專利名稱：一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)和巖土力學(xué)特性測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域， 特別涉及一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置和方法。
背景技術(shù)：
泥沙研究領(lǐng)域已經(jīng)從河道轉(zhuǎn)移到陸地，即河流泥沙發(fā)展到流域泥 沙，這是科研人員在泥沙研究上的一大飛躍。河流中的泥沙一方面來 自于河道的底部和兩側(cè)，另一方面來自陸地表面，即流域泥沙所研究 的內(nèi)容。泥沙還有一個(gè)重要的來源——岸堤及陸地的內(nèi)部，即來自地 下的泥沙，稱為地下泥沙。關(guān)于地下泥沙的研究屬于一個(gè)新的領(lǐng)域， 這一領(lǐng)域的具體工程表現(xiàn)為沖刷作用、水位漲落下地下泥沙的輸移 引起的岸堤穩(wěn)定性的降低及坍塌。目前研究較少，相關(guān)的測(cè)試測(cè)量方 法和設(shè)備還很少見到。
岸堤內(nèi)的泥沙由細(xì)到粗逐漸被岸堤內(nèi)潛水沖刷攜帶出岸堤，逐漸 形成很大的通道，通道坍塌，最終導(dǎo)致岸堤的枬塌。
土是由許多不同粒徑的細(xì)小顆粒組成，顆粒之間互相咬合、填充、 膠結(jié)等，土體中也有很多細(xì)小的通道、孔隙，當(dāng)有水滲透進(jìn)來時(shí)，粒 徑較小的顆粒將會(huì)在水力的作用下，隨水而走。進(jìn)而土體的孔隙、通 道逐漸加大，粒徑更大的顆粒有可能被繼續(xù)帶走，也有可能達(dá)到一種 穩(wěn)定狀態(tài)。這主要取決于土顆粒的受力，土體中的土顆粒受到水的浮 力、重力、其它顆粒的支撐力等，例如咬合力、摩擦力等。當(dāng)滲流土 體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，土中顆粒即達(dá)到一種穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。在這種平衡狀態(tài)下，土體孔隙比及現(xiàn)有土體的顆粒級(jí)配這兩個(gè)參數(shù)對(duì)研究地下 泥沙的輸移具有很重要的意義，通過這兩個(gè)參數(shù)結(jié)合水壓力、沖刷時(shí) 間，就可以對(duì)土體的力學(xué)參數(shù)及其穩(wěn)定性做出預(yù)測(cè)和判斷，為岸堤的 穩(wěn)定性做出評(píng)價(jià)。
在地下泥沙沖刷領(lǐng)域，目前國內(nèi)外還沒有相關(guān)的直接測(cè)量一定沖 刷狀態(tài)下孔隙比、顆粒級(jí)配及其分布的地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置 和方法。地下泥沙沖刷領(lǐng)域研究和工程設(shè)計(jì)需要一種用直接的方法， 保持原有沖刷狀態(tài)和取樣不擾動(dòng)鄰近測(cè)量點(diǎn)的情況下，測(cè)量地下 泥沙的孔隙比和顆粒級(jí)配及其分布的實(shí)驗(yàn)室地下泥沙沖刷模型實(shí) 驗(yàn)裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決用直接的方法，保持原有沖刷狀態(tài)和取樣 不擾動(dòng)鄰近測(cè)量點(diǎn)的情況下，測(cè)量地下泥沙的孔隙比和顆粒級(jí)配 及其分布，提供一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置和方法，其特征在
于，裝置由沖刷箱、固定臺(tái)201、傾斜裝置和冷凍箱組成，沖刷 箱固定在固定臺(tái)201上，傾斜裝置支撐固定臺(tái)201，傾斜裝置固 定在冷凍箱的底板上，沖刷箱、固定臺(tái)201和傾斜裝置安裝在冷 凍箱內(nèi)；所述冷凍箱由防溫隔熱箱體板401、冷凍箱上蓋和底板構(gòu) 成；所述沖刷箱，箱體的下板1012通過下板固定螺栓202固定在 固定臺(tái)201上，兩個(gè)側(cè)板102和左右兩個(gè)擋板103用四周板固定 螺栓1061固定在一起，上板1011和下板1012與側(cè)板102和擋 板103構(gòu)成沖刷箱箱體，用上下板固定螺栓1062固定在固定 臺(tái)201上，兩塊紗網(wǎng)板104置于上板1011和下板1012的凹槽中， 將沖刷箱分隔成左箱室108、中箱室109和右箱室110;固定臺(tái)
8201向下的平面上左邊有2個(gè)對(duì)稱分布的固定臺(tái)支撐板203,右邊 中心有1個(gè)傾斜固定臺(tái)支撐板304，固定臺(tái)支撐板203和傾斜固 定臺(tái)支撐板304上都有圓形轉(zhuǎn)軸孔，傾斜裝置兩個(gè)支柱302上端 用長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸3021分別和固定臺(tái)201的兩個(gè)固定臺(tái)支撐板203鉸鏈連 接，長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸3021與兩個(gè)支柱302固接，支柱302的下端與傾斜固 定臺(tái)301固接，上升降螺柱3031、升降螺套3032和下升降螺 柱3033通過螺紋連接組成升降支柱，升降支柱的上端用短轉(zhuǎn) 軸305和固定臺(tái)201右邊的傾斜固定臺(tái)支撐板304鉸鏈連接，短 轉(zhuǎn)軸305與升降螺柱3031固接，升降支柱的下端用短轉(zhuǎn)軸305 和傾斜固定臺(tái)301右邊的傾斜固定臺(tái)支撐板304鉸鏈連接，短轉(zhuǎn) 軸305與升降螺柱3033固接，傾斜固定臺(tái)301與冷凍箱的底板焊 接固定，轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺套3032調(diào)節(jié)升降支柱的高度，確定沖刷箱傾 斜角度；沖刷箱的擋板103上的沖刷箱輸水孔105和冷凍箱的冷 凍箱輸水孔402用輸水膠管107連接。 所述側(cè)板102為透明玻璃板。
所述冷凍箱，在兩塊側(cè)板102外側(cè)的防溫隔熱箱體板401上與側(cè) 板102高度和寬度相對(duì)應(yīng)部分為透明板。
所述上板1011和下板1012在與側(cè)板102和擋板103接觸處，上 板1011和下板1012都有凹槽，并在凹槽內(nèi)有橡膠墊片111。
所述紗網(wǎng)板104，紗網(wǎng)網(wǎng)格孔徑范圍不大于3毫米。紗網(wǎng)網(wǎng)格 孔徑大小根據(jù)沖刷泥沙的顆粒大小來決定，滿足支撐實(shí)驗(yàn)前泥沙 堆積要求，紗網(wǎng)網(wǎng)格孔徑要略大于最大泥沙顆粒的直徑，沖刷時(shí)泥沙能夠通過。
所述長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸3021與支柱302的固接為焊接，短轉(zhuǎn)軸305與升 降螺柱3031的固接為焊接，短轉(zhuǎn)軸305與升降螺柱3033的固接 為焊接。
所述沖刷箱傾斜角度的調(diào)節(jié)范圍為0° 46° 。按照沖刷箱傾 斜角度和進(jìn)水方向有3種沖刷方式，從傾斜的沖刷箱高端的沖刷箱 輸水孔105進(jìn)水沖刷為正向沖刷，從傾斜的沖刷箱低端的沖刷箱輸 水孔105進(jìn)水沖刷為反向沖刷，沖刷箱處于水平位置為水平?jīng)_刷。
沖刷箱的中箱室109盛放土樣或者沙樣,在左箱室108和右箱 室110內(nèi)放置大粒徑礫石或不放置大粒徑礫石，經(jīng)水沖刷后冷凍 箱對(duì)沖刷箱內(nèi)的處于沖刷狀態(tài)下的土樣或者是沙樣進(jìn)行冷凍，獲 得經(jīng)冷凍定形的左箱室108、中箱室109和右箱室110中的冷凍沖 刷試樣。
用地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置觀測(cè)地下泥沙沖刷的方法，具
體步驟為
步驟1)將冷凍箱的上蓋打開，調(diào)整升降支柱303高度，使固定 臺(tái)201為水平設(shè)置，去除上下板固定螺栓1062，打開上板1011，在 沖刷箱各箱室內(nèi)表面，即下板1012、側(cè)板102、擋板103以及上 板1011的箱室內(nèi)表面刷低溫潤(rùn)滑油；
步驟2)在沖刷箱的中箱室109內(nèi)放置土樣或沙樣，在左箱室108 和右箱室lio中內(nèi)放置大粒徑砑、石或不放置大粒徑礫石；在側(cè) 板102和擋板103上放置橡膠墊片111，蓋好上板1011，并旋緊上下板固定螺栓1062，將沖刷箱的左箱室108、中箱室109和右箱室110 封閉；
步驟3)按照實(shí)驗(yàn)的沖刷箱傾斜角度要求，轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺套3032， 調(diào)整固定臺(tái)201的傾角度；用輸水膠管107連接冷凍箱輸水孔402 和沖刷箱輸水孔105，按實(shí)驗(yàn)要求的沖刷方式設(shè)置冷凍箱輸水孔402 進(jìn)水方向，將進(jìn)水的冷凍箱輸水孔402與外部進(jìn)水管連接；
步驟4)按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置水壓，開啟水流，對(duì)沖刷箱內(nèi)的泥沙進(jìn) 行沖刷，觀察泥沙沖刷過程，或在透明側(cè)板處設(shè)置攝像機(jī)或照相機(jī)， 記錄沖刷過程；
步驟5)等沖刷達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉水流，停止沖刷， 并保持水壓，啟動(dòng)冷凍箱的冷凍設(shè)備，對(duì)沖刷箱進(jìn)行冷凍；
步驟6)冷凍完畢之后，開啟冷凍箱，將輸水膠管107脫離沖刷 箱輸水孔105，去除上下板固定螺栓1062，并輕擊上板1011，移去 上板IOII，去除下板固定螺栓202，輕擊沖刷箱，抬起下板1012， 將側(cè)板102、擋板103、紗網(wǎng)板104和各箱室內(nèi)冷凍的土樣或者沙 樣一起從冷凍箱取出，去除四周板固定螺栓1061，輕擊并拆掉側(cè) 板102和擋板103，通過切割將紗網(wǎng)板104取出，得到經(jīng)冷凍定 形的左箱室108、中箱室109和右箱室110中的冷凍沖刷試樣；
步驟7)對(duì)中箱室109內(nèi)的冷凍沖刷試樣進(jìn)行網(wǎng)格標(biāo)記定位，再 經(jīng)切割得到各點(diǎn)位處的二級(jí)冷凍小試樣；
步驟8)對(duì)二級(jí)冷凍小試樣進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量、解凍、稱量、篩分， 得到二級(jí)冷凍小試樣的級(jí)配、孔隙度，并根據(jù)二級(jí)冷凍小試樣的分布，得到?jīng)_刷狀態(tài)下的地下泥沙沖刷模型的級(jí)配和孔隙度的分布。
所述實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)有沖刷時(shí)間、土樣或沙樣高度變化、不同 進(jìn)出水方式、不同進(jìn)水壓力，以及上述兩個(gè)或兩個(gè)以上狀態(tài)的組
合°
所述土樣或沙樣為按照中箱室109大小切割的原狀或?yàn)榕R時(shí)堆 置的樣品，或者按實(shí)驗(yàn)要求將中箱室109空間填滿泥沙或填置一部分 泥沙，并按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定孔隙比和級(jí)配。
本發(fā)明用冷凍的方法獲得固體狀態(tài)的地下泥沙沖刷試樣，這種試 樣真實(shí)模擬了地下泥沙沖刷狀態(tài)，所獲觀測(cè)數(shù)據(jù)具有水力學(xué)及河流動(dòng) 力學(xué)和巖土力學(xué)工程應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明的有益效果為能夠用直接的方法測(cè)得一定水壓下不同沖
刷狀態(tài)地下泥沙的孔隙比分布、顆粒級(jí)配分布。在河道防洪治理中，
需要人為堆填泥土、沙石來筑壩、筑堤，通過本發(fā)明的裝置和觀測(cè)方
法就可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，為防洪治理工程提供參考和依
據(jù)。具有原理明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意主視圖； 圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意左視圖； 圖3圖1中A—A截面俯視圖； 圖4為圖1中B—B截面仰視圖5為圖2中III處的放大圖即上板與側(cè)板裝配放大圖； 圖6為圖2中IV處的放大圖即下板與側(cè)板裝配放大圖； 圖7為圖1中I處的放大圖即上板與擋板裝配放大圖；圖8為圖1中II處的放大圖即下板與擋板裝配放大圖。
圖中，1011—上板，1012—下板，102—側(cè)板，103—擋板，104— 紗網(wǎng)板，105-沖刷箱輸水孔，1061 —四周板固定螺栓，1062—上下 板固定螺栓，107—輸水膠管，108—左箱室，109—中箱室，110—右箱 室，lll--橡膠墊片，201 —固定臺(tái)，202—下板固定螺栓，203—固定 臺(tái)支撐板，301—傾斜固定臺(tái)，302—支柱，3021—長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸，303—升 降支柱，3031—上升降螺柱，3032-升降螺套，3033—下升降螺柱， 304—傾斜固定臺(tái)支撐板，305—短轉(zhuǎn)軸，401—防溫隔熱箱體板，402— 冷凍箱輸水孔。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置和方法，下面結(jié)合 實(shí)施例的附圖，說明本發(fā)明的具體實(shí)施方式
。
如圖1和圖2所示，裝置由沖刷箱、固定臺(tái)201、傾斜裝置和 冷凍箱組成。
沖刷箱用于盛放土樣或者沙樣，并在此箱內(nèi)進(jìn)行地下泥沙的沖刷 模型實(shí)驗(yàn)。箱體下板1012用下板固定螺栓202固定在固定臺(tái)201上， 兩個(gè)側(cè)板102和左右兩個(gè)擋板103用四周板固定螺栓1061固定在一 起，上板1011和下板1012與兩個(gè)側(cè)板102和左右兩塊擋板103組成 沖刷箱，并通過上下板固定螺栓1062固定在固定臺(tái)201上。側(cè)板102 與擋板103接觸的部分有橡膠墊，以緊固密合，防止漏水。如圖5 所示，上板1011與側(cè)板102的結(jié)合處為凹槽結(jié)構(gòu)，并在凹槽內(nèi)設(shè)置 有橡膠墊片lll，達(dá)到側(cè)板定位和密封防止漏水要求。側(cè)板102為透 明玻璃板，可以直接觀察到內(nèi)部的沖刷情況。同樣，如圖6所示，下 板1012與側(cè)板102的結(jié)合處為凹槽結(jié)構(gòu)，并在凹槽內(nèi)設(shè)置有橡膠墊片lll，如圖7和圖8所示，擋板103與上板1011及與下板1012的 結(jié)合處為凹槽結(jié)構(gòu)，并在凹槽內(nèi)設(shè)置有橡膠墊片111。兩個(gè)紗網(wǎng)板104 位于沖刷箱的箱室內(nèi)，將沖刷箱的箱室分為左箱室108、中箱室109 和右箱室IIO，如圖3所示。擋板103有多個(gè)沖刷箱輸水孔105，其 數(shù)量及分布由裝置大小決定，本實(shí)施例每塊擋板103上有16個(gè)沖刷 箱輸水孔105，并均勻分布，沖刷箱輸水孔105是沖刷箱的進(jìn)水或排 水的通道，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，如果是起到進(jìn)水作用稱為進(jìn)水孔，如果是 起到排水作用，稱為排水孔。紗網(wǎng)板104放置在上板1011和下板1012 的凹槽內(nèi)，凹槽為紗網(wǎng)板104定位，紗網(wǎng)板上有一定孔徑大小的紗網(wǎng)， 用于支撐實(shí)驗(yàn)用的土樣或者沙洋。將實(shí)驗(yàn)用土樣或者沙樣放置于中箱 室109中，在左箱室108和右箱室110中根據(jù)需要放置大粒徑礫石 或不放置大粒徑礫石。兩邊的左箱室108和右箱室110可以對(duì)進(jìn)水 或者出水的水流起到調(diào)節(jié)和緩沖的作用，減小邊界效應(yīng)，同時(shí)排水側(cè) 的左箱室108或右箱室IIO可以容納沉淀一部分從中箱室109輸出的 泥沙，以防止堵塞排水孔。
固定臺(tái)201用于固定沖刷箱，下板固定螺栓202將沖刷箱固 定在固定臺(tái)201上。
傾斜裝置用于將沖刷箱傾斜并保持一定角度，以滿足不同角 度實(shí)驗(yàn)的需求。如圖4所示，兩個(gè)支柱302下端固接在傾斜固定 臺(tái)301上，上端用長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸3021和固定臺(tái)支撐板203鉸鏈連接。升 降支柱的下端通過短轉(zhuǎn)軸305和傾斜固定臺(tái)301右邊的傾斜固定 臺(tái)支撐板304鉸鏈連接，升降支柱的上端通過短轉(zhuǎn)軸305和固定臺(tái)201右邊的傾斜固定臺(tái)支撐板304鉸鏈連接。兩個(gè)支柱302和 升降支柱支撐固定臺(tái)201。升降支柱由升降螺套3032通過螺紋連 接升降螺柱3031和升降螺柱3033構(gòu)成，升降螺套3032可以轉(zhuǎn)動(dòng)，
使得升降支柱上升或者是下降，來達(dá)到?jīng)_刷箱的實(shí)驗(yàn)傾斜角度要 求。長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸3021與支柱302焊接，升降螺柱3031與短轉(zhuǎn)軸305 焊接，升降螺柱3033與短轉(zhuǎn)軸305焊接。
冷凍箱用于盛放沖刷箱、固定臺(tái)201和傾斜裝置，對(duì)沖刷箱內(nèi) 沖刷土樣或沙洋進(jìn)行降溫冷凍。傾斜固定臺(tái)301與冷凍箱底板焊接固 定在一起。防溫隔熱箱體板401與側(cè)板102高度和寬度相對(duì)應(yīng)部分 為透明板，以便于觀察沖刷箱內(nèi)的沖刷情況，防溫隔熱箱體板401 上與左右兩塊擋板103對(duì)應(yīng)部分有冷凍箱輸水孔402，用輸水膠 管107將擋板103上的沖刷箱輸水孔105與冷凍箱輸水孔402相連 接，并將冷凍箱輸水孔402與外部水管聯(lián)通。
設(shè)備安裝完成以后，進(jìn)行地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。以下是 測(cè)試土樣或沙樣高度變化的實(shí)施例，實(shí)驗(yàn)要求為土樣高度下 降20%，具體步驟如下
(1) 將冷凍箱的上蓋打開，調(diào)整升降支柱303高度，使固定 臺(tái)201為水平設(shè)置，去除上下板固定螺栓1062，打開上板1011，在 沖刷箱各箱室內(nèi)表面，即下板1012、側(cè)板102、擋板103以及上 板1011的箱室內(nèi)表面刷低溫潤(rùn)滑油；
(2) 在沖刷箱的中箱室109內(nèi)放置土樣，土樣按實(shí)驗(yàn)要求為將 中箱室109空間堆滿，并按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定孔隙比和級(jí)配，在左箱室108和右箱室110中內(nèi)放置大粒徑礫石；在側(cè)板102和擋板103 上放置橡膠墊片111，蓋好上板1011，并旋緊上下板固定螺栓1062， 將沖刷箱的左箱室108、中箱室109和右箱室110封閉；
(3) 按照實(shí)驗(yàn)的沖刷箱傾斜角度要求，轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺套3032， 調(diào)整固定臺(tái)201的傾角度；用輸水膠管107連接冷凍箱輸水孔402 和沖刷箱輸水孔105，按實(shí)驗(yàn)要求的沖刷方式設(shè)置冷凍箱輸水孔402 進(jìn)水方向，將進(jìn)水的冷凍箱輸水孔402與外部進(jìn)水管連接；
(4) 按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置水壓，開啟水流，對(duì)沖刷箱內(nèi)的泥沙進(jìn)行 沖刷，觀察泥沙沖刷過程，或在透明側(cè)板處設(shè)置攝像機(jī)或照相機(jī)，記 錄沖刷過程；
(5) 等沖刷達(dá)到土樣高度下降20%實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉水 流，停止沖刷，并保持沖刷箱內(nèi)的水位；啟動(dòng)冷凍設(shè)備，對(duì)沖刷箱進(jìn) 行冷凍；
(6) 冷凍完畢之后，開啟冷凍箱，將輸水膠管107拔開脫離沖 刷箱輸水孔105，去除上下板固定螺栓1062，并輕擊上板1011，移 去上板1011，去除下板固定螺栓202，輕擊沖刷箱，抬起下板1012， 將側(cè)板102、擋板103、紗網(wǎng)板104和各箱室內(nèi)冷凍的土樣一起從 冷凍箱取出，去除四周板固定螺栓1061，輕擊并拆掉側(cè)板102和 擋板103，通過切割將紗網(wǎng)板104取出，得到經(jīng)冷凍定形的左箱 室108、中箱室109和右箱室110中的冷凍沖刷試樣；
(7) 對(duì)中箱室109內(nèi)的冷凍沖刷試樣進(jìn)行網(wǎng)格標(biāo)記定位，再經(jīng) 切割得到各點(diǎn)位處的二級(jí)冷凍小試樣；(8)對(duì)二級(jí)冷凍小試樣進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量、解凍、稱量、篩分，得 到二級(jí)冷凍小試樣的級(jí)配、孔隙度，并根據(jù)二級(jí)冷凍小試樣的分布， 得到土樣高度下降20%沖刷狀態(tài)下的地下泥沙的級(jí)配和孔隙度的分布。
本發(fā)明解決了用直接的方法，保持原有沖刷狀態(tài)和取樣不擾動(dòng) 臨近測(cè)量點(diǎn)的情況下，測(cè)量地下泥沙的孔隙比和顆粒級(jí)配及其分 布，具有原理明確、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便的特點(diǎn)。通過本發(fā)明的裝置 和觀測(cè)方法就可以在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)，為河道 防洪治理的人為堆填泥土、沙石來筑壩、筑堤提供參考和依據(jù)。適用 于地下泥沙沖刷的實(shí)驗(yàn)室研究。
權(quán)利要求
1.一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，裝置由沖刷箱、固定臺(tái)(201)、傾斜裝置和冷凍箱組成，沖刷箱固定在固定臺(tái)(201)上，傾斜裝置支撐固定臺(tái)(201)，傾斜裝置固定在冷凍箱的底板上，沖刷箱、固定臺(tái)(201)和傾斜裝置安裝在冷凍箱內(nèi)；所述冷凍箱由防溫隔熱箱體板(401)、冷凍箱上蓋和底板構(gòu)成；所述沖刷箱，箱體下板(1012)用下板固定螺栓(202)固定在固定臺(tái)(201)上，兩個(gè)側(cè)板(102)和左右兩個(gè)擋板(103)用四周板固定螺栓(1061)固定在一起，上板(1011)和下板(1012)與側(cè)板(102)和擋板(103)構(gòu)成沖刷箱箱體，通過上下板固定螺栓(1062)固定在固定臺(tái)(201)上，兩塊紗網(wǎng)板(104)置于上板(1011)和下板(1012)的凹槽中，將沖刷箱分隔成左箱室(108)、中箱室(109)和右箱室(110)；固定臺(tái)(201)向下的平面上左邊有兩個(gè)對(duì)稱分布的固定臺(tái)支撐板(203)，右邊中心有一個(gè)傾斜固定臺(tái)支撐板(304)，固定臺(tái)支撐板(203)和傾斜固定臺(tái)支撐板(304)上都有圓形轉(zhuǎn)軸孔，傾斜裝置兩個(gè)支柱(302)上端用長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸(3021)和固定臺(tái)支撐板(203)鉸鏈連接，長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸(3021)與兩個(gè)支柱(302)固接，支柱(302)的下端與傾斜固定臺(tái)(301)固接，上升降螺柱(3031)、升降螺套(3032)和下升降螺柱(3033)通過螺紋連接組成升降支柱，升降支柱的上端用短轉(zhuǎn)軸(305)和固定臺(tái)(201)右邊的傾斜固定臺(tái)支撐板(304)鉸鏈連接，短轉(zhuǎn)軸(305)與升降螺柱(3031)固接，升降支柱的下端用短轉(zhuǎn)軸(305)和傾斜固定臺(tái)(301)右邊的傾斜固定臺(tái)支撐板(304)鉸鏈連接，短轉(zhuǎn)軸(305)與升降螺柱(3033)固接，傾斜固定臺(tái)(301)與冷凍箱的底板焊接固定；沖刷箱的擋板(103)上的沖刷箱輸水孔(105)和冷凍箱的冷凍箱輸水孔(402)用輸水膠管(107)連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述側(cè)板'(102)為透明玻璃板。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述冷凍箱，在兩塊側(cè)板(102)外側(cè)的防溫隔熱箱體 板(401)上與側(cè)板(102)高度和寬度相對(duì)應(yīng)部分為透明板。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述上板(1011)和下板(1012)在與側(cè)板(102)和擋 板(103)接觸處，上板(1011)和下板(1012)都有凹槽，并在凹 槽內(nèi)有橡膠墊片(111)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述紗網(wǎng)板(104)，紗網(wǎng)網(wǎng)格孔徑范圍為不大于3毫 米。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其 特征在于，所述長(zhǎng)轉(zhuǎn)軸(3021)與支柱(302)的固接為焊接，短轉(zhuǎn)軸(305)與升降螺柱(3031)的固接為焊接，短轉(zhuǎn)軸(305)與升降螺柱(3033)的固接為焊接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置，其特征在于，所述沖刷箱傾斜角度的調(diào)節(jié)范圍為0° 46。。
8. —種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，用地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置觀測(cè)地下泥沙沖刷的方法，具體步驟為步驟l)將冷凍箱的上蓋打開，調(diào)整升降支柱(303)高度，使固定臺(tái)(201)為水平設(shè)置，去除上下板固定螺栓(1062)，打開上板(1011)，在沖刷箱各箱室內(nèi)表面，即下板(1012)、側(cè)板(102)、擋板(103)以及上板(1011)的箱室內(nèi)表面刷低溫潤(rùn)滑油；步驟2)在沖刷箱的中箱室(109)內(nèi)放置土樣或沙樣，在左箱室(108)和右箱室(110)中內(nèi)放置大粒徑礫石或不放置大粒徑礫石；在側(cè)板(102)和擋板(103)上放置橡膠墊片(111)，蓋好上板(1011)，并旋緊上下板固定螺栓(1062)，將沖刷箱的左箱室(108)、中箱室(109)和右箱室(110)封閉；步驟3)按照實(shí)驗(yàn)的沖刷箱傾斜角度要求，轉(zhuǎn)動(dòng)升降螺套(3032)，調(diào)整固定臺(tái)(201)的傾角度；用輸水膠管(107)連接冷凍箱輸水孔(402)和沖刷箱輸水孔(105)，按實(shí)驗(yàn)要求的沖刷方式設(shè)置冷凍箱輸水孔(402)進(jìn)水方向，將進(jìn)水的冷凍箱輸水孔(402)與外部進(jìn)水管連接；步驟4)按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)置水壓，開啟水流，對(duì)沖刷箱內(nèi)的泥沙進(jìn)行沖刷，觀察泥沙沖刷過程，或在透明側(cè)板處設(shè)置攝像機(jī)或照相機(jī)，記錄沖刷過程；步驟5)等沖刷達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)時(shí)，關(guān)閉水流，停止沖刷，并保持水壓，啟動(dòng)冷凍箱的冷凍設(shè)備，對(duì)沖刷箱進(jìn)行冷凍；步驟6)冷凍完畢之后，開啟冷凍箱，將輸水膠管(107)脫離沖刷箱輸水孔(105)，去除上下板固定螺栓(1062)，并輕擊上板(1011)，移去上板(1011)，去除下板固定螺栓(202)，輕擊沖刷箱，抬起下板(1012)，將側(cè)板(102)、擋板(103)、紗網(wǎng)板(104)和各箱室內(nèi)冷凍的土樣或者沙樣一起從冷凍箱取出，去除四周板固定螺栓(1061)，輕擊并拆掉側(cè)板(102)和擋板(103)，通過切割取出紗網(wǎng)板(104)，得到經(jīng)冷凍定形的左箱室(108)、中箱室(109)和右箱室(110)中的冷凍沖刷試樣；步驟7)對(duì)中箱室(109)內(nèi)的冷凍沖刷試樣進(jìn)行網(wǎng)格標(biāo)記定位，再經(jīng)切割得到各點(diǎn)位處的二級(jí)冷凍小試樣；步驟8)對(duì)二級(jí)冷凍小試樣進(jìn)行單獨(dú)測(cè)量、解凍、稱量、篩分，得到二級(jí)冷凍小試樣的級(jí)配、孔隙度，并根據(jù)二級(jí)冷凍小試樣的分布，得到?jīng)_刷狀態(tài)下的地下泥沙沖刷模型的級(jí)配和孔隙度的分布。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述實(shí)驗(yàn)要求的狀態(tài)有沖刷時(shí)間、土樣或沙樣高度變化、不同進(jìn)出水方式、不同進(jìn)水壓力，以及上述兩個(gè)或兩個(gè)以上狀態(tài)的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)方法，其特征在于，所述土樣或沙樣為按照中箱室(109)大小切割的原狀樣品或?yàn)榕R時(shí)堆置的樣品，或者按實(shí)驗(yàn)要求將中箱室(109)填滿泥沙或填置一部分泥沙，并按實(shí)驗(yàn)要求設(shè)定孔隙比和級(jí)配。
全文摘要
本發(fā)明屬于水力學(xué)及河流動(dòng)力學(xué)和巖土力學(xué)特性測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)裝置和方法。裝置由沖刷箱、固定臺(tái)、傾斜裝置和冷凍箱組成。在沖刷箱內(nèi)放置或堆置實(shí)驗(yàn)土樣或沙樣，封閉沖刷箱，開啟水流進(jìn)行地下泥沙模型實(shí)驗(yàn)的沖刷，可拍攝記錄沖刷過程。沖刷達(dá)到一定實(shí)驗(yàn)狀態(tài)，關(guān)閉水流并保持原水壓，然后由冷凍箱對(duì)沖刷箱及沖刷試樣進(jìn)行冷凍，再對(duì)冷凍沖刷試樣網(wǎng)格標(biāo)記定位和切割，進(jìn)行二級(jí)冷凍小試樣單獨(dú)測(cè)量、解凍、稱量、篩分，得到?jīng)_刷狀態(tài)下的地下泥沙沖刷模型的級(jí)配和孔隙度的分布。本發(fā)明在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行地下泥沙沖刷模型實(shí)驗(yàn)，為河道防洪治理的人為堆填泥土，沙石筑壩、筑堤提供參考和依據(jù)，應(yīng)用于地下泥沙沖刷的實(shí)驗(yàn)室研究。
文檔編號(hào)G01N1/28GK101666720SQ200910092249
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者傅旭東, 吳保生, 孫即超, 王光謙, 魏加華 申請(qǐng)人:清華大學(xué)