CN110361280B - 一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法，系统包括玻璃整体装置、水循环系统和流速测控系统，玻璃整体装置包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流；流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速。本发明可以模拟潮沟边壁淹没土体在潮流作用下的侧向侵蚀过程，通过测定流速过程及实验前后土体积变化，推求流速与土体冲刷速率的关系，进而推算出土体的临界起动应力，可以探求静水压力对边壁冲刷速率的影响。

Description

一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法
技术领域
本发明涉及土木工程和潮滩-潮沟系统地貌演变实验的技术领域，具体涉及一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法。
背景技术
潮滩是海陆相互作用的前沿地带，一般发育在沿海平原外缘，广泛分布在开敞式、港湾型和河口湾型海岸，具有宽广性、尺度大、坡度缓、底质颗粒细等特征。潮滩凭借其自身丰富的自然资源和优越的地理位置在围垦造地、生态环境、水产养殖和旅游度假等方面具有重要的环境意义和经济价值。在淤泥质潮滩的潮间带，即平均大潮高潮线至平均大潮低潮线之间的潮滩，由海洋动力，特别是潮汐作用形成的潮沟系统广泛发育并呈现树枝状、矩形状、平形状或羽状等平面形态结构。作为潮滩上海陆相互作用最活跃的微地貌单元，潮沟是潮水、泥沙以及营养物质输入与输出潮滩的重要通道，对潮滩的地貌形态塑造、生态系统稳定有重要意义。
通常来说，滩面泥沙比潮沟边壁的泥沙具有更强的抗冲性能，因此潮沟的特征参数及潮滩-潮沟系统的稳定性主要取决于水动力作用和潮沟的边壁侵蚀过程。潮沟的边壁侵蚀从机理上可以分为水流作用下的岸壁侵蚀与土块重力作用下的岸壁崩塌。目前对于潮流流速与潮沟边壁侵蚀冲刷速率、土体临界起动切应力关系的研究少有涉及。考虑到潮滩-潮沟系统在多因子驱动下的复杂性，有必要以物理模型为主要技术手段揭示潮滩-潮沟系统多因子共同作用下，潮沟流速与潮沟边壁侵蚀冲刷速率、土体临界起动切应力的关系，加深对潮滩-潮沟系统稳定性的认识。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种潮沟边壁冲刷速率测量物理实验系统及方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：
一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，包括：
玻璃整体装置，其包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；
水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流；
流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速。
可选的，潮沟边壁塑造区包括玻璃空箱和第二玻璃盒，玻璃空箱远离水槽边壁的一侧壁为可拆卸结构，玻璃空箱内顶部和底部分别设置有若干第二玻璃盒，顶部和底部的第二玻璃盒之间放置土体；玻璃空箱左右两端依次对称设置有若干第一玻璃盒和楔形玻璃箱，形成为梯形结构；梯形结构的下底面与水循环系统中水槽侧壁固定连接。
可选的，玻璃空箱左右两端均有相同数量的第一玻璃盒和坡度为1：2的楔形玻璃箱。
可选的，玻璃空箱左右两端的第一玻璃盒数量根据实验水位及流速作调节，土体及第一玻璃盒前流速相近或一致时，认为水流均匀恒定，将此时插入的第一玻璃盒数量作为正式实验时的使用数量。
可选的，玻璃空箱、第一玻璃盒、楔形玻璃箱三种装置均固定到水槽边壁，将若干第二玻璃盒水平插入玻璃空箱，然后在其上放置一定高度土体，最后在土体之上水平插入若干第二玻璃盒，使上下部第二玻璃盒在竖直方向将土体夹紧；在玻璃空箱与两侧楔形玻璃箱之间，对称地竖直插入若干第一玻璃盒，并用胶带固定。
可选的，水循环系统包括蓄水池、水槽、进水管、出水管、水泵、第一阀门和第二阀门，其中，蓄水池通过进水管和出水管与水槽联通，形成水循环通道，第一阀门和第二阀门分别设置在进水管和出水管上，且在进水管上设置有水泵，用于控制蓄水池中的水进入水槽中。
可选的，流速测控系统包括旋桨式流速仪和数据采集装置，其中，旋桨式流速仪通过横杆固定在水循环系统内的水槽边壁上，且旋桨式流速仪均与数据采集装置电连接；旋桨式流速仪用于测量潮沟边壁塑造区中水流瞬时流速，数据采集装置用于采集瞬时流速并对其进行处理。
可选的，旋桨式流速仪的数量根据第一玻璃盒数量设置，其包括第一旋桨式流速仪、第二旋桨式流速仪、第三旋桨式流速仪和第四旋桨式流速仪，其中，第一和第四旋桨式流速仪分别测量玻璃空箱两端第一玻璃盒前方流速，第二和第三旋桨式流速仪测量土体前方流速。
本发明还提供了一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验方法，包括以下步骤：
(1)建立潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，根据实际潮沟空间尺度和水动力特性确定水循环系统的水槽水深、流速过程；
(2)在玻璃空箱中插入偶数个第二玻璃盒，安装前壁可拆卸挡板，将玻璃空箱固定在水槽边壁上，在玻璃空箱左右两端对称放置一定数量的第一玻璃盒及楔形玻璃箱，第一玻璃盒及楔形玻璃箱固定在水槽边壁上；
(3)打开水泵使蓄水池中的水经过进水管输送到水槽中，通过第一至第四旋桨式流速仪取水槽中玻璃空箱及左右两侧第一玻璃盒前瞬时流速，开启第一阀门使得水槽内水位快速上升，当水槽内水位接近设定水位时，打开第二阀门并逐渐加大，使得水位逐渐接近设定值，当水位达到设定值时保持第一阀门和第二阀门流量一致，此时同时加大或减小第一阀门和第二阀门使得水槽内流速u达到设定值，若第一至第四旋桨式流速仪数值相近或一致，则确定此时玻璃空箱左右两侧第一玻璃盒数量为实验所需，否则改变第一玻璃盒数量继续测试；确定左右两侧第一玻璃盒数量后，关闭水泵，停止输送水流；
(4)构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁：拆除可拆卸挡板，将现场土体敲碎、碾压至颗粒状，用cacl2溶液浸泡24小时后排水、干燥以防止微生物生长造成孔洞，用密实锤压实到设定密度ρ，润湿至预定含水率ω，测定其干密度ρd，并在其上设定一定重量石板静置20小时；根据实验水位设定调节玻璃空箱内第二玻璃盒数量，将上述处理过的现场土体平铺在玻璃空箱内长方体第二玻璃盒中间，使土体高度位于水流上层，土体上下部第二玻璃盒在竖直方向将其夹紧；测量水土接触面面积A、玻璃空箱内土体体积V；安装前壁可拆卸挡板；
(5)根据上述步骤(3)使水槽内水位及流速达到设定值，拆除可拆卸挡板，使潮流直接作用于重塑的现场土体产生冲刷，当达到设定时间t时结束潮流过程的模拟；
(6)缓慢取出试验装置，取出箱内剩余土体，称量其重量m；
(7)根据土体干密度ρd，计算得土体在实验过程中的冲刷体积为V-m/ρd，根据接触面积及冲刷时间可得土体侵蚀率ε＝[V-m/ρd]/(A·t)；
(8)由G.J.Hanson and A.Simon，侵蚀率与切应力成正比：
ε＝kd(τe-τc) (1)；
其中，kd为侵蚀系数，τc为临界切应力，τe为有效切应力；
kd＝2×10-7τc -0.5 (2)；
τe＝ρgu2/CZ 2 (3)；
其中，ρ为水的密度，g为重力加速度，u为垂向平均流速，CZ为谢才系数；
将式(2)、(3)代入式(1)中，得：
Figure BDA0002090326520000041
(9)设置不同的预定流速值，重复步骤(2)-(8)，得对应与不同流速ui的土体侵蚀率εi(i＝1,2,3,…)，列表作图，率定出流速u与土体侵蚀率ε的关系；由式(4)，计算得出与不同流速ui、土体侵蚀率εi对应的侵蚀系数
Figure BDA0002090326520000042
由式(2)得相应临界切应力
Figure BDA0002090326520000043
(10)通过调整玻璃空箱内土体高程、实验水深、流速，探究相同土体高度、流速条件下，不同静水压力对土体侵蚀率的影响。
进一步的，土体在玻璃空箱中的位置根据水位进行调节。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)潮沟边壁侵蚀物理模型可以方便高效地在室内模拟潮流作用下的潮沟边壁侧向侵蚀过程；
(2)潮沟边壁冲刷速率测量系统可以通过测定流速过程及实验前后土体体积变化，推求流速与土体冲刷速率的关系，进而推算出土体的临界起动应力；
(3)可探究相同土体高度、流速条件下，不同静水压力对土体侵蚀率的影响；
(4)水循环系统能够使实验用水循环再利用，实现了环保、可持续的效果。
附图说明
图1为根据本发明进行潮沟边壁冲刷速率测量物理实验的流程示意图；
图2为本发明的玻璃整体装置三维立体图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统包括：玻璃整体装置1、水循环系统2和流速测控系统3，其中：玻璃整体装置包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；潮沟边壁塑造区包括前方一侧开口的玻璃空箱和第二玻璃盒，玻璃空箱远离水槽边壁的一侧壁为可拆卸结构，玻璃空箱内顶部和底部分别设置有若干第二玻璃盒，顶部和底部的第二玻璃盒之间放置土体；玻璃空箱左右两端依次对称设置有若干第一玻璃盒和楔形玻璃箱，形成为梯形结构；梯形结构的下底面与水循环系统中水槽侧壁固定连接。水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流，包括蓄水池、水槽、进水管、出水管、水泵、第一阀门和第二阀门，其中，蓄水池通过进水管和出水管与水槽联通，形成水循环通道，第一阀门和第二阀门分别设置在进水管和出水管上，且在进水管上设置有水泵，用于控制蓄水池中的水进入水槽中；流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速，包括第一旋桨式流速仪、第二旋桨式流速仪、第三旋桨式流速仪、第四旋桨式流速仪以及数据采集装置，其中，第一至第四旋桨式流速仪通过横杆固定在水循环系统内的水槽边壁上，且第一至第四旋桨式流速仪均与数据采集装置电连接。
如图1和图2所示，本实施例中，蓄水池21与水槽22之间通过进水管23和出水管24联通形成水循环通路，水泵25和第一阀门26安装在进水管上，第二阀门27安装在出水管上，玻璃整体装置底层的高程与水槽底高程齐平，蓄水池底高程低于水槽底高程，横杆35固定在水循环系统内的水槽边壁221上，第一至第四旋桨式流速仪31、32、33、34固定在横杆35上，数据采集装置36通过横杆与第一至第四旋桨式流速仪连接。
所述玻璃整体装置如图2所示，本实施例中长方体玻璃空箱11左右均有三个竖直放置的第一玻璃盒12和一个坡度为1：2的楔形玻璃箱13，使水流在流经边壁实验土体过程中保持平顺(水平方向)，玻璃空箱中边壁实验土体上下均水平放置一定数量的第二玻璃盒14，使水流在流经边壁实验土体过程中保持平顺(竖直方向)；土体在玻璃空箱中的位置可根据水位作调节，假定实验水位20cm，可在玻璃空箱中贴近下底水平插入两个第二玻璃盒(共高10cm)，在其上放置实验土体10cm，贴近玻璃空箱上盖水平插入两个第二玻璃盒(共高10cm)，使土体处于水层上部(垂向流速均匀)，土体上下第二玻璃盒在竖直方向将其夹紧，可增大土体在水流作用下发生侵蚀而非坍塌的概率；玻璃空箱左右两端的第一玻璃盒数量可根据实验水位及流速作调节，实验土体及两侧第一玻璃盒前流速相近或一致时可认为水流均匀恒定，将此时插入的第一玻璃盒数量作为正式实验时的使用数量。
玻璃空箱、第一玻璃盒、楔形玻璃箱三种装置均固定到水槽边壁，长方体玻璃空箱前壁可拆卸玻璃挡板111，第二玻璃盒保持上盖在水平方向紧贴玻璃空箱下底插入，其上放置一定高度的土体，在土体与玻璃空箱上盖之间水平插入几个第二玻璃盒，使上下部分第二玻璃盒在竖直方向将土体夹紧；第一玻璃盒保持上盖在竖直方向，依次摆放并夹在玻璃空箱左壁(或右壁)与楔形玻璃箱前壁之间，使玻璃空箱左右第一玻璃盒数量相等，并用胶带固定。
使用步骤为：
(1)建立所述的潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，根据实际潮沟空间尺度和水动力特性确定水循环系统的水槽水深、流速过程；
(2)在玻璃空箱11中插入6个第二玻璃盒14，安装前壁可拆卸挡板111，将玻璃空箱固定在水槽边壁221，在玻璃空箱左右对称放置一定数量的第一玻璃盒12及楔形玻璃箱13，固定在水槽边壁221上；
(3)打开水泵25使蓄水池21中的水经过进水管23输送到水槽22中，通过第一至第四旋桨式流速仪31、32、33、34取水槽中玻璃空箱及左右两侧第一玻璃盒前瞬时流速，开启第一阀门26使得水槽内水位快速上升，当水槽内水位接近设定水位时，打开第二阀门27并逐渐加大，使得水位逐渐接近设定值，当水位达到设定值时保持第一阀门26和第二阀门27流量一致，此时同时加大或减小第一阀门和第二阀门使得水槽内流速u达到设定值，若第一至第四流速仪数值相近或一致，则确定此时玻璃空箱左右两侧第一玻璃盒数量为实验所需，否则改变第一玻璃盒数量继续测试。确定左右两侧第一玻璃盒数量后，关闭水泵，停止输送水流；
(4)构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁：拆除可拆卸挡板111，将现场土体敲碎、碾压至颗粒状，用cacl2溶液浸泡24小时后排水、干燥以防止微生物生长造成孔洞，用密实锤压实到设定密度ρ，润湿至预定含水率ω，测定其干密度ρd，并在其上设定一定重量石板静置20小时。根据实验水位设定调节玻璃空箱内第二玻璃盒数量，将上述处理过的现场土体平铺在玻璃空箱内长方体第二玻璃盒14中间，使土体高度位于水流上层，土体上下部第二玻璃盒在竖直方向将其夹紧。测量水土接触面面积A、玻璃空箱内土体体积V。安装前壁可拆卸挡板111；
(5)根据上述步骤(3)使水槽内水位及流速达到设定值，拆除可拆卸挡板111，使潮流直接作用于重塑的现场土体产生冲刷，当达到设定时间t时结束潮流过程的模拟；
(6)缓慢取出试验装置，取出箱内剩余土体，称量其重量m；
(7)根据土体干密度ρd，计算可得土体在实验过程中的冲刷体积为V-m/ρd，根据接触面积及冲刷时间可得土体侵蚀率ε＝[V-m/ρd]/(A·t)；
(8)由(G.J.Hanson and A.Simon)，侵蚀率与切应力成正比：
ε＝kd(τe-τc) (1)；
式中，kd为侵蚀系数(m3/(N·s))，τc为临界切应力(Pa)，τe为有效切应力(Pa)；
kd＝2×10-7τc -0.5 (2)；
τe＝ρgu2/CZ 2 (3)；
式中，ρ为水的密度，取1000kg/m3，g为重力加速度，取9.8m/s2，u为垂向平均流速(m/s)，CZ为谢才系数，取65m1/2/s。
将式(2)、(3)代入式(1)中，可得：
Figure BDA0002090326520000071
(9)设置不同的预定流速值，重复步骤(2)-(8)，可得对应与不同流速ui的土体侵蚀率εi(i＝1,2,3,…)，列表作图，率定出流速u与土体侵蚀率ε的关系；由式(4)，计算得出与不同流速ui、土体侵蚀率εi对应的侵蚀系数
Figure BDA0002090326520000072
由式(2)得相应临界切应力
Figure BDA0002090326520000073
(10)通过调整玻璃空箱内土体高程、实验水深、流速，可探究相同土体高度、流速条件下，不同静水压力对土体侵蚀率的影响。

Claims (5)

1.一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于，包括：
玻璃整体装置，其包括潮沟边壁塑造区、第一玻璃盒和楔形玻璃箱，潮沟边壁塑造区用于装填土体模拟构造潮沟边壁，潮沟边壁塑造区左右两端依次对称设置有第一玻璃盒和楔形玻璃箱；潮沟边壁塑造区包括玻璃空箱和第二玻璃盒，玻璃空箱远离水槽边壁的一侧壁为可拆卸结构，玻璃空箱内顶部和底部分别设置有若干第二玻璃盒，顶部和底部的第二玻璃盒之间放置土体；玻璃空箱左右两端依次对称设置有若干第一玻璃盒和楔形玻璃箱，形成为梯形结构；梯形结构的下底面与水循环系统中水槽侧壁固定连接；玻璃空箱左右两端均有相同数量的第一玻璃盒和坡度为1：2的楔形玻璃箱；玻璃空箱左右两端的第一玻璃盒数量根据实验水位及流速作调节，土体及第一玻璃盒前流速相近或一致时，认为水流均匀恒定，将此时插入的第一玻璃盒数量作为正式实验时的使用数量；
水循环系统用于为潮沟边壁塑造区的土体冲刷提供恒定循环冲刷水流；水循环系统包括蓄水池、水槽、进水管、出水管、水泵、第一阀门和第二阀门，其中，蓄水池通过进水管和出水管与水槽联通，形成水循环通道，第一阀门和第二阀门分别设置在进水管和出水管上，且在进水管上设置有水泵，用于控制蓄水池中的水进入水槽中；
流速测控系统用于测量潮沟边壁塑造区土体前方水体流速；流速测控系统包括旋桨式流速仪和数据采集装置，其中，旋桨式流速仪通过横杆固定在水循环系统内的水槽边壁上，且旋桨式流速仪均与数据采集装置电连接；旋桨式流速仪用于测量潮沟边壁塑造区中水流瞬时流速，数据采集装置用于采集瞬时流速并对其进行处理。
2.根据权利要求1所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：玻璃空箱、第一玻璃盒、楔形玻璃箱三种装置均固定到水槽边壁，将若干第二玻璃盒水平插入玻璃空箱，然后在其上放置一定高度土体，最后在土体之上水平插入若干第二玻璃盒，使上下部第二玻璃盒在竖直方向将土体夹紧；在玻璃空箱与两侧楔形玻璃箱之间，对称地竖直插入若干第一玻璃盒，并用胶带固定。
3.根据权利要求1所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，其特征在于：旋桨式流速仪的数量根据第一玻璃盒数量设置，其包括第一旋桨式流速仪、第二旋桨式流速仪、第三旋桨式流速仪和第四旋桨式流速仪，其中，第一和第四旋桨式流速仪分别测量玻璃空箱两端第一玻璃盒前方流速，第二和第三旋桨式流速仪测量土体前方流速。
4.一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)建立潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验系统，根据实际潮沟空间尺度和水动力特性确定水循环系统的水槽水深、流速过程；
(2)在玻璃空箱中插入偶数个第二玻璃盒，安装前壁可拆卸挡板，将玻璃空箱固定在水槽边壁上，在玻璃空箱左右两端对称放置一定数量的第一玻璃盒及楔形玻璃箱，第一玻璃盒及楔形玻璃箱固定在水槽边壁上；
(3)打开水泵使蓄水池中的水经过进水管输送到水槽中，通过第一至第四旋桨式流速仪取水槽中玻璃空箱及左右两侧第一玻璃盒前瞬时流速，开启第一阀门使得水槽内水位快速上升，当水槽内水位接近设定水位时，打开第二阀门并逐渐加大，使得水位逐渐接近设定值，当水位达到设定值时保持第一阀门和第二阀门流量一致，此时同时加大或减小第一阀门和第二阀门使得水槽内流速u达到设定值，若第一至第四旋桨式流速仪数值相近或一致，则确定此时玻璃空箱左右两侧第一玻璃盒数量为实验所需，否则改变第一玻璃盒数量继续测试；确定左右两侧第一玻璃盒数量后，关闭水泵，停止输送水流；
(4)构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁：拆除可拆卸挡板，将现场土体敲碎、碾压至颗粒状，用cacl2溶液浸泡24小时后排水、干燥以防止微生物生长造成孔洞，用密实锤压实到设定密度ρ，润湿至预定含水率ω，测定其干密度ρd，并在其上设定一定重量石板静置20小时；根据实验水位设定调节玻璃空箱内第二玻璃盒数量，将上述处理过的现场土体平铺在玻璃空箱内长方体第二玻璃盒中间，使土体高度位于水流上层，土体上下部第二玻璃盒在竖直方向将其夹紧；测量水土接触面面积A、玻璃空箱内土体体积V；安装前壁可拆卸挡板；
(5)根据上述步骤(3)使水槽内水位及流速达到设定值，拆除可拆卸挡板，使潮流直接作用于重塑的现场土体产生冲刷，当达到设定时间t时结束潮流过程的模拟；
(6)缓慢取出试验装置，取出箱内剩余土体，称量其重量m；
(7)根据土体干密度ρd，计算得土体在实验过程中的冲刷体积为V-m/ρd，根据接触面积及冲刷时间可得土体侵蚀率ε＝[V-m/ρd]/(A·t)；
(8)由G.J.Hanson andA.Simon，侵蚀率与切应力成正比：
ε＝kd(τe-τc) (1)；
其中，kd为侵蚀系数，τc为临界切应力，τe为有效切应力；
kd＝2×10-7τc -0.5 (2)；
τe＝ρgu2/CZ 2 (3)；
其中，ρ为水的密度，.9为重力加速度，u为垂向平均流速，CZ为谢才系数；
将式(2)、(3)代入式(1)中，得：
Figure FDA0002521628750000031
(9)设置不同的预定流速值，重复步骤(2)-(8)，得对应与不同流速ui的土体侵蚀率εi(i＝1，2，3，...)，列表作图，率定出流速u与土体侵蚀率ε的关系；由式(4)，计算得出与不同流速ui、土体侵蚀率εi对应的侵蚀系数
Figure FDA0002521628750000033
由式(2)得相应临界切应力
Figure FDA0002521628750000032
(10)通过调整玻璃空箱内土体高程、实验水深、流速，探究相同土体高度、流速条件下，不同静水压力对土体侵蚀率的影响。
5.根据权利要求4所述的一种潮沟边壁泥沙冲刷速率测量物理实验方法，其特征在于，土体在玻璃空箱中的位置根据水位进行调节。
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