CN109724772A - 水下泥石流运动特征模拟试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了海洋地质工程技术领域的水下泥石流运动特征模拟试验装置，包括运料箱、储水箱、水槽和沉淀池，运料箱位于储水箱的左侧，储水箱的顶部设有搅拌机，搅拌机与运料箱之间套接有传送带，搅拌机的右侧设有出口处套接有输送管，输送管的右端套接有花洒式喷头，水槽的右侧连通有沉淀池，水槽的内腔设有斜坡模型；本发明通过将水槽注水，然后将掺有一定粘粒的烘干砂土均匀撒入储料仓中，模拟海洋土的沉积，通过试验装置中的振动台振动，使得海床砂土液化，以模拟水下泥石流的触发条件；也可以在储料仓里放入适当化学物质，使得该物质在一定外界触发因素下释放气体，模拟水下天然气水合物释放导致的水下泥石流，进行对比试验。
Description
技术领域
本发明涉及海洋地质工程技术领域，具体涉及水下泥石流运动特征模拟试验装置。
背景技术
泥石流是一种独特的物质运动，不仅在陆面有泥石流现象存在,在水下,如湖泊中和海洋中也有泥石流现象。水下泥石流伴随着中国海洋战略的实施，尤其是海底油气资源的开发，引起了广泛的关注，但水下泥石流(包括浊流)的试验实施比较困难，研究成果较少。目前，国内外关于水下泥石流的研究刚刚起步，由于环境条件和技术条件的限制，人们还很难直接观察到水下泥石流的运动过程，因此物理模型试验仍是研究水下泥石流的有效手段。近年来，针对水下泥石流的运动特征研究，国内外学者做了大量的工作，探索并提出了很多有益的方法和结论。然而，大多针对泥石流运移状态进行研究，而系统全面地总结水下泥石流的运移规律的研究较少。同时，对于物理模型试验，大多采用向静水环境的水槽中倾倒泥浆模拟水下泥石流，忽略了水下泥石流的形成条件及海洋的水动力因素，研究结果必然与实际水下泥石流存在差异。基于此，本发明设计了水下泥石流运动特征模拟试验装置，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供水下泥石流运动特征模拟试验装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：水下泥石流运动特征模拟试验装置，包括运料箱、储水箱、水槽和沉淀池，所述运料箱位于储水箱的左侧，所述储水箱的顶部设有搅拌机，所述搅拌机与运料箱之间套接有传送带，所述搅拌机的右侧设有出口处套接有输送管，所述输送管的右端套接有花洒式喷头，所述水槽的右侧连通有沉淀池，所述水槽的内腔设有斜坡模型，所述水槽的左侧焊接有支撑桁架，所述支撑桁架的顶部设有振动台，所述振动台与水槽的内腔连通构成一个整体，所述振动台与水槽之间设有玻璃门，所述斜披模型的的顶部与振动台的底部固定连接，所述振动台上设有平行桁架，所述平行桁架的下端面通过轨道设有储料仓，所述花洒式喷头位于储料仓的正上方，所述储料仓位于振动台的内腔，所述储料仓的右侧仓门处设有抽拉式玻璃门，所述振动台的右端安装有电机，所述电机的左侧动力输出端上套接有转轮，所述转轮上设有转动轴，所述转动轴的另一端通过螺栓与储料仓螺接。
优选的，所述输送管上安装有阀门。
优选的，所述斜坡模型包括两组梯式桁架和面板，两组所述梯式桁架叠加放置且顶部之间搭接有面板，两组所述梯式桁架之间设有链条，所述链条的左侧插接有转动手柄。通过转动手柄调节整体的长度由此改变斜坡的角度，坡面材料是可以更换的，以模拟不同抗剪强度的滑动面。
优选的，所述水槽的底部贯穿开设有水槽进排水口，所述水槽进排水口的直径为5cm，且水槽进排水口与储水箱之间设有抽水装置，所述水槽为边长600cm、宽30cm、高120cm的长方体，所述水槽的内壁设有水位标，所述水槽和沉淀池均透明设置，所述沉淀池的底部设有沉淀池进排水口，所述沉淀池进排水口的直径为5cm，所述沉淀池的边长为长150cm、宽150cm、高120cm。
优选的，所述储水箱的规格为30cm×30cm×130cm，所述储水箱顶部的搅拌机的规格为顶的直径30cm、底的直径20cm、高30cm，所述搅拌机通过传送带与运料箱连接，所述运料箱的规格为30cm×30cm×50cm，所述搅拌机上连接的输送管直径为5cm，所述输送管底部连接的花洒式喷头和储料仓为等大的矩形面，所述花洒式喷头的底部矩形面规格为30cm×20cm。
优选的，所述振动台的规格为40cm×30cm×35cm，所述振动台的台面上通过螺栓与平行桁架固定螺接，所述平行桁架的规格为40cm×3cm，所述储料仓与平行桁架的轨道搭接，所述储料仓的规格为30cm×20cm×30cm，所述储料仓的外壁与振动台的边缘之间留设有空隙，所述空隙的规格为5cm。
优选的，所述转轮的表面中央设有转轮轴心，所述转轮的直径为10cm，所述转动的轴长为25cm，所述转动轴位于转轮轴心处3cm的位置。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1).本发明通过将水槽注水，然后将掺有一定粘粒的烘干砂土均匀撒入储料仓中，模拟海洋土的沉积，通过试验装置中的振动台振动，使得海床砂土液化，以模拟水下泥石流的触发条件；也可以打开储料仓和振动台的抽拉式玻璃门，直接让海洋砂土流入水槽中，模拟海床砂土在自重条件下发生剪切破坏；也可以在储料仓里放入适当化学物质，使得该物质在一定外界触发因素下释放气体，模拟水下天然气水合物释放导致的水下泥石流，进行对比试验。
(2).振动台与水槽是一个整体，在振动台与水槽之间放置玻璃门，可减少振动台振动时水产生的扰动对试验现象和试验结果的影响，水槽清晰直观的反映了泥石流水下的流动形态和运移过程，配备相应的孔隙水压力传感器、土压力传感器、冲击力测试装置、流速测量装置等，可以定量的研究水下泥石流的运动特征和运移规律。
(3).斜坡的表面不仅可以更换不同粗糙度的材料面板而且还可以通过转动手柄方便的调节角度，以模拟不同抗剪强度的滑动面，实验操作简单。
(4).沉淀池可以用来观察泥石流的堆积过程和形态，并且规格设置的较大，便于人进入清理和回收利用泥砂，节约成本且不污染环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明结构侧视图。
图2为本发明结构俯视图。
图3为本发明斜坡模型结构示意图。
图4为本发明转动轴结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1-运料箱；2-传送带；3-储水箱；4-搅拌机；5-输送管；6-花洒式喷头；7-储料仓；8-抽拉式玻璃门；9-玻璃门；10-斜坡模型；11-水槽；12-沉淀池；13-支撑桁架；14-振动台；15-转动轴；16-转轮；17-电机；18-梯式桁架；19-链条；20-转动手柄；21-转轮轴心；22-平行桁架。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：水下泥石流运动特征模拟试验装置，包括运料箱1、储水箱3、水槽11和沉淀池12，运料箱1位于储水箱3的左侧，储水箱3的顶部设有搅拌机4，搅拌机4与运料箱1之间套接有传送带2，搅拌机4的右侧设有出口处套接有输送管5，输送管5的右端套接有花洒式喷头6，水槽11的右侧连通有沉淀池12，水槽11的内腔设有斜坡模型10，水槽11的左侧焊接有支撑桁架13，支撑桁架13的顶部设有振动台14，振动台14与水槽11的内腔连通构成一个整体，振动台14与水槽11之间设有玻璃门9，斜披模型10的的顶部与振动台14的底部固定连接，振动台14上设有平行桁架22，平行桁架22的下端面通过轨道设有储料仓7，花洒式喷头6位于储料仓7的正上方，储料仓7位于振动台14的内腔，储料仓7的右侧仓门处设有抽拉式玻璃门8，振动台14的右端安装有电机17，电机17的左侧动力输出端上套接有转轮16，转轮16上设有转动轴15，转动轴15的另一端通过螺栓与储料仓7螺接。
其中，输送管5上安装有阀门。
斜坡模型10包括两组梯式桁架18和面板，两组梯式桁架18叠加放置且顶部之间搭接有面板，两组梯式桁架18之间设有链条19，链条19的左侧插接有转动手柄20。通过转动手柄20调节整体的长度由此改变斜坡的角度，坡面材料是可以更换的，以模拟不同抗剪强度的滑动面。
水槽11的底部贯穿开设有水槽进排水口，水槽进排水口的直径为5cm，且水槽进排水口与储水箱3之间设有抽水装置，水槽11为边长600cm、宽30cm、高120cm的长方体，水槽11的内壁设有水位标，水槽11和沉淀池12均透明设置，沉淀池12的底部设有沉淀池进排水口，沉淀池进排水口的直径为5cm，沉淀池12的边长为长150cm、宽150cm、高120cm，将储水箱3中的水注入到水槽11中，注水过程要缓慢，防止对斜坡模型10造成破坏，在水槽11内壁安置水位标，能够清晰观测水位刻度，在沉淀池12的底部设有沉淀池进排水口，便于注水和排水，通过透明的沉淀池12观察泥石流的堆积形态和过程。
储水箱3的规格为30cm×30cm×130cm，储水箱3顶部的搅拌机4的规格为顶的直径30cm、底的直径20cm、高30cm，搅拌机4通过传送带5与运料箱1连接，运料箱1的规格为30cm×30cm×50cm，搅拌机4上连接的输送管5直径为5cm，输送管5底部连接的花洒式喷头6和储料仓7为等大的矩形面，花洒式喷头6的底部矩形面规格为30cm×20cm。
振动台14的规格为40cm×30cm×35cm，振动台14的台面上通过螺栓固定螺接有平行桁架，平行桁架的规格为上40cm×3cm，储料仓7位于平行桁架的上方，储料仓7的规格为30cm×20cm×30cm，储料仓7的外壁与振动台14的边缘之间留设有空隙，空隙的规格为5cm，为储料仓7保留振动的自由空间，通过试验装置中振动台14的振动，使得砂土液化。
转轮16的表面中央设有转轮轴心21，转轮16的直径为10cm，转动16的轴长为25cm，转动轴15位于转轮轴心21处3cm的位置，使得转轮16转动时，转动轴15受到偏心力牵引储料仓7在平行桁架的轨道上移动。
本实施例的一个具体应用为：
首先要选择场地，先将储水箱3整平后放在一个位置，将搅拌机4放置在储水箱3顶部，传送带2设置在储水箱3的后侧面，运料箱1通过传送带2与储水箱3顶部的搅拌机4相连，储水箱3可通过抽水装置将水抽送到搅拌机4中，搅拌机4上设有一直径5cm的输送管5，输送管5的末端安装有可拆卸的矩形花洒式喷头6，花洒式喷头6位于储料仓7的正上方，便于向储料仓7中均匀撒入泥砂。振动台14和水槽11是一个整体，振动台14与水槽11之间用玻璃门9隔开，目的是减少水的扰动。斜坡模型10放置在水槽11中，斜坡模型10的顶端固定在振动台14的底面，斜坡模型10由两个梯式桁架18叠加在一起组成，两个梯式桁架18的顶部之间搭接有面板作为坡面，通过转动手柄20的转动使得链条19调节整体的长度来改变斜坡的角度，坡面面板材料是可以更换的，以模拟不同抗剪强度的滑动面。
对试验装置初步检验，满足要求后进行正式物理模型试验。
具体实验操作过程如下：
首先将水槽11注水，然后将运料箱1内一定级配且含有一定粘粒的烘干砂土通过传送带2运送到储水箱3顶部的搅拌机4中，再通过抽水装置将储水箱3内的水抽送到搅拌机4内，进行充分的搅拌均匀，然后打开输送管5上的阀门，使泥石流通过花洒式喷头6均匀撒入储料仓7内。
在斜坡的坡面上分别在不同的位置放置孔隙水压力传感器、土压力传感器、冲击力测试装置和流速测量装置；在坡面上放一些小球，小球的表面涂有特殊的物质，便于三维激光扫描仪进行扫描记录其运动特征，更加直观的反映泥石流在水下的运动情况；配备高速摄像机监测和记录水槽11中斜坡模型10迎流面泥石流的流动形态和冲击情况以及沉淀池中泥石流的堆积形态和过程。
启动电机17，当储料仓7中的砂土达到液化时，同时抽出储料仓7和振动台14的抽拉式玻璃门8并及时关闭电机17使泥浆流入水槽11中；也可以打开玻璃门9，直接让砂土流入水槽11中；或者在储料仓7里放入适当化学物质，使得该物质在一定外界触发因素下释放气体，模拟水下天然气水合物释放导致的水下泥石流，进行对比试验。
在做完数据采集和记录工作后，水槽11中的水可通过抽水装置重新抽送回储水箱3中，将沉淀池12中的泥砂从沉淀池进排水口中清理出来，再次利用。然后调节斜坡的角度或者更换不同粗糙度的坡面材料，为下组实验做准备。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (7)
1.水下泥石流运动特征模拟试验装置，包括运料箱(1)、储水箱(3)、水槽(11)和沉淀池(12)，其特征在于：所述运料箱(1)位于储水箱(3)的左侧，所述储水箱(3)的顶部设有搅拌机(4)，所述搅拌机(4)与运料箱(1)之间套接有传送带(2)，所述搅拌机(4)的右侧设有出口处套接有输送管(5)，所述输送管(5)的右端套接有花洒式喷头(6)，所述水槽(11)的右侧连通有沉淀池(12)，所述水槽(11)的内腔设有斜坡模型(10)，所述水槽(11)的左侧焊接有支撑桁架(13)，所述支撑桁架(13)的顶部设有振动台(14)，所述振动台(14)与水槽(11)的内腔连通构成一个整体，所述振动台(14)与水槽(11)之间设有玻璃门(9)，所述斜披模型(10)的的顶部与振动台(14)的底部固定连接，所述振动台(14)上设有平行桁架(22)，所述平行桁架(22)的下端面通过轨道设有储料仓(7)，所述花洒式喷头(6)位于储料仓(7)的正上方，所述储料仓(7)位于振动台(14)的内腔，所述储料仓(7)的右侧仓门处设有抽拉式玻璃门(8)，所述振动台(14)的右端安装有电机(17)，所述电机(17)的左侧动力输出端上套接有转轮(16)，所述转轮(16)上设有转动轴(15)，所述转动轴(15)的另一端通过螺栓与储料仓(7)螺接。
2.根据权利要求1所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述输送管(5)上安装有阀门。
3.根据权利要求1所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述斜坡模型(10)包括两组梯式桁架(18)和面板，两组所述梯式桁架(18)叠加放置且顶部之间搭接有面板，两组所述梯式桁架(18)之间设有链条(19)，所述链条(19)的左侧插接有转动手柄(20)。通过转动手柄20调节整体的长度由此改变斜坡的角度，坡面材料是可以更换的，以模拟不同抗剪强度的滑动面。
4.根据权利要求1所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述水槽(11)的底部贯穿开设有水槽进排水口，所述水槽进排水口的直径为5cm，且水槽进排水口与储水箱(3)之间设有抽水装置，所述水槽(11)为边长600cm、宽30cm、高120cm的长方体，所述水槽(11)的内壁设有水位标，所述水槽(11)和沉淀池(12)均透明设置，所述沉淀池(12)的底部设有沉淀池进排水口，所述沉淀池进排水口的直径为5cm，所述沉淀池(12)的边长为长150cm、宽150cm、高120cm。
5.根据权利要求1所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述振动台(14)的规格为40cm×30cm×35cm，所述振动台(14)的台面上通过螺栓与平行桁架(22)固定螺接，所述平行桁架(22)的规格为40cm×3cm，所述储料仓(7)与平行桁架(22)的轨道搭接，所述储料仓(7)的规格为30cm×20cm×30cm，所述储料仓(7)的外壁与振动台(14)的边缘之间留设有空隙，所述空隙的规格为5cm。
6.根据权利要求5所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述储水箱(3)的规格为30cm×30cm×130cm，所述储水箱(3)顶部的搅拌机(4)的规格为顶的直径30cm、底的直径20cm、高30cm，所述搅拌机(4)通过传送带(5)与运料箱(1)连接，所述运料箱(1)的规格为30cm×30cm×50cm，所述搅拌机(4)上连接的输送管(5)直径为5cm，所述输送管(5)底部连接的花洒式喷头(6)和储料仓(7)为等大的矩形面，所述花洒式喷头(6)的底部矩形面规格为30cm×20cm。
7.根据权利要求5所述的水下泥石流运动特征模拟试验装置，其特征在于：所述转轮(16)的表面中央设有转轮轴心(21)，所述转轮(16)的直径为10cm，所述转动(16)的轴长为25cm，所述转动轴(15)位于转轮轴心(21)处3cm的位置。
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