CN114280095B - 一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，所述方法包括：制作试样；对试样进行预处理；对预处理后的试样进行拍照记录；对试样进行冻融循环处理以及根据观测到的数据分析泥沙暴露度情况。本发明通过上述检测方法实现了关于冻融循环对床面泥沙暴露度影响的定量检测，可以直接定量给出冻融循环前后床面泥沙相对暴露度的变化幅度，从而定量反映冻融循环的影响。本发明公开的定量检测方法更简便，更直观地从微观角度测量表层泥沙颗粒的相对暴露度，表征了冻融循环对表层泥沙颗粒相对暴露度的定量影响，进而能够在寒区河道开展泥沙输移计算时实现合理的参数取值。
Description
技术领域
本发明属于水力学及河流动力学技术领域，尤其涉及一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法。
背景技术
天然河流中，泥沙颗粒在床面上的位置是影响泥沙运动的重要因素之一。由于床面泥沙颗粒粒径大小不同，颗粒之间存在遮蔽作用，现有技术根据床面泥沙位置的相对位置，用床面泥沙暴露度这一参数来表征不同泥沙粒径之间的相互影响。事实上，影响床面泥沙暴露度的因素众多，如水力条件、泥沙粒径以及河道岸滩类型等等，上述因素通过影响泥沙颗粒受力情况，进而会改变颗粒的起动力及抵抗力，影响泥沙输移过程。在实际寒区河道中，如东北流域，冻融循环侵蚀也会对泥沙床面暴露度产生显著影响。但现有的关于冻融循环对床面泥沙暴露度影响的检测都是定性的，而如何定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度的影响，是目前该技术领域亟需解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于，提出一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，能够反映冻融循环对床面泥沙暴露度的定量影响，进而能够在寒区河道开展泥沙输移计算时实现合理的参数取值。本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提出一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1：制作试样：取河床岸坡泥沙进行烘干过筛后，加水使其成样，分别放入两个套筒中做成两个土体样本；根据所述河床岸坡泥沙的干密度选取球体模型，所述球体模型的密度值与所述河床岸坡泥沙的干密度值的差值在预先设定的阈值范围内；将球体模型进行过筛，其过筛孔径与所述河床岸坡泥沙过筛孔径相同，在其中一个土体样本表面撒上过筛后的球体模型作为第一试样，另外一个土体样本作为第二试样；
步骤2：对试样进行预处理：对第一试样和第二试样进行饱水处理后得到饱和试样，对两个所述饱和试样进行保温处理，并在第二试样中插入温度传感器；
步骤3：对预处理后的试样进行拍照记录：用显微镜观测第一试样表层的球体模型，确定观测视野的方位和个数，定标并拍照记录，作为冻融循环前的原始数据；
步骤4：对试样进行冻融循环处理：对第一试样和第二试样进行冻融循环处理，冻融循环过程结束后用显微镜对步骤3中所述的各观测视野进行拍照记录；
步骤5：根据观测到的数据分析泥沙暴露度情况：
第一种情况：球体模型冻融循环前埋藏于土体样本内，冻融循环后，从土体样本内顶出，从各观测视野内找出符合要求的球体模型并标号，用显微镜分别测出标号球体模型在冻融循环前后暴露在空气中的圆的半径r，根据下列公式计算出球体模型的暴露百分比ω为：
其中，R为球体模型的半径；
第二种情况：冻融循环前埋藏于土体样本内的球体模型，冻融循环后顶出，对上层球体模型暴露度产生影响，从各观测视野内找出符合要求的球体模型组并标号，分别测出每组标号球体模型在冻融循环前后上层球体模型和下层球体模型的俯视图圆心距h，根据下列公式计算出暴露角θ的正弦值：
其中，r1为上层球体模型半径，r2为下层球体模型的半径；
进而可以计算出上层球体模型的绝对暴露度Δ为：
Δ＝r1-r1·cosθ＝r1(1-cosθ) (3)
上层球体模型的相对暴露度Δ′为：
从而得到在冻融循环前后泥沙暴露度情况。
进一步的是，所述步骤1中向烘干过筛后的河床岸坡泥沙加水使其成样，加水量为所述河床岸坡泥沙重量的10％。
进一步的是，所述步骤1中预先设定的所述球体模型的密度值与所述河床岸坡泥沙的干密度值的差值的阈值范围为-0.3～0.3g/cm3。
进一步的是，所述球体模型为塑料小球或纳米氧化锆微珠。
进一步的是，其特征在于，所述步骤1中河床岸坡泥沙过筛孔径与球体模型过筛孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm或0.075mm中任一种。
进一步的是，所述步骤2中对第一试样和第二试样进行饱水处理的具体过程为：在第一试样和第二试样的上下表面各覆盖一层滤纸后再各盖一块透水石，放入饱和器进行固定，然后放入真空加压饱和装置，抽真空1小时后饱水8小时，然后取下透水石和滤纸，用保鲜膜包裹住试样，得到饱和试样。
进一步的是，所述步骤2中对两个所述饱和试样进行保温处理的具体过程为：对所述饱和试样的侧面和底面包裹保温棉进行保温。
进一步的是，所述步骤2中在第二试样中间插入温度传感器的深度为所述球体模型过筛孔径的10倍。
进一步的是，所述步骤3中观测视野的个数为不少于5个。
进一步的是，所述步骤4中对第一试样和第二试样进行冻融循环处理的具体过程为：将两个试样放入冻融循环设备，设置冻融循环温度,然后进行第一次降温，当第二试样内传感器读数为0时，记录所用的时间为t，从而确定本次试验过程中冻和融的时间均为t，然后对两个试样进行先冻后融的冻融循环过程。
本发明的有益效果是：本发明通过上述检测方法实现了关于冻融循环对床面泥沙暴露度影响的定量检测，可以直接定量给出冻融循环前后床面泥沙相对暴露度的变化幅度，从而定量反映冻融循环的影响。本发明公开的定量检测方法更简便，更直观地从微观角度测量表层泥沙颗粒的相对暴露度，表征了冻融循环对表层泥沙颗粒相对暴露度的定量影响，进而能够在寒区河道开展泥沙输移计算时实现合理的参数取值。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图；
图2为第一试样与第二试样的结构示意图；
图3为第一种情况的球体冻融循环前后位置变化示意图；
图4为第二种情况的球体组的上层球体与下层球体相对位置示意图；
图5为实施例一视野3中符合第一种情况的球体在冻融循环前暴露情况示意图；
图6为实施例一视野3中符合第一种情况的球体在冻融循环后暴露情况示意图；
图7为实施例一视野3中符合第一种情况的球体暴露百分比ω随冻融循环次数的变化情况示意图。
图2中，1：球体模型，2：套筒，3：保温棉，4：温度传感器。
图5、图6中，[0]、[1]、[2]…[7]、[8]为标号球体的序号。
具体实施方式
本发明提出一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，如图1所示，所述方法包括以下步骤：
步骤1：制作试样：取河床岸坡泥沙进行烘干过筛后，加入适量水使其成样，加水量可以为河床岸坡泥沙重量的10％，然后将其分别放入两个套筒2中做成两个土体样本，如图2所示。
根据所取河床岸坡泥沙的干密度选取材质密度接近的的球体模型1，球体模型1可以采用塑料小球或纳米氧化锆微珠，球体模型1的密度值与河床岸坡泥沙的干密度值的差值在预先设定的阈值范围内，该阈值范围一般设定为-0.3～0.3g/cm3。
将球体模型1进行过筛，其过筛孔径与所述河床岸坡泥沙过筛孔径相同，河床岸坡泥沙过筛孔径与球体模型过筛孔径可以是2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm或0.075mm中任一种。在其中一个土体样本表面撒上过筛后的球体模型1击实作为第一试样，所撒球体模型1的数量应保证第一试样表面至少覆盖有一层球体模型1，一般一至三层即可，另外一个土体样本作为第二试样，第二试样作为陪样。
步骤2：对试样进行预处理：对第一试样和第二试样进行饱水处理后得到饱和试样，对两个所述饱和试样进行保温处理，并在第二试样中插入温度传感器。
其中，对第一试样和第二试样进行饱水处理的具体过程为：在第一试样和第二试样的上下表面各覆盖一层滤纸后再各盖一块透水石，放入饱和器进行固定，以防止饱水过程中试样表层土体和球体模型被扰动。其中透水石和试样截面圆一样大，既能透水，又可以防止试样被水流侵蚀破坏。然后将两个试样放入真空加压饱和装置，抽真空1小时后饱水8小时，然后取下透水石和滤纸，用保鲜膜包裹住试样，得到饱和试样。
然后对两个饱和试样进行保温处理，具体过程为：在两个饱和试样的侧面和底面包裹一层保温棉3进行保温，从而保证冻融循环时由土体样本从上往下单向冻结，与实际情况一致。
然后将第二试样中间钻孔，插入温度传感器4，以测量土体样本的冻结深度。温度传感器4的插入深度为球体模型过筛孔径的10倍左右，即土体样本的冻结深度不少于为球体模型和泥沙颗粒直径的10倍。本发明所述方法为定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度的影响，超过10倍球体模型直径后对表层土体的影响可忽略不计，因此冻结深度取球体模型的10倍即可满足要求，也节约了时间。
步骤3：对预处理后的试样进行拍照记录：用显微镜观测第一试样表层的球体模型，确定观测视野的方位和个数，定标并拍照记录，作为冻融循环前的原始数据；通常选取不同状态的球体样本足够多的视野作为观测视野，并确定观测视野的个数，一般来说观测视野的个数不少于5个。
步骤4：对试样进行冻融循环处理：对第一试样和第二试样进行冻融循环处理，冻融循环过程结束后用显微镜对步骤3中所述的各观测视野进行拍照记录；
其中对第一试样和第二试样进行冻融循环处理的具体过程为：将两个试样放入冻融循环设备，设置冻融循环温度,然后进行第一次降温，当第二试样内传感器读数为0时，记录所用的时间为t，从而确定本次试验过程中冻和融的时间均为t，然后对两个试样进行先冻后融的冻融循环过程。
步骤5：根据观测到的数据分析泥沙暴露度情况，球体模型冻融循环前部分或完全埋藏于土体样本内，冻融循环后，部分球体会从土体样本内顶出，根据观测到的结果会出现以下两种情况：
第一种情况：较大泥沙颗粒与周围砂土小颗粒接触，无法按暴露度的定义计算。此时，提出用暴露百分比ω来反映暴露度大小。具体来说，球体模型冻融循环前埋藏于土体样本内，冻融循环后，从土体样本内顶出，从各观测视野内找出符合要求的球体模型并标号，用显微镜分别测出标号球体模型在冻融循环前后暴露在空气中的圆的半径r，如图3所示，根据下列公式计算出球体模型的暴露百分比ω为：
其中，R为球体模型的半径，可由显微镜测出。
第二种情况：颗粒分布情况可以用暴露度定义计算。具体来说，冻融循环前埋藏于土体样本内的球体模型，冻融循环后顶出，对上层球体模型暴露度产生影响，从各观测视野内找出符合要求的球体模型组并标号，分别测出每组标号球体模型在冻融循环前后上层球体模型和下层球体模型的俯视图圆心距h，如图4所示，根据下列公式计算出暴露角θ的正弦值：
其中，r1为上层球体模型半径，r2为下层球体模型的半径，可由显微镜测出。进而可以计算出上层球体模型的绝对暴露度Δ为：
Δ＝r1-r1·cosθ＝r1(1-cosθ) (3)
上层球体模型的相对暴露度Δ′为：
从而得到在冻融循环前后泥沙暴露度情况。
实施例一
本实施例根据上述方法步骤，对取自漠河北极村段的河床岸坡泥沙进行了冻融循环对其泥沙暴露度影响的定量检测。
步骤1：制作试样：对取自漠河北极村段的河床岸坡泥沙进行烘干过筛，过筛孔径为1mm，加入所取泥沙重量10％的水量使其成样，然后将其分别放入两个套筒2中做成两个土体样本，如图2所示，两个土体样本为圆柱型结构，底面直径为50mm，高为60mm。
本实施例中测得所取泥沙的干密度为1.5g/cm3，采用密度为1.2g/cm3的塑料小球作为泥沙颗粒的球体模型1进行过筛，过筛孔径同为1mm。在其中一个土体样本表面撒上过筛后的塑料小球击实作为第一试样，所撒塑料小球的数量保证第一试样表面覆盖有一到两层，另外一个土体样本作为第二试样，第二试样作为陪样。
步骤2：对试样进行预处理：先对第一试样和第二试样进行饱水处理，饱水处理的具体过程为：在第一试样和第二试样的上下表面各覆盖一层滤纸后再各盖一块透水石，放入饱和器进行固定，以防止饱水过程中试样表层土体和小球被扰动。其中透水石和试样截面圆一样大，既能透水，又可以防止试样被水流侵蚀破坏。然后将两个试样放入真空加压饱和装置，抽真空1小时后饱水8小时，然后取下透水石和滤纸，用保鲜膜包裹住试样，得到饱和试样。
然后对两个饱和试样进行保温处理，具体过程为：在两个饱和试样的侧面和底面包裹一层保温棉3进行保温，从而保证冻融循环时由土体样本从上往下单向冻结，与实际情况一致。
然后将第二试样中间钻孔，插入温度传感器4，以测量土体样本的冻结深度。本实施例中插入温度传感器4的深度为1cm，即测量土体样本的冻结深度为1cm。
步骤3：对预处理后的试样进行拍照记录：用显微镜观测第一试样表层的球体模型，确定观测视野的方位和个数，通常选取不同状态的球体样本足够多的视野作为观测视野，一般来说观测视野的个数不少于5个。本实施例中选取的观测视野为5个，定标并拍照记录，作为冻融循环前的原始数据；
步骤4：对试样进行冻融循环处理：对第一试样和第二试样进行冻融循环处理，具体过程为：将两个试样放入冻融循环设备，设置冻融循环温度，本实施例取的是黑龙江漠河北极村段的河床岸坡泥沙，取开江前当地夜晚最低气温-20℃，因此设置冻和融的温度分别为-20℃和20℃，然后进行第一次降温，当第二试样内传感器读数为0时，记录所用的时间为2小时，从而确定本次试验过程中冻和融的时间均为2小时，然后对两个试样进行先冻后融的冻融循环过程。冻融循环过程结束后用显微镜对步骤3中选取的5个观测视野进行拍照记录。
步骤5：根据观测到的数据分析泥沙暴露度情况，塑料小球冻融循环前部分或完全埋藏于土体样本内，冻融循环后，部分球体会从土体样本内顶出，根据观测到的结果会出现以下两种情况：
第一种情况：较大泥沙颗粒与周围砂土小颗粒接触，无法按暴露度的定义计算。此时，提出用暴露百分比ω来反映暴露度大小。具体来说，塑料小球冻融循环前埋藏于土体样本内，冻融循环后，从土体样本内顶出，从各观测视野内找出符合要求的塑料小球并标号，用显微镜分别测出标号小球在冻融循环前后暴露在空气中的圆的半径r，根据下列公式计算出塑料小球的暴露百分比ω为：
其中，R为塑料小球的半径，可由显微镜测出。
本实施例中视野3的塑料小球在冻融循环前后暴露在视野范围内的情况如图5和图6所示，选择其中的9个球体进行了标号为[0]、[1]、[2]…[7]、[8]，测得标号球体在不同的冻融循环次数下暴露百分比ω的值如表1所示。
表1在不同冻融循环次数下标号球体暴露百分比ω的值
从表1中可以直接看出，冻融循环后塑料小球的暴露百分比呈增大趋势。这是由于泥沙颗粒经冻融循环后，颗粒间间距有所增加，内部孔隙增大，所以颗粒的暴露百分比会增大。基于上述结果，进一步分析了球体暴露百分比ω随冻融循环次数的变化情况，如图7所示。基于实测结果，本实施例提出了球体暴露百分比ω与冻融次数之间的经验关系式：
式中，x表示冻融次数，系数a、b、c针对不同粒径的实测数据，利用excel中的趋势线功能，采用最小二乘法来确定。
例如，针对4号球，利用excel中的添加趋势线功能，可以得到回归曲线：
针对8号球，利用excel中的添加趋势线功能，可以得到回归曲线：
从图7中可以看出，公式计算结果基本能与实测数据相吻合。
同时，从图7中可以看出，本实施例的塑料小球在冻融循环次数小于5次左右时，暴露百分比ω增大较明显，在冻融循环次数大于5次之后，暴露百分比ω的值略有减小，逐渐趋于稳定。需要说明的是，由于在实际操作中受到多种因素影响，如观测过程中的误差等，出现了冻融后比冻融前暴露百分比减小的个别结果在误差范围内是允许存在的。
第二种情况：颗粒分布情况可以用暴露度定义计算。具体来说，具体来说，冻融循环前埋藏于土体样本内的塑料小球，冻融循环后顶出，对上层球体模型暴露度产生影响，从5个观测视野内找出符合要求的球体组并标号，分别测出每组标号球体模型在冻融循环前后上层球体模型和下层球体模型的俯视图圆心距h，根据下列公式计算出暴露角θ的正弦值：
其中，r1为上层球体模型半径，r2为下层球体模型的半径，可由显微镜测出。进而可以计算出上层球体模型的绝对暴露度Δ为：
Δ＝r1-r1·cosθ＝r1(1-cosθ) (3)
上层球体模型的相对暴露度Δ′为：
从而得到在冻融循环前后泥沙暴露度情况。
本实施例的各观测视野内对符合要求的各球体组的测量及计算结果如表2所示。
表2上层球体的相对暴露度在冻融循环前后的结果对比
从表2的结果中可以看出，本实施例中绝大部分上层球体在冻融循环后的相对暴露度值明显高于冻融循环前的值，这是由于泥沙颗粒经过冻融循环后，颗粒间的间距有所增大，内部孔隙增大，泥沙颗粒经过“冷筛”作用，相对位置更加稳定，表层泥沙颗粒相对位置的变化主要是由于下层大颗粒泥沙被“筛”出顶起，所以颗粒的相对暴露度会增大。视野4中的球体组4的数据显示的相对暴露度变小是由于下层相邻几个较大泥沙颗粒被“筛”出顶起，上层泥沙颗粒未滑落，所以相对暴露度变小，开江来水后，该颗粒也易被水流带走。
本发明通过上述方法实现了关于冻融循环对床面泥沙暴露度影响的定量检测，可以直接定量给出冻融循环前后床面泥沙相对暴露度的变化幅度，从而定量反映冻融循环的影响。相对于现有对相对暴露度的测试方法，如对透明水槽中鹅卵石和玻璃球的直接测量法、CT扫描法等，本发明的检测方法可以更简便，更直观地从微观角度，测量表层泥沙颗粒的相对暴露度，表征冻融循环对表层泥沙颗粒相对暴露度的定量影响，进而能够在寒区河道开展泥沙输移计算时实现合理的参数取值。
最后应说明的是，以上所述仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳布置方案对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1：制作试样：取河床岸坡泥沙进行烘干过筛后，加水使其成样，分别放入两个套筒中做成两个土体样本；根据所述河床岸坡泥沙的干密度选取球体模型，所述球体模型的密度值与所述河床岸坡泥沙的干密度值的差值在预先设定的阈值范围内；将球体模型进行过筛，其过筛孔径与所述河床岸坡泥沙过筛孔径相同，在其中一个土体样本表面撒上过筛后的球体模型作为第一试样，另外一个土体样本作为第二试样；
步骤2：对试样进行预处理：对第一试样和第二试样进行饱水处理后得到饱和试样，对两个所述饱和试样进行保温处理，并在第二试样中插入温度传感器；
步骤3：对预处理后的试样进行拍照记录：用显微镜观测第一试样表层的球体模型，确定观测视野的方位和个数，定标并拍照记录，作为冻融循环前的原始数据；
步骤4：对试样进行冻融循环处理：对第一试样和第二试样进行冻融循环处理，冻融循环过程结束后用显微镜对步骤3中所述的各观测视野进行拍照记录；
步骤5：根据观测到的数据分析泥沙暴露度情况：
第一种情况：球体模型冻融循环前埋藏于土体样本内，冻融循环后，从土体样本内顶出，从各观测视野内找出符合要求的球体模型并标号，用显微镜分别测出标号球体模型在冻融循环前后暴露在空气中的圆的半径r，根据下列公式计算出球体模型的暴露百分比ω为：
其中，R为球体模型的半径；
第二种情况：冻融循环前埋藏于土体样本内的球体模型，冻融循环后顶出，对上层球体模型暴露度产生影响，从各观测视野内找出符合要求的球体模型组并标号，分别测出每组标号球体模型在冻融循环前后上层球体模型和下层球体模型的俯视图圆心距h，根据下列公式计算出暴露角θ的正弦值：
其中，r1为上层球体模型半径，r2为下层球体模型的半径；
进而可以计算出上层球体模型的绝对暴露度Δ为：
Δ＝r1-r1·cosθ＝r1(1-cosθ) (3)
上层球体模型的相对暴露度Δ′为：
从而得到在冻融循环前后泥沙暴露度情况。
2.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤1中向烘干过筛后的河床岸坡泥沙加水使其成样，加水量为所述河床岸坡泥沙重量的10％。
3.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤1中预先设定的所述球体模型的密度值与所述河床岸坡泥沙的干密度值的差值的阈值范围为-0.3～0.3g/cm3。
4.根据权利要求3所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述球体模型为塑料小球或纳米氧化锆微珠。
5.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤1中河床岸坡泥沙过筛孔径与球体模型过筛孔径为2mm、1mm、0.5mm、0.25mm、0.1mm或0.075mm中任一种。
6.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤2中对第一试样和第二试样进行饱水处理的具体过程为：在第一试样和第二试样的上下表面各覆盖一层滤纸后再各盖一块透水石，放入饱和器进行固定，然后放入真空加压饱和装置，抽真空1小时后饱水8小时，然后取下透水石和滤纸，用保鲜膜包裹住试样，得到饱和试样。
7.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤2中对两个所述饱和试样进行保温处理的具体过程为：对所述饱和试样的侧面和底面包裹保温棉进行保温。
8.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤2中在第二试样中间插入温度传感器的深度为所述球体模型过筛孔径的10倍。
9.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤3中观测视野的个数为不少于5个。
10.根据权利要求1所述的一种定量检测冻融循环对床面泥沙暴露度影响的方法，其特征在于，所述步骤4中对第一试样和第二试样进行冻融循环处理的具体过程为：将两个试样放入冻融循环设备，设置冻融循环温度,然后进行第一次降温，当第二试样内传感器读数为0时，记录所用的时间为t，从而确定本次试验过程中冻和融的时间均为t，然后对两个试样进行先冻后融的冻融循环过程。
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