CN219266005U - 一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，包括现场流体收集盒(1)，循环水箱(2)，循环水管(11)，紊流控制器(3)，马达(4)，转轴(6)与紊流发生器(7)，所述的紊流发生器(7)含有六个叶片，固定在转轴(6)上，马达(4)与转轴(6)固定在固定盖(5)上，固定盖(5)通过螺纹连接于水流条件模拟装置(8)顶部，所述的水流条件模拟装置(8)底部设有层流模拟装置(9)，并通过螺纹连接土样盒(10)。与现有技术相比，装置简单，使用方便，可以进行原位的水土取样。

Description

一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统

技术领域

本实用新型涉及自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统。

背景技术

跨江海桥梁、海上风机、海上能源平台等工程的建设迅猛发展，关系到经济发展、能源利用与民生水平。但由于自然环境复杂，上述结构物的基础支撑体系极易因水流导致的冲刷作用，水毁带来的问题不容忽视，如何更好地解决涉水建筑的局部冲刷问题成为一项重大任务。目前国内外主要利用经验公式辅以波流水槽试验进行冲刷设计，但这一模式无法对冲刷进行深入的机理分析，并且由于简化和相似处理过多，预测结果常与实际有较大偏差；同时由于波流水槽试验所占空间大，操作复杂，十分不便。

涉水基础的冲刷特性十分复杂，在现场开展原位测试不仅需要耗费大量的人力物力，其结果还难以重复验证，无法取得预期效果，成为困扰行业技术人员的难题。实际上，冲刷的发展过程是水土界面持续的相互作用结果，如果可以在勘察设计阶段对其过程有充分认识，将有助于指导工程实践活动，避免在服役期间的破坏。然而，目前的相关设备或占据较大空间、难以直接安置使用，或无法用于原状土样的测试，或效率单一、流场简单、难以持续。因此，针对性地开发水土界面冲刷的持续性、多流速稳定流场测试设备极有必要。

为更好地进行水土界面中土体单元的冲刷测试，提出一种自转成涡型水土界面冲刷的多流速持续性模拟装置，其中关键技术是满足水土界面冲刷中原状土测试的可操作性、界面作用的可持续性和抗冲参数测量的灵活性。经调研，目前关于冲刷测量装置的专利技术如下：

1.一种评价土壤抗冲刷能力的装置与方法(CN105372140A)，该方法是在顶部受压底部受冲刷情况下，通过土壤冲刷量来评价土壤的抗冲刷能力，重点在于解决目前关于黄土崩解性测试方法的缺陷，并非水土交界表面作用。

2.测试土体抗冲刷能力的装置及方法(CN108344653A)，该方法通过土壤冲刷质量评价抗冲能力，装置仍然是大型波流水槽试验的理念，占据空间较大，不易操作，对水土界面的考虑不足；

3.一种对实体冲刷模拟实验装置及实验数据采集方法(CN104792945A)，该方法主要基于超声波手段，利用计算机实现对工程局部冲刷的监控，重点在于对堆石体进行冲刷观测，并非针对泥沙等河床材料。

4.一种测试土体或软岩抵抗波浪侵蚀能力的装置及方法(CN109580409A)，该方法同样基于波流水槽试验，仪器较大，重点在于抵抗波浪侵蚀能力的测试。上述发明专利均为涉及进行局部抗冲试验与抗冲参数测量的内容，所提及的方法无法满足对原位土体在冲刷过程中水土界面进行测试的需求，所采用的超声波手段无法在多种水流条件下开展。

发明内容

本实用新型的目的之一公开一种自转成涡型水土界面冲刷的多流速持续性模拟装置，性能好，测量精度高，可关注水土界面作用的习惯过程，持续性生成多流速流场。

本实用新型的目的之二就是为了弥补室内试验中关于原位土抵抗局部冲刷的参数测试的空白，提供一种简易的室内土体抗冲参数模拟装置。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，对制得的土样或现场取回的原位土样进行冲刷，其特征在，所述的模拟装置包括流体收集循环装置、水流条件模拟装置、土样收集装置。其中：

所述流体收集循环装置，包括现场流体收集盒、循环水箱、循环水管；所述现场流体收集盒用于采集和盛放试验液体，置于循环水箱便于携带；试验时循环水箱与水流条件模拟装置之间通过循环水管连接形成闭合回路；循环水箱配有动力源(举例：泵，图中未示意)用于驱动和维持动态流体回路的形成；

所述土样收集装置包括土样盒和环刀头；所述土样盒用于盛放土样，包括土盒环壁和土盒底盖，所述的环刀头用于采集原位待测土体；试验进程中的土样盒由土盒环壁与土盒底盖通过螺纹连接；

所述水流条件模拟装置安装于土样盒上层用于模拟流体侵蚀，包括紊流模拟装置和层流模拟装置，所述紊流模拟装置位于层流模拟装置之上；所述水流条件模拟装置还包括固定盖，通过螺纹连接固定在所述的水流条件模拟装置的顶部；所述紊流模拟装置包括紊流发生器、紊流控制器、马达、转轴；所述马达固定在固定盖中心，马达的一端与紊流控制器相连，另一端连接转轴；所述层流模拟装置是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，设置于紊流发生器底部，并通过螺纹连接土样盒；所述层流模拟装置一侧设有进水口，另一侧设有出水口，试验时其进水口通过循环水管与循环水箱的出水口相连，其出水口通过循环水管与循环水箱的进水口相连，如此构成整体水循环；层流模拟装置和整体水循环均由循环水箱中的造流机控制。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构一，用于创造水土界面以及在冲刷过程中提供土层附近的层流环境：所述的层流模拟装置的高h为10mm，其宽d与其所在的水流条件模拟装置的直径2r相同，都为94mm，通过所述的循环水管与所述的循环水箱相连，长度方向没有限定。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构二，通过以下具体设计参数的限定用于模拟不同局部流场的漩涡条件，创造所需最佳的紊流效果：

所述的紊流发生器设置有六个叶片，固定在转轴下部；叶片宽度W为30mm，叶片高度H为宽度W的1/2；叶片厚度N为4.5mm，叶片周向同高度且同角度间隙均布于转轴上，转轴直径D＝叶片宽度W，转轴直径与两个叶片宽度的和小于水流条件模拟装置的内径2r为94mm；自由液面的高度h_w为3cm。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构三：固定盖内表面有镂空，其作用在于能够连通所述的水流条件模拟装置内部和外部的气流环境，以保证内部气压的稳定。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，均匀开设4块镂空结构。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的固定盖内部、水流条件模拟装置顶端外侧及底端内侧、土样盒顶端的外侧均设有宽5mm的螺纹，用于各组件的螺纹旋合搭设。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，进一步地，所述的土盒环壁两端的外侧、土盒底盖的内侧和环刀头的内侧均设有宽5mm的螺纹，便于拆装连接；其中，所述的环刀头在需要原位取土时通过螺纹与土盒环壁连接，并于取土以后拆下环刀头，再安装所述的土盒底盖来取代。由于土样盒及其环刀头尺寸是标准化的，所以所述的土样盒取得的原位土样也可以进行各类土工试验，得到原位土的相关设计参数及其关系。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的水流条件模拟装置、层流模拟装置和土样盒材质，选择使用透明且具有高强度的材料，其作用在于能够保证在取样与测试环节中提供基础强度，便于观察测试的进程以及对于冲刷结果进行量测。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的现场流体收集盒和土样盒分别收集原位流体与土体试样，或者用于直接盛放试样。

本实用新型的试验仪具备灵活组装、调整更换，可以根据试验需要进行调整，除能够对原位土体进行局部冲刷试验外，所取土样也可以用于进行各类土工试验，得到原位土的相关设计参数及其关系，其占地小，操作方便，可对原位土体进行局部冲刷测试成为这一试验装置的实用特征。

本实用新型的试验仪不拘泥于传统的土体模拟装置器和方法，填补了原位土抗冲强度相关测试的空白，且仪器操作简单，占地面积小，可以满足原位或实验室模拟的需求，可以很好地测试土体的抗冲强度，为冲刷相关研究提供技术支持。

附图说明

图1(a)为本实用新型系统中装置的结构示意图：正视图；

图1(b)为本实用新型系统中装置的结构示意图：侧视图；

图2(a)为本实用新型装置中镂空设计示意图；

图2(b)为本实用新型装置作用机理示意图；

图3(a)为本实用新型装置的水流条件模拟装置：正视图；

图3(b)为本实用新型装置的水流条件模拟装置：俯视图；

图4为本实用新型装置的土样盒细部图与各组件细部图；

图5为本实用新型装置的紊流发生器与固定盖细部图；

图6为紊流发生器和转轴示意图；

图7为本实用新型系统的整体工作示意图；

图中，1为现场流体收集盒，2为循环水箱，3为紊流控制器，4为马达，5为固定盖，6为转轴，7为紊流发生器，8为水流条件模拟装置，9为层流模拟装置，11为循环水管，10为土样盒：12为土盒环壁，13为土盒底盖，14为环刀头

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

实施例1

一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，对制得的土样进行冲刷，其特征在，所述的模拟装置包括流体收集循环装置、水流条件模拟装置8、土样收集装置。其中：

所述流体收集循环装置，包括现场流体收集盒1、循环水箱2、循环水管11；所述现场流体收集盒1用于采集和盛放试验液体，置于循环水箱2便于携带；试验时循环水箱2与水流条件模拟装置8之间通过循环水管11连接形成闭合回路；循环水箱2配有动力源(举例：泵，图中未示意)用于驱动和维持动态流体回路的形成；

所述土样收集装置包括土样盒10和环刀头14；所述土样盒10用于盛放土样，包括土盒环壁12和土盒底盖13，所述的环刀头14用于采集原位待测土体；试验进程中的土样盒10由土盒环壁12与土盒底盖13通过螺纹连接；

所述水流条件模拟装置8安装于土样盒10上层用于模拟流体侵蚀，包括紊流模拟装置和层流模拟装置9，所述紊流模拟装置位于层流模拟装置9之上；

所述水流条件模拟装置8还包括固定盖5，通过螺纹连接固定在所述的水流条件模拟装置8的顶部，固定盖5材质为亚克力材料；

所述紊流模拟装置包括紊流发生器7、紊流控制器3、马达4、转轴6；所述马达4固定在固定盖5中心，马达4的一端与紊流控制器3相连，另一端连接转轴6；

所述层流模拟装置9是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，设置于紊流发生器7底部，并通过螺纹连接土样盒10；所述层流模拟装置9一侧设有进水口，另一侧设有出水口，试验时其进水口通过循环水管与循环水箱2的出水口相连，其出水口通过循环水管与循环水箱2的进水口相连，如此构成整体水循环；层流模拟装置9和整体水循环均由循环水箱2中的造流机控制；

由于所述紊流发生器7设计有叶片的结构：沿叶片长度方向角速度相同而线速度呈线性分布，所以位于外侧的土样受到涡流流速较大，内侧的相对较低，所以距圆柱形土样轴心距离不同的土体会表现出不同的冲刷响应，从圆柱形土样轴心向外侧会出现沉积区和侵蚀区，对应土体的临界剪切速度与叶片转速之间的相对关系。

进一步的，自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统：

还包括创新结构一，用于创造水土界面以及在冲刷过程中提供土层附近的层流环境：所述的层流模拟装置9的高h为10mm，其宽d与其所在的水流条件模拟装置8的直径2r相同，都为94mm，通过所述的循环水管11与所述的循环水箱2相连，长度方向没有限定；

同时的，还包括创新结构二，通过以下具体设计参数的限定用于模拟不同局部流场的漩涡条件，创造所需最佳的紊流效果：

所述的紊流发生器7设置有六个叶片，如图6所示，固定在转轴6下部；叶片宽度W为30mm，叶片高度H为宽度W的1/2；叶片厚度N为4.5mm，叶片周向同高度且同角度间隙均布于转轴6上，转轴直径D＝叶片宽度W，与2个叶片的宽度之和小于水流条件模拟装置8的内径2r为94mm，如图6所示；自由液面的高度h_w为3cm。

除了上述两个创新结构尺寸上的配合，同时本实用新型还包括创新结构三，从性能进一步支持上述设计，保证实用新型装置性能最优化。所述创新结构三具体为：固定盖5内表面有镂空，如图2(b)所示，其作用在于能够连通所述的水流条件模拟装置8内部和外部的气流环境，以保证内部气压的稳定。

材质上，所述的转轴6与紊流发生器7都为金属材料制成。

所述层流模拟装置9是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，设置于紊流发生器7底部，并通过螺纹连接土样盒10；所述层流模拟装置9一侧设有进水口，另一侧设有出水口，其进水口通过循环水管与循环水箱2的出水口相连，其出水口通过循环水管与循环水箱2的进水口相连，如此构成整体水循环。所述层流模拟装置9由亚克力材料一体化加工而成，使得能够对冲刷进程进行直接观察，并且方便后续相关数据的测量。现场流体收集盒1收集盛放现场流体或某种特定的流体模型后，安装于循环水箱2中，打开阀门调节出流模式创造出水土交界面并且尽量减少对土样的干扰，并根据试验需要将水的自由界面调整至所需高度h_w。层流模拟装置9和整体水循环均由循环水箱2中的造流机控制，可以在模拟土样受冲起动过程中输出层流，结合紊流发生器模拟冲刷过程中的局部水流结构，进而得到土样在冲刷作用下动态运移过程。

所述的土盒环壁12、土盒底盖13和环刀头14，全部由亚克力材料制成，保证强度的同时能够方便对冲刷进程进行观察。土样盒通过与环刀头的配合使用，实现了针对不同土质，均可集原位取土、存放土样和进行试验多功能于一体的目标，去除了不必要的周转装置，操作更加便捷。若无需取原位土，直接盛放土样，则无需使用环刀头14，可以直接将所述的土盒底盖13与土盒环壁12进行连接组合，再盛放土样以进行试验。利用螺纹连接，将土盒底盖13与土盒环壁12进行组合，将水流条件模拟装置8与土盒环壁组合，开启循环水箱2注入流体。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的固定盖5内部、水流条件模拟装置8顶端外侧及底端内侧、土样盒10顶端的外侧均设有宽5mm的螺纹，用于各组件的螺纹旋合搭设。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的土盒环壁12两端的外侧、土盒底盖13的内侧和环刀头14的内侧均设有宽5mm的螺纹，便于拆装连接；其中，所述的环刀头14在需要原位取土时通过螺纹与土盒环壁12连接，并于取土以后拆下环刀头14，再安装所述的土盒底盖13来取代。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的水流条件模拟装置8、层流模拟装置9和土样盒10材质，选择使用透明且具有高强度的材料，其作用在于能够保证在取样与测试环节中提供基础强度，便于观察测试的进程以及对于冲刷结果进行量测。

所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的现场流体收集盒1和土样盒10分别收集原位流体与土体试样，或者用于直接盛放试样。

相对于现有技术的进步：

如图1(a)、(b)所示，与背景技术中对比文件相比：去除了仪器支架，将紊流发生器7通过固定盖5直接与水流条件模拟装置8连接，更加一体化、易组装、易操作，轻便便携。与现有技术相比：体型大大缩小。如目前常用的波流水槽试验设备，尺寸基本为60m×1m×1.5m，使得便携性能、现场试验和原位土样布置难以实现。而本实用新型中，组装后如图1(a)、(b)所示的水流条件模拟装置的尺寸约为9cm×15cm×20cm，从而得以实现便携、现场试验和原位样品布置的功能，操作便捷，且适合大量生产使用。

如图4所示，与对比文件相比：

①此处的土样盒10通过与环刀头14的配合使用，实现了针对不同土质，均可集原位取土、存放土样和进行试验多功能于一体的目标。去除了不必要的周转装置，操作更加便捷。

②去除了水土分界隔板，利用控制初始进水流量布置水土界面，达到相同的布置水土分界面效果。

③全装置组件只有螺纹连接，方便牢固，实现了全装置的组合连接方式的统一。

④能够实现原位取土，能够更加真实的反映场地土体的抗冲刷特性。

如图6所示，与对比文件相比：

①直接固定于水流条件模拟装置上，整体性更好，操作性更强

②采用六瓣叶片，使得流场环境更加稳定

现有的技术常利用制造模拟波浪，来对土体直接进行冲刷，通过观察土样的冲刷形态和对应的造波流速来确定临界剪切速度，主要反应在特定模型布置下土体的冲刷进程。本实用新型利用紊流发生器的叶片旋转产生涡流，得到沿半径分布不同的流速，通过观察土样的冲刷沉积形态和对应的叶片转速，为研究人员提供用来确定临界剪切速度的试验数据，为研究人员实现得到直接针对土体的抗冲刷特性的科研目的。相比而言，本实用新型使用的方法为冲刷装置的轻便化和基于岩土特性的土体抗冲刷性能提供了有力的技术支持。

Claims (8)

1.一种自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，对制得的土样或由现场取回的原位土样进行冲刷试验，可关注水土交界面的冲刷细观发展过程，其特征在，该模拟系统包括流体收集循环装置、水流条件模拟装置(8)、土样收集装置，其中：

所述流体收集循环装置，包括现场流体收集盒(1)、循环水箱(2)、循环水管(11)；所述现场流体收集盒(1)用于采集和盛放试验液体，置于循环水箱(2)便于携带；试验时循环水箱(2)与水流条件模拟装置(8)之间通过循环水管(11)连接形成闭合回路；循环水箱(2)配有动力源用于驱动和维持动态流体回路的形成；

所述土样收集装置包括土样盒(10)和环刀头(14)；所述土样盒(10)用于盛放土样，包括土盒环壁(12)和土盒底盖(13)，所述的环刀头(14)用于采集原位待测土体；试验进程中的土样盒(10)由土盒环壁(12)与土盒底盖(13)通过螺纹连接；

所述水流条件模拟装置(8)安装于土样盒(10)上层用于模拟流体侵蚀，包括紊流模拟装置和层流模拟装置(9)，所述紊流模拟装置位于层流模拟装置(9)之上；所述水流条件模拟装置(8)还包括固定盖(5)，通过螺纹连接固定在所述的水流条件模拟装置(8)的顶部；所述紊流模拟装置包括紊流发生器(7)、紊流控制器(3)、马达(4)、转轴(6)；所述马达(4)固定在固定盖(5)中心，马达(4)的一端与紊流控制器(3)相连，另一端连接转轴(6)；所述层流模拟装置(9)是生成模拟层流流场并连通层流流场的区域，设置于紊流发生器(7)底部，并通过螺纹连接土样盒(10)；所述层流模拟装置(9)一侧设有进水口，另一侧设有出水口，试验时其进水口通过循环水管与循环水箱(2)的出水口相连，其出水口通过循环水管与循环水箱(2)的进水口相连，如此构成整体水循环系统；层流模拟装置(9)和整体水循环均由循环水箱(2)中的造流机控制。

2.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构一，用于创造水土界面以及在冲刷过程中提供土层附近的层流环境：所述的层流模拟装置(9)的高h为10mm，其宽d与其所在的水流条件模拟装置(8)的直径2r相同，都为94mm，通过所述的循环水管(11)与所述的循环水箱(2)相连，长度方向没有限定。

3.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构二，通过以下具体设计参数的限定用于模拟不同局部流场的漩涡条件，创造所需最佳的持续性紊流效果，可同时开展多流速测试：

所述的紊流发生器(7)设置有六个叶片，固定在转轴(6)下部；叶片宽度W为45mm，小于水流条件模拟装置(8)的内径2r为94mm，叶片高度H为宽度W的1/2；叶片厚度N为4.5mm，叶片周向同高度且同角度间隙均布于转轴(6)上，转轴直径D＝叶片宽度W，自由液面的高度h_w为3cm。

4.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，还包括创新结构三，所述结构三为：在所述的固定盖(5)内表面有镂空。

5.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的固定盖(5)内部、水流条件模拟装置(8)顶端外侧及底端内侧、土样盒(10)顶端的外侧均设有宽5mm的螺纹，用于各组件的螺纹旋合搭设。

6.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，进一步地，所述的土盒环壁(12)两端的外侧、土盒底盖(13)的内侧和环刀头(14)的内侧均设有宽5mm的螺纹，便于拆装连接；其中，所述的环刀头(14)在需要原位取土时通过螺纹与土盒环壁(12)连接，并于取土以后拆下环刀头(14)，再安装所述的土盒底盖(13)来取代。

7.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的水流条件模拟装置(8)、层流模拟装置(9)和土样盒(10)材质，选择使用透明且具有高强度的材料，其作用在于能够保证在取样与测试环节中提供基础强度，便于观察测试的进程以及对于冲刷结果进行量测。

8.根据权利要求1所述的自转成涡型水土界面冲刷侵蚀模拟系统，其特征在于，所述的现场流体收集盒(1)和土样盒(10)分别收集原位流体与土体试样，或者用于直接盛放试样。

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