模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置的制作方法

本发明涉及一种模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置，属于海洋工程地质与沉积动力学领域的工程性质测试与研究领域。

背景技术：

海床沉积物在水动力作用下的侵蚀再悬浮过程一直是海洋工程地质与沉积动力学研究领域中的关键问题。研究表明：沉积物的临界侵蚀强度会受到海床渗流作用的影响，甚至在渗流强度足够大时，引起海床液化，海床渗流作用对沉积物再悬浮的影响不容忽视。严重的海底侵蚀会导致管缆的暴露、悬空甚至断裂，引发溢油、井喷等工程事故，造成巨大的经济损失。因此，海底侵蚀的发生机制、定量评估与防治措施等问题一直受到海洋工程地质学家与沉积学家的关注。

环形水槽是海洋与水利科学研究中的常用工具之一。目前与环形水槽相关的发明与实用新型专利主要分为3类：(1)用于流速测量仪器的标定，例如：中国人民解放军理工大学设计的“用于便携式流速仪检定的环形水槽”(201620556240.4)；(2)用于流体力学性质的模拟与研究，例如：同济大学设计了“利用环形水槽模拟天然河道水流特性的装置”(201310120205.9)；北京市环境保护科学研究院设计了“利用环形水槽模拟天然河道水流特性的装置”(201520155123.2)；(3)用于流体与沉积物相互作用方面的科学研究，例如：上海大学设计了“一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置”(201410057326.8)；上海河口海岸科学研究中心设计了“一种全自动测量及控制试验用环形水槽”(201320475851.2)；河海大学设计了“环形水槽模拟风浪扰动下水下沉积物再悬浮的方法及装置”(200710025671.3)和环形水槽模拟悬沙及床沙吸附污染物装置(201320818449.X)；天津水运工程勘察设计院交通运输部天津水运工程科学研究所设计了“用于泥沙动水沉降实验的环形水槽”(201520171404.7)。这些用于科学研究的环形水槽都针对具体的科学问题，有着独特的设计。目前对于该科学问题的探索，鲜有精细的定量化研究。本方法的构建与装置的设计则旨在为该科研工作的进步提供一种手段。本发明也同样属于一种针对具体科学问题--海床渗流影响下沉积物再悬浮过程--而专门设计的一种环形水槽装置，由于本发明装置针对的科学问题相对前沿，目前还尚未见到直接相关的专利。

技术实现要素：

本发明目的在于设计一种既能够测试沉积物临界侵蚀特性，又可以研究不同强度的渗流作用下沉积物再悬浮特征的装置——模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置，以在室内模拟海床内部渗流影响下的沉积物再悬浮过程。

模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置，其特征在于包括钢结构支架和带有造流系统的环形水流槽，所述的造流系统由电机与造流滚轮组成，能够在环形水流槽中制造不同速度的水流；环形水流槽中嵌有多个土槽与一个原装土样测试槽，其中土槽用于填充不同粒径、含水率等土工性质的沉积物，以模拟天然海床，原装土样测试槽用于填充原状沉积物样品，开展原状沉积物的土工性质测试工作；当水流流经两槽上方时，可将部分沉积物颗粒起动，使其再悬浮进入上覆水体，并随水流输运；环形水流槽中还固定有悬沙浓度传感器与水流流速传感器，可持续记录水体中的悬沙浓度与流速变化；所述土槽内还装有水压平衡沙袋；环形水流槽将渗流量筒环绕在中央，渗流量筒用于填充不同高度的水头，并通过导水管连通至各个土槽以及原装土样测试槽底部，以将水压力施加到土槽/原装土样测试槽底部，进入水压平衡沙袋，进而作用于土槽/原装土样测试槽底部，以施加渗流梯度，所述导水管上带阀门。

所述的造流滚轮为圆柱型层板式的造流滚轮，能够在更为有效的再环形水流槽中制造不同速度的水流。

所述的环形水流槽由透明亚克力材料制作，可以将试验中发生的悬沙现象进行直观的观察、拍照或录像。

所述的环形水流槽当中至少嵌有两个相同设计的土槽，可以在开展平行实验(例如渗透破坏实验)，提高实验效率。

所述的固定于水槽当中的悬沙浓度传感器与水流流速传感器，两者结合使用可用于沉积物临界侵蚀流速/剪切应力，再悬浮/侵蚀系数的判定与推算。

所述的固定在环形水槽中央的渗流量筒上设有刻度。根据刻度值施加不同大小的水头；并在导水管的牵引下将水压力施加到土槽/原装土样测试槽底部；所述的水压平衡沙袋，可以保证水压力进入土槽之后在沙层中水平扩散，然后相对均匀地作用在整个土床底面，防止局部渗透破坏的发生。

所述的钢结构支架底部设有万向滚轮。

环形水槽中可通过发电机与旋转滚轮制造不同流速的水流，水流作用于土槽中的土床之上，引起表层沉积物的再悬浮；环形水槽中间的水头施加量筒可将不同大小的水头差加载在土床底部，引起海床内部渗流；通过表层水流水平冲刷与海床内部垂向渗流的耦合模拟，可以探索不同程度的海床渗流对沉积物再悬浮的影响。为了保证底部渗流梯度的均匀性，本发明装置在土槽底部加设了沙袋，其中的砂层铺设可以使进入土槽的水压力很好地达到平面扩散，从而使得渗流梯度的均匀性。本装置十分便捷，整个装置可以在支架的辅助下自由移动。本装置可以自由控制变量，深入地探索该科学问题。

附图说明

图1是本发明的立体图。

图2是本发明的环形水流槽的立体图。

图3是本发明的主视图。

图4是本发明的侧视图。

图5是本发明的俯视图。

其中，1、电机，2、造流滚轮，3、环形水流槽，4、土槽，5、原装土样测试槽，6、悬沙浓度传感器，7、水流流速传感器，8、渗流量筒，9、导水管，10、水压平衡沙袋，11、钢结构支架，12、万向滚轮。

具体实施方式

如图1-5，模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置，其特征在于包括钢结构支架11和带有造流系统的环形水流槽3，所述的造流系统由电机1与造流滚轮2组成，能够在环形水流槽3中制造不同速度的水流；环形水流槽3中嵌有多个土槽4与一个原装土样测试槽，其中土槽4中，可以填充不同粒径、含水率等土工性质的沉积物，以模拟天然海床，原装土样测试槽5中，可以填充原状沉积物样品，开展原状沉积物的土工性质测试工作；当水流流经两槽上方时，可将部分沉积物颗粒起动，使其再悬浮进入上覆水体，并随水流输运；环形水流槽3中还固定有悬沙浓度传感器6与水流流速传感器7，可持续记录水体中的悬沙浓度与流速变化；所述土槽4内还装有水压平衡沙袋10；环形水流槽3将渗流量筒8环绕在中央，渗流量筒8用于填充不同高度的水头，并通过导水管9连通至各个土槽4以及原装土样测试槽5底部，以将水压力施加到土槽4/原装土样测试槽5底部，进入水压平衡沙袋10，进而作用于土槽4/原装土样测试槽5底部，以施加渗流梯度，所述导水管9上带阀门。

所述的造流滚轮2为圆柱型层板式的造流滚轮2，能够在更为有效的再环形水流槽3中制造不同速度的水流。

如图1，所述的环形水流槽3由透明亚克力材料制作，可以将试验中发生的悬沙现象进行直观的观察、拍照或录像。

如图1、2、5，所述的环形水流槽3当中至少嵌有两个相同设计的土槽4，可以在开展平行实验(例如渗透破坏实验)，提高实验效率。

如图4，所述的固定于水槽当中的悬沙浓度传感器6与水流流速传感器7，两者结合使用可用于沉积物临界侵蚀流速/剪切应力，再悬浮/侵蚀系数的判定与推算。

所述的固定在环形水槽中央的渗流量筒8上设有刻度。根据刻度值施加不同大小的水头；并在导水管9的牵引下将水压力施加到土槽/原装土样测试槽底部；所述的水压平衡沙袋10，可以保证水压力进入土槽之后在沙层中水平扩散，然后相对均匀地作用在整个土床底面，防止局部渗透破坏的发生。

如图3、4，所述的钢结构支架11底部设有万向滚轮12。

使用时：

第一步：将水压平衡(10)沙袋填满石英砂，放置于土槽(4)和/或原装土样测试槽(5)底部；

第二步：将沉积物填充到土槽(4)中，并将悬沙浓度传感器(6)与水流流速传感器(7)固定到环形水流槽(3)之中，设置好采集参数，仪器外接电脑，实时查看并存储试验期间采集到的数据。

第三步：向环形水槽中加水，直至没过水槽中的仪器探头；

第四步：向渗流量筒(8)中加水，并调节水头高度；

第四步：打开导水管(9)上的阀门，向土槽(4)底部施加渗流梯度；

第五步：打开电机(1)在水槽(3)里制造不同流速的水流，记录每组渗流梯度与水流流速的加载时段；

第六步：实验完毕，拆卸仪器，读取全部数据，截取试验段数据进行分析。

注：原装土样测试槽(5)的具体实施方式与土槽(4)基本相同，不同之处在于(5)中可以直接放入海底原位取回的柱状样，不需室内人为制造海床，其余步骤相同。