一种多功能管式泥沙冲刷试验装置及方法

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。

进一步地，所述粒子枪与外部的粒子补充器连接，连接粒子枪与粒子补充器的软管上安装有第一阀门。本装置使用时，若进水管连接实验室水库，PTV粒子通过粒子枪射入矩形管管道水流，且出水不宜接入水库，避免污染水库水质；若冲刷试验装置采用自循环水系统，可不使用粒子枪补充PTV粒子，直接在自循环水系统中加入PTV粒子，此时需关闭连接软管上的第一阀门。

进一步地，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。

进一步地，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。所述超声波探头的数量根据泥沙属性而定，对于无粘性泥沙，布置1-2个超声波探头；对于粘性泥沙，布置2个以上的超声波探头。

一种多功能管式泥沙冲刷试验方法，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相机等部件正常工作，控制伺服电机使泥沙试样表面与测试区管道底部相齐平，控制过程为：超声波探头发出超声波，根据反射回来的超声波获得待测泥沙试样表面的高程信息，通过计算机计算待测泥沙表面是否需要提高以及需要提高的距离，计算机发送相关指令给伺服控制器，伺服控制器控制伺服电机通过螺杆带动活塞移动，以调节圆筒内泥沙试样的提升或下降或维持位置不变，进行保持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。

进一步地，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。

进一步地，所述冲刷率的计算过程如下，

记录活塞随时间的位移，测量待测泥沙干密度，按如下式一计算冲刷率：

式中，E为冲刷率，单位为kg/(m

进一步地，所述悬移质输沙率的计算方法如下，

记录OPS浊度仪测量的水箱中随时间变化的悬移质浓度，按如下式二计算悬移质输沙率：

式中，E

所述推移质输沙率E

E

本发明具有以下有益效果：

(1)应用范围广：本发明公开的装置和方法可用于一般单向流条件下的泥沙起动和冲刷试验，也可以用于渗流条件下的泥沙起动和冲刷试验；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；

(2)稳定性高、实用性强：本发明提供的以超声波探头、伺服电机、伺服控制器及计算机组成的循环回路控制泥沙样品表面与管道底部相齐平的方法具有很高的稳定性和实用性，相比单纯采用相机采集泥沙样品表面三维地形的做法更为可靠实用；

(3)测量精度高、可测量的数据多：本发明提供了一个精确测量床面切应力的方法；本发明不仅能够测量起动切应力和冲刷率，还能测量泥沙冲刷后的悬移质输沙率和推移质输沙率以及悬推比，即悬移质输沙率与推移质输沙率之比。

附图说明

图1为本发明提供的多功能管式泥沙冲刷试验装置结构示意图；

图2为该装置测试区管道上部光源和超声波探头部件的安装平面示意图。

图中标识：1.矩形管，2.整流器，3.进水管，4.水箱，5.出水管，6.进水阀门，7.出水阀门，8.排气阀门，9.漏斗，10.砂纸，11.粒子枪，12.第一阀门，13.PTV粒子，14.安装在测试区顶部的部件，包括光源和超声波探头，15.光幕，16.CCD相机，17.OPS浊度仪，18.待测泥沙试样，19.圆筒，20.活塞，21.软管，22.第二阀门，23.螺杆，24.伺服电机，25.伺服控制器，26.计算机，27.超声波探头，28.颗粒较小的泥沙，29.颗粒较大的泥沙，30.线性LED光源，31.通气接口，32.圆盘，33.圆环。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

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，如图1所示。

所述管道系统包括依次顺接的进水管3、整流器2、矩形管1、水箱4和出水管5。进水管3连通实验室常水头水库，出水管5联通实验室沉淀池，所述进水管3上安装有进水阀门6，所述出水管5上安装有出水阀门7，所述矩形管1的前端和尾端上壁分别安装有排气阀门8，水箱4的上壁面安装有一个排气阀门8；所述矩形管1的中部设置测试区。

所述量测系统包括两个漏斗9、通气接口31、OPS浊度仪17、线性LED光源30、超声波探头27、粒子枪11以及CCD相机16。位于测试区后方的矩形管管道下方依次安装有两个漏斗9，漏斗口与矩形管管道底部相连通，漏斗9的底部封闭，所述漏斗9用于收集推移质；所述通气接口31内设有阀门，通气接口31设置在矩形管1的后部并靠近测试区的位置，通气接口31连接压强计，用于测量测试区附近的管内水压。矩形管测试区前的内壁面粘贴有增加壁面粗糙度的砂纸10，有助于测试区形成发展完全的紊流。矩形管测试区前30cm处的管道底部壁面上安装有粒子枪11，粒子枪11与管道外的粒子补充器相连接，连接软管上安装有第一阀门12，PTV粒子通过粒子枪11射入管道水流，且出水不宜接入水库，避免污染水库水质。水箱4上安装有测量水箱内水体悬浮泥沙浓度的OPS浊度仪17。线性LED光源30和超声波探头27由圆盘32和圆环33双重固定在测试区管道顶部，安装平面示意图如图2所示；线性LED光源30位于管道中轴线上方，光源接通时，将在管内测试区水体中形成二维光幕15；CCD相机16架设在测试区管道正对面，CCD相机的画面法相轴线与光幕垂直，用于捕捉光幕中粒子的运动。

所述顶推系统包括圆筒19、活塞20、软管21、螺杆23、伺服电机24和伺服控制器25。测试区管道底部设置圆形截面的接口，与圆筒19连接相通；圆筒19用于装待测泥沙试样18，圆筒19内设有一活塞20，软管21的一头安装在活塞20上，联通圆筒19内的泥沙试样，另一头连接渗流水头，软管上设有第二阀门22。活塞20下方连接螺杆23，螺杆23与伺服电机24相连，伺服电机24通过螺杆23带动圆筒19内的活塞20上下运动；伺服控制器25连接计算机26，并通过计算机程序控制伺服电机24的运转。

所述矩形管1、圆筒19为有机玻璃材质。

本实施例中设置六个超声波探头27，对称分布在线性光源30两侧，且均在泥沙圆筒的水平范围之内。

利用上述装置进行某渗透水压下的泥沙冲刷试验，具体步骤如下：

步骤一：将待测泥沙试样装填于圆筒19内，并将圆筒19与其他相关部件安装到管道系统上。

步骤二：打开进水阀门6、控制出水阀门7，缓慢将装置内注满水，通过调节排气阀门8，排出管道内的气体，注水期间，通过计算机程序控制伺服电机24、控制活塞20运动，从而保持泥沙试样表面低于管道底部壁面，一面注水时水流破坏泥沙试样；同时，注水期间，保持活塞20上软管21上的第二阀门22关闭。

步骤三：装置注满水后，打开线性LED光源30，光源在水体中形成光幕，并保证超声波探头27、伺服电机24、粒子枪11、计算机26、CCD相机16等部件正常工作，控制伺服电机24，使泥沙试样18表面与管道底部相齐平。

步骤四：控制进水阀门6和出水阀门7，水流从一个很小的流量开始，缓慢逐步地增大流量至期望的某一流量，并保持在该流量不变；调节进水阀门6、出水阀门7及排气阀门8，调节管内水压至某一常数值h1；将活塞处的软管21联通于某一渗透水头h2，保持软管21上的第二阀门22开启。

步骤五：当矩形管内水流在待测泥沙试样表面引起的切应力超过泥沙的起动切应力时，泥沙试样表面泥沙开始运动，进入水流，颗粒较大的泥沙29以推移质的形式运动，最后落到漏斗9中，颗粒较小的泥沙28以悬移质的形式运动；通过计算机程序控制伺服电机24，保持泥沙试样表面始终与管道底部相齐平，打开第一阀门12，通过粒子枪11持续向管内水体补充PTV粒子13，同时通过架设在测试区管道正对面的CCD相机16捕捉光幕连续图像，通过实践连续的图像分析光幕中被照亮的粒子的运动，解析二维流场，进一步分析垂向流速分布求解床面切应力，试验时仅需记录图像，计算可于试验结束后处理。

通过计算机记录活塞20随时间的位移，并测量待测泥沙干密度，按照式一计算冲刷率，

式中，E为冲刷率，单位为kg/(m

记录OPS浊度仪测量的水箱中随时间变化的悬移质浓度，按照式二计算悬移质输沙率：

式中，E

所述推移质输沙率E

E

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测量。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。