CN106370587B - 用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及水力物理学试验领域，公开了用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，包括内部具有供水流流动的流道的试验水槽以及往流道内供水的供水蓄水池；沿流道内的水流方向，流道包括依序连接布置的加速段、过渡段和试验段，加速段的宽度逐渐缩小，过渡段的宽度成等宽布置，试验段内设有放置岩土样品的放置结构。与现有技术相比，由于加速段的宽度逐渐缩小，所以，通过加速段的水流流速不断增加，从加速段出来的水流可以形成高速水流，然后经过渡段进行过渡调直，过渡段的宽度呈等宽布置，可以减少水跃和高掺气量，高速水流经过渡段过渡之后，形成平稳的高速水流对试验段的岩土样品进行冲刷，进而研究岩土样品的抗冲特性。

Description

用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置

技术领域

本发明涉及水力物理学试验领域，尤其是用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置。

背景技术

目前，险工险段、涉河工程所在河段河床质泥沙和基岩的抗冲刷流速是河道管理部门和水利工程师重点关注的水力学问题，在洪水期高速水流和河道复杂边界条件的共同作用下，河道主槽和边坡易产生涡漩和不利淘刷，将会对河床质土壤、泥沙和基岩产生不利冲刷，影响涉河工程和河道边坡的安全稳定性。针对不同河床质土壤、泥沙和基岩，如何实现准确、快速和便捷的量测各种河床覆盖层岩土的抗冲刷特性和流速，是科研人员需要解决的重要水力学问题。

由于岩土样品水力学特性的复杂性，各研究单位建立的用于岩土抗冲特性试验的试验装置各有特色，但往往具有以下不足之处：(1)试验装置产生的高速水流常具有明显的水跃和较高的掺气量，难以实现稳定的高速水流；(2)岩土样品的放置常会引起试验过流断面减小，岩土样品周边会产生不稳定涡漩和绕流，由于岩土样品出露于水体长度和方式的不一致性，影响岩土样品抗冲特性的观测和测量；(3)用于岩土抗冲特性试验的试验装置需要针对河床质土壤、泥沙和基岩等多种材料，试验装置产生的冲刷流速和试验水深覆盖范围有限；(4)试验装置通常未设置泥沙沉淀过滤池，被冲刷的岩土样品的颗粒对试验装置的水循环系统和水体会产生一定污染，影响抗冲刷流速试验观测和测量。

发明内容

本发明的目的在于提供用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，旨在解决现有技术中，试验装置的高速水流具有明显的水跃和较高的掺气量，导致难以实现稳定的高速水流的问题。

本发明是这样实现的，用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，包括内部具有供水流流动的流道的试验水槽以及往所述流道内供水的供水蓄水池；沿所述流道内的水流方向，所述流道包括依序连接布置的加速段、过渡段和试验段，所述加速段的宽度逐渐缩小，所述过渡段的宽度成等宽布置，所述试验段内设有放置岩土样品的放置结构。

进一步地，所述供水蓄水池位于所述试验水槽的上方。

进一步地，所述过渡段的宽度与所述加速段的末端的宽度呈等宽布置。

进一步地，所述流道包括蓄水段，沿所述流道内的水流方向，所述蓄水段连接在所述加速段的后方，所述供水蓄水池通过供水管与所述蓄水段连通。

进一步地，所述加速段的一侧成直线状布置，另一侧成弧线状布置。

进一步地，所述流道包括缓速段，沿所述流道的水流方向，所述缓速段连接在所述试验段的前方，所述缓速段的宽度逐渐增大。

进一步地，沿所述流道的水流方向，所述缓速段的前方设有过滤池，所述过滤池与所述缓速段之间设有升降闸门，且所述过滤池中设有过滤网。

进一步地，沿所述流道的水流方向，所述过滤池的前方设有溢流池，所述溢流池与所述过滤池之间设有溢流堰。

进一步地，所述用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置包括回收蓄水池，所述回收蓄水池通过回水管与所述溢流池连通，且所述回收蓄水池内设有水泵，所述水泵通过上水管连通所述供水蓄水池。

进一步地，所述放置结构为形成在所述试验段底部的凹槽。

与现有技术相比，由于加速段的宽度逐渐缩小，所以，通过加速段的水流流速不断增加，从加速段出来的水流可以形成高速水流，由于高速水流具有明显的水跃和较高的掺气量，难以实现稳定的高速水流，因此，设置过渡段进行过渡，过渡段的宽度呈等宽布置，高速水流经过渡段过渡之后，形成平稳的高速水流，然后以平稳的高速水流对试验段的岩土样品进行冲刷，进而研究岩土样品的抗冲特性。

附图说明

图1是本发明提供的用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置的俯视示意图；

图2是本发明提供的用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置的主视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

参照图1和图2所示，为本发明提供较佳实施例。

本发明提供的用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置可以运用在岩土抗冲刷高速水力学试验技术领域，也可以是运用在其他的水力物理学技术上，并不仅限于其中一种。

用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，包括试验水槽11以及供水蓄水池13，试验水槽11内部具有供水流流动的流道，供水蓄水池13用于往流道内供水的；沿流道内的水流方向，流道包括依序连接布置的加速段、过渡段和试验段，加速段的宽度逐渐缩小，过渡段的宽度成等宽布置，试验段内设有放置岩土样品的放置结构。

具体地，在进行岩土抗冲特性试验时，通过供水蓄水池13往试验水槽11中的流道供水，水流依次通过加速段、过渡段和试验段，由于加速段的宽度逐渐缩小，所以，通过加速段的水流流速不断增加，从加速段出来的水流就形成了高速水流，由于高速水流具有明显的水跃和较高的掺气量，难以实现稳定的高速水流，因此，设置过渡段进行过渡，过渡段的宽度呈等宽布置，高速水流经过渡段过渡之后，形成平稳的高速水流，然后以平稳的高速水流对试验段的岩土样品进行冲刷，进而研究岩土样品的抗冲特性。

通过在流道内设置不同的流道段，对试验水流进行加速形成高速水流之后，经过渡段过渡调直之后减少水跃和掺气量，形成稳定的高速水流之后再对岩土样品进行冲刷，进而研究岩土样品的抗冲特性。

供水蓄水池13位于试验水槽11的上方，在进行冲刷实验时，由于水的重力作用，供水蓄水池13中的水可以自发地流入试验水槽11的流道内，不需要额外借助水流的动力推动原件，而且，处在试验水槽11上方的水由于具有一定的势能，水流向下流入试验水槽11时，势能转化成动能，可以使得水流具有一定的流速，然后以这种流速进入加速段进行加速。

将过渡段的宽度与加速段的末端的宽度等宽布置，这样可以使得经加速段加速后形成的高速水流仍然以高速进入试验段，从而实现对岩土样品的高速水流冲刷。

流道包括蓄水段，沿流道内的水流方向，蓄水段连接在加速段的后方，供水蓄水池13通过供水管与蓄水段连通，供水蓄水池13中的水经供水管的导流先进入蓄水段中暂存，通过控制蓄水段中的水量可以控制进入到试验段进行冲刷试验的水量，从而实现不同水量对相同岩土样品的冲刷，有利于试验对比分析。

加速段的一侧成直线状布置，另一侧成弧线状布置，形成渐变收缩的圆弧形结构，试验水流在渐变收缩圆弧结构的加速段的导流作用下，水流宽度逐渐缩窄，水流流速不断增加，使得经加速段加速后的水流可以形成高速水流。

流道包括缓速段，沿流道的水流方向，缓速段连接在试验段的前方，缓速段的宽度逐渐增大，从试验段流出的高速水流再经缓速段缓冲减速，避免因水流流速过高致使水流溅出水样水槽之外，也可以避免因水流流速过高，水流持续拍打试验水槽壁造成试验水槽11损坏。

在完成对试验段岩土样品的冲刷之后，水体中会夹杂岩土样品颗粒，水流流入缓速段，流经缓速段的水流中自然也会夹杂有岩土样品颗粒，由于夹杂有岩土样品颗粒的水既不便于回收，也不便于重复利用，因此，沿流道的水流方向，在缓速段的前方设有过滤池113，在过滤池113中设有过滤网，过滤网可以对水流中的岩土样品颗粒进行初步过滤，经过初步过滤的水再通过过滤池113进一步沉淀净化，可以基本实现试验水的净化和过滤。

在过滤池113与缓速段之间设有升降闸门112，升降闸门112可以调节试验水槽11中的水位，可以将多余的水量排出试验水槽11进入到过滤池113中进行过滤操作，通过调节升降闸门112的高度，控制试验水槽11的水深，可以按照试验需要，保证试验水槽11的不同的水位高度。

沿流道的水流方向，在过滤池113的前方设有溢流池114，溢流池114与过滤池113之间设有溢流堰115，当过滤池113中的水位上升到溢流堰115的高度时，过滤池113中的水会通过溢流堰115溢流到溢流池114中储存，由于经过过滤池113的过滤后，流入溢流池114中的水都是可以再次利用的干净水，所以，溢流池114中的水可以回收，也可以再利用。

用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置还包括回收蓄水池12，回收蓄水池12通过回水管122与溢流池114连通，而且，在回收蓄水池12内设有水泵124，水泵124通过上水管121连通供水蓄水池13，从溢流池114中溢流出来的水经回水管122流入回收蓄水池12中，避免水资源的浪费，节省水资源；在回收蓄水池12内设有水泵124，将回收蓄水池12中的水用水泵124经上水管121运送至供水蓄水池13中，从而实现试验水的循环利用。

一般地，将回收蓄水池12设置在溢流池114的下方，这样，在重力的作用下，溢流池114中溢流出来的水直接经回水管122进入回收蓄水池12中，这样就不用额外设置水流的动力推动原件，结构简单，易于实现，且可以达到简化装置的目的。

放置结构为形成在试验段底部的凹槽111，在进行冲刷试验时，试验水流经加速段加速后形成高速水流，高速水流再经过缓冲段调整过渡后，高速水流不会产生明显的水跃和较高的掺气量，进而实现稳定的高速水流，高速水流保持平稳的流速实现对试验段底部凹槽111内的岩土样品冲刷，通过观察凹槽111内岩土样品的经水流冲刷的情况，进而研究观测岩土样品的抗冲刷特性。

岩土样品放置区设置在试验段的底部，岩土样品顶部与试验段的底板齐平，岩土样品不会减小冲刷试验过流断面面积，可避免岩土样品周边产生不稳定漩涡和绕流，确保样品出露于冲刷试验水体的一致性，保证岩土样品抗冲刷流速试验成果观测和测量的统一性；此外，岩土样品凹槽111区上端开口为矩形，竖直截面为梯形断面，冲刷试验时，梯形凹槽111的底部空间大，顶部小，可根据岩土样品的多少，在梯形凹槽111内的底部预先填充木块体，以调整岩土样品放置区矩形凹槽111大小，使得岩土样品顶部与试验段的底板齐平。

供水蓄水池13与回收蓄水池12之间形成有高度差，通过将回收蓄水池12中的水移送到供水蓄水池13中，使得供水蓄水池13中的水具有一定的势能，而供水蓄水池13设置在试验水槽11的上方，冲刷时，供水蓄水池13中的水由势能转化为动能，从供水蓄水池13中流入试验水槽11的流道中进行冲刷试验，这样就不用额外设置水流的动力推动器，结构简单，易于实现。

供水蓄水池13通过多根连通水管132与试验水槽11连通，多根连通水管132可以平行布置，也可以不平行布置，设置多根连通水管132可以满足大流量的水流从供水蓄水池13中进入试验水槽11的流道中，可以节省试验时间，也有利于实现不同的流速对岩土样品进行冲刷试验。

多根连通水管132上均设有控制阀门133，进行冲刷试验时，打开控制阀门133，使得供水蓄水池13中的水进入到试验水槽11的流道中，通过开关控制阀门133来控制整个岩土抗冲特性试验的进行。在每一根连通水管132上都设置有控制阀门133，通过控制每根连通水管132上的控制阀门133来控制打开连通水管132，如果试验需要水流流速比较大，就打开多根连通水管132的控制阀门133，让多根连通水管132同时向试验水槽11供水，如果需要水流流速比较小，就打开一个控制阀门133即可，可以便于调节供水的水流速度。

在供水蓄水池13的侧壁设有溢流缺口131，溢流缺口131通过溢流水管123与回收蓄水池12连通，冲刷试验时，供水蓄水池13中的多余水量通过溢流缺口131回流至回收蓄水池12，从而节省水资源，实现试验水的循环利用。

试验水槽11设置为透明玻璃水槽，具体是采用透明无色的有机玻璃制成，既可以保证试验水槽11具有良好的透视性和较高的强度，也便于试验人员随时观测冲刷试验的情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，其特征在于，包括内部具有供水流流动的流道的试验水槽以及往所述流道内供水的供水蓄水池；沿所述流道内的水流方向，所述流道包括依序连接布置的加速段、过渡段和试验段，所述加速段的宽度逐渐缩小，所述过渡段的宽度成等宽布置，所述试验段内设有放置岩土样品的放置结构；

所述供水蓄水池位于所述试验水槽的上方；

所述加速段的一侧成直线状布置，另一侧成弧线状布置，形成渐变收缩的圆弧形结构；

所述流道包括缓速段，沿所述流道的水流方向，所述缓速段连接在所述试验段的前方，所述缓速段的宽度逐渐增大；

沿所述流道的水流方向，所述缓速段的前方设有过滤池，所述过滤池与所述缓速段之间设有升降闸门，且所述过滤池中设有过滤网；

沿所述流道的水流方向，所述过滤池的前方设有溢流池，所述溢流池与所述过滤池之间设有溢流堰；

所述放置结构为形成在所述试验段底部的凹槽，所述凹槽的上端开口为矩形，竖直截面为梯形断面；岩土样品放置区设置在试验段的底部，岩土样品顶部与所述试验段的底板齐平；所述过渡段的宽度与所述加速段的末端的宽度呈等宽布置。

2.如权利要求1所述的用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，其特征在于，所述流道包括蓄水段，沿所述流道内的水流方向，所述蓄水段连接在所述加速段的后方，所述供水蓄水池通过供水管与所述蓄水段连通。

3.如权利要求2所述的用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置，其特征在于，所述用于岩土抗冲特性试验的高速水流试验装置包括回收蓄水池，所述回收蓄水池通过回水管与所述溢流池连通，且所述回收蓄水池内设有水泵，所述水泵通过上水管连通所述供水蓄水池。