CN106017860B - 潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置，包括主要由套心轴、有机玻璃材质内圆筒、有机玻璃材质外圆筒、有机玻璃材质剪力环、OBS浊度传感器、OBS数据无线传输装置和接收装置组成的上部结构、由有机玻璃材质底部内圆盘、有机玻璃材质底部外圆环、铝合金外套筒、铝合金内套筒组成的下部结构和固定支架组成。本发明具有实现了潮滩泥沙临界起动切应力原位测试，减少沙样扰动的优点。

Description

潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法

技术领域

本发明涉及水沙观测技术领域，尤其涉及一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法。

背景技术

泥沙的起动是研究泥沙输运、河道演变、海岸地貌变化、水沙响应关系等最基本的问题之一，泥沙临界起动切应力是判别泥沙能否起动临界值。传统获取泥沙临界起动切应力的方法，是从现场采集沙样，带回实验室，用室内环形水槽测试装置测量泥沙临界起动应力，沙样从现场采集带回实验室过程中会产生很大的扰动，改变沙样原位状态下的固结强度和不同粒径大小泥沙颗粒的分布，实验室测得的起动切应力值与现场泥沙被扰动前的起动切应力值相差较大；为减少对现场泥沙的扰动，有在原位采用无底圆筒结合旋浆搅动水流进行测量，但这种装置产生的螺旋水流结构与明渠水流有明显差异，其合理性有待进一步考证。

发明内容

针对现有技术的上述缺陷，本发明的目的是要提供一种潮间带多点位近底边界层水沙过程同步观测方法，采用国外先进的流速仪、浊度仪、潮位仪，可获取潮间带多点位近底边界层水沙关系的时空变化规律。

为实现上述目的，一方面，本发明提供一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置，包括上部结构、下部结构和固定支架。

作为一种实施例，所述上部结构包括：套心轴、皮带盘、轴承壳、有机玻璃材质内圆筒15、有机玻璃材质外圆筒13、有机玻璃材质剪力环14、OBS浊度传感器17、OBS数据无线传输装置20和接收装置21、漏斗39、内轴1与有机玻璃材质内圆筒15连接杆件、中轴6与剪力环14连接杆件、外轴10与有机玻璃材质外圆筒13连接杆件、套心轴及电机固定杆件、电机(22和24)。

作为一种实施例，所述下部结构包括：有机玻璃材质底部内圆盘48、有机玻璃材质底部外圆环44、铝合金外套筒46、铝合金内套筒47。

作为一种实施例，套心轴由内轴1、中轴6和外轴10通过轴承(4和8)相互连接，内轴1、外轴10同步旋转，中轴6向相反方向旋转。

作为一种实施例，有机玻璃内圆筒15放于有机玻璃材质底部内圆盘48的轨道45上，有机玻璃材质外圆筒13放于有机玻璃材质底部外圆环44的轨道45上；补充说明456、根据权利要求1所述的潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置，其特征在于：有机玻璃材质底部内、外圆环的轨道45。

作为一种实施例，机玻璃材质底部内圆盘48与铝合金内套筒47相连，有机玻璃材质底部外圆环44与铝合金外套筒46相连，铝合金内、外套筒插入潮滩泥面。

作为一种实施例，有机玻璃材质剪力环14下表面、有机玻璃材质内圆筒15外表面、有机玻璃材质外圆筒13内表面刻有加糙痕。

另一方面，本发明还提供泥沙临界起动切应力原位测试方法，包括以下步骤：(1)在试验室预先率定泥沙临界起动切应力原位测试装置的转速比与切应力之间的关系；(2)在现场选定需测量现场泥沙临界起动切应力区域，将铝合金内套筒47和机玻璃材质底部内圆盘48组成的整体、铝合金外套筒46和有机玻璃材质底部外圆环44组成的整体插入该区域，内、外套筒露出泥面约5cm，并使有机玻璃材质底部内圆盘48和有机玻璃材质底部外圆环44圆心相重合，保持金属套筒上表面处于水平状态，在仪器装置下部结构安装过程中尽量避免对沙样的扰动；(3)将仪器装置上部结构安放于下部结构上，在仪器装置上部结构安装过程中，避免对待测区域沙样的扰动，仪器装置安装好后，要保证有机玻璃材质内圆筒15安放于有机玻璃材质底部内圆盘48的轨道45上，有机玻璃材质外圆筒13安放于有机玻璃材质底部外圆环44的轨道45上；(4)安装固定支架，用皮带连接电机与皮带盘；(5)向漏斗39中缓慢加水，使水缓慢流入有机玻璃材质内外双圆筒组成的环形槽中，直至排水口开始有水流流出，在试验过程中，若环形槽中水量减少，需向漏斗中加水以保证环形槽中水量；(6)开启电机，使内轴1和外轴10同步旋转，中轴向内轴、外轴转动的相反方向旋转，带动玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14反向旋转，消除环形槽中的横向流；(7)调节玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14转速比，使转速梯级上升，每级转速保持几分钟，观察OBS测得的每一级稳定电流值，当转速比保持不变时，从取样口采集水样；(8)记录OBS电流值开始有明显增加时的转速比，采用预先率定的转速比和切应力关系，得到表层泥沙临界起动切应力；(9)测定结束后，通过取样口19将环形槽中的水排出，拆除固定支架和仪器上部结构，拔出仪器下部结构。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明的上部结构示意图；

图2为本发明的上部结构局部示意图；

图3为本发明支架结构侧视图；

图4为本发明支架结构俯视图；

图5为本发明支架结构局部示意图；

图6为本发明下部结构示意图；

图7为本发明下部结构外圆环结构示意图；

图8为本发明下部结构内圆盘结构示意图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。下文中将详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

在下文的描述中，将以包括触控显示器的智能终端为实施例，其显示器上配置有可触控界面。在以下详细描述中，许多具体细节被示出以提供对本发明的深入了解。然而，本发明可能在没有这些具体细节的情况下被实施对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。在其他情况下，众所周知的方法、规程、部件、电路和网络未被详细描述以免不必要地模糊实施例的各个方面。

发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及其使用方法。

技术方案：本发明提供一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置，包括上部结构、下部结构和固定支架；

所述上部结构包括：套心轴、皮带盘、轴承壳、有机玻璃材质内圆筒15、有机玻璃材质外圆筒13、有机玻璃材质剪力环14、OBS浊度传感器17、OBS3数据无线传输装置20和接收装置21、漏斗39、内轴1与有机玻璃材质内圆筒15连接杆件、中轴6与剪力环14连接杆件、外轴10与有机玻璃材质外圆筒13连接杆件、套心轴及电机固定杆件、电机(22和24)；

所述下部结构包括：有机玻璃材质底部内圆盘48、有机玻璃材质底部外圆环44、铝合金外套筒46、铝合金内套筒47。

现场泥沙强度较低，有机玻璃材质底部内圆盘48和有机玻璃材质底部外圆环44可增加仪器装置与地表的接触面积，可减少仪器装置在使用过程中的沉降；有机玻璃材质底部内圆盘48和外圆环44上安装有轨道，可减少上部结构在使用过程中的震动；铝合金内套筒47和外套筒46插入泥中，用于固定有机玻璃材质底部内圆环48和外圆环44，防止其发生水平向侧移；套心轴可实现有机玻璃材质外圆筒13和有机玻璃材质内圆筒15同步转动；有机玻璃材质剪力环14下表面、有机玻璃材质内圆筒15外表面和有机玻璃材质外圆筒13内表面刻有凹痕，可增加表面糙度，更有效带动水流运动，水流相同流速下可减小内、外圆筒的角速度；采用有机玻璃透明材质，便于肉眼观察泥沙起动情况。

上述泥沙临界起动切应力原位试验装置的使用方法，包括以下步骤：

(1)在试验室预先率定泥沙临界起动切应力原位测试装置的转速比与切应力之间的关系；

(2)在现场选定需测量现场泥沙临界起动切应力区域，将铝合金内套筒47和机玻璃材质底部内圆盘48组成的整体、铝合金外套筒46和有机玻璃材质底部外圆环44组成的整体插入该区域，内、外套筒露出泥面约5cm，并使有机玻璃材质底部内圆盘48和有机玻璃材质底部外圆环44圆心相重合，保持金属套筒上表面处于水平状态，在仪器装置下部结构安装过程中尽量避免对沙样的扰动；

(3)将仪器装置上部结构安放于下部结构上，在仪器装置上部结构安装过程中，避免对待测区域沙样的扰动，仪器装置安装好后，要保证有机玻璃材质内圆筒15安放于有机玻璃材质底部内圆盘48的轨道45上，有机玻璃材质外圆筒13安放于有机玻璃材质底部外圆环44的轨道45上；

(4)安装固定支架，用皮带连接电机与皮带盘；

(5)向漏斗39中缓慢加水，使水缓慢流入有机玻璃材质内外双圆筒组成的环形槽中，直至排水口开始有水流流出，在试验过程中，若环形槽中水量减少，需向漏斗中加水以保证环形槽中水量；

(6)开启电机，使内轴1和外轴10同步旋转，中轴向内轴、外轴转动的相反方向旋转，带动玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14反向旋转，消除环形槽中的横向流；

(7)调节玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14转速比，使转速梯级上升，每级转速保持几分钟，观察OBS测得的每一级稳定电流值，当转速比保持不变时，从取样口采集水样；

(8)记录OBS电流值开始有明显增加时的转速比，采用预先率定的转速比和切应力关系，得到表层泥沙临界起动切应力；

(9)测定结束后，通过取样口19将环形槽中的水排出，拆除固定支架和仪器上部结构，拔出仪器下部结构。

有益效果

(1)本发明实现泥沙临界起动切应力现场测量，解决了传统方法对沙样产生扰动而使测量值无法反应现场真实情况的问题；

(2)本发明中的剪力环14和有机玻璃材质内圆筒15、外圆筒13反向旋转，避免了横向流对试验结果的干扰。

下面对本发明技术方案进行详细说明，仪器装置的上部结构如图图1所示，主要由套心轴、有机玻璃材质外圆筒13、有机玻璃材质内圆筒15和有机玻璃材质剪力环14组成，套心轴和内圆筒15、外圆筒13、剪力环14通过连接支架和角码相互连接；上部结构局部示意图如图2所示，套心轴由内轴1、中轴6和外轴10通过轴承4和轴承8相连接，在轴承4和轴承8的外侧通过螺帽3和螺帽7卡住，限制轴承的运动，同时减少轴在转动过程中的晃动，在内轴1、外轴10和中轴6上分别安装有皮带盘2、皮带盘5、皮带盘9，分别通过皮带与电机24和电机22相连，带动轴转动，在外轴10上安装有轴承壳11，轴承壳与仪器支架相连接，实现套心轴的固定；有机玻璃材质外圆筒13通过角码12与外轴10相连接，剪力环14通过连接支架16与中轴6相互连接，连接支架16与中轴6和剪力环14之间通过角码49固定，有机玻璃材质内圆筒15通过角码50直接与内轴1相连接，OBS传感器17安装于外圆筒上13侧壁，排水孔18布置于外圆筒上13侧壁，其中心高程与剪力环14底面高程相同；取样口19布置于外圆筒上13侧壁，其中心高程与OBS传感器17相同；仪器支架侧视图如图3所示，仪器支架俯视图如图4所示，仪器支架主要由图3所示的4根竖向支架，左侧竖向支架23、右侧竖向支架36、前后2根相同的竖向支架34和4根如图4所示的水平向支架，水平支架51,52,53,54组成，在所有竖向支架下部安装有水平向的高强度的泡沫板33，以增加仪器支架的稳定性，防止电机震动而使仪器支架下沉；在仪器支架中上部高度处的两侧均安装有水平向的铝合金钢管35，在钢管35末端固定螺丝32，如图3所示，螺丝32共有螺帽37和螺帽38，在使用过程中，卸下螺帽38，将螺丝32插入轴承壳11中，螺帽37向下拧紧，螺帽38向上拧紧，从而使轴承壳与仪器支架相连接，达到固定套心轴的目的；在仪器支架上固定安装有漏斗39，在仪器支架上安装有连接支架29，连接支架29末端固定连接有电机22，连接支架29用螺丝和仪器支架相连，在使用过程中，松开连接支架29的两根螺丝，连接支架29便可沿着图4中的轨道40水平向移动，从而带着电机16水平向移动，便可将电机22和皮带盘5之间的皮带拉紧，带动中轴6转动；同理，连接支架30可沿着轨道41水平向调节，连接支架31可沿着轨道42水平向调节，连接支架30上安装有皮带盘25、皮带盘26和皮带盘27，连接支架31末端固定安装有电机24，电机24通过皮带28和皮带盘26相连接，同步带动皮带盘25和皮带盘27，皮带盘25、皮带盘27分别与皮带盘2、皮带盘9相连接，带动内轴1和外轴10转动；下部结构主要由如图6所示的外圆环44、内圆盘48、铝合金外套筒46和铝合金内套筒47组成，外圆环44底部内侧削去和外套筒46内径、外径相等的圆环，可将外套筒46和外圆环44相互卡住；内圆盘48底部外侧削去和内套筒47内径、外径相等的圆环，可将内套筒47和外圆环48相互卡住；在外圆环44上表面和内圆盘48的上表面安装有类似于推力滚子轴承结构的轨道，用于内筒15、外筒13的旋转轨道，外圆环和内圆盘的滚子45如图7所示，内圆盘上等间距分布12个滚子；有机玻璃外圆筒13如图8所示，在外圆筒的上部打6个圆形孔55，便于漏斗39中的水通过孔55滴到剪力环14上，从而缓慢流入内、外圆筒组成的环形槽中。

现场使用步骤为：

(1)将铝合金内套筒47、外套筒46插入待测区域的潮滩泥土中，最终使内、外套筒露出泥面约5cm，并保持内、外套筒表面处于水平状态，内、外套筒的圆心相重合；

(2)将外圆环44安装于外套筒46上，内圆盘48安装于内套筒47上，下部结构安装完毕；

(3)将仪器上部结构安装于下部结构上，使上部结构外圆筒13的底部放于下部结构外圆环44的轨道中，上部结构内圆筒15的底部放于下部结构内圆盘48的轨道中，上部结构安装完毕；

(4)将仪器支架螺丝32的下侧螺帽38取下，连接支架29、30、31的上部螺丝拧松，将仪器支架插入土中，插入过程中，使螺丝32插入轴承壳11预留的孔中，最后使泡沫板27紧贴泥面，拧上螺丝帽38，使螺丝帽38与螺丝帽37紧紧夹住轴承壳，用皮带将电机22与皮带盘5相连接，用皮带将皮带盘25与皮带盘2相连接，用皮带将皮带盘27与皮带盘9相连接，水平向调整连接支架29、30、31，使所有皮带处于紧绷状态；

(5)向漏斗39中注水，使水缓慢流入内、外圆筒组成的环形槽中，直至排水孔55一直有水流缓慢流出，在测量过程中，始终保持排水孔18中有水流缓慢流出；

(6)开启电机，使内轴1、外轴10与中轴6反方向旋转，带动玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14反向旋转，消除环形槽中的横向流；

(7)调节玻璃材质内圆筒15、外圆筒13和剪力环14转速比，使转速梯级上升，每级转速保持几分钟，观察OBS传感器17测得的每一级稳定电流值，并从取样口19采集水样；

(8)记录OBS传感器17电流值开始有明显增加时的转数比，采用预先率定的转速比和切应力关系，得到表层泥沙临界起动切应力；

(9)现场测定结束后，通过取样口将环形槽中的水排出，拆除固定支架和仪器上部结构，拔出仪器下部结构。

本技术领域技术人员可以理解，本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案可以被交替、更改、组合或删除。进一步地，具有本发明中已经讨论过的各种操作、方法、流程中的其他步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。进一步地，现有技术中的具有与本发明中公开的各种操作、方法、流程中的步骤、措施、方案也可以被交替、更改、重排、分解、组合或删除。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置，其特征在于：包括上部结构、下部结构和固定支架；

所述上部结构包括：套心轴、皮带盘、轴承壳、有机玻璃材质内圆筒(15)、有机玻璃材质外圆筒(13)、有机玻璃材质剪力环(14)、OBS浊度传感器(17)、OBS数据无线传输装置(20)和接收装置(21)、漏斗(39)、内轴(1)与有机玻璃材质内圆筒(15)连接杆件、中轴(6)与剪力环(14)连接杆件、外轴(10)与有机玻璃材质外圆筒(13)连接杆件、套心轴及电机固定杆件、电机(22，24)；

所述下部结构包括：有机玻璃材质底部内圆盘(48)、有机玻璃材质底部外圆环(44)、铝合金外套筒(46)、铝合金内套筒(47)；

将仪器装置上部结构安放于下部结构上，在仪器装置上部结构安装过程中，避免对待测区域沙样的扰动，仪器装置安装好后，要保证有机玻璃材质内圆筒（ 15） 安放于有机玻璃材质底部内圆盘（ 48） 的轨道（ 45） 上，有机玻璃材质外圆筒（ 13） 安放于有机玻璃材质底部外圆环（ 44） 的轨道（ 45） 上。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

套心轴由内轴(1)、中轴(6)和外轴(10)通过轴承(4，8)相互连接，内轴(1)、外轴(10)同步旋转，中轴(6)向相反方向旋转。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

有机玻璃材质底部内圆盘(48)与铝合金内套筒(47)相连，有机玻璃材质底部外圆环(44)与铝合金外套筒(46)相连，铝合金内、外套筒插入潮滩泥面。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：

有机玻璃材质剪力环(14)下表面、有机玻璃材质内圆筒(15)外表面、有机玻璃材质外圆筒(13)内表面刻有加糙痕。

5.一种泥沙临界起动切应力原位测试方法，适用于如权利要求1-4任一所述的泥沙临界起动切应力原位测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

所述上部结构包括：套心轴、皮带盘、轴承壳、有机玻璃材质内圆筒(15)、有机玻璃材质外圆筒(13)、有机玻璃材质剪力环(14)、OBS浊度传感器(17)、OBS数据无线传输装置(20)和接收装置(21)、漏斗(39)、内轴(1)与有机玻璃材质内圆筒(15)连接杆件、中轴(6)与剪力环(14)连接杆件、外轴(10)与有机玻璃材质外圆筒(13)连接杆件、套心轴及电机固定杆件、电机(22，24)；

所述下部结构包括：有机玻璃材质底部内圆盘(48)、有机玻璃材质底部外圆环(44)、铝合金外套筒(46)、铝合金内套筒(47)；

步骤1：在试验室预先率定泥沙临界起动切应力原位测试装置的转速比与切应力之间的关系；

步骤2：在现场选定需测量现场泥沙临界起动切应力区域，将铝合金内套筒(47)和机玻璃材质底部内圆盘(48)组成的整体、铝合金外套筒(46)和有机玻璃材质底部外圆环(44)组成的整体插入该区域，内、外套筒露出泥面约5cm，并使有机玻璃材质底部内圆盘(48)和有机玻璃材质底部外圆环(44)圆心相重合，保持金属套筒上表面处于水平状态，在仪器装置下部结构安装过程中尽量避免对沙样的扰动；

步骤3：将仪器装置上部结构安放于下部结构上，在仪器装置上部结构安装过程中，避免对待测区域沙样的扰动，仪器装置安装好后，要保证有机玻璃材质内圆筒(15)安放于有机玻璃材质底部内圆盘(48)的轨道(45)上，有机玻璃材质外圆筒(13)安放于有机玻璃材质底部外圆环(44)的轨道(45)上；

步骤4：安装固定支架，用皮带连接电机与皮带盘；

步骤5：向漏斗(39)中缓慢加水，使水缓慢流入有机玻璃材质内外双圆筒组成的环形槽中，直至排水口开始有水流流出，在试验过程中，若环形槽中水量减少，需向漏斗中加水以保证环形槽中水量；

步骤6：开启电机，使内轴(1)和外轴(10)同步旋转，中轴向内轴、外轴转动的相反方向旋转，带动玻璃材质内圆筒(15)、外圆筒(13)和剪力环(14)反向旋转，消除环形槽中的横向流；

步骤7：调节玻璃材质内圆筒(15)、外圆筒(13)和剪力环(14)转速比，使转速梯级上升，每级转速保持几分钟，观察OBS测得的每一级稳定电流值，当转速比保持不变时，从取样口采集水样；

步骤8：记录OBS电流值开始有明显增加时的转速比，采用预先率定的转速比和切应力关系，得到表层泥沙临界起动切应力；

步骤9：测定结束后，通过取样口(19)将环形槽中的水排出，拆除固定支架和仪器上部结构，拔出仪器下部结构。