CN109443691B - 一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置 - Google Patents

Abstract

一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置，主要包括波致渗流模拟水槽，沉积物槽、被侵蚀沉积物的时序收集系统与连接导管。四者均由透明亚克力材料制成，并通过带有万向滚轮的不锈钢结构支架支撑。渗流模拟水槽内置波浪模拟器，底部设有压力传感器，用以实时记录渗透压力。渗流通过导管进入装置中部的沉积物槽，导管中部有开关控制阀，用以开启/关闭渗流作用。沉积物槽底部设有水压平衡沙袋，顶部设有倾斜外流导管，被渗流侵蚀的沉积物可自由流入下覆时序收集系统。被收集的沉积物可给用来开展物理力学性质测试，定量评估波致渗流引起的海床内部侵蚀通量与粒径特征。本装置既可用于原位柱状样的渗流侵蚀过程实验，亦可利用重塑土开展科学研究。

Description

一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置

技术领域

本发明涉及一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置，属于并将直接应用于海洋工程地质及相关科研领域。

背景技术

海底沉积物的侵蚀再悬浮，对于海岸侵蚀等工程地质灾害、全球物质循环等前沿科学问题，均具有重要意义。粉质沉积物易受波浪荷载的影响，产生超孔隙水压力，进而诱发海床渗流，引起沉积物的内部渗流侵蚀。目前，主流的沉积物侵蚀计算方法，鲜将波致渗流引起的内部侵蚀通量考虑其中。究其原因，主要是受限于实验技术手段，能够实现这一过程实际测量的实验装置未见报道，导致相关的定量研究较少。

室内水槽是海洋工程地质领域常用的研究方法之一，其优点在于可以简化现场复杂环境，通过控制变量实现定量研究的目的。关于渗流侵蚀问题，浙江大学曾设计一种“土体渗流冲刷特性研究的试验仪器”（201110301770.6），中铁十六局与上海交通大学曾设计“模拟深部含水层砂土内部细颗粒渗流侵蚀的室内试验装置”（201820094877.5），河海大学曾设计“一种渗流侵蚀应力耦合管涌试验装置”（201110242127.0），同济大学曾设计“一种往复变动水头作用下的水下坡面侵蚀试验装置”（201510411516.X）。然而，以上专利均针对陆地地区的静态渗流或准静态渗流，而针对海底环境中波致渗流引起的侵蚀问题，相关装置未见报道。已有发明无法实现渗流侵蚀沉积物的时序收集，因而无法可靠地定量评价侵蚀通量与粒径特征。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置。

一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置，其特征在于包括一个三层支架，所述三层支架最上层设有波致渗流模拟水槽、中层设有沉积物槽、下层设有侵蚀沉积物时序收集装置，所述波致渗流模拟水槽中设有造波装置，且该底部设有水压传感器，用于实时记录波动的海水压力，即渗透压力；所述的沉积物槽底部铺有石英砂层，用于平衡水压，即平衡渗流力在沉积物底部的分布；石英砂层上方布放带有孔隙的隔板，最大限度地防止沉积物与石英砂混合；孔隙隔板上方即可填充沉积物；沉积物槽顶部侧面设有倾斜导管，该倾斜导管的另一端与被侵蚀沉积物收集装置相连；通过造波装置可以人为模拟预设波参数的波浪荷载；动水压力通过波致渗流模拟水槽底部的导管传递到中部沉积物槽的底部，渗流自下而上流经沉积物槽中的沉积物，侵蚀其内部的土颗粒并携带至沉积物顶面，进而顺势流出沉积物槽，沿倾斜导管流入侵蚀沉积物收集装置。

所述的被侵蚀沉积物收集装置包括圆形托盘，圆形托盘上围绕圆心设有一圈收集瓶，圆形托盘通过步进电机驱动，并按照预设时间旋转。

利用本装置收集到的被侵蚀沉积物可被用来开展质量、粒径与微结构测量。

通过控制波致渗流水槽中的水位，可控制静态渗流力；通过控制波参数，可控制动态渗流力；通过控制沉积物的组分与固结时间等，可以构建一系列渗流侵蚀通量与粒径特征的参数化定量评价方法。

本发明结合前沿科学问题，重点服务于粉质沉积物的波致渗流侵蚀测量，目前未见直接相关或类似专利。利用本发明装置开展实验研究，可以构建粉质沉积物波致渗流侵蚀通量与粒径特征的参数化评价方法，为波致沉积物侵蚀再悬浮的计算预测研究提供一种有效的研究工具。

附图说明

图1是本发明的正视图,

图2是本发明的侧视图。

图3是本发明的俯视图。

图4是本发明的立体图。

其中，1、波致渗流水槽，2、沉积物槽，3、被侵蚀沉积物收集系统，4、导管，5、倾斜导管，6、三层支架，7、造波装置，8、水压力传感器，9、石英砂层，10、孔隙隔板，11、圆形托盘，12、收集瓶。

具体实施方式

如图1-4所示，一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置，其特征在于包括波致渗流模拟水槽1、沉积物槽2、被侵蚀沉积物时序收集系统3三部分；渗流模拟水槽1与沉积物槽2通过导管4连接，沉积物槽2与被侵蚀沉积物时序收集系统3通过倾斜导管5连接，整个装置使用三层支架系统6固定各部分之间的相对位置，且方便移动。渗流模拟水槽1置于最上层，内部填充海水，海水中设有造波装置7，波动的海水压力可被底部压力传感器8实时记录，且海水可沿导管4向下流至沉积物槽2。沉积物槽底部设有石英砂层9，用以平衡渗流压力；石英砂层上部即为沉积物置放区。石英砂层与沉积物置放区之间置放带孔隔板10，以最大程度地防止沉积物与石英砂混合。渗流自下而上流经并侵蚀土床内部沉积物，最终自顶部沿倾斜导管5自由流至时序收集系统3，时序收集系统由多个收集瓶与步进电机构成，可按照预设程序定时转动，更换收集瓶，实现时序收集。

所述的渗流模拟水槽1、沉积物槽2、被侵蚀沉积物时序收集系统3、导管4与倾斜导管5，均采用透明亚克力材料制成，便于观测/拍摄实验现象。

所述的连接沉积物槽2与收集系统3的倾斜导管5的上端口位置可上下调节，以实现与沉积物表面平齐的效果，倾斜向下的导管设计可以保证被渗流侵蚀的沉积物自由流出。

所述的被侵蚀沉积物时序收集系统3由一系列沉积物收集瓶与可定时旋转的转盘组成，用于收集渗流作用不同时间后被侵蚀的沉积物，进而开展通量与粒度测试。

所述的支架系统6底部具有万向滚轮以便于移动。

利用本装置进行波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀实验的方法，包括以下步骤：

试验前

第一步：将石英砂层9铺设于沉积物槽2底部，并覆盖带孔隙隔板10；

第二步：将沉积物填充到沉积物槽2中的孔隙隔板10之上，静置排水固结到预设时间，导管5的上端口位置可上下调节，实验前调至与固结完成后沉积物的表面平齐；

第三步：关闭导管4，在波致渗流水槽1中注水至预设水位；

第四步：设置水压传感器8的采集模式；

试验中

第五步：开启造波装置7，模拟预设波参数的波浪；

第六步：打开导管4，使得渗透压力作用于沉积物底部；

第七步：设置收集瓶12的旋转时间间隔，定时转动实现渗流侵蚀沉积物的时序收集；

试验后

第八步：取出各收集瓶中的沉积物，进行质量、粒度，微结构等测试；排放波致渗流水槽1中的水，清理沉积物槽2。

Claims (7)

1.一种波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀的实验装置，其特征在于包括一个三层支架（6），所述三层支架（6）最上层设有波致渗流模拟水槽（1）、中层设有沉积物槽（2）、下层设有侵蚀沉积物时序收集装置（3），所述波致渗流模拟水槽（1）中设有造波装置（7），且该底部设有水压传感器（8）；所述的沉积物槽（2）底部铺有石英砂层（9），石英砂层（9）上方设置孔隙隔板（10），孔隙隔板（10）上方用于填充沉积物；沉积物槽（2）顶部侧面设有倾斜导管（5），该倾斜导管（5）的另一端与被侵蚀沉积物收集装置（3）相连；通过造波装置（7）可以人为模拟预设波参数的波浪荷载；动水压力通过波致渗流模拟水槽（1）底部的导管（4）连接到中部沉积物槽（2）的底部，渗流自下而上流经沉积物槽（2）中的沉积物，侵蚀其内部的土颗粒并携带至沉积物顶面，进而顺势流出沉积物槽（2），即沿倾斜导管（5）流入沉积物收集装置（3）。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的侵蚀沉积物时序收集装置（3）包括圆形托盘（11），圆形托盘（11）上围绕圆心设有一圈收集瓶（12），圆形托盘（11）通过步进电机驱动，并按照预设时间旋转。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的渗流模拟水槽（1）、沉积物槽（2）、侵蚀沉积物时序收集装置（3）、导管（4）与倾斜导管（5），均采用透明亚克力材料制成，便于观测/拍摄实验现象。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的沉积物槽（2）的出口导管位置与沉积物表面平齐，且导管倾斜向下，以保证被渗流侵蚀的沉积物可自由流出。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的三层支架（6）底部具有万象滚轮结构，便于移动。

6.如权利要求1所述的装置的应用，其特征是利用本装置收集到的侵蚀沉积物可被用来开展质量、粒径与微结构测量。

7.利用权利要求2所述装置进行波致渗流诱发海床内部沉积物侵蚀实验的方法，包括以下步骤：

试验前

第一步：将石英砂层（9）铺设于沉积物槽（2）底部，并覆盖孔隙隔板（10）；

第二步：将沉积物填充到沉积物槽（2）中的孔隙隔板（10）之上，静置排水固结到预设时间，导管（5）的上端口位置可上下调节，实验前调至与固结完成后沉积物的表面平齐；

第三步：关闭导管（4），在波致渗流水槽（1）中注水至预设水位；

第四步：设置水压传感器（8）的采集模式；

试验中

第五步：开启造波装置（7），模拟预设波参数的波浪；

第六步：打开导管（4），使得渗透压力作用于沉积物底部；

第七步：设置收集瓶（12）的旋转时间间隔，定时转动实现渗流侵蚀沉积物的时序收集；

试验后

第八步：取出各收集瓶中的沉积物，进行质量、粒度，微结构等测试；排放波致渗流水槽（1）中的水，清理沉积物槽（2）。

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