一种水工建筑物抗流水冲蚀试验装置及其试验方法与流程

本发明涉及混凝土试验装置领域，具体涉及一种水工建筑物抗流水冲蚀试验装置及其试验方法。

背景技术：

水工建筑物的流水冲蚀是指水流不断地冲刷建筑物，使建筑物表面出现磨损的现象。我国现有水库大坝9.8万余座，是世界上水坝最多的国家；公路桥梁超过80万座，其中大部分桥梁的桥墩都浇筑在了水中，另外我国建设了超过20座的跨海大桥，桥墩长时间处于海水冲蚀的环境中。水工建筑物长时间经受流水冲蚀，会导致建筑物表面出现麻面、凹坑，严重的部位甚至出现大面积墙体剥落的现象，这将缩短建筑物的使用寿命，影响工程安全。随着我国经济不断发展，越来越多的水工建筑物正在修建，流水冲蚀破坏影响范围越来越大，工程人员应该对其给予重视。因此，出于对结构的稳定性、安全性以及工程寿命的考虑，有必要对于长时间经受流水冲蚀的水工建筑物的使用过程及其受到环境的作用引发结构材料性能腐蚀和劣化进行试验模拟。

现阶段，针对流水冲蚀试验，通常采用圆环法或水下钢球法，其缺点是对c40以上强度等级混凝土的冲磨试验不敏感，难以满足高速水流水电工程对高性能高抗冲磨材料抗冲磨性能的定性或定量对比试验要求，且每次试验完成后设备损耗明显。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服现有技术中的问题，提供一种水工建筑物抗流水冲蚀试验装置及其试验方法。

本发明提供了一种水工建筑物抗流水冲蚀试验装置，包括：外壳体，所述外壳体的内部设有内筒，所述内筒的顶部设有与外部水源连通的进水通道，内筒的底部设有排水通道，进水通道和排水通道上均设有阀门，所述内筒底部还设有圆盘波轮，所述内筒底部的下方设有用于驱动圆盘波轮转动的调速驱动机构，所述内筒内设有用于承载试样的套筒支架和用于监测水流速度的流速仪，套筒支架的顶端与外壳体的顶部可拆卸连接，流速仪设在内筒的内壁上，所述调速驱动机构和流速仪均与电源电连接，所述外壳体上设有调速驱动机构的控制开关。

较佳地，所述调速驱动机构包括固定在内筒底部的电机，所述电机连接有电机调速器，所述电机的输出轴连接有驱动轴，所述内筒的底部设有供驱动轴穿过的过孔，驱动轴穿过过孔与圆盘波轮的中心固定连接，驱动轴与内筒的底部通过轴承连接。

较佳地，套筒支架包括由多个钢筋焊接而成的竖框体，所述竖框体上设有用于和外壳体卡接的卡接件，所述外壳体上设有与卡接件相匹配的卡接槽，所述卡接件卡接在卡接槽内。

较佳地，竖框体上设有刻度线。

较佳地，所述竖框体包括底框、竖向支撑杆和横向档杆，所述竖向支撑杆固定在底框上，横向档杆固定在相邻两个竖向支撑杆上，所述底框上焊接有水平的十字螺纹杆，所述十字螺纹杆的四个方向上均设有螺母座，所述螺母座活动连接有用于固定试样的固定块。

较佳地，外壳体上铰接有盖体。

较佳地，盖体由透明材质制成或盖体上设有由透明材质制成的可视窗。

本发明还公开了利用上述试验装置进行水工建筑物抗流水冲蚀试验的试验方法，包括以下步骤：

s1、制作试件，混凝土拌和物拌和、成型并养护，将养护龄期为26d的试样放入水或盐溶液中吸附至饱和状态；

s2、试验时，从水或盐溶液中取出试块，用湿毛巾抹去表面水分或盐溶液，使呈饱和面干状态；称其质量，精确值为0.1g，记为冲蚀前重量；

s3、打开进水通道上的阀门，使水沿进水通道流入内筒，观察竖框体上的刻度线，当水位达到要求的高度时，关闭进水通道上的阀门；

s4、将混凝土试件放入套筒支架中，再将套筒支架置于内筒中使试件全部浸没在水中，最后将套筒支架与外壳体连接；

s5、将流速仪安装调试好；

s6、接通控制开关，启动电机，电机带动圆盘波轮转动；

s7、调节电机调速器，观察流速仪上的数值变化，将水流速度调整至试验所需要的速度；

s8、盖上盖体，透过盖体观察试验进展；

s9、每冲蚀60min后，关闭控制开关，打开盖体，拿出混凝土试件，用水将其冲洗干净，抹去表面水分或盐溶液称其质量，精确值为0.1g，记录为冲蚀后质量；测量其被冲蚀的宽度和深度，并予以记录；

s10、按前述步骤重复10次，即累计冲蚀10小时，试验结束；若试件冲蚀深度大于或等于5mm，也可结束试验；

s11、试验结束后，打开排水通道上的阀门将内筒中的水排出；

s12、数据处理

混凝土抗流水冲蚀磨损率为

ν＝(m0-mt)/st；式中：

n—磨损率，单位面积上在单位时间内被磨损的质量，kg/h·m²；

m0—试件冲蚀前质量，kg；

mt—历经t小时冲蚀后试件的质量，kg；

t—试件受冲蚀累计历时，h；

s—试件表面积，m²；

混凝土抗流水冲蚀强度r(h·m²/㎏)，即单位面积上每磨损1kg所需要的小时数，为：r＝1/n；

除此，还可利用超景深仪对混凝土冲蚀前后的表面三维形貌、孔隙破坏形貌微观显示以及孔径分布变化进行观察对比，通过渲染后的超景深图片更加直观深入的检测其冲蚀效果。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的混凝土抗流水冲蚀试验装置，模拟水工建筑物长时间所处的流水环境，对混凝土进行高速水流冲蚀试验，定量的测试试件在0～1600r/min转速、清水或各种盐溶液下的流水冲蚀，该试验装置参数可控性强，精度高，试验效率高，节省劳动力，降低试验人员的劳动强度，同时减少试验场地的限制，便于室内进行试验；制作简单，成本低，维护方便；转速稳定且可调控；可满足不同尺寸试件的试验；试件可以完全浸入液体，更好的模拟实际环境；可多个试件同时试验，提高试验效率。

附图说明

图1为本发明水工建筑物抗流水冲蚀试验机侧剖面图；

图2为本发明水工建筑物抗流水冲蚀试验机俯视图；

图3为本发明套筒支架结构示意图；

图4为本发明十字螺纹杆和固定框的连接结构示意图。

附图标记说明：

1.外壳体，2.内筒，21.进水通道，22.阀门，23.排水通道，3.圆盘波轮，4.调速驱动机构，41.电机，42.电机调速器，43.驱动轴，5.套筒支架，51.竖框体，511.底框，512.竖向支撑杆，513.十字螺纹杆，514.螺母座，515.固定块，6.流速仪，7.控制开关，8.盖体。

具体实施方式

下面结合附图1-3，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。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的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。

本发明提供的一种水工建筑物抗流水冲蚀试验装置，包括：外壳体1，所述外壳体1的内部设有内筒2，所述内筒2的顶部设有与外部水源连通的进水通道21，内筒2的底部设有排水通道23，排水通道23延伸至外壳体1的外部，进水通道21和排水通道23上均设有阀门22，所述内筒2底部还设有圆盘波轮3，所述内筒2底部的下方设有用于驱动圆盘波轮3转动的调速驱动机构4，所述内筒2内设有用于承载试样的套筒支架5和用于监测水流速度的流速仪6，套筒支架5的顶端与外壳体1的顶部可拆卸连接，流速仪6设在内筒2的内壁上，所述调速驱动机构4和流速仪6均与电源电连接，所述外壳体1上设有调速驱动机构4的控制开关7。

进一步地，所述调速驱动机构4包括固定在内筒2底部的电机41，所述电机41连接有电机调速器42，所述电机41的输出轴连接有驱动轴43，所述内筒2的底部设有供驱动轴43穿过的过孔，驱动轴43穿过过孔与圆盘波轮3的中心固定连接，驱动轴43与内筒2的底部通过轴承连接，目的在于通过电机调速器42调节电机41的输出速率，进而调节圆盘波轮3的转速，最终实现实验装置内的水流速度的调节。

进一步地，套筒支架5包括由多个钢筋焊接而成的竖框体51，所述竖框体51上设有用于和外壳体1卡接的卡接件，所述外壳体1上设有与卡接件相匹配的卡接槽，所述卡接件卡接在卡接槽内。

进一步地，竖框体51上设有刻度线。

进一步地，所述竖框体51包括底框511、竖向支撑杆512和横向档杆，所述竖向支撑杆512固定在底框511上，横向档杆固定在相邻两个竖向支撑杆512上，所述底框上511焊接有水平的十字螺纹杆513，所述十字螺纹杆513的四个方向上均设有螺母座514，所述螺母座514活动连接有用于固定试样的固定块515，螺母座514和固定块515的活动连接，可以采用在固定块515上设置轴承，螺母座514通过连接管与轴承连接的方式。由于十字螺纹杆513的螺母座524能够带动固定块515沿螺纹杆513向试样靠近或远离试样，因此能够实现对不同尺寸的试样的紧固，无需根据实验的大小制定与其相互匹配的套筒支架5。

进一步地，外壳体1上铰接有盖体8。

进一步地，盖体8由透明材质制成或盖体8上设有由透明材质制成的可视窗。

利用上述试验装置进行水工建筑物抗流水冲蚀试验的试验方法，包括以下步骤：

s1、制作试件，混凝土拌和物拌和、成型并养护，将养护龄期为26d的试样放入水或盐溶液中吸附至饱和状态；

s2、试验时，从水或盐溶液中取出试块，用湿毛巾抹去表面水分或盐溶液，使呈饱和面干状态；称其质量，精确值为0.1g，记为冲蚀前重量；

s3、打开进水通道21上的阀门22，使水沿进水通道21流入内筒2，观察竖框体51上的刻度线，当水位达到要求的高度时，关闭进水通道21上的阀门22；

s4、将混凝土试件放入套筒支架中，再将套筒支架置于内筒中使试件全部浸没在水中，最后将套筒支架与外壳体连接；

s5、将流速仪6安装调试好；

s6、接通控制开关7，启动电机41，电机41带动圆盘波轮3转动；

s7、调节电机调速器42，观察流速仪6上的数值变化，将水流速度调整至试验所需要的速度；

s8、盖上盖体8，透过盖体8观察试验进展；

s9、每冲蚀60min后，关闭控制开关7，打开盖体8，拿出混凝土试件，用水将其冲洗干净，抹去表面水分或盐溶液称其质量，精确值为0.1g，记录为冲蚀后质量；测量其被冲蚀的宽度和深度，并予以记录；

s10、按前述步骤重复10次，即累计冲蚀10小时，试验结束；若试件冲蚀深度大于或等于5mm，也可结束试验；

s11、试验结束后，打开排水通道23上的阀门22将内筒2中的水排出；

s12、数据处理

混凝土抗流水冲蚀磨损率为

ν＝(m0-mt)/st；式中：

n—磨损率，单位面积上在单位时间内被磨损的质量，kg/h·m²；

m0—试件冲蚀前质量，kg；

mt—历经t小时冲蚀后试件的质量，kg；

t—试件受冲蚀累计历时，h；

s—试件表面积，m²；

混凝土抗流水冲蚀强度r(h·m²/㎏)，即单位面积上每磨损1kg所需要的小时数，为：r＝1/n；

除此，还可利用超景深仪对混凝土冲蚀前后的表面三维形貌、孔隙破坏形貌微观显示以及孔径分布变化进行观察对比，通过渲染后的超景深图片更加直观深入的检测其冲蚀效果。

综上，本发明的混凝土抗流水冲蚀试验装置，模拟水工建筑物长时间所处的流水环境，对混凝土进行高速水流冲蚀试验，定量的测试试件在0～1600r/min转速、清水或各种盐溶液下的流水冲蚀，该试验装置参数可控性强，精度高，试验效率高，节省劳动力，降低试验人员的劳动强度，同时减少试验场地的限制，便于室内进行试验；制作简单，成本低，维护方便；转速稳定且可调控；可满足不同尺寸试件的试验；试件可以完全浸入液体，更好的模拟实际环境；可多个试件同时试验，提高试验效率。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。