CN112461501B - 坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置，本发明包括溃决滑坡水槽和缓冲沉砂池，所述的溃决滑坡水槽底部置放模拟底床水平段和倾斜段。模拟底床水平段上堆砌级配均匀细粒径砂堆，该砂堆由振动压实器和可调节限制底坡辅助。所述的溃决滑坡水槽中放置测量杆，所述测量杆正对所述可调节限制底坡；所述的缓冲沉砂池衔接模拟底床倾斜段，所述的缓冲沉砂上方设有环境水体输入口，缓冲沉砂池用于防止衍生浊流的反射。本发明中的UPV、CCM以及虹吸管三者结合可以获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面。
Description
技术领域
本发明涉及泥沙水动力学模型试验领域，具体涉及一种坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置。
背景技术
海底滑坡是指当巨大水下土体失稳并加速滑动，最终沉积形成更缓和斜坡的物理过程，该过程中往往伴随着浊流的产生。从工程角度来看，浊流给海底结构物(如输油管道、井口和电缆)的稳定性带来巨大风险，直接或间接地对附近或偏远水下基础设施造成冲击。
前人研究文献报道过许多发生在世界各地的海底滑坡事件，海底滑坡是极其复杂的破坏过程，它涉及岩土工程方面的土体内部结构，也包括输送泥沙碎屑的流体水动力特性。总之，对海底滑坡深入了解对于提高防洪安全性和设计合适减灾措施具有重要意义。
海底滑坡通常是逐渐发展的且堆覆密实砂土的坡体更容易形成。这是由于剪切力作用下的砂砾体积膨胀导致负孔隙压力，压力差的存在导致环境水体被迫流入孔隙以消散负压，从而使位于砂-水界面的颗粒失稳。此处定义垂直于决口面的砂土侵蚀速度vw表达式如下：
其中
为内摩擦角，α为坡体倾斜角，n0为泥沙原位孔隙率，kl为松散状态下泥沙的渗透率，ρs为泥沙密度，ρw为环境流体密度，δn＝(nl-n0)/(1-nl)为泥沙孔隙率的相对改变量，nl为泥沙的最大孔隙率。
泥沙沉积物的悬浮增加局部流体密度，进而衍生出海底滑坡浊流。浊流流过坡面并与坡面相互作用，可能会增加砂土表面的侵蚀，悬浮更多沉积物，从而提高运动速度和侵蚀能力。
目前还缺少海底滑坡衍生浊流侵蚀的定量数据，它是否在海底滑坡问题中发挥相当大作用仍然是悬而未决的问题。值得一提的是，公式(1)并未考虑衍生浊流对泥沙的侵蚀挟带，部分研究者尝试建立考虑衍生浊流挟带泥沙的侵蚀模型，然而这些侵蚀模型显示典型溃决条件下结果存在很大差异。
由于海底滑坡过程是不可预测的，并且衍生浊流可能会损坏测量仪器，因此很难对该物理现象进行现场观测。实验室研究显然是有效替代手段，可以更好地了解海底滑坡及其衍生浊流的泥沙输移特性。目前来看，只有少数文献中涉及海底滑坡过程的物模实验。此外，已有研究更多关注沿坡脚向下的破坏演化，而并非溃决面处水流发展或衍生浊流。即使在实验室模拟中，测量海底滑坡衍生浊流实际也极具挑战，主要有以下几个原因：首先，衍生浊流的发展是典型非均匀非定常现象，这意味着其内部水动力和密度分布是时空变化的。其二，研究溃决面水流发展需要足够的行进距离和实验规模。其三，衍生浊流非常薄(几厘米)，需要高分辨率的测量来显示其结构。最后，由于泥沙侵蚀过程，沉积层不断向后移动等。
发明内容
本发明给出实验室内模拟坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置，以期广泛应用在相关领域，为野外观测和数值模拟提供更多数据支持。
本发明解决技术问题所采取的技术方案为：
本发明包括溃决滑坡水槽和缓冲沉砂池，所述的溃决滑坡水槽底部置放模拟底床水平段和倾斜段。模拟底床水平段上堆砌级配均匀细粒径砂堆，该砂堆由振动压实器和可调节限制底坡辅助。所述的溃决滑坡水槽中放置测量杆，所述测量杆正对所述可调节限制底坡；所述的缓冲沉砂池衔接模拟底床倾斜段，所述的缓冲沉砂上方设有环境水体输入口，缓冲沉砂池用于防止衍生浊流的反射。
所述测量杆上装有超声波速度剖面仪、电导式浓度计以及虹吸管，三者结合获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面数据。虹吸管通过导管连接至外部的虹吸浊流收集器，虹吸浊流收集器放置在可移动托盘上；所述测量杆通过控制测量杆的手动曲柄实现倾斜角度的改变，保持与砂堆溃决面的动态平行。
进一步说，所述可调节限制底坡可预设倾角，通过控制可调节限制底坡的手动曲杆拉升实现预设倾角的改变。
进一步说，所述的可调节限制底坡包括单向过滤网和柔性橡胶软管，所述单向过滤网的两侧为柔性橡胶软管，所述柔性橡胶软管可充气，实现级配均匀细粒径砂堆的密实和防漏处理。
本发明的有益效果：
1、本发明装置结构巧妙，整体性好，效率高，装置成本低。
2、UPV(超声波速度剖面仪)、CCM(电导式浓度计)以及虹吸管三者结合可以获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面，详细来说虹吸管实测数据用来标定UPV(超声波速度剖面仪)声学信号以反演浓度剖面，但是近底床泥沙浓度值过高，声学信号衰减，可用CCM(电导式浓度计)测量以补充浓度剖面数据。
3、可调节限制底坡引入单向过滤网、振动压实器和柔性橡胶软管等辅助部件，实现级配均匀细粒径砂堆的密实处理。
4、本发明装置测量杆倾斜角可调，实现与砂堆溃决面的动态平行。
5、虹吸浊流收集器放置于可移动托盘上，同时收集泥沙悬浊液，数据整体性好。
6、缓冲沉砂池可以防止衍生浊流的反射。
附图说明
图1是本发明的装置主视示意图。
图2是可调节限制底坡正视图。
图3是虹吸浊流收集器正视图。
图4是测量杆上的器件布局放大图。
具体实施方式
如图1所述，本发明分为溃决滑坡水槽4和缓冲沉砂池6，所述的溃决滑坡水槽4底部置放模拟底床水平段2和倾斜段3。所述的溃决滑坡水槽设置排水阀门5。所述的溃决滑坡水槽中堆砌级配均匀细粒径砂堆1，此砂堆的堆砌需要振动压实器25和可调节限制底坡18辅助。在所述的溃决滑坡水槽中放置测量杆17。测量杆上装有UPV(超声波速度剖面仪21)、CCM(电导式浓度计23)以及虹吸管22，三者结合获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面数据，见图4。所述的缓冲沉砂池侧壁设置排水阀门7，上方设有环境水体输入口24，缓冲沉砂池可以防止衍生浊流的反射。
所述可调节限制底坡可预设倾角，通过控制可调节限制底坡的手动曲杆15拉升，所述的控制可调节限制底坡的手动曲杆安放在不锈钢导轨13上。
所述的可调节限制底坡引入单向过滤网20和柔性橡胶软管19等辅助部件，实现级配均匀细粒径砂堆的密实和防漏处理，见图2。
测量杆通过控制测量杆的手动曲柄14拉升牵引线16实现倾斜角度的改变，保持与砂堆溃决面的动态平行。所述的控制测量杆的手动曲柄也安放在不锈钢导轨13上。
测量杆上端输出UPV(超声波速度剖面仪)和CCM(电导式浓度计)数据输出线9连接电脑端8，虹吸管输出导管12连接虹吸浊流收集器10，虹吸浊流收集器放置在可移动托盘11上，见图3。
本发明系统针对性强，结构完整；UPV(超声波速度剖面仪)、CCM(电导式浓度计)以及虹吸管三者结合可以获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面，详细来说虹吸管实测数据用来标定UPV(超声波速度剖面仪)声学信号以反演浓度剖面，但是近底床泥沙浓度值过高，声学信号衰减，可用CCM(电导式浓度计)测量以补充浓度剖面数据；可调节限制底坡引入单向过滤网和柔性橡胶软管等辅助部件，实现级配均匀细粒径砂堆的密实处理；测量杆倾斜角可调，实现与砂堆溃决面的动态平行；虹吸浊流收集器放置于可移动托盘上，同时收集泥沙悬浊液，数据整体性好；缓冲沉砂池可以防止衍生浊流的反射。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“顶部”、“竖直”、“底部”、“内”、“侧”、“垂直”、“上”、“下”、“上端”、“下”、“后方”、“高度”、“前”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明在进行以上所述仅为发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用附属在其他相关产品的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置，包括溃决滑坡水槽和缓冲沉砂池，其特征在于：
所述的溃决滑坡水槽底部置放模拟底床水平段和倾斜段；模拟底床水平段上堆砌级配均匀细粒径砂堆，该砂堆由振动压实器和可调节限制底坡辅助；所述的溃决滑坡水槽中放置测量杆，所述测量杆正对所述可调节限制底坡； 所述的缓冲沉砂池衔接模拟底床倾斜段，所述的缓冲沉砂上方设有环境水体输入口，缓冲沉砂池用于防止衍生浊流的反射；
所述测量杆上装有超声波速度剖面仪、电导式浓度计以及虹吸管，三者结合获得高频率衍生浊流速度和浓度剖面数据；虹吸管通过导管连接至外部的虹吸浊流收集器，虹吸浊流收集器放置在可移动托盘上；所述测量杆通过控制测量杆的手动曲柄实现倾斜角度的改变，保持与砂堆溃决面的动态平行。
2.根据权利要求1所述的坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置，其特征在于：所述可调节限制底坡可预设倾角，通过控制可调节限制底坡的手动曲杆拉升实现预设倾角的改变。
3.根据权利要求1所述的坡体溃决衍生浊流的生成和监测装置，其装置的特征在于：所述的可调节限制底坡包括单向过滤网和柔性橡胶软管，所述单向过滤网的两侧为柔性橡胶软管，所述柔性橡胶软管可充气，实现级配均匀细粒径砂堆的密实和防漏处理。
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