一种疏浚土竖向沉积模拟装置及测试方法

本发明涉及沉积模拟装置，具体涉及一种疏浚土竖向沉积模拟装置及测试方法。

背景技术：

1、海洋吹填土是一项重要的土建工程技术，在海岸防护、港口建设等领域具有广泛应用。填海造地和土地扩建是实现这些目标的重要手段之一。然而，在吹填施工中存在着一些挑战。由于吹填施工的间歇性和颗粒大小的分选性，珊瑚细粒可能与海水形成悬浮物并积聚在低洼地带，导致地基中形成粒径厚度不一的珊瑚粉土夹层。这种夹层的形成对岛礁工程的稳定性和可持续性产生了负面影响。

2、为了解决这一问题并提供工程建设的有效建议，研究人员需要深入了解珊瑚砂碎屑在吹填过程中的物理规律、颗粒流动的特征以及竖向沉积中不同因素的作用。然而，由于实地观测受限、海洋环境复杂以及实验室条件的限制，对于疏浚土(珊瑚砂碎屑)沉积过程中的沉积特性的研究仍然存在困难。

技术实现思路

1、针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种疏浚土竖向沉积模拟装置及测试方法，解决了现有技术不便于研究疏浚土沉积特性的问题。

2、为了达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

3、一方面，本方案提供一种疏浚土竖向沉积模拟装置，包括：储水器，储水器从上到下依次包括相互连通的进水段、检测段和沉积段；水泵组件，水泵组件与进水段连通，用于提供具有一定水土固液比的水土混合物；至少两个射线密度仪，至少两个射线密度仪均移动设置在检测段的外壁上；造波组件，造波组件用于模拟波浪荷载，造波组件设置在检测段上；以及多个相机，多个相机均匀环绕分布在沉积段的外部，用于拍摄图像并得出粒子的迁移变化情况。

4、本方案中，检测段能够直观观测到水土混合物悬浊液面高度随时间的变化情况；射线密度仪在检测段的外壁上不断移动，能够检测水土混合物在不同高度随时间的密度变化；造波组件能够在检测段形成不同波形和不同荷载的波浪，利于真实模拟海洋中的波浪对珊瑚砂碎屑沉积的影响；多个相机能够在沉积区排出水分的时候高速拍摄，便于得出水土混合物的示踪粒子的迁移速变化情况。

5、进一步地，进水段顶部上的进水口与水泵组件连通，进水段的外壁上开设有多个用于限制水位高度的限高孔，多个限高孔内设置有纱网。由于室内试验条件无法满足海洋半无限空间，室内试验模拟吹填过程可导致储水器内液面急剧升高，限高孔的设置能够控制储水器中的液面高度保持不变，将多余的水分排至外界，避免水泵组件对储水器施加液压；纱网的设置能够拦截水土混合物中的土体，如瑚砂碎屑、淤泥等。

6、进一步地，水泵组件包括与进水段连通的管道，管道穿过支架置于进水段的进水口上方，支架固定在进水段的顶部，管道的出口上设置有密度计和流速计。密度机和流速计能够分别检测调配的水土混合物的密度和流速。

7、进一步地，检测段呈十字型的圆筒结构，检测端包括相互垂直且连通设置的第一圆筒和第二圆筒，第一圆筒的两端分别与进水段和沉积段连通，且射线密度仪移动设置在第一圆筒的外壁上；第二圆筒两端封闭设置，且造波组件设置在第二圆筒内。射线密度仪和造波组件分别设置在第一圆筒和第二圆筒上避免了相互干涉。

8、进一步地，造波组件包括造波机和多层削波网，造波机的造波板滑动设置在第二圆筒的一端内，多层削波网设置第二圆筒的另一端上。造波机中往复运动的造波板将形成不同的波浪，能够模拟海样中的海浪对疏浚土沉积的影响，然而真实的海洋中波浪并不会反射，为了避免波浪在第一圆筒或者第二圆筒内不停反射干扰波形，将多层削波网设置在第二圆筒内来缓冲波浪，且多层削波网能够同时避免水土混合物中的土体进入第二圆筒内。

9、进一步地，第一圆筒的外壁上竖直设置有两个移动滑轨，两个移动滑轨分别与射线密度仪的发射端和接收端连接。射线密度仪的发射端和接收端通过移动滑轨能够在第一圆筒的外壁上往复移动。

10、进一步地，沉积段包括多个依次连通的沉积圆筒，每个沉积圆筒的顶部开口设置，位于底部的沉积圆筒的底部设置有底盘，每个沉积圆筒侧壁上和底盘上均开设有多个排水孔，每个排水孔内设置有纱网，且每个沉积圆筒通过其上的排水孔与多根排水管连通，每根排水管上设置有阀门，位于每个沉积圆筒上的至少一根排水管上设置有孔压计。多个沉积圆筒的设置便于后续分层取样，便于得到不同高度的沉积土体进行微观组构分析；孔压计的设置能够实时检测通过孔隙水压力，孔隙水压力的大小便于计算有效应力的大小，孔隙隙水压力减去静水压力等于超静孔隙水压力，超静孔隙水压力消散程度可以表征土体的自重固结的发展程度。

11、进一步地，每个沉积圆筒外壁的上下端均设置有法兰盘，相邻的两个法兰盘螺栓连接。法兰盘之间的螺栓连接，便于拆卸多个沉积圆筒从而分层取样。

12、进一步地，水泵组件、每个射线密度仪、造波组件和多个相机均与控制组件电连接；控制组件包括上位机，上位机与水泵模块和信息检测模块电连接，水泵模块与水泵组件中的水泵电连接；信息监测模块包括piv监测模块、射线密度测量模块、孔压监测模块以及管道监测模块；piv监测模块与多个相机电连接，用于对相机的拍摄照片进行图像分割并得出粒子的迁移速度；射线密度测量模块与每个射线密度仪电连接；孔压监测模块与多个孔压计电连接；管道监测模块与密度计和流量计电连接。

13、另一方面的，提供一种疏浚土竖向沉积模拟装置的测试方法，包括以下步骤：

14、s1、将疏浚土和水按比例调和成水土混合物，并放置与水泵组件的水池中；

15、s2、设定水泵组件中水泵的转速和流量，造波组件的波浪参数，并将一定体积的水导入储水器中；

16、s3、开启水泵将水土混合物全部送入储水器中，同时开启造波组件、孔压计和射线密度测量仪；射线密度测量仪沿检测区下移动并测量水土混合物随时间沉积的密度变化曲线；

17、s4、记录水土混合物悬浊液液面随时间沉积的高度变化曲线；

18、s5、关闭造波组件，打开沉积段上的多个排水孔排出水分，同时打开多个相机拍摄沉积段上的图像，并通过piv监测模块进行图像分割并得出粒子的位移曲线和迁移速率曲线；同时利用孔压计记录的孔压数据，得出水土混合物吹填过程和排水过程的孔压变化曲线。

19、s6、关闭孔压计，将沉积段的多个沉积圆筒拆卸，分层取出多个沉积圆筒中的不同土体，并进行微观组构分析；

20、s7、完成测试。

21、本发明公开了一种疏浚土竖向沉积模拟装置及测试方法，其有益效果为：

22、本发明能够模拟疏浚土在海洋吹填过程中的沉积特性，得出不同密度的疏浚土在沉积过程的悬浊液面高度随时间的变化情况、密度变化曲线、悬浊液液面高度变化曲线、粒子的位移曲线和迁移速率曲线；且造波组件能够模拟海浪的波浪环境，提高了模拟数据的准确性。

技术特征：

1.一种疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述进水段(11)顶部上的进水口与水泵组件(2)连通，进水段(11)的外壁上开设有多个用于限制水位高度的限高孔(111)，多个所述限高孔(111)内设置有纱网。

3.根据权利要求1所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述水泵组件(2)包括与所述进水段(11)连通的管道(22)，所述管道(22)穿过支架置于进水段(11)的进水口上方，所述支架固定在进水段(11)的顶部，所述管道(22)的出口上设置有密度计(221)和流速计(222)。

4.根据权利要求1所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述检测段(12)呈十字型的圆筒结构，检测端包括相互垂直且连通设置的第一圆筒和第二圆筒，所述第一圆筒的两端分别与所述进水段(11)和沉积段(13)连通，且所述射线密度仪(3)移动设置在第一圆筒的外壁上；所述第二圆筒两端封闭设置，且所述造波组件(4)设置在第二圆筒内。

5.根据权利要求4所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述造波组件(4)包括造波机(41)和多层削波网(42)，所述造波机(41)的造波板(411)滑动设置在所述第二圆筒的一端内，多个所述削波网(42)设置第二圆筒的另一端上。

6.根据权利要求5所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述第一圆筒的外壁上竖直设置有两个移动滑轨，两个移动滑轨分别与所述射线密度仪(3)的发射端和接收端连接。

7.根据权利要求3所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述沉积段(13)包括多个依次连通的沉积圆筒(131)，每个所述沉积圆筒(131)的顶部开口设置，位于底部的沉积圆筒(131)的底部设置有底盘(135)，每个沉积圆筒(131)侧壁上和所述底盘(135)上均开设有多个排水孔(132)，每个所述排水孔(132)内设置有纱网，且每个沉积圆筒(131)通过其上的排水孔(132)与多根排水管连通，每根所述排水管上设置有阀门，位于每个沉积圆筒(131)上的至少一根排水管上设置有孔压计(134)。

8.根据权利要求7所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：每个所述沉积圆筒(131)外壁的上下端均设置有法兰盘(133)，相邻的两个所述法兰盘(133)螺栓连接。

9.根据权利要求7所述的疏浚土竖向沉积模拟装置，其特征在于：所述水泵组件(2)、每个所述射线密度仪(3)、所述造波组件(4)和多个所述相机(5)均与控制组件(6)电连接；

10.一种权利要求1-9任一所述的疏浚土竖向沉积模拟装置的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种疏浚土竖向沉积模拟装置及测试方法，属于沉积模拟装置技术领域，解决了现有技术不便于研究疏浚土沉积特性的问题；其包括储水器，储水器从上到下依次包括相互连通的进水段、检测段和沉积段；水泵组件，水泵组件用于提供具有一定水土固液比的水土混合物；射线密度仪；造波组件，造波组件用于模拟波浪荷载；以及多个相机，多个相机用于拍摄图像并得出粒子的迁移变化情况。本发明能够模拟疏浚土在海洋吹填过程中的沉积特性，得出不同密度的疏浚土在沉积过程的悬浊液面高度随时间的变化情况、密度变化曲线、悬浊液液面高度变化曲线、粒子的位移曲线和迁移速率曲线；且造波组件能够模拟海浪的波浪环境，提高了模拟数据的准确性。

技术研发人员：丁选明,许晴爽,辛义文,童俊豪,刘迪,毛幸全,刘芳亮
受保护的技术使用者：重庆大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27