[发明专利]一种多功能管式泥沙冲刷试验装置及方法

权利要求书

1.一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：包括管道系统、量测系统和顶推系统；

所述管道系统包括依次顺接的进水管、整流器、矩形管、水箱和出水管，所述进水管上安装有进水阀门，所述出水管上安装有出水阀门；所述矩形管的前端和尾端分别安装有排气阀门，所述水箱上安装有排气阀门；所述矩形管的中部设有测试区；

所述量测系统包括两个漏斗、通气接口、OPS浊度仪、光源、超声波探头、粒子枪以及CCD相机，所述两个漏斗依次安装在测试区后方的矩形管管道底部，漏斗口与矩形管管道底部相连通，漏斗的底部封闭；所述通气接口设置在矩形管的后部并靠近测试区的位置，所述通气接口内设有阀门；所述光源、超声波探头安装在测试区管道顶部，所述OPS浊度仪安装在水箱上，所述CCD相机架设在测试区管道正面，所述粒子枪安装在测试区前方的矩形管管道底部；

所述顶推系统包括圆筒、活塞、软管、螺杆、伺服电机和伺服控制器，所述圆筒与测试区管道底部连通；所述圆筒内装填待测泥沙试样，所述活塞安装在圆筒内；所述软管的一头安装在活塞上，联通圆筒内的泥沙试样，另一头连接渗流水头，所述软管上设有阀门；所述螺杆的一端连接活塞，另一端连接伺服电机，伺服电机通过螺杆带动圆筒中的活塞运动；所述伺服控制器连接计算机，并通过计算机程序控制伺服电机的运转。

2.根据权利要求1所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：所述矩形管为有机玻璃或金属材质，所述圆筒为有机玻璃管或截断的标准谢尔比管。

3.根据权利要求1所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：所述CCD相机的画面法向轴线与光源在圆管内水流中的光幕垂直。

4.根据权利要求1所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：所述粒子枪与外部的粒子补充器连接，连接软管上安装有第一阀门。

5.根据权利要求1所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：所述光源和超声波探头由圆盘和圆环固定在测试区管道顶部。

6.根据权利要求5所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，其特征在于：所述光源为线性LED光源，所述超声波探头分布在线性LED光源的两侧。

7.一种基于权利要求6所述装置的多功能管式泥沙冲刷试验方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一、将待测泥沙试样装填在圆筒内，然后将圆筒安装在矩形管的测试区管道上；

步骤二、打开进水阀门，控制出水阀门，缓慢地将装置注满水，通过排气阀排走装置内的气体，注水期间，确保泥沙试样表面低于测试区管道底部，避免注水时水流破坏泥沙试样表面；

步骤三、装置注满水后，打开线性LED光源，并保证超声波探头、伺服电机、粒子枪、计算机、CCD相机部件正常工作，控制伺服电机使泥沙试样表面与测试区管道底部相齐平；

步骤四、控制进、出水阀门，从一个很小的流量开始，缓慢地逐步增大流量到期望的某一流量，并保持在期望流量不变，通过调节进、出水阀门或排气阀门，调节矩形管内水压至一常数值；

步骤五、当水流引起的床面切应力超过起动切应力时，试样表面泥沙开始运动，泥沙试样表面将不断降低，通过计算机控制伺服电机保持泥沙试样表面始终与测试区管道底部相齐平，然后计算床面切应力、冲刷率、悬移质输沙率和推移质输沙率；

步骤六、缓慢增加流量至另一期望值，进行其他流量下的冲刷试验。

8.根据权利要求7所述的一种多功能管式泥沙冲刷试验方法，其特征在于：所述床面切应力的计算方法如下，

线性LED光源照亮水体中的PTV粒子，在水体中形成二维光幕，正面的CCD相机连续捕捉光幕画面，通过计算机分析时间序列上不同画面的粒子位置，解析粒子速度，再通过分析粒子垂向平均速度分布求解床面切应力。