一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置

摘要

本发明涉及一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置，尤其涉及往复变动水头作用下的侵蚀过程模拟，该装置包括：水下坡面渗流侵蚀机构，形成用于渗流侵蚀的水下坡面；往复变动水头供水机构，向坡面提供和控制往复变动水头；改变往复变动水头工况进行对比试验，观测坡面侵蚀过程，即可获得往复变动水头作用下的渗流对坡面侵蚀的影响规律。与现有技术相比，本发明提供不同类型的往复变动渗流水头，其动力过程可根据用户要求自定义，试验中可实时观测坡面的土颗粒迁移、变形过程及坡面侵蚀沙量过程，进而分析往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀变形力学机制，实施简单，操作方便。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟水下坡面侵蚀过程的试验装置，尤其是涉及一种往复变 动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置。

背景技术

工程界普遍认为，稳定的高水头渗流是导致水下坡面侵蚀的主要原因。与此 同时，实际工程中也出现大量坡面渗流侵蚀，其渗流梯度并不大，但其渗流水头确 实存在往复变动的特点，这已经引起了大量学者和工程界的关注，如何对往复变动 水头作用下的水下坡面侵蚀机制进行研究，已经成为水利工程、近海工程、海洋工 程建设领域亟待解决的重要课题之一。然而，目前国内外还缺乏对往复变动水头作 用下的坡面侵蚀的研究，大多数的试验都是仅仅针对于常水头作用下的水下坡面侵 蚀。为了针对往复变动的水头作用下的坡面侵蚀进行研究，迫切需要结合简单易行 的室内模型试验进行分析，其中的关键技术是如何有效的模拟往复变动的水头，目 前尚未发现该类模拟装置的报道。

中国专利CN101299306公开了一种水土保持实验技术的渗流-坡面流耦合侵 蚀过程的实验方法及渗流装置，在传统的坡面流侵蚀实验技术基础上，根据渗流控 制理论，应用分级定水头和分段式供水方法，增加可提供和控制渗流的装置，使得 放水进行坡面流侵蚀试验的同时，在坡面上存在坡面流补给土中水(入渗)或者土 中水补给坡面流(反渗)的稳定渗流。该专利中水流水头不是往复变动，不能对水 下坡面变形过程进行研究。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种往复变动水 头作用下的水下坡面侵蚀试验装置，提供不同类型的往复变动渗流水头，其动力过 程可根据用户要求自定义，试验中可实时观测坡面的土颗粒迁移、变形过程及坡面 侵蚀沙量过程，进而分析往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀变形力学机制，实施 简单，操作方便，主要应用于往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀理论研究，以及 工程中的水下坡面的科学防护措施效果验证。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置，包括：

水下坡面渗流侵蚀机构，形成用于渗流侵蚀的水下坡面；

往复变动水头供水机构，向坡面提供和控制往复变动水头；

改变往复变动水头工况进行对比试验，观测坡面侵蚀过程，即可获得往复变动 水头作用下的渗流对坡面侵蚀的影响规律。

所述往复变动水头供水机构包括透水多孔管、连接软管、渗流供水箱和激振组 件，所述透水多孔管均布在水下坡面渗流侵蚀机构底部上，所述连接软管连通透水 多孔管和渗流供水箱，试验时，向渗流供水箱内供水，所述激振组件在渗流供水箱 的水中上下往复移动。

所述透水多孔管侧壁周围开有孔，并外包滤网。

所述激振组件包括依次连接的激励激振器、连接杆和水位调节件，在激励激振 器的驱动下，所述水位调节件在渗流供水箱的水中上下往复移动。

所述水下坡面渗流侵蚀机构包括倾斜设置的试验土槽和坡面控制板，所述坡面 控制板将试验土槽分割为坡面空间和集沙空间，所述坡面空间内由下至上依次铺设 砂砾石垫层和试验土体，往复变动水头供水机构向砂砾石垫层提供和控制往复变动 水头。

还包括试验土槽托架和千斤顶，所述试验土槽托架一端设有转轴，另一端连接 千斤顶，所述水下坡面渗流侵蚀机构放置于试验土槽托架上。

所述砂砾石垫层的顶面以粗砂找平，且与试验土体之间铺设滤网。

还包括坡面侵蚀集沙机构，所述集沙空间底部设有连通坡面侵蚀集沙机构的集 沙孔，所述试验土体的坡面与坡面控制板的板顶平齐，试验中的坡面产沙经集沙孔 落入坡面侵蚀集沙机构。

所述坡面侵蚀集沙机构包括集沙筒和集沙筒底阀，所述集沙筒一端连通集沙 孔，另一端连接集沙筒底阀，集沙筒侧面设有体积刻度线。

所述集沙空间内还设有呈漏斗状的两块集沙斜板，所述两块集沙斜板底部对准 集沙孔。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)在传统的水下坡面侵蚀试验方法基础上，增加了能提供和控制往复变动水 头的往复变动水头供水机构，能直观再现往复水头作用下的水下坡面侵蚀过程，同 时坡面土体厚度相同，这使得侵蚀试验初始时刻的渗透比降在坡面上处处相同，所 以坡面上一点的渗透比降即可描述整个坡面。因此，改变往复变动水头工况进行对 比试验，观测坡面侵蚀过程，即可获得往复变动水头作用下的渗流对坡面侵蚀的影 响规律，且易于改造，可靠性强，适用性广。

2)采用激励激振器驱动水位调节件在渗流供水箱的水中上下往复移动，容易 实现渗流水头的往复变动特性，构造简单，成本低，操作方便，能再现往复变动水 头作用下的水下坡面侵蚀动态过程，可应用于往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀 机制研究。

3)坡面侵蚀集沙机构实时测读坡面土体的侵蚀沙量，易于定量观测水下坡面 的侵蚀过程，利于对往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀变形力学机制进行研究。

4)试验土槽底部设置试验土槽托架，在千斤顶顶推力作用下实现试验土槽内 的土坡坡度自由调节，方便进行多组对比试验。

5)砂砾石垫层起着蓄积渗流用水、缓冲渗流供水过程中的脉动水压力，使得 试验土层渗流底边界的水头稳定，滤网防止上部土体填料的细沙下漏进入垫层，砂 砾石垫层顶面可用粗砂找平，利于不锈钢滤网的铺设和上部土体装填，从而实现水 下坡面土体的模拟，保证试验的可靠进行。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明中坡面侵蚀集沙机构示意图；

图3为本发明中由透水多孔管构成的渗流供水分流管路布置示意图。

图中：1、试验土槽，2、试验土样，3、不锈钢丝网，4、砂砾石垫层，5、坡 面控制板，6、集沙斜板，7、透水多孔管，8、集沙筒，9、集沙筒底阀，10、溢流 嘴，11、连接软管，12、测压管，13、渗流供水箱，14、水位调节件，15、渗水流 量阀，16、连接杆，17、激励激振器，18、连接套管，19、渗流控制阀，20、试验 土槽托架，21、转轴，22、千斤顶，23、弧形限位板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方 案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范 围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置包括水下坡面 渗流侵蚀机构、往复变动水头供水机构和坡面侵蚀集沙机构，具体连接关系如下：

水下坡面渗流侵蚀机构包括试验土槽1和坡面控制板5，试验土槽1倾斜设置， 坡面控制板5将试验土槽1隔为两个空间，一侧为用于坡面填土的坡面空间，另一 侧为用于收集坡面侵蚀泥沙的集沙空间。试验土体2置于试验土槽1的坡面空间中， 试验土体2可以是现场原状取土，也可以是按设计要求填筑土体。在试验土体2 下面设置有砂砾石垫层4，其砂砾石粒径为2～10mm，其顶部与坡体试验土体2 之间布设一层滤网，本实施例中采用不锈钢丝网3，筛孔尺寸0.025～0.05mm，目 的是防止上部土体填料的细沙下漏进入砂砾石垫层4；对于粒径很小的粘土颗粒， 由于具有较强的粘结力，可忽略粘土颗粒的下漏影响。砂砾石垫层4顶面可用粗砂 找平，利于不锈钢丝网3的铺设和上部土体装填。

如图2所示，坡面侵蚀集沙机构包括集沙筒8和集沙筒底阀9，集沙空间底部 设有两块集沙斜板6和集沙孔，两块集沙斜板6呈漏斗状且底部对准集沙孔，可使 得坡面侵蚀泥沙更容易集中在一起，在两块集沙斜板6底部的集沙孔内设置有连接 套管18，集沙筒8通过连接套管18与两块集沙斜板6相连，且集沙筒8侧面有体 积刻度线，坡面控制板5板顶与试验土体2坡面位于同一平面，坡面土颗粒在侵蚀 过程中会下滑越过坡面控制板5，进入集沙筒8，因此在侵蚀试验过程中能实时读 出坡面侵蚀沙量。

试验土槽1可以置于试验土槽托架20中，试验土槽托架20一端设有转轴21， 另一端连接千斤顶22，试验土槽托架20在千斤顶22顶推力作用下绕着转轴21转 动，从而实现试验土槽1中土坡坡度的自由调整。同时千斤顶22的顶部被约束在 弧形限位板23中，防止滑动。

往复变动水头供水机构包括透水多孔管7、连接软管11、渗流供水箱13和激 振组件，透水多孔管7在砂砾石垫层4中均匀布置，使其渗流供水均匀，如图3 所示，渗流供水分流管路为工字形。透水多孔管7直径可取1.0～3.5cm，固定在试 验土槽1底部上，并在试验土槽1相应位置开孔后伸出3～10cm，便于连接软管 11，连接软管11的另一端通过渗流控制阀19连接渗流供水箱13。透水多孔管7 侧壁开孔，孔径1～3mm，孔间距3～6cm，并外包滤网，防止泥沙进入。渗流供 水箱13底部连通有测压管12，同时通过渗出流量阀进行供水。激振组件包括激励 激振器17、连接杆16和水位调节件14，激励激振器17经刚性连接杆16与水位调 节件14相连，水位调节件14是半浸于水中，水位通过水位调节件14的上下移动 而往复变动，为试验提供往复变动的作用水头，水位调节件14的上下往复运动由 激励激振器17控制，可提供正弦激振、脉冲激振和随机激振的运动形式，其幅值、 频率均可调。

根据试验需求，可调节渗水流量阀15的开度，使得供水流量略大于渗水流量， 多余的水将从渗流供水箱13溢出。水位调节件14的上下移动，可使得渗流供水箱 13中的水位往复变动，最高水位与渗流供水箱13顶部齐平，当水位调节件14向 上被提至最高位置时，渗流供水箱13中的水位落至最低。渗流供水箱13提供的渗 流往复变动水头，可从测压管12直观读出，也可以在砂砾石垫层4中埋设孔隙水 压力计进行监测。渗流往复变动水头的变化幅值为图1中水位差△h，其平均渗流 水头为图1中水位差△H。

本实施例中，试验土槽1的内空尺寸包括：(斜坡长度方向)长为50cm，宽为 20cm，高为80cm。试验土槽1侧面与底板均为透明钢化玻璃，以提供试验中的摄 像与观测之用，钢化玻璃厚度均为10mm。试验土槽1在集沙空间侧上设置溢流嘴 10，试验过程中水由溢流嘴10处流出。渗流供水箱13为内空直径10cm、高度50cm 的圆筒，水位调节件14为直径8cm、高度10cm的圆柱体，密度接近于水的密度。 激励激振器17驱使水位调节件14在竖直方向上产生1cm～7cm的往复位移，可实 现渗流往复变动水头的变化幅值达2～12cm，且范围可连续可调，满足往复变动水 头的试验需求。在试验土槽1倾斜过程中，其内所填筑的水平土面将逐渐变得倾斜， 直至试验所需斜坡的坡度，该坡度连续可调0°～50°。

本装置的工作过程：

1)调节千斤顶22直至试验土槽1的底板完全水平，在试验土槽1底部铺设砂 砾石垫层4，填筑厚度为7cm，以粗砂找平后铺设一层不锈钢丝网3，接着分层填 土，填筑试验土体2长度45cm、厚度12cm，试验土体2顶面略高于坡面控制板5 的板顶，以抵消试验土体2饱和过程中发生的沉降；

2)关闭集沙筒底阀9，从连接软管11向试验土槽1慢速供水，直至加满为止， 待试验土体2含水量达到试验要求饱和度时，即可对坡面放水进行侵蚀试验，例如 饱和2天后可以试验；

3)慢速调节千斤顶22，直至试验土槽1倾斜后的土坡倾斜度达到设计值；

4)以坡面控制板5的板顶为基准，清除坡面多余试验土体2，接着打开集沙 筒底阀9，将集沙筒8中的泥沙排出，直至集沙筒8内为清水，关闭集沙筒底阀9；

5)关闭渗流控制阀19，运行激励激振器17，使水位调节件14位于最低点， 向渗流供水箱13加水至溢出为止；

6)调整渗流供水箱13的竖向位置，直至平均渗流水头△H满足设计要求；

7)打开激励激振器17电源，设置所需激励振动幅度、频率参数后，开始振动， 并同时开启渗水流量阀15和渗流控制阀19，调节渗水流量阀15，使供水流量略大 于渗流所需流量，即水位调节件14上下移动过程中，会有少量水从渗流供水箱13 溢出；

8)水位调节件14的上下移动将产生往复变动的渗流水头，在该往复变动水头 作用下坡面土体将逐渐被侵蚀，侵蚀产生的泥沙会向下滑落至集沙筒8，从而可实 时测读坡面土体的侵蚀沙量，试验中还可摄像采集坡面的土颗粒迁移、变形过程。

水下沙坡冲蚀变形的力学机制研究是河流、近海、海岸及海底地形地貌演变内 在机理研究的重要课题之一，尤其是切向水流与渗流联合作用下的土体侵蚀内在机 理研究亟待开展。本发明提出一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置， 目的是改进传统的渗流试验装置，运用于水下坡面的侵蚀试验，并专门适用于往复 变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验：以激励激振器17提供不同类型的往复变动 水头动力，其动力过程可根据要求自定义；以水下坡面的变形过程为信息采集数据， 以此分析往复变动水头作用特性与水下坡面变形过程之间的力学作用机制和规律。 该装置的实施，为水下坡面侵蚀的渗流作用试验提供了更加专业的试验装置，研究 成果可进一步完善水下坡面变形过程理论，且可应用于水下坡面的科学防护。