[发明专利]一种多功能管式泥沙冲刷试验装置及方法

说明书

本发明公开了一种多功能管式泥沙冲刷试验装置及方法，所述装置包括管道系统、量测系统和顶推系统三部分，具有结构简单、操作方便、能够快速进行大量冲刷试验的优点；装置的基本原理是通过封闭管流进行冲刷试验，并能够精确测量床面切应力以及同时测量冲刷率、推移质输沙率和悬移质输沙率。该试验装置和方法不仅适用于无粘性泥沙，也适用于粘性泥沙；不仅适用于重塑土，也适用于原状土，不仅适用于一般单向流条件下的泥沙冲刷试验，亦适用于渗流条件下的泥沙冲刷试验，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种多功能管式泥沙冲刷实验装置及方法，属于水利工程、地学和土木工程技术领域。

背景技术

泥沙冲刷是水流和床面泥沙强烈相互作用的结果，当水流引起的床面切应力大于床面泥沙的临界冲刷切应力(或称启动切应力)时，床面泥沙开始运动，冲刷随即发生。泥沙的冲刷对土木、水利以及近海涉水建筑物的正常工作和结构安全有重要影响，多年来，全国乃至全球范围内因泥沙冲刷而导致水土流失、边坡失稳、桥梁、海上风电倒塌以及海底管道破坏事件时有发生。粘性泥沙因容易吸附重金属、化学物质以及病原体等污染物和有害物，其冲刷更对水质、水环境和生态系统带来威胁。长期的泥沙冲刷对地形地貌的重新塑造有重要影响，近年来我国部分地区海岸线倒退和潮滩湿地消失均与泥沙冲刷息息相关。因此，准确评估泥沙的冲刷特性(即抗冲刷特性或抗侵蚀特性)有着重要的科学研究意义和工程实践价值。

目前，从理论上准确地预测泥沙的冲刷特性仍然存在极大的困难，尤其是对粘性泥沙，当下准确地评估泥沙的冲刷特性还依赖于物理试验。传统泥沙冲刷试验主要使用线性水槽(即明渠直水槽)和环形水槽，但这些水槽一般较大且重，难以进行大量快速的试验，并且对原状土的适应性较差。

受泥沙冲刷测量需求的驱动，也涌现了一些能够快速高效地进行冲刷试验的小型化装置，如旋转式泥沙冲刷装置和射流式泥沙冲刷装置。其中旋转式泥沙冲刷装置只适用于较硬的原状土，适用范围较窄；射流式装置采用射流冲击待测土样进而评估泥沙的可冲刷性。然而射流冲刷属于正应力冲刷，其试验原理的可靠性目前还未得到广泛认可。此外，还有一些采用封闭管流进行泥沙冲刷试验的装置和方法，但存在测量误差大或实现难度大等问题。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种多功能管式泥沙冲刷试验装置及方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种多功能管式泥沙冲刷试验装置，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。

进一步地，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，即Shelby Tube。

进一步地，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。