1、河流薄层泥沙采样器研制1、简介 河流泥沙可分为河床质、推移质和悬移质。河床质相对来说比较独立，其与推移质、悬移质的区别较明显，测验上容易区别开来。推移质和悬移质是运动着的泥沙，运动过程相互掺杂，没有明显的区分界面，称为“全沙”。河流泥沙测验应该是全沙测验。悬移质输沙率测验技术相对成熟，全沙测验重点是推移质测验。全沙（起源）床沙质沿河床悬 浮冲泻质推移质悬移质全沙（输移）习惯上：测“全沙”就是指测“推移质”存在问题 推移质泥沙测验有直接测验方法和间接测验方法。直接测验方法是用仪器直接进行推移质采样的方法。该法将具有内在联系的全沙输移过程人为地分割为两个部分悬移质部分和推移质部分。在河床稳定的河流
2、，该方法很容易实现。沙质冲淤性河床很难进行直接采样，或采样的代表性不强。目前，还没有可以作为沙质冲淤性河床推移质测验的标准仪器。黄河上虽做过试验，目前还没有作为生产实际开展起来。黄河上世纪五十年代曾在个别测站进行了推移质试验，但在水文年鉴上刊印这部分资料时也特别备注了“精度较低”的字样。存在问题 间接法进行全沙输沙率测验，是根据实测流量、悬移质输沙率及床沙等资料推算全沙。多采用“修正爱因斯坦”方法。由于缺乏较高精度的实测推移质资料，间接法成果缺乏可靠的支撑基础。随着悬移质含沙量的减小，全沙与悬移质输沙率的关系会越来越差。极限情况，既是悬移质含沙量为0，推移质还是存在的，数量并不见得很小，利用悬
3、移质等推算河床质会极不合理。每年非汛期潼关高程抬高0.7m左右，悬移质含沙量很小，怎样把那么多沙子推出来。存在问题 对沙质河床来说，推移质基本上是停测的。对悬移质测验来说，基本上都存在漏测。对铅鱼采样器来说，其漏测的范围至少是管嘴中心到铅鱼 底部的范围。对横式采样器来说，其漏测的范围至少是采样器中心到采样器 底部的范围。对横式采样器来说，即使采集到河底的水样，也是存在泥沙漏测的因为采样器采样成果代表的仪器中心的情况。存在问题 由于推移质测验的停顿，泥沙测验成果是不全面的。河流推移质测验及近河底悬移质测验存在较大困难，该领域的研究工作也很难得以开展。河流薄层泥沙采样器的研制成功，将有助以上问题的
4、解决，推动泥沙规律性研究的开展。2 仪器设计 2.1 研究思路 类似黄河沙质河床的推移质测验可以说是世界性难题，其主要问题在于，沙质河床的易扰动性。采样器不贴近河床，无法取得完整的推移质沙样。采样器贴近河床，又会将河床泥沙扰动，使河床泥沙扰起，测得推移质也不真实。河底部分的流速一般较小，要想采集薄层泥沙，势必采样器的过水面积很小，这在小流速时仪器仓内水流基本是不可能正常流动的，造成采样工作困难。只有加大采样器的过水面积，才有可能采集到合适的水样。将原来需要的一个采样器改成两个采样器，两个采样器的过水面积都较大，都可以在流速较小时使水流正常通过。薄层泥沙采样器有“采样仓1”和“采样仓2”组成，两
5、个仪器的长和宽是相同的。两个采样仓高度有差异，将两个采样仓的上部等平，则下部有差异。“采样仓1”分为“A”和“B”两部分，“采样仓2”只有“C”部分。A和C部分采样是相同的，“采样仓1”减去“采样仓2”就剩下“采样仓1”的“B”部分，这个正是我们需要的部分。2.2 技术设计（1）总体设计：仪器总体为铅鱼、采样器及采样控制系统3部分。铅鱼作为采样器的安装平台，采样器安装在铅鱼上，可拆卸。采样器的作用是采取水样，能把采得的水样完整的保存起来，带出水面。控制系统作用是控制采样器采样，在采样器到达采样位置后，关闭采样器口门。2.2 技术设计（2）铅鱼设计：铅鱼主体的形状设计为由流线型平面向两侧拉伸形成
6、，俯视图为长方形，侧视图为流线型。铅鱼线型设计为茹可夫斯基流线型，按铅鱼重150kg，长度1000mm设计。2.2 技术设计 铅鱼尾翼设计由水平尾翼、垂直上尾翼、垂直下尾翼组成。垂直下尾翼有两个，水平尾翼的下部。垂直上尾翼按流线型设计，造型美观。其他尾翼的前段设计为弧形，减少挂水草的机会。铅鱼鱼体前部上方设计悬吊点，焊接悬吊桩。垂直上尾翼前端设计悬吊孔，共4个，便于选择悬吊。2.2 技术设计 铅鱼前部侧面设计一贯通圆孔，孔径50mm。在圆孔侧壁中段向上设计一圆孔，从铅鱼上表面边壁垂直向下与侧向圆孔连通，垂向孔径16mm 侧面圆孔的作用是为了安装电磁铁安装架而设计的，垂直方向的圆孔是为了引出控制
7、导线而设计的。当采用人工提拉控制开关闭合时，侧向圆孔是为了安装拉线转向架，垂直方向的圆孔是为了布置拉线使用的。2.2 技术设计（3）采样仓设计：采样仓设计为直管，斜口，横断面为方形，斜口方向相对，形成一个长边和一个短边。采样仓设计为大小两种，两种采样器长、宽相同，高度有差异。这个差异值越小，我们采样的厚度就越薄。2.2 技术设计 采样器斜口按45设计，斜口的方向面向内侧，安装后两个采样器的斜口相对，主要考虑的是口门关闭统一控制的要求。两端45拼接后，实际计算长度为450mm。采样器1（高度90mm）容积为：5090450=2025000mm3=2025 cm3采样器2（高度70mm）容积为：5
8、070450=1575000mm3=1575 cm32.2 技术设计（4）密封设计 采样仓口门密封采用方形的板材，厚度6mm，制作采样仓盖。采样仓盖上设计了转动轴座，使盖板可以转动。盖板上伸出一个舌头，连接控制开关，使盖板受到控制作用后能产生动作，将口门关闭。在盖板的另一端设计一小管，主要用于打开口门时搬动采样仓盖用。2.2 技术设计（4）口门密封设计设计：口门密封采用橡胶板或硅胶板，固定于采样仓盖的内侧。当采样仓盖与采样仓口门接触时，靠弹簧的弹力使采样仓口门密封。密封板固定方法是在采样仓盖上打两个孔，用螺丝固定密封板。2.2 技术设计l 采样仓口门开启需要靠人工打开，用力搬动采样仓盖向开的方
9、向板即可。搬到一定位置，采样仓盖上的舌头将与采样仓上的锁头相碰后锁住采样仓盖上的舌头，使采样仓口门保持开启状态。采样仓口门开启的标准状态是采样仓盖与采样仓壁平行，放到水中不影响水流正常进入采样仓。l 与采样仓盖相配套的在采样仓短边外壁上设计了转动轴座及安装转动轴，转动轴与采样仓盖配合可完成采样仓口门启闭2.2 技术设计（5）口门控制结构设计采样仓口门控制由采样仓口门控制开关完成。采样仓口门控制开关由开关座、开关卡头和弹簧组成。2.2 技术设计 每个采样仓由两根拉簧供力进行采样仓密封。由于采样仓要接近河床，设计采样仓靠下的拉簧系统不能超过采样仓底部。采样仓靠下一侧不能安装拉簧，拉簧安装在采样仓内
10、。2.2 技术设计（6）连接结构设计 采样器与铅鱼连接采用插头、插座式。2.2 技术设计（6）连接结构设计 插管焊装在铅鱼上，其中简单直管焊在铅鱼头部靠前，带螺孔的连接插管焊在铅鱼头部靠后。带螺孔的连接插管的螺孔方向应向后。2.2 技术设计组装后的黄河全沙采样器2.2 技术设计（7）控制结构设计 横式采样器采样仓的两个口门要求同时关闭，而本采样器事实上是两个采样器，各有两个仓门，共四个仓门。根据本仪器的测验目的，采样仓的四个仓门应该同时关闭。需要设计一个系统来完成这个工作。控制设计采用两种方案，一种为手拉式控制，一种为电磁铁控制。2.2 技术设计为减少提拉绳与边壁的摩擦力，设计拉绳导向系统转向
11、轴承2.2 技术设计 电磁铁控制是采用电磁铁的吸力将采样器开关打开的一种控制方法。电磁铁控制可以用一根电缆将供电信号送到电磁铁，因此不需要人力的作用，也与操作人员的站立位置无关。2.2 技术设计 吸盘采用低碳钢，制成圆板。圆板后部与两个采样仓开关卡头的尾端相连，电磁铁吸动吸盘后，使采样仓口门同时关闭。一个电磁铁控制一个采样器，共两个电磁铁控制两个采样器，用同一电源供电，可使两个采样器的四个口门同时关闭。电磁铁的供电线从横向控制孔向中间集中，从垂直控制孔引出，拉到操作位置。试验与分析三1.含沙量试验2.颗粒级配试验3.1 含沙量试验2014年9月24日上午10时，在黄河潼关水文站（七）断面进行了
12、现场采样的河底含沙量试验，试验在潼关测船上进行。3.1 含沙量试验试验时，先测量采样处水深，然后将采样器口门打开，下放仪器。为避免采样器扰动河床，在绞关起重钢丝绳上用红绳标记下放位置。仪器下放到采样位置，停顿约10s，用提拉绳关闭采样器，然后提出水面。开始几次，将采样器从铅鱼上取下，把水样倒入水样桶。后来，直接将水样桶放到仪器口门处，打开口门，提高尾翼，倒出水样，并用清水冲洗采样器。3.1 含沙量试验l 试验结果，在30次近河底含沙量试验中，有7次异常，23次反映出下部薄层含沙量大于上层含沙量。底层（20mm）薄层含沙量与上部（70mm）含沙量关系偏大比例在40%130%之间。l 由于水流条件
13、及时间的关系，试验仅在一个位置进行了一场试验，试验从数量关系上不一定具有普遍的特性，但试验结果说明，河床底部含沙量与上部含沙量的变化是较大的。l 以往没有这方面的仪器来监测近河床薄层含沙量，河流薄层泥沙采样设备的研制成功将填补该方面的空白，为多沙河流底层含沙量变化规律的研究奠定基础和条件。3.1 含沙量试验0102030405060708090012345678910薄层（20mm）含沙量（kg/m3）上部（70mm）含沙量（kg/m3）河床底部薄层含沙量与上部含沙量关系3.2 颗粒级配试验 颗粒级配试验的目的是从采样泥沙组成上进一步说明研制仪器的功能和意义。颗粒级配试验和含沙量试验同步进行，
14、含沙量处理后的泥沙进行颗粒级配分析。试验共进行31次，其中近河底30次，60个水样。相对水深0.5出试验1次，共2个水样。在30次近河底泥沙颗粒级配试验中，中值粒径有5次异常，25次反映出下部薄层中值粒径大于上层中值粒径。平均粒径有7次异常，23次反映出下部薄层平均粒径大于上层平均粒径。90mm高采样器采得的沙样较70mm高采样器采得的沙样明显偏粗，计算结果反映的下部薄层泥沙偏粗更多，同级颗粒级配的百分数相差可达60%以上，细沙部分的减少必然是粗纱部分的增多。这些资料表明，近河底泥沙各层之间不仅含沙量变化很大且很复杂，颗粒级配组成方面变化也很大且很复杂。结论与建议四7 结论与建议（1）河流上很
15、多工程都与泥沙有关，都是围绕泥沙而开展的。全沙不仅影响本河段的冲淤变化，在长距离输送后也影响其它河段的冲淤变化，影响河流泥沙的平衡问题。由于没有开展全沙测验，多数情况下是用悬移质的成果去分析河床的冲淤变化，很难准确分析出河床冲淤规律。由于无法开展全沙测验，使得河流泥沙规律研究无法全面的开展，存在诸多空白区域。7 结论与建议（2）“河流薄层泥沙采样器”横断面可选用较大过水面积，避免流速较小时，含沙水流不容易通过采样器的问题，保证在近河底水流中的采样效果。仪器的该种特点，使仪器适合进行近河底泥沙的采样。（3）初步试验表明，河底薄层泥沙是可以通过实测的方法获得的，能够区分其差异，分析其变化规律，使今后垂线近河底泥沙变化规律的研究成为可能。近河底泥沙也主要是推移质的领域，河流薄层泥沙采样器的研制成功为推移质变化规律的精细研究奠定基础和条件。4 结论与建议（4）“河流薄层泥沙采样器”也可以用于水流中悬移质采样，获得悬移质薄层水流的含沙量和颗粒级配，精确分析垂线泥沙的变化规律。（5）河床近河底泥沙试验结果已初步表明，近河底泥沙的含沙量和颗粒级配有较大的梯度变化。4 结论与建议（6）河流泥沙的分层研究，特别是近河床泥沙的分层研究，对更准确的研究泥沙的分布规律、研究推移质泥沙运动、研究推移质与悬移质的分布关系具有重要意义，建议以该仪器研发为基础，开展更深入的泥沙研究。谢 谢 大 家！
