CN115290485A - 一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法，主要包括壳体，壳体内左右布置有试样放置架，中间设置有推拉机构、翻转机构；试样放置架包括移动底架，移动底架一端铰接有试样放置仓，试样放置仓另一端安装有坡度调节杆；坡度调节杆卡入调节轨道的凹槽中；推拉机构包括左右的曲柄滑块机构，曲柄滑块机构一端通过驱动装置驱动，曲柄滑块机构另一端带动动水板移动；所述翻转机构包括曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构通过第二电机驱动；所述第二转盘边缘安装有鼓浪板，鼓浪板随第二转盘左右摇摆。本发明提供的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法，能真实模拟岸坡岩体受到库水流动冲刷、波浪侵蚀以及二者的耦合作用。
Description
技术领域
本发明涉及试验装置，尤其是一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法，主要用于实验室内模拟岸坡岩体受到库水流动冲刷、波浪侵蚀以及二者的耦合作用，适用于模拟岸坡岩体在库水流动冲刷、波浪侵蚀作用下的劣化效应研究。
背景技术
库岸边坡的变形破坏往往会给国家和人民造成巨大损失，岸坡的长期稳定性研究一直是国内外学者关注的重点。但与一般的边坡不同，一方面，流动的库水持续冲刷着岸坡的岩体；另一方面，在风或行船等外力的扰动下，岸坡的岩体还要承受波浪的冲击侵蚀。在库水的冲刷和波浪的侵蚀作用下，岸坡的形态和岸坡岩体的物理力学性质都会受到极大影响。
现有的试验装置往往不能同时模拟库水流动（顺河流向）和波浪（横河流向）对岸坡岩体的冲刷和侵蚀作用，且难以根据库岸边坡的实际形态考虑其坡度特征进行模拟试验。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法，能真实模拟岸坡岩体受到库水流动冲刷、波浪侵蚀以及二者的耦合作用，提高试验的精准度。另外，该装置结构简单，操作方便。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，包括壳体，壳体内左右布置有试样放置架，试样放置架之间设置有推拉机构、翻转机构；
所述试样放置架包括移动底架，移动底架一端铰接有试样放置仓，试样放置仓另一端安装有坡度调节杆；对应的移动底架另一端固定有调节轨道，调节轨道上布置有多个凹槽，坡度调节杆与调节轨道上任意一个凹槽对应卡接锁紧；
所述推拉机构包括传动杆，传动杆左右布置并与转轴连接，转轴通过驱动装置驱动，每个传动杆另一端与连接杆铰接，连接杆另一端与推拉杆铰接，两推拉杆分别与动水板的一端连接；
所述翻转机构包括第一转盘、第二转盘，第一转盘、第二转盘可转动安装在壳体上，第一转盘、第二转盘之间远离圆心位置铰接有连杆，所述第一转盘、第二转盘及连杆构成曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构通过第二电机驱动；所述第二转盘边缘安装有鼓浪板，鼓浪板随第二转盘左右摇摆。
所述壳体包括上下布置的顶板、底板，顶板、底板之间左右固定有侧板，顶板、底板之间前后通过密封螺栓可拆卸安装有面板，面板通过密封圈加强密封。
所述壳体上方安装有进水口、设置有排水口，进水口、排水口通过水泵、水管向壳体内注水和排水。
所述推拉杆位于壳体内的部分自由穿过固定环，固定环与固定杆连接，固定杆另一端固定在壳体顶部。
所述坡度调节杆包括杆体，杆体上端左右固定有限位卡块，限位卡块与凹槽卡接；杆体下端左右固定有T型卡头，T型卡头置于试样放置仓的调节腔体中并通过压缩弹簧顶起。
所述壳体内安装有水下摄像机。
所述翻转机构在面板和背板上镜像对称布置。
所述调节轨道为圆弧钢轨，两圆弧钢轨的圆心连线与试样放置仓下端铰接轴的轴线重合。
所述试样放置架下端配置有可移动滑轨，可移动滑轨与壳体内的固定滑轨对应。
一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验方法，包括以下步骤：
Step1：岸坡坡度的确定：结合相关的地质勘查资料，确定取样岸坡的坡度，进而确定试样放置时的角度；
Step2：角度调节：按下坡度调节杆，通过坡度调节杆带动试样放置仓转动特定的角度以满足试验时岸坡的坡度要求；随后再次松开坡度调节杆，使限位卡块插入调节轨道的凹槽内固定；
Step3：试样安装：将试样放置架置于可移动滑轨之上，先测量从野外取回的岩样或已经加工好的标准试样的质量、波速等物理参数，以便于在进行后续试验时进行对比分析，随后将试样放入试样放置仓内，并选择固定螺栓对已放置的试样进行固定；
Step4：打开两侧的面板，将可移动滑轨连同试样放置架移至与装置主体内部的固定滑轨对接，随后将可移动滑轨上的试样放置架推至装置内部的固定滑轨上，装上两侧的面板并逐次拧紧密封螺栓；
Step5：依照试验要求，取岸坡所在地的库水或配置与库水pH值相同的溶液作为试验的浸泡溶液，随后通过进水口将浸泡溶液注入壳体内，可透过背板观察装置内部的液面高度判断是否停止注入溶液并关闭进水口；
Step6：启动第一电机，并根据岸坡所在地库水的流速调节第一电机的功率，使装置内部的动水板在推拉机构的带动下在一定范围内作往返运动，从而使装置内的溶液流动以模拟库水流动对岸坡的冲刷作用；
Step7：启动第二电机，并结合岸坡所在库区的波浪统计资料，调节第二电机的功率，使鼓浪板在翻转机构的带动下在装置内部产生横向的波浪，模拟库水波浪对岸坡的侵蚀作用；
Step8：接上水下摄像机的电源线及网线，使水下摄像机进入工作状态，以便在试验进行时能够实时调节水下摄像机的光源亮度并监测岸坡岩石的冲刷、侵蚀情况；
Step9：设置不同的库岸冲刷与库岸冲刷、侵蚀耦合作用的试验周期，一个试验周期结束后，可通过出水口将装置内部的溶液排到特定的容器内以便进行下个周期的试验时使用，同时，对该周期的浸泡溶液取样并测量溶液中K+、Ca2+、Na+、Al3+等离子的浓度和溶液的pH值；
Step10：打开面板，配合可移动滑轨拉出试样放置架，取出一定数量该周期的试验样，固定好剩余试样后，再将试样放置架7推至装置主体内部，关闭面板，拧紧密封螺栓，将浸泡溶液重新注入装置内部，打开电机，进行下个周期的试验。
本发明一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置及方法，具有以下技术效果：
1）、通过独立工作的电机来带动推拉机构和翻转机构工作，从而使装置内的溶液流动以及产生波浪，除了能够模拟库水流动对岸坡的冲刷、库水波浪对岸坡的侵蚀以及二者的耦合作用外，还能模拟多种其它工况，如：关闭所有电机，则模拟库水对岸坡岩体的长期浸泡；关闭第二电机其中的一个，则可进行岸坡岩体在库水流动冲刷下的不均匀侵蚀模拟试验。通过调节电机的功率，可针对各种复杂工况对装置内水流的流速和波浪荷载的大小、频率、周期做出调整，以满足实际的工程需求。
2）本发明针对现有装置在进行模拟试验时无法根据岸坡的实际坡度调整试样放置角度的不足，在试样放置架中设计调节轨道以适应工程中不同岸坡的坡度特征，通过转动坡度调节杆对试样的放置角度进行调整，操作方便，调节轨道可根据情况确定其凹槽的分布密度，结构简单，应用场景广泛。
3）装置内安装有自带探照灯的水下摄像机，能够实时监测岸坡岩石的冲刷、侵蚀情况，并为后续的岩体劣化效应分析提供监测资料。
4）试样放置仓的尺寸、大小能够满足大部分试样的放置要求，并配有不同长度的固定螺栓固定，固定螺栓的端部安装有一定厚度的橡胶垫，橡胶垫具有一定弹性，既能在一定程度上对试样固定螺栓的长度就行微调，又能保证在夹紧试样的前提下而不损坏试样。
5）试样放置架与可移动滑轨的配合使用，为试样在装置内部的放置和取出提供了便利，在进行多周期模拟试验时节省人力物力，降低试验成本。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的内部主视图。
图3为本发明的内部侧视图。
图4为本发明中试样放置架的结构示意图。
图5为本发明中可移动滑轨的结构示意图。
图6为本发明中坡度调节杆的主视图。
图7为图6中A处的局部放大示意图。
图8为本发明中试样固定状态示意图。
图中：壳体1，推拉机构2，翻转机构3，水下摄像机4，进水口5，排水口6，试样放置架7，可移动滑轨8，顶板1.1，底板1.2，侧板1.3，面板1.4，背板1.5，底座1.6，把手1.7，密封螺栓1.8，固定滑轨1.9，传动杆2.1，连接杆2.2，推拉杆2.3，转轴2.4，皮带传送机构2.5，第一电机2.6，动水板2.7，第一转盘3.1，第二转盘3.2，第二电机3.3，连杆3.4，鼓浪板3.5，移动底架7.1，调节轨道7.2，试样放置仓7.3，凹槽7.4，坡度调节杆7.5，固定螺栓7.6，杆体7.5.1，限位卡块7.5.2，T型卡头7.5.3，调节腔体7.5.4，压缩弹簧7.5.5。
具体实施方式
一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，包括试验室、试样放置架。
如图1所示，所述试验室包括壳体1，壳体1由顶板1.1、底板1.2、侧板1.3、面板1.4和背板1.5以及位于下部的底座1.6构成。
其中，背板1.5除边缘外其余部分的主要材质为钢化玻璃，在背板1.5的上端安装有两个水下摄像机4。
位于两边的面板1.4通过密封螺栓1.8安装，在面板1.4背面的边缘安装有橡胶密封圈以进一步加强密封。该结构保证可拆卸且密封，可在打开面板后将试样放置架推入壳体1内部，在面板1.4上设置有把手1.7以便于打开和关闭面板。
在顶板上有进水口5，在面板的底端设置有排水口6，可借助水泵和水管向装置内部注水和排水。
另外，在面板上安装有推拉机构2，推拉机构2成对布置并通过第一电机2.6驱动转动，两推拉机构2的输出端之间连接有动水板2.7，两推拉机构2推动动水板2.7前后移动。
具体地，推拉机构2为曲柄滑块机构，主要包括传动杆2.1、连接杆2.2和推拉杆2.3，两推拉机构2的传动杆2.1固定在转轴2.4的两端，转轴2.4通过皮带传送机构2.5及第一电机2.6驱动。
而每个传动杆2.1另一端与连接杆2.2铰接，连接杆2.2另一端与推拉杆2.3铰接，两推拉杆2.3分别与动水板2.7的一端连接。
优选地，推拉杆2.3中间部分穿过固定环2.8，固定环2.8通过固定杆2.9固定。
优选地，动水板2.7为长400mm～500mm，高600mm～800mm的聚乙烯塑料板，具体尺寸可根据第一电机2.7的功率和模拟试验时设定的库水流速确定。
另外，在面板1.4和背板1.5靠下位置镜像对称安装有第二电机3.3，第二电机3.3驱动翻转机构3运动。翻转机构的主体为连杆机构，包括第一转盘3.1、第二转盘3.2，第一转盘3.1直径小于第二转盘3.2直径。所述第一转盘3.1与第二电机3.3的输出轴连接，第一转盘3.1远离圆心位置铰接有连杆3.4，连杆3.4另一端铰接在第二转盘3.2上。第二转盘3.2中心通过短轴可转动安装在面板1.4或背板1.5上。第二转盘3.2边缘固定连接有鼓浪板3.5。鼓浪板3.5为长300mm～400mm，高500mm～600mm聚乙烯塑料板。
所述试样放置架7包括移动底架7.1，移动底架7.1一端上方固定有成对调节轨道7.2，调节轨道7.2为四分之一的圆形钢轨，其半径为700mm～800mm，长于试样放置仓7.3150mm～200mm为宜，调节轨道7.2内侧每隔3°～5°都设置有凹槽7.4，调节轨道7.2一端悬空，另一端固定在移动底架7.1的上。
移动底架7.1上远离调节轨道7.2的另一端铰接有试样放置仓7.3，试样放置仓7.3为正面开口的长方体。长方体长为700mm～800mm（不超过底板1.2宽度的4/5），宽为200mm～300mm，高为500mm～700mm（不超顶板1.1和底板1.2之间高度的3/5），试样放置仓7.3的侧面开有螺栓孔，并配有200mm、160mm、120mm、70mm、30mm的固定螺栓7.6数根，以满足不同试样的固定需求，试样固定螺栓的端部装有厚度为3mm橡胶垫，在安装试样固定螺栓时既能进一步微调其长度，又能防止试样损坏。
所述试样放置仓7.3上端安装有坡度调节杆7.5，坡度调节杆包括杆体7.5.1，杆体7.5.1上端左右固定有限位卡块7.5.2，杆体7.5.1下端左右固定有T型卡头7.5.3，T型卡头7.5.3卡入试样放置仓7.3的调节腔体7.5.4中并通过压缩弹簧7.5.5顶起。当需要调节试样放置仓7.3的角度时，向下按压坡度调节杆7.5，限位卡块7.5.2下移并脱离凹槽7.4，旋转试样放置仓7.3到合适位置后再松开，在压缩弹簧7.5.5的作用下，杆体7.5.1向上复位，限位卡块7.5.2卡入凹槽7.4从而实现锁紧，试样放置仓7.3调整到合适位置。
实施案例1：
一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，包括以下步骤：
Step1：岸坡坡度的确定：结合相关的地质勘查资料，确定取样岸坡的坡度，进而确定试样放置时的角度。
Step2：角度调节：按下坡度调节杆7.5，通过坡度调节杆7.5带动试样放置仓7.3转动特定的角度以满足试验时岸坡的坡度要求；随后再次松开坡度调节杆7.5，使限位卡块7.5.2插入调节轨道7.2的凹槽7.4内固定。
Step3：试样安装：将试样放置架7置于可移动滑轨8之上，先测量从野外取回的岩样或已经加工好的标准试样的质量、波速等物理参数，以便于在进行后续试验时进行对比分析，随后将试样放入试样放置仓7.3内，并选择固定螺栓7.6对已放置的试样进行固定。
Step4：打开两侧的面板1.4，将可移动滑轨8连同试样放置架7移至与装置主体内部的固定滑轨1.9对接，随后将可移动滑轨8上的试样放置架7推至装置内部的固定滑轨1.9上，装上两侧的面板1.4并逐次拧紧密封螺栓1.8。
Step5：依照试验要求，取岸坡所在地的库水或配置与库水pH值相同的溶液作为试验的浸泡溶液，随后通过进水口5将浸泡溶液注入壳体1内，可透过背板1.5观察装置内部的液面高度来判断是否停止注入溶液并关闭进水口。
Step6：启动第一电机2.6，并根据岸坡所在地库水的流速调节第一电机2.6的功率，使装置内部的动水板2.7在推拉机构2的带动下在一定范围内作往返运动，从而使装置内的溶液流动以模拟库水流动对岸坡的冲刷作用。
Step7：启动第二电机3.3，并结合岸坡所在库区的波浪统计资料，调节第二电机3.3 的功率，使鼓浪板3.5在翻转机构3的带动下在装置内部产生横向的波浪，模拟库水波浪对岸坡的侵蚀作用。
Step8：接上水下摄像机4的电源线及网线，使水下摄像机4进入工作状态，以便在试验进行时能够实时调节水下摄像机4的光源亮度并监测岸坡岩石的冲刷、侵蚀情况。
Step9：设置不同的库岸冲刷与库岸冲刷、侵蚀耦合作用的试验周期，一个试验周期结束后，可通过出水口6将装置内部的溶液排到特定的容器内以便进行下个周期的试验时使用，同时，对该周期的浸泡溶液取样并测量溶液中K+、Ca2+、Na+、Al3+等离子的浓度和溶液的pH值。
Step10：打开面板1.4，配合可移动滑轨8拉出试样放置架7，取出一定数量该周期的试验样，固定好剩余试样后，再将试样放置架7推至装置主体内部，关闭面板1.4，拧紧密封螺栓1.8，将浸泡溶液重新注入装置内部，打开电机，进行下个周期的试验。
Claims (10)
1.一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：包括壳体（1），壳体（1）内左右布置有试样放置架（7），试样放置架（7）之间设置有推拉机构（2）、翻转机构（3）；
所述试样放置架（7）包括移动底架（7.1），移动底架（7.1）一端铰接有试样放置仓（7.3），试样放置仓（7.3）另一端安装有坡度调节杆（7.5）；对应的移动底架（7.1）另一端固定有调节轨道（7.2），调节轨道（7.2）上布置有多个凹槽（7.4），坡度调节杆（7.5）与调节轨道（7.2）上任意一个凹槽（7.4）对应卡接锁紧；
所述推拉机构（2）包括传动杆（2.1），传动杆（2.1）左右布置并与转轴（2.4）连接，转轴（2.4）通过驱动装置驱动，每个传动杆（2.1）另一端与连接杆（2.2）铰接，连接杆（2.2）另一端与推拉杆（2.3）铰接，两推拉杆（2.3）分别与动水板（2.7）的一端连接；
所述翻转机构（3）包括第一转盘（3.1）、第二转盘（3.2），第一转盘（3.1）、第二转盘（3.2）可转动安装在壳体（1）上，第一转盘（3.1）、第二转盘（3.2）之间远离圆心位置铰接有连杆（3.4），所述第一转盘（3.1）、第二转盘（3.2）及连杆（3.4）构成曲柄摇杆机构，曲柄摇杆机构通过第二电机（3.3）驱动；所述第二转盘（3.2）边缘安装有鼓浪板（3.5），鼓浪板（3.5）随第二转盘（3.2）左右摇摆。
2.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述壳体（1）包括上下布置的顶板（1.1）、底板（1.2），顶板（1.1）、底板（1.2）之间左右固定有侧板（1.3），顶板（1.1）、底板（1.2）之间前后通过密封螺栓（1.8）可拆卸安装有面板（1.4），面板（1.4）通过密封圈加强密封。
3.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述壳体（1）上方安装有进水口（5）、设置有排水口（6），进水口（5）、排水口（6）通过水泵、水管向壳体（1）内注水和排水。
4.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述推拉杆（2.3）位于壳体（1）内的部分自由穿过固定环（2.8），固定环（2.8）与固定杆（2.9）连接，固定杆（2.9）另一端固定在壳体（1）顶部。
5.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述坡度调节杆（7.5）包括杆体（7.5.1），杆体（7.5.1）上端左右固定有限位卡块（7.5.2），限位卡块（7.5.2）与凹槽（7.4）卡接；杆体（7.5.1）下端左右固定有T型卡头（7.5.3），T型卡头（7.5.3）置于试样放置仓（7.3）的调节腔体（7.5.4）中并通过压缩弹簧（7.5.5）顶起。
6.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述壳体（1）内安装有水下摄像机（4）。
7.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述翻转机构（3）在面板（1.4）和背板（1.5）上镜像对称布置。
8.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述调节轨道（7.2）为圆弧钢轨，两圆弧钢轨的圆心连线与试样放置仓（7.3）下端铰接轴的轴线重合。
9.根据权利要求1所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置，其特征在于：所述试样放置架（7）下端配置有可移动滑轨（8），可移动滑轨（8）与壳体（1）内的固定滑轨（1.9）对应。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的一种可适应岸坡坡度的库岸冲刷、侵蚀模拟试验装置进行试验的方法，包括以下步骤：
Step1：岸坡坡度的确定：结合相关的地质勘查资料，确定取样岸坡的坡度，进而确定试样放置时的角度；
Step2：角度调节：按下坡度调节杆（7.5），通过坡度调节杆（7.5）带动试样放置仓（7.3）转动特定的角度以满足试验时岸坡的坡度要求；随后再次松开坡度调节杆（7.5），使限位卡块（7.5.2）插入调节轨道（7.2）的凹槽（7.4）内固定；
Step3：试样安装：将试样放置架（7）置于可移动滑轨（8）之上，先测量从野外取回的岩样或已经加工好的标准试样的质量、波速等物理参数，以便于在进行后续试验时进行对比分析，随后将试样放入试样放置仓（7.3）内，并选择固定螺栓（7.6）对已放置的试样进行固定；
Step4：打开两侧的面板（1.4），将可移动滑轨（8）连同试样放置架（7）移至与装置主体内部的固定滑轨（1.9）对接，随后将可移动滑轨（8）上的试样放置架（7）推至装置内部的固定滑轨（1.9）上，装上两侧的面板（1.4）并逐次拧紧密封螺栓（1.8）；
Step5：依照试验要求，取岸坡所在地的库水或配置与库水pH值相同的溶液作为试验的浸泡溶液，随后通过进水口（5）将浸泡溶液注入壳体（1）内，可透过背板（1.5）观察装置内部的液面高度来判断是否停止注入溶液并关闭进水口；
Step6：启动第一电机（2.6），并根据岸坡所在地库水的流速调节第一电机（2.6）的功率，使装置内部的动水板（2.7）在推拉机构（2）的带动下在一定范围内作往返运动，从而使装置内的溶液流动以模拟库水流动对岸坡的冲刷作用；
Step7：启动第二电机（3.3），并结合岸坡所在库区的波浪统计资料，调节第二电机（3.3）的功率，使鼓浪板（3.5）在翻转机构（3）的带动下在装置内部产生横向的波浪，模拟库水波浪对岸坡的侵蚀作用；
Step8：接上水下摄像机（4）的电源线及网线，使水下摄像机（4）进入工作状态，以便在试验进行时能够实时调节水下摄像机（4）的光源亮度并监测岸坡岩石的冲刷、侵蚀情况；
Step9：设置不同的库岸冲刷与库岸冲刷、侵蚀耦合作用的试验周期，一个试验周期结束后，可通过出水口（6）将装置内部的溶液排到特定的容器内以便进行下个周期的试验时使用，同时，对该周期的浸泡溶液取样并测量溶液中K+、Ca2+、Na+、Al3+等离子的浓度和溶液的pH值；
Step10：打开面板（1.4），配合可移动滑轨（8）拉出试样放置架（7），取出一定数量该周期的试验样，固定好剩余试样后，再将试样放置架7推至装置主体内部，关闭面板（1.4），拧紧密封螺栓（1.8），将浸泡溶液重新注入装置内部，打开电机，进行下个周期的试验。
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