CN117368029A - 自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置及方法，试验管上侧壁通过固定螺丝连接有安装板，安装板位于试验管外，安装板中心位置开设有用于连接浊度仪探头的开孔，浊度仪探头固定安装在该开孔中，并向下伸入试验管中，浊度仪探头周围的安装板下表面均匀连接有多个声纳传感器，多个声纳传感器位于试样正上方，并位于试验管内；浊度仪实时测量试验管内水的浊度值，并发送给计算机，数据处理系统实时计算浊度值变化率，并与系统中预先设置的临界浊度值变化率进行比较，如果计算结果大于临界浊度值变化率，则判定土石料已经起动，数据处理系统读取此刻剪应力测量机构的测量数值，即为该试样的起动剪应力。
Description
技术领域
本发明涉及土石坝溃坝机理研究技术领域，具体涉及一种自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置及方法。
背景技术
土石坝作为一种重要的水利工程结构，承担着蓄水、防洪、供水等重要功能。水流的冲击和侵蚀作用会导致土石坝的坝体材料发生破坏和损失，并且不同物理性质的坝体材料的起动条件都不相同，特别是起动时间和起动应力，为了深入研究坝体材料的起动特性，研究者通常会进行室内试验。在试验中，人工模拟水流对坝体材料的冲击作用，测量坝体材料受力情况、变形和破坏程度，通过室内试验，可以获得不同物理性质的坝体材料，在不同流速条件下的起动剪应力值，为后续工程实践提供参考。
目前室内试验中常采用目测法判别颗粒是否起动，如申请号为202111263147.6，发明名称为一种土料冲蚀试验装置及方法，其中冲蚀试验方法的步骤4中记载，通过观察窗观察，当土颗粒开始移动时测量得到的水流剪应力即为起动剪应力。该方法依赖于人眼观察颗粒运动，容易导致观察结果受观察者主观判断影响，从而降低测量结果的准确性和可重复性，特别是对于粒径小于100微米（0.1毫米）的颗粒，人眼难以捕捉其运动和剪应力变化，可能导致起动时间和起动应力测量不准确。此外，目测颗粒起动方法通常需要观察者、试验操作员和操控系统共同完成试验，增加了试验的复杂性和操作难度，进一步影响土石坝坝体材料起动条件的研究结果。
发明内容
为了克服现有冲蚀试验装置只能目测判断土石料水下起动，存在人眼难以捕捉颗粒运动、起动时间和起动应力测量不准确等不足，提出一种能自动判断土石料水下起动、自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置及方法，不依赖人眼观察，测量结果更准确。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，包括试验管和负责数据采集和处理的计算机，计算机上安装有数据处理系统；试验管具有上、下侧壁和左、右侧壁，共四个侧壁，试验管的下侧壁开设有供试样伸入试验管内的试样安装孔，试验管的下方设置有箱体，且箱体的上端与试验管的下侧壁固连，箱体位于试样安装孔的外围，升降机构和试样都安装在箱体中，升降机构设置在承托试样的托盘下方，并向上顶升托盘，使试样伸入试验管中，托盘底部安装有剪应力测量机构及压力测量机构，压力测量机构实时测量试样的质量，剪应力测量机构实时测量剪应力数值。
该试样安装孔正上方的试验管上侧壁，通过固定螺丝连接有安装板，安装板位于试验管外，安装板直径较试样大，安装板中心位置开设有用于连接浊度仪探头的开孔，浊度仪探头固定安装在该开孔中，并向下伸入试验管中，浊度仪探头周围的安装板下表面均匀连接有多个声纳传感器，多个声纳传感器位于试样正上方，并位于试验管内。
剪应力测量机构、压力测量机构、多个声纳传感器、浊度仪和升降机构都与计算机连接，多个声纳传感器将实时采集的深度数据传输至计算机，数据处理系统记录这些深度数据并实时计算，得到试样表面距离试验管下侧壁内侧的距离A，如果计算得到距离A小于1mm，则由计算机发送启动信号给升降机构，升降机构将试样向试验管道内顶升至该距离A等于1mm；剪应力测量机构将实时测量得到的剪应力数值发送给计算机，数据处理系统实时记录该数据；浊度仪实时测量试验管内水的浊度值，并发送给计算机，数据处理系统实时计算浊度值变化率，并与系统中预先设置的临界浊度值变化率进行比较，如果计算结果大于临界浊度值变化率，则判定土石料已经起动，数据处理系统读取此刻剪应力测量机构的测量数值，即为该试样的起动剪应力，数据处理系统记录该数据；压力测量机构实时将测量得到的试样质量发送给计算机，数据处理系统实时计算获得试样的质量变化；水流剪应力通过试样托盘空载获得；数据处理系统由公式E=△m/△t确定冲蚀速率E，由公式E=k d(τ b–τ c)确定得到该试样土石料的侵蚀系数k d。
本试验装置能够自动测得试样土石料的侵蚀系数，无需人为判断。
进一步地，安装板为圆盘结构，试样为圆柱体结构，安装板直径较试样大。
进一步地，冲蚀试验装置还包括分体、间隔设置的储水池和沉淀池，储水池上连接有进水管，沉淀池上连接有出水管，进水管和出水管之间连接有试验管，试验管为矩形管，进水管上设置有进水泵、进水阀和流量调节器。
进一步地，为了能使试验用水循环利用，在储水池和沉淀池之间设置回流，回流管上连接回流水泵和回流阀，在沉淀池中设置有可拆卸式连接有三层过滤网。
进一步地，为了在试验管充水过程中排出管道内气体，在试验管的顶部开设有排气口，排气口中连接有排气阀，确保试验的稳定性和可靠性。
进一步地，为了方便拍摄冲蚀过程，在矩形管道的左、右侧壁上均开设有观察窗，其中一个观察窗的一侧放置LED补光灯，另一个观察窗的一侧设置高清摄像机。
一种自动获得土石料冲蚀系数的试验方法，包括如下步骤：
步骤1：率定和检查冲蚀试验装置的仪器，包括浊度仪、声纳传感器、剪应力测量机构、压力测量机构和升降机构，检查密封部件、管道连接点、阀门是否有损坏、松动或渗漏；
步骤2：在数据处理系统中设定水流流速、临界浊度值变化率的上、下限值及升降机构的顶升高度，将试样置于托盘并固定在升降机构上，升降机构推动试样向上，使试样表面与试验管底部齐平，用水填充管道，并等待5-10分钟；
步骤3：开启计算机和进水阀；
步骤4：水流稳定后，升降机构将试样向上顶升1mm推入水流中，声纳传感器实时测定距离试样表面的距离，并传输给计算机，实时得到试样的真实冲蚀深度，计算机每隔0.1秒记录一次压力测量机构、剪应力测量机构、声纳传感器和浊度仪的读数，若试样表面相对试验管内底面的高度小于1mm，那么试样将被自动顶升，保持试样表面距离试验管内底面的距离始终为1mm；
步骤5：当压力测量机构数据为0N，即试样质量为0g时结束试验。
其中，数据处理系统会实时计算浊度值变化率，并与人为设置在系统中的临界浊度值变化率进行比较。若计算结果大于临界浊度值变化率，则判定试样已经开始起动冲蚀，同时标记起动的时间，读取此刻起动剪应力测量机构的测量数值，即为起动剪应力τ c。
有益效果：本试验装置和试验方法能根据系统设定的临界浊度值变化率和实时测量的数据，自动判断土石料水下起动，无需人为判断，并且能自动计算得到土石料冲蚀系数，数据更准确。
附图说明
图1是本试验装置的整体结构示意图；
图2是升降机构和安装板在试验管上的安装示意图；
图3是安装板的结构示意图；
图4是冲蚀实验方法流程图；
图5是根据土石料粒径范围设置临界浊度值变化率的曲线图；
图中：1、进水管；2、试验管；3、出水管；4、试样安装孔；5、箱体；6、刚性支架；7、进水泵；8、进水阀；9、流量调节器；10、储水池；11、沉淀池；12、过滤网；13、回流管；14、回流水泵；15、回流阀；16、排气阀；17、升降机构；18、试样；19、固定螺丝；20、安装板；21、浊度仪探头；22、声纳传感器。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1，自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，包括分体、间隔设置的储水池10和沉淀池11，储水池上连接有进水管1，沉淀池上连接有出水管3，进水管1和出水管3之间连接有试验管2，本实施例中进水管1、试验管2和出水管3都是矩形管，进水管1、试验管2和出水管3都水平设置。进水管的长度和试验管长度相等，为进入试验管、试验需要的水流提供足够的启动距离。进水管上设置有进水泵7、进水阀8和流量调节器9，通过进水泵7将储水池中的水泵入进水管，通过调节进水阀8和流量调节器9，控制进入试验管的水流流速，水流流速控制范围可达0~6m/s。
如图2、3所示，站在试验管进水一端向另一端看，试验管具有上、下侧壁和左、右侧壁，共四个侧壁，矩形管道的左、右侧壁上均开设有观察窗，在其中一个观察窗的一侧放置LED补光灯，另一个观察窗的一侧设置高清摄像机。试验管的下侧壁开设有供试样伸入试验管内的试样安装孔4，试验管的下方设置有箱体5，且箱体5的上端与试验管的下侧壁固连，箱体5位于试样安装孔的外围，试样安装孔位于箱体内，升降机构17和试样18都安装在箱体中，升降机构设置在承托试样的托盘下方，并向上顶升托盘，使试样伸入试验管中，托盘底部安装有剪应力测量机构及压力测量机构，压力测量机构实时测量试样的质量，剪应力测量机构实时测量剪应力数值。该试样安装孔4正上方的试验管上侧壁，通过固定螺丝19连接有安装板20，安装板位于试验管外，本实施例中安装板为圆盘、直径较试样大，安装板中心位置有用于连接浊度仪探头21的开孔，浊度仪探头固定安装在该开孔中，并向下伸入试验管中，浊度仪探头周围的安装板下表面均匀连接有多个声纳传感器22，多个声纳传感器22位于试样正上方，并伸入试验管内。
冲蚀试验装置还包括负责数据采集和处理的计算机，计算机上安装有数据处理系统，剪应力测量机构、压力测量机构、多个声纳传感器、浊度仪和升降机构都与计算机连接，多个声纳传感器将实时采集的深度数据传输至计算机，数据处理系统记录这些深度数据并实时计算，得到试样表面距离试验管下侧壁内侧的距离A，如果计算得到距离A小于1mm，则由计算机发送启动信号给升降机构，升降机构将试样向试验管道内顶升至该距离A等于1mm；剪应力测量机构将实时测量得到的剪应力数值发送给计算机，数据处理系统实时记录该数据；浊度仪实时测量试验管内水的浊度值，并发送给计算机，数据处理系统实时计算浊度值变化率，并与系统中预先设置的临界浊度值变化率进行比较，如果计算结果大于临界浊度值变化率，则判定土石料已经起动，数据处理系统读取此刻剪应力测量机构的测量数值，即为该试样的起动剪应力τ c，数据处理系统记录该数据；压力测量机构实时将测量得到的试样质量发送给计算机，数据处理系统实时计算获得试样的质量变化△m；水流剪应力τ b通过试样托盘空载获得，即试样托盘中没有试样时，剪应力测量机构的测量数值。数据处理系统由公式E=△m/△t确定冲蚀速率E，由公式E=k d(τ b–τ c)确定得到该试样土石料的侵蚀系数k d。
本申请中剪应力测量机构和压力测量机构都可以通过现有技术手段实现，例如可通过申请号为202111263147.6，发明名称为一种土料冲蚀试验装置及方法记载的电磁效应测力计来实时测量剪应力，可通过压力传感器实时测量试样作用在压力传感器上作用力的原理得知试样的质量变化。
本实施例中，声纳传感器的型号为MaxBotix MB7389 HRXL-MaxSonar-WRMT，共有16个，每个声纳传感器实时测量和反馈试样的高度，从而实时得到土石料被冲蚀的深度。16个声纳传感器测量范围覆盖整个试样托盘，提高了空间分辨率和监测精度。
数据处理系统首先会剔除来自每个声纳传感器读数的最大值和最小值，系统会自动从每个测点读数中移除错误读数（即误差超过5%判定为错误读数，返回值为“0.00”），最后所有声纳传感器的有效数值取平均值作为真实冲蚀深度。
本实施例中，浊度仪的型号为哈希SOLITAX sc在线式浊度仪，为现有技术，浊度仪探头21位于试样正上方，距离试样表面60mm处，不仅使探头处于有效测量范围之内，还能够避免探头与试样过近会改变水流形态，浊度测量范围为0.001~400NTU，测量精度为±1％。浊度仪采用双光束红外LED光源检测浊度，消除颜色干扰，土石料固有的颜色不会影响浊度仪的测量结果。
在其他实施例中，可以只设置试验管为矩形管，矩形管可以允许水流在相对较短的长度内充分发展。
本实施例中试验管2的下方设置有两个刚性支架6，两个刚性支架分别位于试验管2的两端，用于支撑和保持试验管水平。
本实施例的升降机构可采用申请号为202111263147.6，发明名称为一种土料冲蚀试验装置及方法记载的升降机构结构。在其他实施例中也可以用其他结构的升降机构。
实施例2
本实施例在实施例1的基础上，在储水池10和沉淀池11之间设置回流管13，回流管上连接回流水泵14和回流阀15，在沉淀池11中可拆卸式连接有三层过滤网12，水自沉淀池向储水池流动时，依次经过第一层、第二层和第三层过滤层。第一层用于大颗粒过滤，采用不锈钢网和粗糙过滤材料制成，用于拦截较大的杂质和颗粒物，如粗颗粒，这一层的过滤作用有效保护了后续过滤层不受较大颗粒物的损害。第二层用于中颗粒过滤，采用活性炭，主要用于捕捉较小粒径的颗粒物、悬浮物，进一步提高水的透明度。第三层用于微颗粒过滤，采用超滤膜及高精度过滤材料制成。开启回流水泵14和回流阀15，回流水泵14将沉淀池中的水泵入回流管13中，并进入储水池中存储，进入回流管中的水依次经过这三层过滤层的协同作用，能将沉淀池水中的杂质隔离在相应过滤层上，使试验用水可循环利用。
实施例3
本实施例在实施例1的试验装置基础上，在试验管的顶部开设一个排气口，并在排气口中连接一个排气阀16，试验管在充水阶段，打开排气阀，使水中掺杂的气体排出，充满水后再关闭排气阀，确保试验的稳定性和可靠性。
实施例4
本实施例采用如表1所示的土石料试样进行冲蚀试验，通过不同的粒径、压实度、干密度、含水率及水流流速，测试其是否会直接影响临界浊度值变化率的范围，每个试样的粒径、压实度、干密度及含水率数据如表1所示；
表1 实施例4中试样对应参数及测量结果
如图4所示，具体冲蚀试验步骤如下：
步骤1：率定和检查冲蚀试验装置中用到的仪器，包括浊度仪、声纳传感器、剪应力测量机构、压力测量机构和升降机构，并检查密封部件、管道连接点、阀门等是否有损坏、松动或渗漏，排气口是否有堵塞；
步骤2：设定水流流速、升降机构的顶升高度，将试样置于托盘并固定在升降机构上，升降机构推动试样向上，使试样表面与试验管底部齐平，用水填充管道，并等待5-10分钟；
步骤3：开启高清摄像机、LED补光灯、计算机、回流阀和排气阀；
步骤4：水流稳定后，升降机构将试样向上顶升1mm推入水流中，声纳传感器实时测定距离试样表面的距离，并传输给计算机实时得到试样的真实冲蚀深度，计算机每隔0.1秒检查一次压力测量机构、剪应力测量机构、声纳传感器和浊度仪的读数，若试样表面相对试验管内底面的高度小于1mm，那么试样将被自动顶升，保持试样表面距离试验管内底面的距离始终为1mm；
步骤5：当压力测量机构数据为0N，即试样质量为0g时结束试验。
步骤6：分析数据处理系统记录下的每个时刻水的浊度值，根据浊度值大小，确定土石料的起动时间，根据数据处理系统记录的剪应力数值，找到启动时间对应的剪应力数值，即为该试样土石料的起动剪应力值τ c。水流剪应力τ b大小与坝体材料的物理性质无关，只和流速和试验管道形态相关，因此冲蚀试验结束后，使试样托盘空载，剪应力测量机构测量得到该流速条件下的水流剪应力τ b。根据起动持续时间及起动损失质量△m，由公式E=△m/△t计算起动冲蚀速率E。
最后根据公式E=k d(τ b–τ c)推导得到起动冲蚀系数k d。
每个试样的试验结果如表1所示，根据人工分析试验数据，将启动时间对应的浊度值与初始浊度值做差，得到该试样土石料的临界浊度值变化率；试验结果显示，粒径是临界浊度值变化率改变的主导因素，其余变量在此设备中对临界浊度值变化率的影响皆处于误差变化范围之内，而压实度、干密度、含水率及水流流速的变化对起动剪应力的影响较大，因此选择粒径作为临界浊度值变化率取值判别准则，可按图5中土石料粒径的范围在计算机数据处理系统中设置临界浊度值变化率。
实施例5
本实施例每个试样的粒径、压实度、干密度及含水率数据如表2所示。采用这些试样分别进行冲蚀试验时，在数据处理系统中根据图5设置临界浊度值变化率，具体试验步骤如下：
步骤1：率定和检查冲蚀试验装置中用到的仪器，包括浊度仪、声纳传感器、剪应力测量机构、压力测量机构和升降机构，并检查密封部件、管道连接点、阀门等是否有损坏、松动或渗漏，排气口是否有堵塞；
步骤2：设定水流流速，在数据处理系统中设置临界浊度值变化率的上、下限值，升降机构的顶升高度，将试样置于托盘并固定在升降机构上，升降机构推动试样向上，使试样表面与试验管底部齐平，用水填充管道，并等待5-10分钟；
步骤3：开启高清摄像机、LED补光灯、计算机、回流阀和排气阀；
步骤4：水流稳定后，升降机构将试样向上顶升1mm推入水流中，声纳传感器实时测定距离试样表面的距离，并传输给计算机实时得到试样的真实冲蚀深度，计算机每隔0.1秒检查一次压力测量机构、剪应力测量机构、声纳传感器和浊度仪的读数，若试样表面相对试验管内底面的高度小于1mm，那么试样将被自动顶升，保持试样表面距离试验管内底面的距离始终为1mm；
步骤5：当压力测量机构数据为0N，即试样质量为0g时结束试验。
步骤6：数据处理系统自动计算得到如表2所示的结果。
其中，数据处理系统会实时计算浊度值变化率并与人为设置在系统中的土石料起动的临界浊度值变化率进行比较。若计算结果大于临界浊度值变化率，则判定试样已经开始起动，同时标记起动的时间，读取此刻剪应力测量机构的测量数值，即为起动剪应力τ c。再根据与前述实施例相同的原理，计算得到冲蚀系数。
表2 实施例5中试样及冲蚀试验结果
。
实施例6
本实施例中通过对相同的试样分别采用方法1：目测法判断土石料启动、方法2：实施例4 所示方法（在试验结束后，对试样起动浊度值进行反追踪）、方法3：实施例5的方法（在系统中设置临界浊度值变化率）进行试验，将目测法得到的结果、实施例5方法得到的结果与实施例4方法得到的结果进行对比分析，结果如表3所示。
表3 三种方法的对比效果
从表3可看出，方法3得到的起动剪应力和冲蚀系数更接近于方法2的结果，说明通过在系统中设置临界浊度值变化率，由系统自动判断土石料的启动冲蚀时刻得到的结果更准确。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
Claims (7)
1.自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，包括试验管和负责数据采集和处理的计算机，计算机上安装有数据处理系统；试验管具有上、下侧壁和左、右侧壁，共四个侧壁，试验管的下侧壁开设有供试样伸入试验管内的试样安装孔，试验管的下方设置有箱体，且箱体的上端与试验管的下侧壁固连，箱体位于试样安装孔的外围，升降机构和试样都安装在箱体中，升降机构设置在承托试样的托盘下方，并向上顶升托盘，使试样伸入试验管中；托盘底部安装有剪应力测量机构及压力测量机构，压力测量机构实时测量试样的质量，剪应力测量机构实时测量剪应力数值；
该试样安装孔正上方的试验管上侧壁，通过固定螺丝连接有安装板，安装板位于试验管外，安装板直径较试样大，安装板中心位置开设有用于连接浊度仪探头的开孔，浊度仪探头固定安装在该开孔中，并向下伸入试验管中，浊度仪探头周围的安装板下表面均匀连接有多个声纳传感器，多个声纳传感器位于试样正上方，并位于试验管内；
剪应力测量机构、压力测量机构、多个声纳传感器、浊度仪和升降机构都与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，冲蚀试验装置还包括分体、间隔设置的储水池和沉淀池，储水池上连接有进水管，沉淀池上连接有出水管，进水管和出水管之间连接试验管，试验管为矩形管，进水管上设置有进水泵、进水阀和流量调节器。
3.根据权利要求2所述的自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，在储水池和沉淀池之间设置回流管，回流管上连接回流水泵和回流阀，在沉淀池中可拆卸式设置有三层过滤网。
4.根据权利要求2所述的自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，在试验管的顶部开设有排气口，排气口中连接有排气阀。
5.根据权利要求2所述的自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，矩形管道的左、右侧壁上均开设有观察窗，其中一个观察窗的一侧放置LED补光灯，另一个观察窗的一侧设置高清摄像机。
6.根据权利要求2所述的自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验装置，其特征在于，安装板为圆盘结构。
7.一种自动获取土石坝坝体材料冲蚀系数的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：率定和检查冲蚀试验装置的仪器，包括浊度仪、声纳传感器、剪应力测量机构、压力测量机构和升降机构，检查密封部件、管道连接点和阀门是否有损坏、松动或渗漏；
步骤2：在数据处理系统中设定水流流速、临界浊度值变化率的上、下限值及升降机构的顶升高度，将试样置于托盘并固定在升降机构上，升降机构推动试样向上，使试样表面与试验管底部齐平，用水填充管道，并等待5-10分钟；
步骤3：开启计算机和进水阀；
步骤4：水流稳定后，升降机构将试样向上顶升1mm推入水流中，声纳传感器实时测定距离试样表面的距离，并传输给计算机，实时得到试样的真实冲蚀深度，计算机每隔0.1秒记录一次压力测量机构、剪应力测量机构、声纳传感器和浊度仪的读数，若试样表面相对试验管内底面的高度小于1mm，那么试样将被自动顶升，保持试样表面距离试验管内底面的距离始终为1mm；
步骤5：当压力测量机构数据为0N，即试样质量为0g时结束试验。
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