一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置及方法

技术领域

本发明实施例涉及地质运动模拟领域，具体涉及一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置及方法。

背景技术

海底碎屑流是一种常见的海底地质灾害，是海底滑坡的主要类型之一。海底碎屑流运移距离远大于海底滑动、滑塌，物质运移密度远大于海底浊流，易造成较大范围内的海洋构筑物损害，包括海洋油气平台倾覆、海底油气管道破裂、海底通信电缆损坏等多种灾害，造成严重的经济损失。海底碎屑流亦可引发海啸，威胁沿海人口的生命财产安全。因此，试验模拟海底碎屑流的运移过程以揭示相关机制，对提高海底碎屑流的预测水平、增进防灾减灾能力具有不可或缺的关键作用，为维护蓝色经济空间的安全稳定提供基础性技术支撑，但现有技术中海底碎屑流模拟结果失真严重。

发明内容

为此，本发明实施例提供了一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置及方法，以解决现有技术中海底碎屑流模拟结果失真严重的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明的实施方式中，提供了一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置，包括：底板；外筒，设置在所述底板上；内筒，设置在所述底板上，并位于所述外筒内侧，所述内筒与所述外筒之间形成环形空间；料斗，所述料斗内盛放混合浆体，所述混合浆体用于模拟所述海底碎屑流，所述料斗设置在所述环形空间的上方位置，所述料斗底部开口设置有阀门；以及沉积层模型，设置在所述环形空间内，所述沉积层模型包括：环形坡道，所述环形坡道的坡顶位于所述阀门下方，所述环形坡道的坡脚位于所述底板上，所述坡顶与所述坡脚之间形成所述环形坡道的主体；挡板，竖直设置在所述坡脚与所述坡顶之间的环形空间内；其中，所述环形坡道由沉积层模拟材料制成。

进一步地，所述外筒包括：若干支撑柱，设置在所述底板上；透明侧壁，设置在所述底板上，固定安装在所述若干支撑柱之间；环形顶板，盖设在所述若干支撑柱与所述透明侧壁的顶部。

进一步地，在所述外筒的外侧一周设置有若干摄像装置，通过所述透明侧壁采集所述外筒内部的图像信号。

进一步地，所述环形坡道上设置有土压力传感器和孔压力传感器。

进一步地，所述用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置设置在岩土离心机内。

进一步地，所述混合浆体包括混合砂、粉土、黏土。

进一步地，所述沉积层模拟材料采用土料制备。

进一步地，所述环形坡道设置成在所述环形空间内坡度可调整。

根据本发明实施例的另一方面，提供了一种用于模拟海底碎屑流运移过程的方法，包括：将用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置设置在岩土离心机的吊篮内；启动所述离心机，控制料斗的阀门打开，混合浆体沿环形坡道表面向坡脚方向流动；通过设置在环形坡道上的压力传感器，采集并反馈沉积层模型内部的压力信号；通过设置在外筒外侧一周的摄像装置，采集并反馈环形空间内的图像信号；接收并处理所述压力信号和所述图像信号。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例公开了一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置，通过设置沉积层模型，有效模拟运移过程中海底碎屑流对沉积层的侵蚀作用，并且实现了实验装置整体的小型化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明的实施例提供的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置的结构示意图；

图2为本发明的实施例提供的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置的另一角度结构示意图；

图3为本发明的实施例提供的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置的正面结构示意图；

图4为本发明的实施例提供的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置的俯视结构示意图；

图5为本发明的实施例提供的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的方法的流程图。

图中：100-用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置、10-底板、20-外筒、21-支撑柱、22-透明侧壁、23-环形顶板、30-内筒、40-料斗、-阀门、50-沉积层模型、51-环形坡道、52-坡顶、53-坡脚、60-挡板。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例

参考图1、2所示的一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置100的结构示意图，本发明的实施例提供了一种用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置100，包括：底板10，用于支撑设置在底板10上的部件；外筒20，设置在底板10上；内筒30，设置在底板10上，并位于外筒20内侧，内筒30与外筒20之间形成环形空间；料斗40，料斗40内盛放混合浆体，混合浆体用于模拟海底碎屑流，料斗40设置在环形空间的上方位置，料斗40底部开口设置有阀门；以及沉积层模型50，设置在环形空间内，沉积层模型50包括：环形坡道51，环形坡道51的坡顶52位于阀门下方，环形坡道51的坡脚53位于底板10上，坡顶52与坡脚53之间形成环形坡道51的主体；挡板60，竖直设置在坡脚53与坡顶52之间的环形空间内。

其中，环形坡道51由沉积层模拟材料制成，沉积层土层结构可依据原型海底沉积层地层结构确定。

挡板60能够支撑环形坡道51，防止由沉积层模拟材料制成的环形坡道51出现坡体滑落，同时挡板60用于防止在模拟过程中到达坡脚53的混合浆体冲击坡顶52部位。

其中，通过设置环形坡道51，使得在有限空间内增加了模拟海底碎屑流的运移过程，在相同的运移长度要求下，减小了实验装置100的体积。

如图1所示，料斗40的底部开口设置有阀门，可选的，阀门为液压控制阀门，通过开启该阀门，可释放内置的混合浆体。

如图2、3、4所示，外筒20包括：若干支撑柱21，设置在底板10上；透明侧壁22，设置在底板10上，固定安装在若干支撑柱21之间；环形顶板23，盖设在若干支撑柱21与透明侧壁22的顶部。

可选的，底板10、支撑柱21及环形顶板23之间通过螺栓连接，构成框架支撑体系，再通过螺栓嵌入透明有机玻璃侧壁，所有的连接部位均设置橡胶止水圈，内筒30与底板10采用螺栓进行连接，所有连接部位均设置橡胶止水圈。其中，内筒30和外筒20及底板10之间的环形空间用于模拟海底碎屑流运移。可选的，料斗40与环形顶板23间通过螺栓连接。

如图2、3、4所示，在外筒20的外侧一周设置有若干摄像装置，通过透明侧壁22采集外筒20内部的图像信号。可选的，摄像装置为工业高速摄像机，拍摄用于模拟海底碎屑流的混合浆体的运移过程，相关图像资料可用于后期针对海底碎屑流流态的分析。

如图1、2所述，环形坡道51上设置有土压力传感器和孔压力传感器，其中，土压力、孔压传感器用于测量海底碎屑流与沉积层的相互作用。测量所得的压力信号和摄像装置采集的图像信息可用于后期的分析处理。

如图1、2所示，环形坡道51设置成在环形空间内坡度可调整，环形坡道51的坡度可根据模拟实验的要求，例如，对坡体长度的要求进行调节。

在本发明的实施例中，混合浆体包括混合砂、粉土、黏土、水，具体地，混合浆体一般由按照一定比例混合砂、粉土、黏土、水等材料制备。

在本发明的实施例中，沉积层模拟材料采用土料制备。

在模拟实验过程中，安装完成用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置100的主体部分后，将料斗内填充混合浆体。其中，将实验装置100设置在岩土离心机的工作吊篮内，在完成数据采集设备连线及调试后，启动离心机稳定提升离心加速度至Ng，即N倍的重力加速度，离心加速度一般最高可达300g。

其中，现有技术中模拟海底碎屑流的装置由于体积过大，同时其立方体外形难以适配现有的岩土离心机的吊篮结构，本发明实施例所提供的实验装置100通过设置环形坡道51，减小了实验装置100总体的占用空间，且其筒状外形更易于适配现有岩土离心机的吊篮结构。

本领域技术人员可知的，基于离心模型试验相似理论，在保证原型、模型海底沉积层材料、几何相似的情况下，能够重现海底沉积层原型应力场，进而准确模拟原型沉积层力学特性。

其后，通过开启液压控制的阀门释放混合浆体，混合浆体沿环形坡道51的坡面向下运移，模拟原型海底碎屑流运移过程。沉积层模拟材料用土料制备，用于模拟海底碎屑流的混合浆体与用于模拟海底沉积层的沉积层模拟材料间可发生物质的转移，包括沉积层模拟材料土料受混合浆体侵蚀而进入混合浆体，以及混合浆体中的大颗粒物在运移过程中析出沉淀。

如图5所示，根据本发明的实施例，一种用于模拟海底碎屑流运移过程的方法，包括：

S1：将用于模拟海底碎屑流运移过程的实验装置100设置在离心机的吊篮内；

S2：启动离心机，控制料斗40的阀门打开，混合浆体沿环形坡道51表面向坡脚53方向流动；

S3：通过设置在环形坡道53上的压力传感器，采集并反馈沉积层模型50内部的压力信号；通过设置在外筒20外侧一周的摄像装置，采集并反馈环形空间内的图像信号；

S4：接收并处理压力信号和图像信号。

现有技术方案一般在1g的常重力场下进行，模拟运移距离一般为10m左右，难以有效模拟百米级至千米级的运移过程，所得试验结果难以有效地揭示原型机制。根据本发明的实施例，按照现有土工离心机吊篮空间尺寸，实验装置100的模拟运移距离可达3.5m，在300g的离心加速度下可模拟1.05km的原型运移距离，是现有地面水槽模拟运移距离的100倍左右，可实现对长距离海底碎屑流运移过程的有效模拟。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明做了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。