本發(fā)明涉及一種模擬海床滲流影響下沉積物再懸浮的環(huán)形水槽裝置，屬于海洋工程地質(zhì)與沉積動(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的工程性質(zhì)測(cè)試與研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

海床沉積物在水動(dòng)力作用下的侵蝕再懸浮過程一直是海洋工程地質(zhì)與沉積動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域中的關(guān)鍵問題。研究表明：沉積物的臨界侵蝕強(qiáng)度會(huì)受到海床滲流作用的影響，甚至在滲流強(qiáng)度足夠大時(shí)，引起海床液化，海床滲流作用對(duì)沉積物再懸浮的影響不容忽視。嚴(yán)重的海底侵蝕會(huì)導(dǎo)致管纜的暴露、懸空甚至斷裂，引發(fā)溢油、井噴等工程事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，海底侵蝕的發(fā)生機(jī)制、定量評(píng)估與防治措施等問題一直受到海洋工程地質(zhì)學(xué)家與沉積學(xué)家的關(guān)注。

環(huán)形水槽是海洋與水利科學(xué)研究中的常用工具之一。目前與環(huán)形水槽相關(guān)的發(fā)明與實(shí)用新型專利主要分為3類：(1)用于流速測(cè)量?jī)x器的標(biāo)定，例如：中國(guó)人民解放軍理工大學(xué)設(shè)計(jì)的“用于便攜式流速儀檢定的環(huán)形水槽”(201620556240.4)；(2)用于流體力學(xué)性質(zhì)的模擬與研究，例如：同濟(jì)大學(xué)設(shè)計(jì)了“利用環(huán)形水槽模擬天然河道水流特性的裝置”(201310120205.9)；北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院設(shè)計(jì)了“利用環(huán)形水槽模擬天然河道水流特性的裝置”(201520155123.2)；(3)用于流體與沉積物相互作用方面的科學(xué)研究，例如：上海大學(xué)設(shè)計(jì)了“一種模擬底泥污染物再懸浮釋放的環(huán)形水槽裝置”(201410057326.8)；上海河口海岸科學(xué)研究中心設(shè)計(jì)了“一種全自動(dòng)測(cè)量及控制試驗(yàn)用環(huán)形水槽”(201320475851.2)；河海大學(xué)設(shè)計(jì)了“環(huán)形水槽模擬風(fēng)浪擾動(dòng)下水下沉積物再懸浮的方法及裝置”(200710025671.3)和環(huán)形水槽模擬懸沙及床沙吸附污染物裝置(201320818449.X)；天津水運(yùn)工程勘察設(shè)計(jì)院交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所設(shè)計(jì)了“用于泥沙動(dòng)水沉降實(shí)驗(yàn)的環(huán)形水槽”(201520171404.7)。這些用于科學(xué)研究的環(huán)形水槽都針對(duì)具體的科學(xué)問題，有著獨(dú)特的設(shè)計(jì)。目前對(duì)于該科學(xué)問題的探索，鮮有精細(xì)的定量化研究。本方法的構(gòu)建與裝置的設(shè)計(jì)則旨在為該科研工作的進(jìn)步提供一種手段。本發(fā)明也同樣屬于一種針對(duì)具體科學(xué)問題--海床滲流影響下沉積物再懸浮過程--而專門設(shè)計(jì)的一種環(huán)形水槽裝置，由于本發(fā)明裝置針對(duì)的科學(xué)問題相對(duì)前沿，目前還尚未見到直接相關(guān)的專利。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于設(shè)計(jì)一種既能夠測(cè)試沉積物臨界侵蝕特性，又可以研究不同強(qiáng)度的滲流作用下沉積物再懸浮特征的裝置——模擬海床滲流影響下沉積物再懸浮的環(huán)形水槽裝置，以在室內(nèi)模擬海床內(nèi)部滲流影響下的沉積物再懸浮過程。

模擬海床滲流影響下沉積物再懸浮的環(huán)形水槽裝置，其特征在于包括鋼結(jié)構(gòu)支架和帶有造流系統(tǒng)的環(huán)形水流槽，所述的造流系統(tǒng)由電機(jī)與造流滾輪組成，能夠在環(huán)形水流槽中制造不同速度的水流；環(huán)形水流槽中嵌有多個(gè)土槽與一個(gè)原裝土樣測(cè)試槽，其中土槽用于填充不同粒徑、含水率等土工性質(zhì)的沉積物，以模擬天然海床，原裝土樣測(cè)試槽用于填充原狀沉積物樣品，開展原狀沉積物的土工性質(zhì)測(cè)試工作；當(dāng)水流流經(jīng)兩槽上方時(shí)，可將部分沉積物顆粒起動(dòng)，使其再懸浮進(jìn)入上覆水體，并隨水流輸運(yùn)；環(huán)形水流槽中還固定有懸沙濃度傳感器與水流流速傳感器，可持續(xù)記錄水體中的懸沙濃度與流速變化；所述土槽內(nèi)還裝有水壓平衡沙袋；環(huán)形水流槽將滲流量筒環(huán)繞在中央，滲流量筒用于填充不同高度的水頭，并通過導(dǎo)水管連通至各個(gè)土槽以及原裝土樣測(cè)試槽底部，以將水壓力施加到土槽/原裝土樣測(cè)試槽底部，進(jìn)入水壓平衡沙袋，進(jìn)而作用于土槽/原裝土樣測(cè)試槽底部，以施加滲流梯度，所述導(dǎo)水管上帶閥門。

所述的造流滾輪為圓柱型層板式的造流滾輪，能夠在更為有效的再環(huán)形水流槽中制造不同速度的水流。

所述的環(huán)形水流槽由透明亞克力材料制作，可以將試驗(yàn)中發(fā)生的懸沙現(xiàn)象進(jìn)行直觀的觀察、拍照或錄像。

所述的環(huán)形水流槽當(dāng)中至少嵌有兩個(gè)相同設(shè)計(jì)的土槽，可以在開展平行實(shí)驗(yàn)(例如滲透破壞實(shí)驗(yàn))，提高實(shí)驗(yàn)效率。

所述的固定于水槽當(dāng)中的懸沙濃度傳感器與水流流速傳感器，兩者結(jié)合使用可用于沉積物臨界侵蝕流速/剪切應(yīng)力，再懸浮/侵蝕系數(shù)的判定與推算。

所述的固定在環(huán)形水槽中央的滲流量筒上設(shè)有刻度。根據(jù)刻度值施加不同大小的水頭；并在導(dǎo)水管的牽引下將水壓力施加到土槽/原裝土樣測(cè)試槽底部；所述的水壓平衡沙袋，可以保證水壓力進(jìn)入土槽之后在沙層中水平擴(kuò)散，然后相對(duì)均勻地作用在整個(gè)土床底面，防止局部滲透破壞的發(fā)生。

所述的鋼結(jié)構(gòu)支架底部設(shè)有萬向滾輪。

環(huán)形水槽中可通過發(fā)電機(jī)與旋轉(zhuǎn)滾輪制造不同流速的水流，水流作用于土槽中的土床之上，引起表層沉積物的再懸??；環(huán)形水槽中間的水頭施加量筒可將不同大小的水頭差加載在土床底部，引起海床內(nèi)部滲流；通過表層水流水平?jīng)_刷與海床內(nèi)部垂向滲流的耦合模擬，可以探索不同程度的海床滲流對(duì)沉積物再懸浮的影響。為了保證底部滲流梯度的均勻性，本發(fā)明裝置在土槽底部加設(shè)了沙袋，其中的砂層鋪設(shè)可以使進(jìn)入土槽的水壓力很好地達(dá)到平面擴(kuò)散，從而使得滲流梯度的均勻性。本裝置十分便捷，整個(gè)裝置可以在支架的輔助下自由移動(dòng)。本裝置可以自由控制變量，深入地探索該科學(xué)問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的立體圖。

圖2是本發(fā)明的環(huán)形水流槽的立體圖。

圖3是本發(fā)明的主視圖。

圖4是本發(fā)明的側(cè)視圖。

圖5是本發(fā)明的俯視圖。

其中，1、電機(jī)，2、造流滾輪，3、環(huán)形水流槽，4、土槽，5、原裝土樣測(cè)試槽，6、懸沙濃度傳感器，7、水流流速傳感器，8、滲流量筒，9、導(dǎo)水管，10、水壓平衡沙袋，11、鋼結(jié)構(gòu)支架，12、萬向滾輪。

具體實(shí)施方式

如圖1-5，模擬海床滲流影響下沉積物再懸浮的環(huán)形水槽裝置，其特征在于包括鋼結(jié)構(gòu)支架11和帶有造流系統(tǒng)的環(huán)形水流槽3，所述的造流系統(tǒng)由電機(jī)1與造流滾輪2組成，能夠在環(huán)形水流槽3中制造不同速度的水流；環(huán)形水流槽3中嵌有多個(gè)土槽4與一個(gè)原裝土樣測(cè)試槽，其中土槽4中，可以填充不同粒徑、含水率等土工性質(zhì)的沉積物，以模擬天然海床，原裝土樣測(cè)試槽5中，可以填充原狀沉積物樣品，開展原狀沉積物的土工性質(zhì)測(cè)試工作；當(dāng)水流流經(jīng)兩槽上方時(shí)，可將部分沉積物顆粒起動(dòng)，使其再懸浮進(jìn)入上覆水體，并隨水流輸運(yùn)；環(huán)形水流槽3中還固定有懸沙濃度傳感器6與水流流速傳感器7，可持續(xù)記錄水體中的懸沙濃度與流速變化；所述土槽4內(nèi)還裝有水壓平衡沙袋10；環(huán)形水流槽3將滲流量筒8環(huán)繞在中央，滲流量筒8用于填充不同高度的水頭，并通過導(dǎo)水管9連通至各個(gè)土槽4以及原裝土樣測(cè)試槽5底部，以將水壓力施加到土槽4/原裝土樣測(cè)試槽5底部，進(jìn)入水壓平衡沙袋10，進(jìn)而作用于土槽4/原裝土樣測(cè)試槽5底部，以施加滲流梯度，所述導(dǎo)水管9上帶閥門。

所述的造流滾輪2為圓柱型層板式的造流滾輪2，能夠在更為有效的再環(huán)形水流槽3中制造不同速度的水流。

如圖1，所述的環(huán)形水流槽3由透明亞克力材料制作，可以將試驗(yàn)中發(fā)生的懸沙現(xiàn)象進(jìn)行直觀的觀察、拍照或錄像。

如圖1、2、5，所述的環(huán)形水流槽3當(dāng)中至少嵌有兩個(gè)相同設(shè)計(jì)的土槽4，可以在開展平行實(shí)驗(yàn)(例如滲透破壞實(shí)驗(yàn))，提高實(shí)驗(yàn)效率。

如圖4，所述的固定于水槽當(dāng)中的懸沙濃度傳感器6與水流流速傳感器7，兩者結(jié)合使用可用于沉積物臨界侵蝕流速/剪切應(yīng)力，再懸浮/侵蝕系數(shù)的判定與推算。

所述的固定在環(huán)形水槽中央的滲流量筒8上設(shè)有刻度。根據(jù)刻度值施加不同大小的水頭；并在導(dǎo)水管9的牽引下將水壓力施加到土槽/原裝土樣測(cè)試槽底部；所述的水壓平衡沙袋10，可以保證水壓力進(jìn)入土槽之后在沙層中水平擴(kuò)散，然后相對(duì)均勻地作用在整個(gè)土床底面，防止局部滲透破壞的發(fā)生。

如圖3、4，所述的鋼結(jié)構(gòu)支架11底部設(shè)有萬向滾輪12。

使用時(shí)：

第一步：將水壓平衡(10)沙袋填滿石英砂，放置于土槽(4)和/或原裝土樣測(cè)試槽(5)底部；

第二步：將沉積物填充到土槽(4)中，并將懸沙濃度傳感器(6)與水流流速傳感器(7)固定到環(huán)形水流槽(3)之中，設(shè)置好采集參數(shù)，儀器外接電腦，實(shí)時(shí)查看并存儲(chǔ)試驗(yàn)期間采集到的數(shù)據(jù)。

第三步：向環(huán)形水槽中加水，直至沒過水槽中的儀器探頭；

第四步：向滲流量筒(8)中加水，并調(diào)節(jié)水頭高度；

第四步：打開導(dǎo)水管(9)上的閥門，向土槽(4)底部施加滲流梯度；

第五步：打開電機(jī)(1)在水槽(3)里制造不同流速的水流，記錄每組滲流梯度與水流流速的加載時(shí)段；

第六步：實(shí)驗(yàn)完畢，拆卸儀器，讀取全部數(shù)據(jù)，截取試驗(yàn)段數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

注：原裝土樣測(cè)試槽(5)的具體實(shí)施方式與土槽(4)基本相同，不同之處在于(5)中可以直接放入海底原位取回的柱狀樣，不需室內(nèi)人為制造海床，其余步驟相同。