CN109374491B - 模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置 - Google Patents
模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置 Download PDFInfo
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Abstract
模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置，包括可调底坡水槽、土样配置槽、渗流发生与维持系统、坡度调节系统和支架系统；可调底坡水槽与镶嵌于可调底坡水槽中的土样配置水槽为模拟装置的主体，渗流发生与维持系统由可调底坡水槽底部和可调底坡水槽一侧的渗流维持水槽组成，坡度调节系统由承重架、坡度调节丝杠和旋转把手组成；支架系统由支架、角钢和橡胶垫组成。该装置结构简单、造价较低，设计精巧，不仅能模拟海床液化渗流力对海床沉积物的支撑作用，还能研究不同渗流力作用下对近底高浓度沉积物形成重力流的形态、动力学等特征的影响，对于低角度海底沉积物搬运这一前沿科学的探索具有很好的参考价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置，属于海洋工程地质与沉积动力学实验研究技术领域。
背景技术
海底沉积物重力流是河口近岸的细颗粒沉积物跨大陆架输运的主要机制，其形成过程和机制是海洋地质与海洋工程领域关心的前沿科学问题。研究表明，沉积物重力流形成需要有足够陡的海底斜坡坡度存在，但在河口海岸或陆架海域，海底坡度较缓，沉积物发生重力流动主要靠外部的作用力支撑。特别在极端风暴事件下海床发生液化响应，内部孔隙水的渗流会对近底沉积物产生支撑作用，诱发低角度斜坡重力流的发生，威胁海洋工程设施安全。因此，对海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程开展实验佐证与定量研究，科学与工程意义重大。
水槽装置是开展海洋科学与工程研究中的常用工具之一。目前与本发明相关的发明与实用新型专利主要分为两类：（1）单一研究渗流和渗流力，例如：中国建筑股份有限公司设计的“一种用于模拟地下水渗流的实验装置”（201420174273.3）；湘潭大学设计的“一种水平渗流实验装置”（201721148884.0）；重庆科技学院设计的“单向稳定渗流模拟实验装置”（201621083771.2）。（2）单一研究重力流，例如：山东科技大学设计的“一种重力流运动与沉积模拟装置”（201410329820.5）；浙江大学设计的“一种模拟异重流在峡谷中运动的试验装置”（201810387908.0）。上述两类发明都是单一研究渗流或重力流，未将二者联系起来，而根据上述[0002]介绍，海底的物质是通过渗流与重力流结合而形成长距离搬运，因此以往的发明尚有缺陷，还未见到直接相关的专利，同时前人发表的论文对于渗流支撑对重力流形成及运动过程影响的相关研究还为空白，而本发明针对上述缺陷及空白，设计一种模拟渗流支撑影响下的重力流过程的水槽装置，对于低角度下海底沉积物大规模搬运过程进行更为深入的研究。
发明内容
本发明旨在设计一种既能模拟海床液化渗流力影响下近底高浓度沉积物形成重力流的过程，又能定性、定量的研究不同渗流力支撑下沉积物重力流在低角度底坡下运动机制的模拟实验装置。
模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置，其特征在于包括支架（13）、支架上方的可调底坡水槽和位于可调底坡水槽一端的渗流维持水槽，所述的可调底坡水槽底部设有多孔板，所述多孔板与可调底坡水槽的底板之间形成的空腔，多孔板上放置含沙金属网，可调底坡水槽的底板上还设有多个进/排水口；所述可调底坡水槽通过位于另一端的坡度调节装置进行坡度调节；在可调底坡水槽内部靠近有坡度调节装置的一端还设有抽拉式挡板，从而把可调底坡水槽靠近有坡度调节装置的一端分隔出土样配置水槽；土样配置水槽的侧壁还设有角度测量仪；
所述渗流维持水槽高于可调底坡水槽，且渗流维持水槽通过滚珠丝杠调节高度；渗流维持水槽还设有半多孔板和溢流板，从而将渗流维持水槽分隔成三部分，分别为进水槽、维持槽、溢流槽，三者底部均设有一个进/排水口，其中维持槽的进/排水口分别与可调底坡水槽底部的各个进/排水口相通，所述的渗流维持水槽利用溢流堰的原理使可调底坡水槽内产生稳定的渗流力，所述半多孔板只在上半部设有开孔，采用半多孔板是为防止水流水平的流动对渗流维持水槽的压强水头产生影响。
所述的可调底坡水槽的坡度调节系统包括承重架、坡度调节丝杠、和旋转把手；其中承重架通过其底部的转轴而安装在所述支架的顶部，坡度调节丝杠的上端连接在所述承重架的一端，坡度调节丝杠的下端连接旋转把手；所述可调底坡水槽固定在所述承重架上，并通过转动旋转把手使坡度调节丝杠推高可调底坡水槽的一端从而改变坡度。
所述土样配置水槽中还设有搅拌器。
所述支架底部还设有橡胶垫。
所述渗流维持水槽通过设置在滚珠丝杠旁的刻度线以对所调高度进行精确量化。
所述的可调底坡水槽内还埋设孔压计、流速计、浊度计，以实时监测整个模拟过程重力流的变化情况。
所述的可调底坡水槽和渗流维持水槽都由防海水侵蚀的透明亚克力材料组成，不仅能使实验装置在高盐环境下使用，而且可以在可调底坡水槽外安装高速摄像机，全程记录重力流产生、运动和停止的过程。
利用上述水槽装置模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的方法，其特征是包括以下步骤：
第一步：向土样配置水槽中加入定量海底沉积物，再加入定量海水，通过搅拌，配成与海底沉积物浓度相同浓度的流体；
第二步：通过坡度调节装置和角度测量仪将可调底坡水槽调节到实验所需角度；
第三步：在可调底坡水槽内的金属网上铺设模拟海床；
第四步：向进水槽中注入海水，海水经过半多孔板而进入维持槽内，当水位达到溢流板高度时，多余海水进入溢流槽，并从溢流槽底部排出，此时维持槽内水位恒定；打开可调底坡水槽底部的进/出水口，海水以向上渗流的方式依次通过可调底坡内的空腔、多孔板和含沙金属网向可调底坡水槽内注入海水，通过控制进水槽的进水速度以实现维持槽内的水位始终处于溢流板的高度，当海水量达到实验所需时，不关闭进/出水口，而通过虹吸原理（水头差）使可调底坡水槽的水位保持不变；
第五步：通过预先埋设在可调底坡水槽中的孔压计，在线观测模拟海床底的渗流力的大小，通过调节滚珠丝杠调节渗流维持水槽的水头大小，控制模拟海床的渗流力大小；
第六步：当渗流力大小确定且稳定后，打开可调底坡水槽外的高速摄像机及流速计、浊度计，打开抽拉式挡板，释放土样配置水槽中的高浓度沉积物，在重力、密度差因素以及渗流力支撑作用下，高浓度沉积物会沿有渗流的模拟海床向下移动；
通过孔压计、流速计、浊度计、高速摄像机，测量高浓度海床渗流影响下近底高浓度沉积物形成重力流的各种动力学特征。
本装置设计新颖，整体性好，结构简单，可进行多种控制变量实验，采用防海水侵蚀的材料制作本模拟装置，可以适应海水实验，更真实的模拟渗流力影响下海底重力流现象。同时本模拟装置的渗流发生与维持系统部分，运用水头差、溢流堰和含沙金属网的阻力等简单原理及力学性质，产生稳定、可控的模拟液化渗流力，设计巧妙。而且本模拟装置安有水泵和电动机，进水、出水和坡度、配液、水头的调节均可实现机械化，因此具有操作简单，节省人力等特点。
附图说明
图1是本发明的立体图一。
图2是本发明的立体图二。
图3是本发明的主视图。
图4是本发明的俯视图。
图5是本发明的渗流维持水槽的立体。
图6是本发明的半多孔板示意图。
其中，1、可调底坡水槽，2、土样配置水槽，3、含沙金属网，4、多孔板，5、抽拉式挡板，6、空腔，7、渗流维持水槽，8、滚珠丝杠，9、旋转把手，10、刻度线，11、角度测量仪，12、搅拌器，13、支架，14、承重架，15、坡度调节丝杠，16、进/排水口，17、半多孔板，18、溢流板，19、橡胶垫。
具体施方式
为使本发明的目的、装置零件间关系及优点，以下结合附图1-5对本发明进行详细说明。
如附图1-6所示，模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置，其特征在于包括支架13、支架上方的可调底坡水槽1和位于可调底坡水槽1一端的渗流维持水槽7，所述的可调底坡水槽1底部设有多孔板4，所述多孔板4与可调底坡水槽1的底板之间形成的空腔6，多孔板4上放置含沙金属网3，可调底坡水槽1的底板上还设有多个进/排水口16；所述可调底坡水槽1通过位于另一端的坡度调节装置进行坡度调节；在可调底坡水槽1内部靠近有坡度调节装置的一端还设有抽拉式挡板5，从而把可调底坡水槽1靠近有坡度调节装置的一端分隔出土样配置水槽2；土样配置水槽2的侧壁还设有角度测量仪11；
所述渗流维持水槽7高于可调底坡水槽1，且渗流维持水槽7通过滚珠丝杠8调节高度；渗流维持水槽7还设有半多孔板17和溢流板18，从而将渗流维持水槽7分隔成三部分，分别为进水槽、维持槽、溢流槽，三者底部均设有一个进/排水口16，其中维持槽的进/排水口16分别与可调底坡水槽1底部的各个进/排水口16相通，所述的渗流维持水槽7利用溢流堰的原理使可调底坡水槽内产生稳定的渗流力，所述半多孔板17只在上半部设有开孔，采用半多孔板17是为防止水流水平的流动对渗流维持水槽的压强水头产生影响。
所述的可调底坡水槽1的坡度调节系统包括承重架14、坡度调节丝杠15、和旋转把手9；其中承重架14通过其底部的转轴而安装在所述支架13的顶部，坡度调节丝杠15的上端连接在所述承重架14的一端，坡度调节丝杠15的下端连接旋转把手9；所述可调底坡水槽1固定在所述承重架14上，并通过转动旋转把手9使坡度调节丝杠15推高可调底坡水槽1的一端从而改变倾斜度。
所述土样配置水槽2中还设有搅拌器12。
所述支架13底部还设有橡胶垫19。
所述渗流维持水槽7通过设置在滚珠丝杠8旁的刻度线10以对所调高度进行精确量化。
所述的可调底坡水槽1内还埋设孔压计、流速计、浊度计，以实时监测整个模拟过程重力流的变化情况。
所述的可调底坡水槽1和渗流维持水槽7都由防海水侵蚀的透明亚克力材料组成，不仅能使实验装置在高盐环境下使用，而且可以在可调底坡水槽1外安装高速摄像机，全程记录重力流产生、运动和停止的过程。
利用上述水槽装置模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的方法，其特征是包括以下步骤：
第一步：向土样配置水槽2中加入定量海底沉积物，再加入定量海水，通过搅拌，配成与海底沉积物浓度相同浓度的流体；
第二步：通过坡度调节装置和角度测量仪11将可调底坡水槽1调节到实验所需角度；
第三步：在可调底坡水槽1内的金属网3上铺设模拟海床；
第四步：向渗流维持水槽7的进水槽中注入海水，海水经过半多孔板17而进入维持槽内，当水位达到溢流板18高度时，多余海水进入溢流槽，并从溢流槽底部排出，此时维持槽内水位恒定；打开可调底坡水槽1底部的进/出水口16，海水以向上渗流的方式依次通过可调底坡1内的空腔6、多孔板4和含沙金属网3向可调底坡水槽内1注入海水，通过控制进水槽的进水速度以实现维持槽内的水位始终处于溢流板18的高度，当海水量达到实验所需时，不关闭进/出水口16，而通过虹吸原理（水头差）使可调底坡水槽1的水位保持不变；
第五步：通过预先埋设在可调底坡水槽1中的孔压计，在线观测模拟海床底的渗流力的大小，通过调节滚珠丝杠8调节渗流维持水槽7的水头大小，控制模拟海床的渗流力大小；
第六步：当渗流力大小确定且稳定后，打开可调底坡水槽1外的高速摄像机及流速计、浊度计，打开抽拉式挡板5，释放土样配置水槽2中的高浓度沉积物，在重力、密度差因素以及渗流力支撑作用下，高浓度沉积物会沿有渗流的模拟海床向下移动；
通过孔压计、流速计、浊度计、高速摄像机，测量高浓度海床渗流影响下近底高浓度沉积物形成重力流的各种动力学特征。
最后，通过水泵排出可调底坡水槽11内的海水和沉积物，冲洗水槽，以备下次实验。
注：上述使用步骤仅限于作者的一个实验，该模拟装置还可实现低角度下渗流及渗流力诱发沉积物液化形成重力流过程实验、低角度下重力流受渗流及渗流力破坏实验、低角度下不同初始状态（物料突然释放、连续进料）形成重力流过程实验，仅需改变实验步骤和实验参数，上述实验即可完成。
Claims (8)
1.模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的水槽装置，其特征在于包括支架（13）、支架上方的可调底坡水槽（1）和位于可调底坡水槽（1）一端的渗流维持水槽（7），所述的可调底坡水槽（1）底部设有多孔板（4），所述多孔板（4）与可调底坡水槽（1）的底板之间形成空腔（6），多孔板（4）上放置含沙金属网（3），用于产生相对均匀的渗流力，可调底坡水槽（1）的底板上还设有多个进/排水口（16）；所述可调底坡水槽（1）通过位于另一端的坡度调节装置进行坡度调节；在可调底坡水槽（1）内部靠近有坡度调节装置的一端还设有抽拉式挡板（5），从而把可调底坡水槽（1）靠近有坡度调节装置的一端分隔成土样配置水槽（2）；土样配置水槽（2）的侧壁还设有角度测量仪（11），用于测量可调底坡水槽（11）倾斜角度；
所述渗流维持水槽（7）高于可调底坡水槽（1），且渗流维持水槽（7）通过滚珠丝杠（8）调节高度；渗流维持水槽（7）还设有半多孔板（17）和溢流板（18），从而将渗流维持水槽（7）分隔成三部分，分别为进水槽、维持槽、溢流槽，三者底部均设有一个进/排水口（16），其中维持槽的进/排水口（16）分别与可调底坡水槽（1）底部的各个进/排水口（16）相通，所述的渗流维持水槽（7）利用溢流堰的原理使可调底坡水槽（1）内产生稳定的渗流力，所述半多孔板（17）只在上半部设有开孔。
2.如权利要求1 所述的装置，其特征是所述的可调底坡水槽（1）的坡度调节装置包括承重架（14）、坡度调节丝杠（15）和旋转把手（9）；其中承重架（14）通过其底部的转轴而安装在所述支架（13）的顶部，坡度调节丝杠（15）的上端连接在所述承重架（14）的一端，
坡度调节丝杠（15）的下端连接旋转把手（9）；所述可调底坡水槽（1）固定在所述承重架
（14）上，并通过转动旋转把手（9）使坡度调节丝杠（15）推高可调底坡水槽（1）的一端从而改变坡度。
3.如权利要求1所述的装置，其特征是所述土样配置水槽（2）中还设有搅拌器（12）。
4.如权利要求1所述的装置，其特征是所述支架（13）底部还设有橡胶垫（19）。
5.如权利要求1所述的装置，其特征是所述渗流维持水槽（7）通过设置在滚珠丝杠（8）旁的刻度线（10）以对所调高度进行精确量化。
6.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的可调底坡水槽（1）内还埋设孔压计、流速计、浊度计，以实时监测整个模拟过程重力流的变化情况。
7.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的可调底坡水槽（1）和渗流维持水槽（7）都由防海水侵蚀的透明亚克力材料组成。
8.利用权利要求6 所述装置模拟海床液化渗流力支撑下沉积物重力流过程的方法，其特征
是包括以下步骤：
第一步：向土样配置水槽（2）中加入定量海底沉积物，再加入定量海水，通过搅拌，配成
与海底沉积物浓度相同浓度的流体；
第二步：通过坡度调节装置和角度测量仪（11）将可调底坡水槽（1）调节到所需角度；
第三步：在可调底坡水槽（1）内的金属网（3）上铺设模拟海床；
第四步：向渗流维持水槽（7）进水槽中注入海水，海水经过半多孔板（17）而进入维持槽
内，当水位达到溢流板（18）高度时，多余海水进入溢流槽，并从溢流槽底部排出，此时维
持槽内水位恒定；打开可调底坡水槽（1）底部的进/出水口（16），海水以向上渗流的方式
依次通过可调底坡（1）内的空腔（6）、多孔板（4）和含沙金属网（3）而向可调底坡水槽
内（1）注入海水，通过控制进水槽的进水速度以实现维持槽内的水位始终处于溢流板（18）
的高度，当海水量达到实验所需时，不关闭进/出水口（16），而通过虹吸原理使可调底坡水
槽（1）的水位保持不变；
第五步：通过预先埋设在可调底坡水槽（1）中的孔压计，在线观测模拟海床底的渗流力的
大小，通过调节滚珠丝杠（8）调节渗流维持水槽（7）的水头大小，控制模拟海床的渗流力
大小；
第六步：当渗流力大小确定且稳定后，打开可调底坡水槽（1）外的高速摄像机及流速计、
浊度计，打开抽拉式挡板（5），释放土样配置水槽（2）中的高浓度沉积物，在重力、密度
差因素以及渗流力支撑作用下，高浓度沉积物会沿有渗流的模拟海床向下移动；
通过孔压计、流速计、浊度计、高速摄像机，测量高浓度海床渗流影响下近底高浓度沉积物
形成重力流的各种动力学特征。
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