启真空泵（5-2），将连通管内空气抽出，使连通管内充满水体；

（4）开启超声波测深仪；

（5）同时记录不同时刻的水位仪的水位 QUOTE 值，超声波测深仪的水深 QUOTE 值，注意在超声波测量时，实际水深应为测量所得的水深 QUOTE 值应减去（D1-D2）值，即 QUOTE ；

（6）采用式（1）与式（2）计算某一时间段 QUOTE 的水位变化值 QUOTE 与河床地形变化值 QUOTE 。

当时间由t₁时刻变化到t₂时刻时

水位由t₁时刻的>2时刻的>

QUOTE （1）

河床地形变化值为：

QUOTE （2）。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法所使用的测量仪器，采用超声波测深仪作为本仪器中的水深测量仪，其特征在于，所述的超声波测深仪的探头设置在连通管内，该连通管顶端通过阀门、排气（排水）软管与真空泵相连接；该连通管与水面垂直设置，并且与水位测量装置一起固定在升降装置上；所述的水位探测装置由连杆与测针组成；所述的跟踪式水位仪及超声波测深仪的数据存储或发送系统，由电缆或无线发射连接计算机。

在上述测量仪器的优化方案中，

所述水位探测装置上的探头，与跟踪式水位仪的控制电路连接。

所述的水位探测装置由电桥、电机及编码盘驱动与控制。

上述测量仪器中设有连接装置，该连接装置将跟踪式水位仪的升降系统、水深测量系统（超声波测深仪探头）及连通管连接为一体。

其中，所述的连通管、真空泵、阀门、排气（排水）软管，共同构成测量盲区消除系统。

换言之，本发明采用的技术措施是：

（1）将超声波测深仪探头置于连通管内，使连通管底口位于物理模型水流表面以下5mm（其高度可调，以测量时底口不露出水面为准），用真空泵将模型中的水体吸入连通管内，使水深测量探头没入水中，通过抬高超声波测深仪探头处的水位，增大测量水深，减小或消除测量盲区。

（2）测量水深时，可采用较小的超声波探头，目前尺寸在1 cm~3 cm之间。考虑到声波发射角度的影响，连通管直径也尽可能小，在2 cm~4 cm之间，且连通管底口仅在水面附近（如5mm)变动，可认为对流场和地形影响较小。

（3）在动水条件下，水面（位）不断变化，为保证连通管底口始终位于水面下某一较小值（5mm），将跟踪式水位仪中的控制传动装置与连通管位置固定，以保证连通管底口与水面差值为常值。

（4）采用声学环形多发多收装置以改善因地形显著变化带来的反射影响，提高量测精度。

本发明的基本原理是：假定水面与河底在某一时段的初始和结束时刻的变化由图1所示，图中 QUOTE 为水面与基面的差值， QUOTE 为水深。

河流或河口海岸水沙物理模型水位变化不大，用跟踪式水位计控制连通管入水深度易于实现。

如采用新型超声波测深仪，其收发范围可以较窄（1cm内）且收发角度也较小，连通管直径可在2~3 cm范围内，入水5mm对水流和地形影响更小。

本发明提供的方法与测量仪器，能够克服现有技术的不足，在超声波测量技术的基础上解决了以下问题：（1）减小或消除超声波测深仪的测量盲区；（2）解决小水深条件下的地形测量；（3）减小或消除仪器对动水条件下流场和地形变化的影响；（4）提高地形测量精度。

附图说明

图1 水面与河底不同时刻变化示意图。

图2为真空组合式水沙物理模型地形仪器结构示意图。

具体实施方式

实施例1，真空组合式动水泥沙模型实时地形测量方法与测量仪器，参照图1、图2。测量仪器，采用超声波测深仪4作为本仪器中的水深测量系统，所述的超声波测深仪4设置在连通管5-1内，该连通管5-1通过阀门5-3、排气（排水）软管5-4与真空泵5-2连接；该连通管5-1与水面垂直设置，并且固定在连接装置3上；所述的连接装置3与水位探测仪器的升降装置的螺母2-4固定连接。所述的螺母2-4与水位探测装置2-3固定连接，所述的水位探测装置2-3由连杆与测针组成；所述的水位探测装置2-3由电桥、电机及编码盘2-1驱动与控制。图2中的1 为机壳；2为本水位测量系统（跟踪式水位仪）。图中的3为连接装置，该连接装置将升降螺母2-4、水深测量系统（超声波测深仪）4及连通管连5-1接为一体。所述的跟踪式水位仪与超声波测深仪的数据存储或发送系统，由电缆或无线发射连接计算机。图2中的A为测桥，B为水面，C为水下地形。

本仪器工作步骤如下：

（1）确定超声波测深仪到连通管底的距离D1（初步取为10cm，可根据超声波测深仪的盲区范围进行具体设定）；

（2）确定跟踪式水位仪测针与管底的距离D2（初步取为0.5cm，可根据水面的波动情况进行具体设定）；

（3）开启跟踪式水位仪，当其测针触及水面后，由于连通管（5-1）底口已没入水中，打开阀门开关（5-3），开启真空泵（5-2），将连通管内空气抽出，使管内充满水体；

（4）开启超声波测深仪；

（5）同时记录不同时刻的跟踪式水位仪探测所得的水位 QUOTE 值，以及超声波测深仪探测所得的水深 QUOTE 值，注意在超声波测量时，实际水深值应为超深波所得的水深值应减去（D1-D2）值，即 QUOTE ；

（6）采用式（1）与式（2）计算水位与河床地形变化。