土样侵蚀率冲刷试验装置的制作方法

本发明涉及土石坝溃坝研究技术领域，特别涉及一种用于土石坝土样侵蚀测量土样冲刷试验的土样侵蚀率冲刷试验装置。

背景技术：

据资料统计，洪水漫顶是土石坝溃坝的主要原因之一，约占到溃坝总数的49％，而其中水力冲刷是土石坝漫顶的诱因和主导因素，因此筑坝材料的侵蚀速率是土石坝溃坝研究中的重要参数。

目前，土石坝土样的侵蚀测量常用的方法是流槽试验，测定土样作为渠道基底材料，通过模拟水流冲刷测量侵蚀率，其中比较有代表性的是j.l.briaud的erosionfunctionapparatus(efa)设备，它有着一套完善的计算理论，也被多个科研机构所采用，并且其也是美国水利工程第18号通告中推荐的冲刷测试设备。efa装置的的基本工作原理是通过标准shelbytube获取试样并放置于水槽装置中，设置水流量为一恒定值，并抬升试样1mm，测试冲刷1mm试样所需要的时间，从而得到侵蚀率，依次改变水流流速，从而得到不同流速下的侵蚀性能与剪应力的关系，剪应力可运用达西定律由水流量换算得到。

利用efa设备虽可获得土样的侵蚀速率，但efa设备由于自身结构及工作原理仍存在如下的不足，其一，设备价格昂贵；其二，由于装样设备shelbytube的尺寸，导致仅能测试直径小于10mm的颗粒组成的试样；其三，试验过程中为通过肉眼判断升起的试样是否被冲走，然而由于土石料的不均匀性，冲刷过程中试样表面凹凸不平，使得观察结果不够精确；其四，efa设备通过活塞将试样顶出，当活塞顶出的试样不足以供应冲刷，也即冲刷速度大于试样被顶出的速度时，测得的冲刷值存在一个上限值，该值等于活塞的最大升降速度，所以该设备无法测试如非粘性土等抗冲性较差的试样。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明旨在提出一种土样侵蚀率冲刷试验装置，以能够用于土样的冲刷测试试验。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种土样侵蚀率冲刷试验装置，包括控制单元，还包括：

机架；

桶体，固定于所述机架上；

水流驱动单元，设于所述机架上，所述水流驱动单元具有转动设置在所述机架上、且一端伸于所述桶体中的转轴，以及设于所述机架上并与所述转轴传动连接的旋转驱动部，在所述转轴位于所述桶体内的一端连接有叶轮；

土样承载单元，相对于所述桶体固定布置，所述土样承载单元具有顶部开口于所述桶体内的土样室，以及设于所述土样室底部、以将装载于所述土样室内的土样顶出的顶出机构；

循环过滤单元，与所述桶体内成回路连接，所述循环过滤单元具有和所述桶体相连接的管路，以及串设于所管路上的泵送部和过滤部；

图像采集单元，与所述控制单元联接，并对应于所述土样承载单元布置，以对装载于所述土样室处的土样进行图像采集。

进一步的，所述土样承载单元位于所述桶体的底部，所述桶体的桶壁和底部可拆卸设置，还包括：

升降单元，设于所述机架上，并可与所述桶体的桶壁相连，以对拆卸状态下的所述桶壁进行升降。

进一步的，所述叶轮可具有沿所述转轴轴向的位置调节。

进一步的，于所述桶体的桶壁上设有至少一个为透明状的观察窗，所述土样承载单元靠近于所述桶壁设置、并布置于其一所述观察窗处，所述图像采集单元对应于所述土样承载单元而位于所述观察窗外。

进一步的，在所述桶体的底部、靠近其中心处设有呈环状、而以辐射状发出照明光线的照明部。

进一步的，所述图像采集单元采用logitechc920高清摄像头。

进一步的，所述顶出机构包括设于所述土样室底部、并可沿所述土样室深度方向滑动的滑块，与所述滑块传动连接的直线驱动部，以及对所述滑块的滑动位移进行检测的检测部。

进一步的，所述直线驱动部为电机，所述检测部采用光栅计数器。

进一步的，在所述管路上串设有储水箱，所述泵送部位于所述储水箱中，所述过滤部包括连接于所述桶体与所述储水箱之间的沉淀桶。

进一步的，在所述机架上设有水准泡，并于所述机架的底部设有高度可调的支撑地脚。

相对于现有技术，本发明具有以下优势：

本发明的土样侵蚀率冲刷试验装置,通过水流驱动单元可在桶体内模拟形成冲刷水流,通过土样承载单元可装载土样,并由顶出机构顶出土样以进行冲刷,通过图像采集单元对土样承载单元处的土样进行图像采集,可对土样冲刷过程进行记录,以判断出土样的侵蚀率,而通过循环过滤单元的设置,则可保证图像采集单元的图像采集效果,由此可实现对土样的侵蚀率冲刷试验。同时，本发明的土样侵蚀率冲刷试验装置，在桶体内模拟冲刷水流，并采用图像采集单元记录冲刷过程，以及设置循环过滤单元进行过滤，可适用于组成颗粒粒径范围较宽的土样，应用范围广，可避免肉眼观测结果的随机性，且整个试验只需一次注水，试验用水量小，从而也能够降低试验的成本。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例所述的土样侵蚀率冲刷试验装置的结构示意图；

图2为图1的俯视图；

图3为本发明实施例所述的土样侵蚀率冲刷试验装置在桶体拆卸状态下的结构图；

图4为本发明实施例所述的升降单元的结构示意图；

图5为本发明实施例所述的土样承载单元的结构示意图；

附图标记说明：

1-机架，2-桶体，3-转轴，4-电机，5-观察窗，6-照明灯环，7-土样承载单元，8-储水箱，9-沉淀桶，10-控制器，11-叶轮，12-固定座，13-转动座，14-液压缸，15-导杆，16-导块，17-悬臂梁，18-壳体，19-滑块，20-电机，21-减速器，22-光栅计数器，23-土样盒。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

本实施例涉及一种土样侵蚀率冲刷试验装置，其整体结构上包括控制单元、机架、固定于机架上的桶体，设于机架上以驱使桶体内水体流动的水流驱动单元，相对于桶体固定布置以装载土样的土样承载单元，以及用于对桶体内的水体进行循环过滤的循环过滤单元，和与控制单元相联接，以对土样承载单元处土样的冲刷过程进行记录的图像采集单元。其中，如图1至图3中所示，机架1作为整个装置的承载体，其可由2cm厚的棱台体钢板制成，为保证整个装置的水平，在机架1的底部四角安装有高度可调的支撑地脚，同时机架1上也设置有一水准泡，以通过两者的配合确定装置的水平状态。

桶体2固定于机架1的顶部，本实施例中桶体2优先采用圆桶，当然其也可为截面呈方形或正六边形等其它形状。因桶体2作为盛水容器，且需其内的水体进行流动，故需要桶体2具有较高的结构强度，为此在桶体2的中部也增加了加劲箍。本实施例中水流驱动单元具体包括转动设置于机架1上的转轴3，以及固定于机架1上用于驱使转轴3转动的旋转驱动部，其中，旋转驱动部为安装于机架1一侧的电机4，电机4可采用皮带传动形式与转轴3的底端相连，转轴3的顶端则穿过桶体2的底部而伸于桶体2中，并在转轴3伸于桶体2中的一端安装有叶轮11。

本实施例中因转轴3需从底部穿过桶体2，为保证桶体2的密封性，在转轴3与桶体2之间也设置有密封结构，该密封结构可采用盘根密封或迷宫密封等。而为在试验中模拟不同水深，叶轮11在设计上也可具有沿转轴3轴向的位置调整，其具体上可通过在叶轮11与转轴3之间采用紧定螺钉形式，以在旋松该紧定螺钉时使叶轮11沿转轴3滑动而实现位置调整。此外，本实施例中除了使转轴3由底部穿入桶体2内，当然还可使转轴3从桶体2的顶部插入其内，不过此时会不便于叶轮11的调整，以及在土样承载单元处的操作。

本实施例中土样承载单元7设置于桶体2的底部，而基于图1中转轴3的布置形式，本实施例中桶体2还为设计成桶壁与底部可拆卸的结构，并且在机架1上也安装有可对拆卸状态下的桶壁进行升降的升降单元。具体来讲，为保证桶体2整体结构下的密封性，桶体2中的桶壁与其底部之间应设置有橡胶密封垫等密封件，且两者间可通过螺栓副进行紧固连接，以能够可靠的连接为一体。而为便于桶壁的升降操作，升降单元则可为液压驱动形式，并采用悬臂式结构。

具体上，该液压升降单元的一种示例性结构如图4中所示，其包括用于与机架1固定连接的固定座12，设置于固定座12上的转动座13，固定于转动座13顶部的并排布置的导杆15，以及滑动设置于导杆15上的导块16，和安装于转动座13上以用于驱使导块16沿导杆15上下滑动的液压缸14。在导块16上则固定有相对于导块16的滑动方向垂直布置的悬臂梁17，悬臂梁17的自由端设置有吊杆，吊杆上安装有用于夹持桶体2的桶壁的夹紧件。本实施例中通过转动座13的设置，可在将桶壁升起后，再将其平移至机架1的一旁，以免桶壁悬置在机架1上方而带来不便。当然，除了采用转动座13，也可使导杆15直接固定于固定座12上，而除了为液压升降，还可采用如丝杠、直线电机等形式。

本实施例中为便于图像采集单元的录制，以及在现场对桶体2中进行观察，于桶体2的桶壁上也设置有呈透明状的观察窗5，该观察窗5可采用有机玻璃，并采用玻璃胶及螺栓副与桶体2之间固连。具体布置上，观察窗5可为环桶体2的周向均匀布置的三个，且其也对应于土样承载单元7的位置而靠近于桶壁的底部布置，此时如图2中所示，土样承载单元7也靠近于桶壁设置，且布置于其中一个观察窗5处，而本实施例中的图像采集单元则为设置于该观察窗5的外侧，以透过观察窗5对土样承载单元7处的土样进行图像采集。

本实施例中图像采集单元具体为固定于桶体外观察窗5处的摄像头，而为利于桶体2内的图像采集，在桶体2内于其底部的中心处还设置有呈环状的照明部，该照明部具体为绕转轴3设置的照明灯环6，照明灯环6设计为防水结构，其以辐射状发出照明光线，从而可保证桶体2内的亮度。不过，由于照明灯环6的布置，在普通摄像头拍摄时图像中会产生晃动条纹，为此本实施例中图像采集单元所用的摄像头选用logitechc920高清摄像头，logitechc920高清摄像头摄制的图像传送至控制单元，在控制单元中通过minivcap图像采集软件采集摄像头录制的图像。本实施例中控制单元具体为安装于机架1一侧的控制器10，其具体采用pc机即可。

本实施例中除了使摄像头设于桶体2外，当然也可通过防水保护，而将摄像头置于桶体2内，并使其正对于土样承载单元5布置便可。而本实施例中土样承载单元7的一种示例性结构如图5中所示，其中在土样承载单元7上形成有顶部开口于桶体2内的用于装载土样的土样室，该土样室具体由与桶体2底部固连为一体的壳体18制成，在土样室的底部则设置有用以将所装载的土样顶出于桶体2中的顶出机构。该顶出机构具体包括设于土样室底部的滑块19，滑块19可沿土样室深度方向上下滑动，并在滑块19和壳体18之间设置有密封圈等密封结构，而在滑块19的底部还传动连接有一用于驱使其滑动的直线驱动部。

本实施例中，上述直线驱动部具体为电机20，电机20的输出端连接减速器21，减速器21的输出端则可通过丝杠结构与滑块19相连，以实现对滑动19的驱动。电机20及减速器21可固定于机架1上，而为实现对滑块2的滑动速度，也即所装载土样的顶出速度的精确控制，本实施例中也采用光栅计数器22对滑动19滑动位移进行检测，光栅计数器22的结构及安装可参见现有结构，且其与电机20均联接于控制器10。

本实施例中采用电机20驱使土样的顶出，可利用电机转速可调范围宽的特点，满足土样不同顶出速度的要求，以能够克服现有活塞顶出形式存在速度上限值的不足。而为利于土样的装载，本实施例中在土样室内还可装设一土样盒23，土样盒23适配于土样室设计便可。本实施例中，前述的循环过滤单元具体包括与桶体2成回路连接的管路，以及设置于该管路上的泵送部和过滤部，泵送部用于实现水流的循环，过滤部则对循环水流进行过滤除沙。

具体结构上，本实施例中在机架1上于桶体2的下方设置有储水箱8，储水箱8也串接于管路上，泵送部也为设置于储水箱8内的潜水泵，而过滤部则为连接在储水箱8和桶体2之间的沉淀桶9。在装置工作中，桶体2内的水流先进入沉淀桶9进行沉淀，而后可经过滤再进入储水箱8中，在储水箱8中通过潜水泵再返回桶体2中。为避免经潜水泵返回的水流对桶体2中水流速度造成影响，潜水泵出口的水流可采用顶部喷淋的方式进入桶体2内。

本实施例中除了采用沉淀桶9及储水箱8和潜水泵的结构形式，当然也可通过在管路上直接串接离心泵及过滤器的形式，同样达到水流循环过滤的目的。本实施例的土样侵蚀率冲刷试验装置在试验时，首先将土样置于土样盒23中，桶体2的桶壁升起后，再将土样盒23装入土样承载单元7的土样室内，在桶体2的桶壁复位且注水后，通过叶轮11带动水体流动，使水流冲刷桶体2底部的土样，并由电机20控制土样盒23的顶出，然后通过图像的采集，测量单位时间内土样的冲刷高度，以得到冲刷率。或者，除了测量单位时间内土样的冲刷高度，本实施例还可通过将土样平铺于内凹的土样室中，并通过测量土样前后的质量变化来计算冲刷速率。

在具体试验中，以启动流速也即恰好使试样开始被冲刷掉时的水流流速为基础，通过控制器依次增加叶轮11转速，测定不同叶轮11转速下的土样的侵蚀率，一个叶轮转速对应一次实验。获得不同流速下的冲刷率，再结合相应流速下的水流剪应力，即能够更加准确和全面的反映冲刷的作用及其物理过程。

其中，水流剪应力的获取可通过流速仪对不同叶轮转速下的流速进行标定，并根据测量的流速，采用美国水利工程第18号通告推荐的均匀流基本力学方程来计算剪应力。该均匀流基本力学方程为：

方程中，ρ—水的密度，v—流速，λ—沿程阻力系数，其可根据莫迪图中雷诺数re和相对粗糙度ε/d确定；其中，ε为仪器底面的绝对粗糙度，指粗糙部分突出的平均高度，文献中绝对粗糙度一般取0.5～0.7倍的试样平均粒径，假设试验中颗粒的一半向外突出，绝对粗糙度即取试样平均粒径的0.6；d为圆管时取直径，非圆形截面取4倍的水力半径r即当量直径。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。