本发明涉及泥沙分选装置技术领域，具体涉及一种极细颗粒泥沙的分选装置及其使用方法。
背景技术
实验室和现场条件下，目前分选泥沙主要通过物理分选和湿法分选两种方法。
在实验室中主要是通过物理分选，即筛网分选法。筛网分选法需要对泥沙进行烘干和研磨等预处理，同时可分选的泥沙粒径受限于筛网的孔径。筛分粒径越细的泥沙耗时越长，且筛网分选法难以进一步筛分粒径小于63μm的极细颗粒泥沙。
现场条件下，为了提高河流泥沙的经济效益，通常采用湿法利用不同粒径颗粒物沉速差异分选泥沙。该方法多应用在粒径较粗的河沙，适用粒径范围主要为250μm～1000μm，分选精度常难以准确保证。
基于上述可知，现有的物理分选和湿法分选均对较粗颗粒泥沙有较好的适用性，但当涉及到粉砂(d50＝4～63μm)和黏土(d50<4μm)等中值粒径小于63μm的极细颗粒泥沙的分选时，以上两种方法均不适用。
粉砂淤泥质海岸是我国最常见的海岸类型之一，分布范围广，渤海湾、江苏沿海、长江口、杭州湾至珠江口等地区均有分布。系统探究河口海岸地区粉砂质泥沙的物理、化学特性对于治理各大河口的航道淤积、海岸滩涂围垦、沿海湿地保护等均具有重要的科学价值和指导意义。然而粉砂质泥沙级配跨度大，常难以准确剥离和分析粉砂、黏土的物化特性。因此，开发一种可以准确分选63μm以下粒径泥沙的分选装置十分必要。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种极细颗粒泥沙的分选装置及其使用方法，该装置能够准确把控分选泥沙的粒径及级配，具有操作简单、适用性强、分选效率高、分选效果好等优点，能够方便快速从宽级配泥沙中分选出所需的极细颗粒泥沙。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种极细颗粒泥沙的分选装置，包括分选槽、传动装置、悬沙采样器12和底沙收集器13；所述分选槽包括分选槽上盘2和分选槽下盘1，用于实现泥沙的悬浮与沉降；传动装置与分选槽连接，用于实现分选槽上盘2的升降，分选槽上盘2和分选槽下盘1的转向及转速的调整；所述悬沙采样器12设于分选槽下盘1的外侧壁，用于采集悬浮泥沙；所述底沙收集器13的底部贴合于分选槽下盘1的底部，底沙收集器13的侧部贴合于分选槽下盘1的外侧壁，且底沙收集器13的上部可拆卸安装在分选槽下盘1的外侧壁上。
上述分选装置采用利用向心力和不同粒径泥沙颗粒沉速差异实现分选极细颗粒泥沙的结构布置形式，可准确把控分选泥沙的粒径及级配。
进一步地，所述分选槽下盘1为环形槽，其底部靠近内侧壁处平整，其底部靠近外侧壁处设有凹陷部。
进一步地，所述底沙收集器13的形状和尺寸与分选槽下盘1的凹陷部相匹配。更进一步地，所述底沙收集器13由多个簸箕状圆环拼接而成，其底部贴合分选槽下盘1的凹陷部，底沙收集器13的上部通过弯曲挂钩悬挂于分选槽下盘1的外侧壁。
进一步地，所述分选槽上盘2为环形平板，所述分选槽上盘2的宽度小于分选槽下盘1的槽宽。
进一步地，综合实验室和现场条件限制，所述分选槽下盘1的内环半径为1～2m，槽宽为0.2～0.5m，槽高为0.2～0.6m。需要说明的是，内环半径越小，向心力越强，分选效率则会降低；槽宽越大，底沙收集器面积越大，分选效率越高。
进一步地，所述悬沙采样器12由取样孔、胶皮管和止水阀组成，垂直均匀地布置于分选槽下盘1的外侧壁。更进一步地，通过悬沙采样器取得不同高度的悬沙样品后，可通过激光衍射粒度分析仪快速分析悬沙中值粒径及级配曲线。
更进一步地，所述分选槽、底沙收集器采用硬质材料制成，例如透明有机玻璃或不锈钢板；所述分选槽、底沙收集器是否透明可视与分选效果无关。
进一步地，所述传动装置包括升降电机4、上盘悬臂9、上盘电机5、上盘转轴7、下盘电机6和下盘转轴8；所述升降电机4与分选槽上盘2通过上盘悬臂9传动连接；所述上盘电机6与分选槽上盘2通过上盘转轴7传动连接；所述下盘电机6与分选槽下盘1通过下盘转轴8传动连接。
进一步地，所述升降电机4通过齿轮箱10调控上盘悬臂9及分选槽上盘2的升降；所述上盘悬臂9与分选槽上盘2通过螺口11配合连接。
进一步地，所述上盘电机5和下盘电机6为齿轮减速电机；所述升降电机4为往复推杆电机。
本发明还提供了上述的极细颗粒泥沙的分选装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)在分选槽下盘1的底部铺设待分选泥沙，并向内注水，控制传动装置使分选槽上盘2与水面贴合；
(2)通过传动装置控制分选槽上盘2和分选槽下盘1以相反方向转动，并调节分选槽上盘2和分选槽下盘1的转速，直至待分选泥沙全部悬浮；
(3)停止分选槽下盘1转动，分选槽上盘2逐级降速；每级转速稳定后通过悬沙采样器12取样，测量悬沙的粒径和级配，并调整分选槽上盘转速直至悬沙的粒径和级配符合要求；
(4)停止分选槽上盘2转动，待悬沙全部自由沉降后排水，取出底沙收集器13，其收集的泥沙即为分选后的极细颗粒泥沙。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
首先，本发明所涉及的极细颗粒泥沙分选装置，可在实验室和现场分选出依靠传统筛网分选法和湿法难以分离的极细颗粒泥沙，如粉砂和黏土。由于该装置能精准控制分选槽下盘和分选槽上盘的转速及转向，进而可根据需求调整悬沙为所需的粒径和级配；底沙收集器收集沉降的悬沙，保证分选结果可控、分选效果及精度。
其次，本发明所涉及的极细颗粒泥沙分选装置，所需水量较少。现场湿法分选方法需要持续注入水沙混合物并持续排水，造成水资源的浪费。本发明只需将适量的水注入分选槽下盘，无需外接管道持续供、排水，提高分选装置的可操作性及经济性。
最后，本发明所涉及的极细颗粒泥沙分选装置适用性强。由于可通过悬沙采样器准确把控悬沙粒径及级配，因此，该发明装置不仅适用于从宽级配泥沙中分选极细颗粒泥沙，也可用于分选任意粒径和级配的泥沙组分。在保证较高精度的前提下，适用范围可大大扩展。
附图说明
图1是本发明所述的极细颗粒泥沙分选装置的结构示意图i；
图2是本发明所述的极细颗粒泥沙分选装置的结构示意图ii；
图3是分选槽上盘转动而分选槽下盘不转时水体内二次环流示意图；
图中，1为分选槽下盘，2为分选槽上盘，3为分选槽下盘的侧壁，4为升降电机，5为上盘电机，6为下盘电机，7为上盘转轴，8为下盘转轴，9为上盘悬臂，10为齿轮箱，11为螺口，12悬沙采样器，13底沙采集器。
具体实施方式
为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
如图1所示，本发明所述的极细颗粒泥沙的分选装置，包括分选槽、传动装置、悬沙采样器12和底沙收集器13；所述分选槽包括分选槽上盘2和分选槽下盘1，用于实现泥沙的悬浮与沉降；传动装置与分选槽连接，用于实现分选槽上盘2的升降，分选槽上盘2和分选槽下盘1的转向及转速的调整，保证分选槽上盘2和分选槽下盘1均能双向旋转；所述悬沙采样器12设于分选槽下盘1的外侧壁，用于采集悬浮泥沙；所述底沙收集器13的底部贴合于分选槽下盘1的底部，底沙收集器13的侧部贴合于分选槽下盘1的外侧壁，且底沙收集器13的上部可拆卸安装在分选槽下盘1的外侧壁上。
进一步地，所述分选槽下盘1为环形槽，其底部靠近内侧壁处平整，其底部靠近外侧壁处设有凹陷部，所述分选槽上盘2为环形平板；所述悬沙采样器12由取样孔、胶皮管和止水阀组成，垂直均匀地布置于分选槽下盘1的外侧壁，可获取水体多处悬沙沙样；底沙采集器13形状、尺寸与分选槽下盘1底部靠近外侧壁处的凹陷部吻合，贴合分选槽下盘的底部和外侧壁，不影响近底的流态和泥沙输移，且方便收集自由沉降后的所需粒径和级配的泥沙。
所述分选槽上盘2、分选槽下盘1、底沙采集器13应满足以下要求：分选槽上盘2宽度应小于分选槽下盘1的槽宽，为底沙采集器13的悬臂预留足够空间，同时保证与水面有足够大的接触面积；分选槽上盘2、分选槽下盘1、底沙采集器13所用材料应为硬质材料，具有一定的强度，可承受一定的水压力且不变形。
进一步地，综合实验室和现场条件限制，所述分选槽下盘1的内环半径为1～2m，槽宽为0.2～0.5m，槽高为0.2～0.6m。内环半径越小，向心力越强，分选效率则会降低；槽宽越大，底沙收集器面积越大，分选效率越高。
本发明所述的极细颗粒泥沙的分选装置可调整分选槽的形状，分选槽下盘1将环形槽替换为圆桶，分选槽下盘1的底部与侧壁形成空腔，分选槽上盘2将环形平板替换为圆形平板，分选槽上盘2的直径应小于分选槽下盘1的直径，为底沙采集器13的悬臂预留足够空间，同时保证与水面有足够大的接触面积。然而，与环形槽的分选槽下盘相比，圆桶的分选槽下盘中向心力较强，容易出现漩涡，使得泥沙整体悬浮比较困难，从而降低泥沙分选效率。
如图1和图2所示，所述传动装置包括升降电机4、上盘悬臂9、上盘电机5、上盘转轴7、下盘电机6和下盘转轴8；所述升降电机4与分选槽上盘2通过上盘悬臂9传动连接；所述上盘电机6与分选槽上盘2通过上盘转轴7传动连接；所述下盘电机6与分选槽下盘1通过下盘转轴8传动连接。
进一步地，升降电机4通过齿轮箱10控制上盘悬臂9与分选槽上盘2的升降，分选槽上盘2能够降到分选槽下盘1内部，接触水面从而带动水体流动；上盘悬臂9通过螺口11固定在分选槽上盘2上；上盘电机5与分选槽上盘2通过上盘转轴7传动连接，实现分选槽上盘2双向旋转；下盘电机6与分选槽下盘1通过下盘转轴8传动连接，实现分选槽下盘1双向旋转。
进一步地，所述上盘电机5和下盘电机6为齿轮减速电机；所述升降电机4为往复推杆电机。
本发明所述的极细颗粒泥沙的分选装置的使用方法，包括以下步骤：
(1)将待分选沙样铺设在分选槽下盘1底部，沙样选用干沙或水沙混合物均可，沙样多寡及铺沙平整度对于本发明的实验精度没有影响；向分选槽下盘1内注入清水至一定高度，高度无固定要求但需低于分选槽下盘的侧壁高度且高于最低的悬沙采样器12，水量越多，分选效率越高；调节升降电机4控制分选槽上盘2高度，使其刚好接触分选槽下盘1内的水面或低于水面2～5mm，保证分选槽上盘2旋转过程中一直接触水面，带动水体流动；
(2)通过上盘电机5和下盘电机6分别带动上盘转轴7和下盘转轴8转动，进而控制分选槽上盘2和分选槽下盘1以相反方向旋转；
(3)待沙样全部悬浮，将分选槽下盘1转速调为零，并逐级降低分选槽上盘2转速；每级转速稳定后通过悬沙采样器取样，测量悬沙的粒径和级配，并调整分选槽上盘转速直至悬沙的粒径和级配符合要求；
仅有分选槽上盘2带动水体流动时：一方面，水体流速下降，水体内部紊动应力减弱，进而造成较粗颗粒的泥沙发生沉降而较细颗粒泥沙仍悬浮于水体中；另一方面，由于向心力增大，分选槽下盘1中存在明显的垂向环流。分选槽上盘转动而分选槽下盘停止转动时水体内二次环流如图3所示。环流在底部指向内侧，在水面处指向外侧，故先沉降在槽底的粗颗粒泥沙在底部环流作用下，逐渐向分选槽下盘1的内侧壁移动和堆积；同时由于垂向环流的掺混作用，水体垂线含沙量浓度及悬沙粒径不存在明显差异；
待水体基本稳定后，通过悬沙采样器多次采集不同高度的悬沙水样，借助激光衍射粒度仪分析悬沙粒径及级配分布。若所取悬沙粒径大于所需粒径或悬沙级配中的粗颗粒偏多而细颗粒偏少时，可适当降低分选槽上盘转速并继续取样；若所取悬沙粒径小于所需粒径或悬沙级配中的粗颗粒偏少而细颗粒偏多时，可适当提高分选槽上盘转速并继续取样，直至所取悬沙粒径和级配与所需粒径和级配吻合；
(4)通过调整上盘电机5，将分选槽上盘2转速调为零，使符合分选要求的悬沙自由沉降至分选槽下盘1和底沙收集器13；待上部水体中含沙量较少时，通过调整升降电机4升高分选槽上盘2，由水泵排出分选槽下盘1内的上部大部分水体；为避免扰动分选槽下盘1和底沙收集器13收集的泥沙，在近底处通过打开悬沙取样器12缓慢放出分选槽下盘1内剩余水体；待水体放完后，提起底沙采集器13悬臂，其中收集到的泥沙即为符合分选要求的极细颗粒泥沙。
本发明所述极细颗粒泥沙的分选装置参数包括分选槽上盘转速即泥沙全部悬浮所需转速ω和悬沙满足需求时的转速ω′，分选槽下盘转速ω″、分选槽下盘凹陷部尺寸即角度α和长度η、分选槽下盘尺寸即内径γ、槽宽χ和槽高ζ，分选槽上盘宽度χ′、分选槽上盘悬臂高度
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。