一种粘性土起动冲刷试验设备的制作方法

本发明涉及一种粘性土起动冲刷试验设备，属于测量技术领域，其ipc分类号为g01n3/00。

背景技术：

黄河属于多沙河流，河岸往往存在有很多胶泥层，由于河流中水沙变化、水沙来源区域不同，以及粗细泥沙沉积过程不同，导致地层结构不同，造成不同土质结构组成不同河岸，而不同土体结构河岸对河流抗冲刷能力不同，导致出现畸形河势和河岸坍塌等现象，而畸形河势和河岸坍塌等又会造成黄河下游的河势不稳，引发一系列问题。研究河岸粘性土的抗冲性对于治黄实践具有重大的理论意义和实用价值。

粘性土是一种细颗粒土，颗粒粒径极细，颗粒间的相互作用及其复杂，它的物理特性与其含水量有密切的关系。一般将塑性指数大于10的土称为粘性土；在静水或缓慢的流水环境中沉积、经生物化学作用形成、天然含水量大于液限、天然空隙比大于1.5的粘性土称为淤泥。

在粘性土起动冲刷试验中，需要事先准备好粘性土样，这就使得粘性土样的制备成为关键。目前粘性土样的制作方法是，将粘性土与水在水桶中搅拌均匀后让其进行自然沉降，这个淤积沉积的过程需要较长时间，试验也只能在粘性土样沉积达到满足要求时进行，不能满足试验随做随取土样的要求，导致试验过程延后至较长时间，妨碍研究人员的研究进度。

粘性土起动冲刷试验中，需要观察水槽中粘性土样的冲刷情况，并测量一系列试验数据，这就使得粘性土样的放置成为关键。在以往试验中，往往由于放置粘性土样的装置与水槽连接不好而漏水，或粘性土冲刷不起动，或不能及时观测粘性土起动现象，导致试验观测精度不准或试验不能顺利进行。

技术实现要素：

本发明针对粘性土起动冲刷试验中粘性土样制备时间长、不好放置、影响试验整体模拟精度及进度的问题，发明一种粘性土起动冲刷试验设备，以满足粘性土起动冲刷试验的精度和进度要求。本发明的技术解决方案如下：

一种粘性土起动冲刷试验设备，包括粘性土样制备装置、粘性土冲刷装置、水槽、水槽连接装置和拍摄装置，所述拍摄装置设置在所述水槽上部，所述水槽连接装置设置在所述水槽的下部，所述粘性土冲刷装置通过所述水槽连接装置与水槽连接。

所述粘性土样制备装置由有机透明玻璃箱和抽真空设备组成，所述抽真空设备由真空桶和真空泵组成；所述真空桶通过一条透明橡胶管一与有机透明玻璃箱连通，所述真空桶通过一条透明橡胶管二与所述真空泵连通；所述真空桶上设有压力表；所述有机透明玻璃箱的底部铺有一层有机透明玻璃板，在所述有机透明透水板上铺有一层透水土工布，在所述透水土工布的上面为已搅拌好的粘性土浆，在所述粘性土浆表面覆盖有一层塑料薄膜；

所述粘性土冲刷装置包括上托盘、下托盘、镀锌螺丝、有机透明玻璃法兰、粘性土样、钢珠、有机透明玻璃管、密封钢管、丝杆和把手。

圆柱形的粘性土样放置在所述上托盘上，所述上托盘和下托盘的直径均与粘性土样直径一致，所述钢珠镶嵌在上托盘1底部，通过钢珠将上托盘和下托盘连接。所述有机透明玻璃法兰包括上法兰和下法兰，所述有机透明玻璃管设置在所述上法兰和下法兰之间。

所述密封钢管上端设有不锈钢法兰，所述不锈钢法兰和所述有机透明玻璃法兰的下法兰通过镀锌螺丝连接固定。所述密封钢管的底端和所述不锈钢法兰中间均设有与所述丝杆的外径相匹配的通孔。所述把手设置在所述丝杆的下端，所述丝杆从下至上依次穿过所述密封钢管底端的通孔、所述不锈钢法兰的通孔和所述有机透明玻璃管，所述丝杆上端与所述下托盘固定连接。在所述密封钢管底端的通孔处设有内丝螺母。在所述不锈钢法兰的所述通孔的上部和下部各设有一个圆形凹槽，两个所述圆形凹槽内各设有一个骨架油封。

所述水槽连接装置包括水槽底部有机透明玻璃管和位于所述水槽底部有机透明玻璃管底端的水槽连接法兰，所述水槽的底部设有与所述水槽底部有机透明玻璃管匹配的开口。所述水槽底部有机透明玻璃管分别与所述水槽的开口部位及所述水槽连接法兰固定连接。所述水槽连接法兰与所述有机透明玻璃法兰的上法兰通过镀锌螺栓固定连接在一起，所述水槽连接法兰与所述有机透明玻璃法兰的上法兰之间设有橡胶垫。

所述拍摄装置包括照明光源和摄像机，所述照明光源设置在所述水槽内侧壁上，所述摄像机通过平行角钢固定在水槽的支架上。

进一步地，所述上托盘、下托盘、密封钢管和把手的材质均为不锈钢。

本发明具有以下显著的效果和优点。

1、下托盘和下托盘之间设置起传动作用的钢珠，在丝杆转动顶托粘性土样时，下托盘转动，上托盘不会转动，其上放置的粘性土样在升降过程中不会随着丝杆的转动而转动，保持粘性土样迎水面位置始终不变，符合实际情况。

2、密封钢管上部的不锈钢法兰内设置一上一下两个骨架油封，大大提高了密封性能，避免了冲刷水槽进气对试验精度造成影响。

3、有机透明玻璃法兰设为上、下双法兰形式，在上、下法兰之间设置有机透明玻璃管作为过渡连接结构，利用上法兰与水槽连接装置连接，并在试验过程中或更换粘性土样时拆卸，操作方便；利用下法兰和不锈钢法兰与密封钢管固定连接，在试验过程中或更换粘性土样时不再拆卸，进一步保证了整个试验装置的密封性。

4、本发明采用透明有机玻璃箱和有机玻璃管，能较好的观察内部粘性土样的制备和冲刷情况。

5、真空桶与真空泵结合使用，可根据试验需求，人为控制粘性土样沉积固结的时间和程度，得到不同含水率的粘性土样。

6、本发明的各个组成部分有机组合在一起，能很好的进行粘性土的起动冲刷试验，清楚地拍摄粘性土的冲刷情况，并进行精确的数据测量，还避免了冲刷水槽进气对试验精度造成影响，操作方便。

附图说明

图1是本发明的粘性土冲刷装置结构正视图。

图2是本发明的粘性土冲刷装置纵向剖面图。

图3是本发明的水槽及拍摄装置示意图。

图4是本发明的水工模型整体结构正视图。

图5是本发明采用的粘性土样制备装置结构示意图。

图6是本发明采用的有机透明玻璃板俯视图。

其中，1为上托盘，2为下托盘，3为镀锌螺丝，4为有机透明玻璃法兰，5为粘性土样，6为钢珠，7为有机透明玻璃管，8为密封钢管，9为丝杆，10为把手，11为水槽连接法兰，12为照明光源，13为摄像机，14为水槽，15为有机透明玻璃板，16为平行角钢，17为水槽底部有机透明玻璃管，18为橡胶垫，19为骨架油封，20为内丝螺母，21为不锈钢法兰，31为有机透明玻璃板，32为透水土工布，33为粘性土浆，34为透明塑料薄膜，35为不锈钢真空桶，36为压力表，37为真空泵，38为开孔，39为透明橡胶管一，40为透明橡胶管二。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

一种粘性土起动冲刷试验设备，包括粘性土样制备装置、粘性土冲刷装置、水槽14、水槽连接装置和拍摄装置，所述拍摄装置设置在所述水槽14上部，所述水槽连接装置设置在所述水槽14的下部，所述粘性土冲刷装置通过所述水槽连接装置与水槽14连接。

如图5-6所示，所述粘性土样制备装置由有机透明玻璃箱和抽真空设备组成，所述有机透明玻璃箱底部中心设有开孔38，所述抽真空设备由真空桶35和真空泵37组成，透明橡胶管一39的一端与所述真空桶35连通，另一端通过所述开孔38与所述有机透明玻璃箱连通，所述真空桶35通过透明橡胶管二40与所述真空泵37连通；所述真空桶35上设有压力表36。

所述有机透明玻璃箱内部的长宽高尺寸为40cm×20cm×20cm，其厚度为1cm，所述有机透明玻璃箱的底部铺有一层有机透明玻璃板31，有机透明玻璃板31的尺寸为40cm×20cm，厚度为1cm，所述有机透明玻璃板31上均布有孔径为5mm的小孔，相邻小孔的孔心间距为2cm。在所述有机透明透水板31上铺有一层透水土工布32，在所述透水土工布32的上面为已搅拌好的粘性土浆33，在所述粘性土浆33表面覆盖有一层塑料薄膜34，形成真空状态，便于加速沉积。启动真空泵37可进行真空抽水，通过压力表36可控制粘性土沉积固结的时间和程度，得到不同含水率的粘性土样5，为粘性土起动冲刷试验做准备。

如图1和2所示，所述粘性土冲刷装置用于放置粘性土样5和调整粘性土样5的高度，包括上托盘1、下托盘2、镀锌螺丝3、有机透明玻璃法兰4、粘性土样5、钢珠6、有机透明玻璃管7、密封钢管8、丝杆9和把手10，所述上托盘1、下托盘2、密封钢管8和把手10的材质均为不锈钢。

圆柱形的粘性土样5放置在所述上托盘1上，所述上托盘1、下托盘2厚度均为1cm，其直径均与粘性土样5直径一致，钢珠6镶嵌在上托盘1底部，通过钢珠6将上托盘1和下托盘2连接。所述有机透明玻璃法兰4包括上法兰和下法兰，所述有机透明玻璃管7设置在所述上法兰和下法兰之间，所述有机透明玻璃管7厚1cm，高5cm，内径8cm。在上、下法兰之间设置有机透明玻璃管7作为过渡连接结构，利用上法兰与水槽连接装置连接，并在试验过程中或更换粘性土样5时拆卸，操作方便。

所述密封钢管8上端设有不锈钢法兰21，所述密封钢管8的底端和所述不锈钢法兰21中间均设有与所述丝杆9的外径相匹配的通孔，供所述丝杆9穿过。所述不锈钢法兰21和所述有机透明玻璃法兰4的下法兰通过镀锌螺丝3连接固定，且在试验过程中及更换粘性土样5时不再拆卸。所述把手10设置在所述丝杆9的下端，所述丝杆9从下至上依次穿过所述密封钢管8底端的通孔、所述不锈钢法兰21的通孔和所述有机透明玻璃管7，所述丝杆9上端与所述下托盘2固定连接。在所述密封钢管8底端的通孔处设有内丝螺母20。在所述不锈钢法兰21的所述通孔的上部和下部各设有一个圆形凹槽，两个所述圆形凹槽内各设置一个骨架油封19，骨架油封19可以有效防止试验过程中水槽中的水进入密封钢管8，本发明为了提高密封效果，采用一上一下两个骨架油封19，在整个试验过程中，水槽内没有产生任何气泡，证明采用一上一下两个骨架油封19的布置方式，有效保证了水气密封。

设置所述密封钢管8的目的，一是保证装置的密封性，阻止空气进入水槽中对试验结果造成影响，二是密封钢管8上的上下两个通孔可以保证丝杆9在上下运行时不发生偏斜，三是在将所述粘性土冲刷装置固定在支撑装置上时，提供稳定的固定点。

转动不锈钢把手10带着丝杆9向上旋转，下托盘2随着丝杆9一起向上旋转转动，由于钢珠6的传递作用，上托盘1及其上面的粘性土样5同时向上运动，但粘性土样5不会旋转，可保持良好的静止土样状态。

如图3-4所示，所述水槽连接装置包括水槽底部有机透明玻璃管17和位于所述水槽底部有机透明玻璃管17底端的水槽连接法兰11，所述水槽14的底部设有与所述水槽底部有机透明玻璃管17匹配的开口。所述水槽底部有机透明玻璃管17分别与所述水槽14的开口部位及所述水槽连接法兰11固定连接，固定连接的方式优选整体粘接在一起。进行粘性土起到冲刷模拟试验时，所述水槽底部有机透明玻璃管17套设在所述粘性土样5的外面，所述水槽连接法兰11与所述有机透明玻璃法兰4的上法兰通过镀锌螺栓3固定连接在一起，所述水槽连接法兰11与所述有机透明玻璃法兰4的上法兰之间设有橡胶垫。在需要将所述粘性土冲刷装置与所述水槽14分离时，拆除固定在所述水槽连接法兰11与所述上法兰之间的镀锌螺栓3即可，拆装非常方便；而且，所述有机透明玻璃法兰4的下法兰与所述不锈钢法兰21的固定连接不再拆开，以避免破坏密封钢管8与丝杆9之间的密封。

所述拍摄装置包括照明光源12和摄像机13，所述照明光源12设置在所述水槽14内侧壁上，所述照明光源12可以采用led、灯管等光源，可使拍摄区域更为清晰。在正对着所述粘性土样5的水槽14上方放置所述摄像机13，在有机透明玻璃板15上挖一孔，孔的大小刚好能将摄像机13的镜头放进去，有机透明玻璃板15用平行角钢16固定住，距离水槽14顶部10cm，且可根据摄像机13的拍摄范围上下移动，移动范围在10cm以内，平行角钢16另一端固定在水槽14的支架上，不受水槽14放水时震动的影响。

进行粘性土起动冲刷模拟试验时，利用图1和2的所述粘性土冲刷装置，扭动把手10使上托盘1下降到能够放置粘性土样5的高度，用环刀取出制备好的粘性土样5放置到上托盘上1；将所述水槽连接法兰11与所述有机透明玻璃法兰4的上法兰通过镀锌螺栓3固定连接在一起，用扳子拧紧镀锌螺栓3保证气密性良好；扭动把手10，使粘性土样5上升与水槽14底部齐平的位置开始放水进行试验；等待水流稳定，计时开始并打开架设好的摄像机13进行拍摄。采用本具体实施方式提供的技术方案，可以很好地进行粘性土的起动冲刷模拟试验，且在试验过程中各部位均不漏水，并清晰的观测到粘性土冲刷起动的全部过程。