本发明涉及水电工程技术领域，特别涉及一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置及其试验方法。
背景技术：
粘性泥沙在河流、水库、河口及海岸水体中广泛存在，较小的粒径使其具有较强的电化学性质，在布朗运动、差速沉降和水流紊动作用下会发生絮凝，絮凝改变了粘性泥沙颗粒的存在形式，使其以絮团或絮网形式存在，从而造成粘性泥沙的起动与粗颗粒泥沙的起动大不相同，它不仅与固结历时和环境相关，而且受粘性泥沙颗粒的存在方式和颗粒之间的物理化学性质等因素的影响。
目前在粘性泥沙起动研究上，既有采用人工铺沙的方法在矩形玻璃管道中进行，还有采用现场取样对原状土进行研究，然而，人工铺沙的方法与自然落淤差别较大，后者受取样位置和土体扰动的影响会导致取样差别较大，造成试验资料无序，难以得到规律性的研究成果，同时，判别粘性泥沙是否起动以人工目视观察为主，受人为因素影响较大。综上所述，需要一种有效、方便、扰动和人为影响小的模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置。
技术实现要素：
本发明的目的在于提出一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置及其试验方法，旨在解决现有粘性泥沙起动试验研究存在的与自然落淤有差异和人为影响较大的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
本发明的技术方案：一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置，包括环形水槽主体、底座、旋转动力和升降系统、流速测量系统、采样装置和图像观测系统，所述环形水槽主体置于底座上，所述旋转动力和升降系统固定在底座右侧，所述流速测量系统和采样装置固定在环形水槽主体外壁上，所述图像观测系统固定在底座的左侧。
所述环形水槽主体由有机玻璃材料制成，包括外壁、内壁和底板，外壁和内壁的圆心重合，固定在底板上；所述底板上均匀分布4个排水排沙孔。
所述旋转动力和升降系统包括电机、钢构件、旋转杆、可调固定夹、剪力环和支撑平台；所述电机放置在支撑平台上，电机下连旋转杆，旋转杆上安置上下可调固定夹，可调固定夹通过钢构件连接剪力环；所述支撑平台通过钢构件和固定平台连接，固定平台安置在底座上。
所述流速测量系统包括竖直固定杆、水平固定杆、可调固定夹以及流速仪；所述竖直固定杆安装在所述环形水槽外壁上，所述水平固定杆固定在竖直固定杆上，所述流速仪通过四向可调固定夹连接在水平固定杆上。
所述取样装置安置在环形水槽外壁上，包括取样管和控制阀。
所述图像观测系统包括微距镜头、高分辨率相机、传输线、计算机、三脚架、激光光源和激光光束，设置在环形水槽左侧；所述微距镜头安装在高分辨率相机上，所述高分辨率相机通过传输线连接在计算机上，下部安置三脚架固定在底座上。
一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置的试验方法包括以下步骤：
(1)将采集的泥沙样本置于水流流速较高的环形水槽内使其均匀分布，同时调节水体盐度、ph值等以符合样本所处环境；
(2)调整流速测量系统的四向可调固定夹使流速仪位于0.6h处，h为水深，根据流速仪读数，通过电机控制水流流速至实际环境值，使粘性泥沙颗粒在环形槽内絮凝沉降；
(3)每间隔一定的时间，依次打开取样管的各个控制阀，分别进行取样，并测量水体浊度，待前后两次浊度变化不大时，认为粘性泥沙絮凝沉降达到平衡状态，停止剪力环的转动；
(4)根据试验需求，将环形槽水体静置一段时间后，打开激光光源形成激光光束照射淤积粘性泥沙表面，调节流速仪至粘性泥沙表面以上约3cm处；
(5)控制电机使水流流速逐渐增大，记录流速值，间隔固定时间打开取样管的各个控制阀进行取样，同时用高分辨率相机记录粘性泥沙床面泥沙运动过程，并将影像资料传输给计算机分析粘性泥沙起动时间和起动模式。
本发明的有益效果是：(1)采用环形水槽及旋转动力和升降系统产生运动水流，无需设水泵及回水设备，可有效减少试验设备，在满足既定目标的前提下，能有效降低成本和试验操作的复杂性；(2)通过在环形水槽内重演粘性泥沙絮凝沉降过程直接产生粘性泥沙床面，采用静置时间作为固结历时，此方法更接近粘性泥沙自然淤积固结过程，且能减少人工扰动的影响；(3)采用激光光源、高分辨率相机等等构成的图像观测系统记录粘性泥沙起动过程，通过图像处理软件分析粘性泥沙起动模式等，该系统能够直接观测水下床面粘性泥沙起动情况，具有定量、客观、直观的优点。
附图说明
图1为本试验装置的主视图。
图2为本试验装置的俯视图。
图3为环形水槽主体示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
请参阅图1，本发明的技术方案：
一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置，包括环形水槽主体、底座、旋转动力和升降系统、流速测量系统、采样装置和图像观测系统，所述环形水槽主体置于底座4上，所述旋转动力和升降系统固定在底座4右侧，所述流速测量系统和采样装置固定在环形水槽主体外壁1上，所述图像观测系统固定在底座4的左侧。
所述环形水槽主体由有机玻璃材料制成，包括外壁1、内壁2和底板3，外壁1和内壁2的圆心重合，固定在底板3上；所述底板3上均匀分布4个排水排沙孔19。
所述旋转动力和升降系统包括电机5、钢构件、旋转杆7、可调固定夹8、剪力环9和支撑平台6；所述电机5放置在支撑平台6上，电机5下连旋转杆7，旋转杆7上安置上下可调固定夹8，可调固定夹8通过钢构件连接剪力环9；所述支撑平台6通过和固定平台20连接，固定平台20安置在底座上。
所述流速测量系统包括竖直固定杆21、水平固定杆22、可调固定夹23以及流速仪24；所述竖直固定杆21安装在所述环形水槽外壁1上，所述水平固定杆22固定在竖直固定杆21上，所述流速仪24通过四向可调固定夹23连接在水平固定杆22上。
所述取样装置安置在环形水槽外壁1上，包括取样管10和控制阀11。
所述图像观测系统包括微距镜头12、高分辨率相机13、传输线14、计算机15、三脚架16、激光光源17和激光光束18，设置在环形水槽左侧；所述微距镜头12安装在高分辨率相机13上，所述高分辨率相机13通过传输线14连接在计算机15上，下部安置三脚架16固定在底座4上。
一种模拟和观测粘性泥沙起动的试验装置的试验方法包括以下步骤：
(1)将采集的泥沙样本置于水流流速较高的环形水槽内使其均匀分布，同时调节水体盐度、ph值等以符合样本所处环境；
(2)调整流速测量系统的四向可调固定夹使流速仪位于0.6h处，h为水深，根据流速仪读数，通过电机控制水流流速至实际环境值，使粘性泥沙颗粒在环形槽内絮凝沉降；
(3)每间隔一定的时间，依次打开取样管的各个控制阀，分别进行取样，并测量水体浊度，待前后两次浊度变化不大时，认为粘性泥沙絮凝沉降达到平衡状态，停止剪力环的转动；
(4)根据试验需求，将环形槽水体静置一段时间后，打开激光光源形成激光光束照射淤积粘性泥沙表面，调节流速仪至粘性泥沙表面以上约3cm处；
(5)控制电机使水流流速逐渐增大，记录流速值，间隔固定时间打开取样管的各个控制阀进行取样，同时用高分辨率相机记录粘性泥沙床面泥沙运动过程，并将影像资料传输给计算机分析粘性泥沙起动时间和起动模式。
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。