用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统及方法

技术领域

本发明涉及岩体模拟试验设备领域，特别涉及一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统及试验方法。

背景技术

大型水库建成以后，为满足防洪、发电等需求，库水位周期性升降会在库区两岸形成消落带，消落带范围内的岩土体长期经受“风干-浸泡”循环的侵蚀，其物理力学参数会产生不可逆的渐进性劣化，进而影响岸坡的安全稳定。而消落带范围内的岩土体除了经受干湿循环作用以外，还会受到水流冲刷的作用，长此以往，物理力学特性也会不断降低，尤其在不规则两岸岸线的区域，受到过往船只涌浪的影响，会产生不同流速和频率的旋涡回流，这种局部旋涡回流侵蚀对岸坡岩土体的劣化效应同样不能忽视。现有的试验装置多是模拟水-岩作用或水的冲刷作用，往往不能模拟旋涡回流的侵蚀作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统及试验方法，能真实模拟出岸坡岩体受到的库水旋涡回流侵蚀作用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统，包括试验架和放置在试验架上的试验箱，试验架上端设有两组导轨，导轨内侧设有滑槽，移动杆的两端设有沿滑槽移动的滑轮，移动杆上设有至少一组旋涡发生装置，旋涡发生装置包括安装架，安装架上设有驱动电机，驱动电机的输出端设有转动轴，转动轴上设有涡旋叶片。

优选的方案中，所述滑槽为“T”形滑槽。

优选的方案中，所述移动杆底部通过连接架连接横向滑杆，安装架上设有与横向滑杆配合的滑动孔。

优选的方案中，所述连接架包括“L”形杆，“L”形杆的竖向部分与移动杆连接，“L”形杆的横向部分设有卡装槽，横向滑杆两端卡装在两组连接架的卡装槽中。

优选的方案中，所述横向滑动杆的数量为两组，每组横向滑动杆的两端均设有连接架。

本发明还提供一种消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验方法，使用上述一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统进行试验，包括如下步骤：

步骤一、在试验之前首先确定旋涡所处的位置；

步骤二、将岩块放置在试验箱中，试验箱中放入水，岩块完全浸没在水中；

步骤三、将横向滑杆穿入安装架的滑动孔中，完成旋涡发生装置的安装，根据需要，将多组旋涡发生装置安装在横向滑杆上，然后将横向滑杆端部卡装在连接架的卡装槽中；

步骤四、将移动杆两端的滑轮放入导轨内侧的滑槽中，使其沿滑槽移动，并保证移动杆移动至旋涡所处的Y方向的位置处；

步骤五、根据旋涡所处的X方向的位置，沿横向滑杆调节旋涡发生装置的位置，使旋涡发生装置位于步骤一中所设定的位置处；

步骤六、启动旋涡发生装置，驱动电机带动涡旋叶片开始转动，使试验箱中的水产生旋涡，与试验箱中的岩块进行作用，作用一段时间之后取出岩块，通过三维形貌扫描仪来获取岩块表面的形貌参数，进而观察岩块表面的劣化情况。

本发明提供的一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统及试验方法，具有以下有益效果：

1、为模拟旋涡回流对岩体的侵蚀作用，利用试验箱中的水和岩体能够接触，设计旋涡发生装置，让岩体上方的水面产生旋涡进而作用到岩体表面。

2、旋涡产生的位置的调整，可以通过移动杆和横向滑动杆来调整，试验箱上方两侧的导轨与滚轮组合可以改变旋涡的前后位置，而旋涡发生装置沿横向滑杆移动，可以改变旋涡的左右位置，提高试验灵活度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明的试验系统的平面结构示意图；

图2为本发明的试验系统的立体结构示意图；

图3为移动杆的立体结构示意图；

图4为旋涡发生装置的结构示意图；

图5为导轨的立体结构示意图；

图6为试验过程中旋涡所处位置及方向；

图7为情况一的试验过程中岩样与旋涡之间的距离和水位所处位置的示意图；

图8为设置多个移动杆的结构示意图；

图9为每个移动杆设置多个旋涡发生装置的结构示意图；

图10为情况二的试验过程中不同数量的旋涡所处位置示意图；

图中：试验架1，试验箱2，导轨3，移动杆4，滑轮5，安装架6，驱动电机7，转动轴8，涡旋叶片9，连接架10，横向滑杆11，滑槽301，滑动孔601，卡装槽1001。

具体实施方式

结合图1~图9对本发明具体实施方式进一步详细说明。

如图1~5所示，一种用于消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验系统，包括试验架1和放置在试验架1上的试验箱2，试验架1上端设有两组导轨3，导轨3内侧设有滑槽301，移动杆4的两端设有沿滑槽301移动的滑轮5，移动杆4垂直导轨3设置，滑槽301为“T”形滑槽，滑轮5从“T”形滑槽的端部进入，能够防止滑轮5从滑槽301一侧滑出，移动杆4上设有至少一组旋涡发生装置，旋涡发生装置包括安装架6，安装架6上设有驱动电机7，驱动电机7的输出端设有转动轴8，转动轴8上设有涡旋叶片9。

所述移动杆4底部通过连接架10连接横向滑杆11，安装架6上设有与横向滑杆11配合的滑动孔601，在本实施例中，滑动孔601为圆形孔，横向滑杆11设置两组，放置安装架6沿横向滑杆11转动。

优选的，如图3所示，所述连接架10包括“L”形杆，“L”形杆的竖向部分与移动杆4连接，“L”形杆的横向部分设有卡装槽1001，横向滑杆11两端卡装在两组连接架10的卡装槽1001中。该连接架10实现对横向滑杆11的可拆卸安装，方便旋涡发生装置的安装。

实际工程中，水面的旋涡可能不只一个，经常会有多个旋涡的出现，最终对岩体的侵蚀作用会有所不同。因此，在具体实验中，移动杆4可以多组，每一组移动杆4上均设有旋涡发生装置，如图8所示，从而实现在Y方向上设有多个旋涡发生装置。

在同一条移动杆4上沿其长度方向设置多个旋涡发生装置，如图9所示，实现在X方向上布置多个旋涡发生装置。

旋涡发生装置固定在不同的位置上，然后同时启动，这样在水箱中就会出现多个旋涡符合真实的情况。

一种消落带岩体受旋涡回流侵蚀模拟试验方法，包括如下步骤：

在整体试验开始之前，需要利用三维形貌扫描仪对岩块表面形貌的初始情况进行确定，然后根据研究目的设定不同的旋涡作用周期n以及单个周期所持续的时间。再对每个旋涡作用周期后的岩块进行扫描，获取相应的岩块表面参数，并进行比对，进而得出旋涡作用周期与岩块表面劣化情况之间的关系。除了作用周期n的影响，在实际工程中，旋涡与边坡岩体之间的距离r以及旋涡个数s都是旋涡回流对岩体表面劣化作用的影响因素，因此在试验过程中需要对这两个影响因素进行重点研究，而本试验装置可以提供相应的模拟条件，具体试验步骤如下:

情况一：研究单个旋涡与边坡岩体之间的距离r对岩体表面劣化程度的影响情况。

步骤一、在试验之前首先确定旋涡所处的位置，确定好大致位置后开始进行试验，假设旋涡所处的位置如图6所示。

步骤二、将一定数量的岩块放置在试验箱2中，试验箱2中放入水，岩块完全浸没在水中，如图7所示。并记录旋涡发生装置与各个岩块之间的距离。

步骤三、将横向滑杆11穿入安装架6的滑动孔601中，完成旋涡发生装置的安装，然后将横向滑杆11端部卡装在连接架10的卡装槽1001中，完成旋涡发生装置的固定。

步骤四、将移动杆4两端的滑轮5放入导轨3内侧的滑槽301中，让其沿滑槽301移动，并保证移动杆4移动至旋涡所处的Y方向的位置。

步骤五、根据旋涡所处的X方向的位置，沿横向滑杆11调节旋涡发生装置的位置，使旋涡发生装置位于步骤一中所设定的位置。

步骤六、启动旋涡发生装置，驱动电机带动涡旋叶片9开始转动，使试验箱2中的水产生旋涡，与试验箱2中的岩块进行作用，在每个所设定的旋涡作用周期后取出岩块，通过三维形貌扫描仪来获取岩块表面的形貌参数，进而观察岩块表面的劣化情况，并对比不同岩块间表面形貌劣化程度的差异情况，建立距离r与岩块表面劣化程度之间的关系。

情况二：研究旋涡个数s对单个岩体表面劣化程度的影响情况。

步骤一、在试验开始之前首先确定旋涡所处的位置以及所需的旋涡个数，为排除旋涡与岩块之间距离的影响，试验过程中需要保证每个旋涡与岩样的距离相等。确定好大致位置后开始进行试验，假设不同个数的旋涡所处的位置情况如图10所示。

步骤二、将所需的单个岩块放置在试验箱2中，试验箱2中放入水，岩块完全浸没在水中。

步骤三、将横向滑杆11穿入安装架6的滑动孔601中，完成旋涡发生装置的安装，根据试验要求，将所需个数的旋涡发生装置安装在横向滑杆11上，然后将横向滑杆11端部卡装在连接架10的卡装槽1001中，完成旋涡发生装置的固定。

步骤四、将每根移动杆4两端的滑轮5放入导轨3内侧的滑槽301中，让其沿滑槽301移动，并保证每根移动杆4移动至试验所设定的各个旋涡所处的Y方向的位置处。

步骤五、根据每个旋涡所处的X方向的位置，沿横向滑杆11调节旋涡发生装置的位置，使每个旋涡发生装置位于步骤一中所设定的旋涡位置处。

步骤六、启动旋涡发生装置，转动轴8带动涡旋叶片9开始转动，使试验箱2中的水产生旋涡，与试验箱2中的岩块进行作用，在每个所设定的旋涡作用周期后取出岩块，通过三维形貌扫描仪来获取岩块表面的形貌参数，进而观察岩块表面的劣化情况，并对比不同个数的旋涡作用试验中岩块表面形貌劣化程度的差异情况，建立旋涡个数与岩块表面劣化程度之间的关系。