详情

原文传递一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法

专利名称：	一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法
摘要：	本发明公开了一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法，系统包括玻璃整体装置、水循环系统和流速测控系统，玻璃整体装置包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流；流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速。本发明可以模拟潮沟边壁淹没土体在潮流作用下的侧向侵蚀过程，通过测定流速过程及实验前后土体积变化，推求流速与土体冲刷速率的关系，进而推算出土体的临界起动应力，可以探求静水压力对边壁冲刷速率的影响。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	江苏;32
申请人：	河海大学
发明人：	龚政;王客予;赵堃;张凯丽;陈云洲
专利状态：	有效
申请日期：	2019-06-11T00:00:00+0800
发布日期：	2019-10-22T00:00:00+0800
申请号：	CN201910501308.7
公开号：	CN110361280A
代理机构：	南京苏高专利商标事务所(普通合伙)
代理人：	徐红梅
分类号：	G01N3/56(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	210098 江苏省南京市西康路1号
主权项：	1.一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于，包括：玻璃整体装置，其包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流；流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速。 2.根据权利要求1所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：潮沟边壁塑造区包括玻璃空箱和第二玻璃盒，玻璃空箱远离水槽边壁的一侧壁为可拆卸结构，玻璃空箱内顶部和底部分别设置有若干第二玻璃盒，顶部和底部的第二玻璃盒之间放置土体；玻璃空箱左右两端依次对称设置有若干第一玻璃盒和楔形玻璃箱，形成为梯形结构；梯形结构的下底面与水循环系统中水槽侧壁固定连接。 3.根据权利要求2所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：玻璃空箱左右两端均有相同数量的第一玻璃盒和坡度为1：2的楔形玻璃箱。 4.根据权利要求2所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：玻璃空箱左右两端的第一玻璃盒数量根据实验水位及流速作调节，土体及第一玻璃盒前流速相近或一致时，认为水流均匀恒定，将此时插入的第一玻璃盒数量作为正式实验时的使用数量。 5.根据权利要求2所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：玻璃空箱、第一玻璃盒、楔形玻璃箱三种装置均固定到水槽边壁，将若干第二玻璃盒水平插入玻璃空箱，然后在其上放置一定高度土体，最后在土体之上水平插入若干第二玻璃盒，使上下部第二玻璃盒在竖直方向将土体夹紧；在玻璃空箱与两侧楔形玻璃箱之间，对称地竖直插入若干第一玻璃盒，并用胶带固定。 6.根据权利要求1所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：水循环系统包括蓄水池、水槽、进水管、出水管、水泵、第一阀门和第二阀门，其中，蓄水池通过进水管和出水管与水槽联通，形成水循环通道，第一阀门和第二阀门分别设置在进水管和出水管上，且在进水管上设置有水泵，用于控制蓄水池中的水进入水槽中。 7.根据权利要求1所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：流速测控系统包括旋桨式流速仪和数据采集装置，其中，旋桨式流速仪通过横杆固定在水循环系统内的水槽边壁上，且旋桨式流速仪均与数据采集装置电连接；旋桨式流速仪用于测量潮沟边壁塑造区中水流瞬时流速，数据采集装置用于采集瞬时流速并对其进行处理。 8.根据权利要求7所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：旋桨式流速仪的数量根据第一玻璃盒数量设置，其包括第一旋桨式流速仪、第二旋桨式流速仪、第三旋桨式流速仪和第四旋桨式流速仪，其中，第一和第四旋桨式流速仪分别测量玻璃空箱两端第一玻璃盒前方流速，第二和第三旋桨式流速仪测量土体前方流速。 9.一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验方法，其特征在于，包括以下步骤： (1)建立潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，根据实际潮沟空间尺度和水动力特性确定水循环系统的水槽水深、流速过程； (2)在玻璃空箱中插入偶数个第二玻璃盒，安装前壁可拆卸挡板，将玻璃空箱固定在水槽边壁上，在玻璃空箱左右两端对称放置一定数量的第一玻璃盒及楔形玻璃箱，第一玻璃盒及楔形玻璃箱固定在水槽边壁上； (3)打开水泵使蓄水池中的水经过进水管输送到水槽中，通过第一至第四旋桨式流速仪取水槽中玻璃空箱及左右两侧第一玻璃盒前瞬时流速，开启第一阀门使得水槽内水位快速上升，当水槽内水位接近设定水位时，打开第二阀门并逐渐加大，使得水位逐渐接近设定值，当水位达到设定值时保持第一阀门和第二阀门流量一致，此时同时加大或减小第一阀门和第二阀门使得水槽内流速u达到设定值，若第一至第四旋桨式流速仪数值相近或一致，则确定此时玻璃空箱左右两侧第一玻璃盒数量为实验所需，否则改变第一玻璃盒数量继续测试；确定左右两侧第一玻璃盒数量后，关闭水泵，停止输送水流； (4)构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁：拆除可拆卸挡板，将现场土体敲碎、碾压至颗粒状，用cacl2溶液浸泡24小时后排水、干燥以防止微生物生长造成孔洞，用密实锤压实到设定密度ρ，润湿至预定含水率ω，测定其干密度ρd，并在其上设定一定重量石板静置20小时；根据实验水位设定调节玻璃空箱内第二玻璃盒数量，将上述处理过的现场土体平铺在玻璃空箱内长方体第二玻璃盒中间，使土体高度位于水流上层，土体上下部第二玻璃盒在竖直方向将其夹紧；测量水土接触面面积A、玻璃空箱内土体体积V；安装前壁可拆卸挡板； (5)根据上述步骤(3)使水槽内水位及流速达到设定值，拆除可拆卸挡板，使潮流直接作用于重塑的现场土体产生冲刷，当达到设定时间t时结束潮流过程的模拟； (6)缓慢取出试验装置，取出箱内剩余土体，称量其重量m； (7)根据土体干密度ρd，计算得土体在实验过程中的冲刷体积为V-m/ρd，根据接触面积及冲刷时间可得土体侵蚀率ε＝[V-m/ρd]/(A·t)； (8)由G.J.Hanson and A.Simon，侵蚀率与切应力成正比： ε＝kd(τe-τc) (1)；其中，kd为侵蚀系数，τc为临界切应力，τe为有效切应力； kd＝2×10-7τc-0.5 (2)； τe＝ρgu2/CZ2 (3)；其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，u为垂向平均流速，CZ为谢才系数；将式(2)、(3)代入式(1)中，得： (9)设置不同的预定流速值，重复步骤(2)-(8)，得对应与不同流速ui的土体侵蚀率εi(i＝1,2,3,…)，列表作图，率定出流速u与土体侵蚀率ε的关系；由式(4)，计算得出与不同流速ui、土体侵蚀率εi对应的侵蚀系数由式(2)得相应临界切应力 (10)通过调整玻璃空箱内土体高程、实验水深、流速，探究相同土体高度、流速条件下，不同静水压力对土体侵蚀率的影响。 10.根据权利要求9所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验方法，其特征在于，土体在玻璃空箱中的位置根据水位进行调节。
所属类别：	发明专利