一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统及方法，属于涉及潮滩‑潮沟系统岸壁崩塌机理研究的测量技术领域。实验系统包括：潮沟边壁塑造区、水循环系统、水位及流速测控系统、渗流控制系统、孔隙水压力及土壤含水率监测系统、岸壁破坏监测系统。本发明专利技术可以模拟潮沟边壁在潮流和渗流共同作用下的缓慢侵蚀过程，进而模拟重力作用下的瞬时崩塌过程、判断潮沟壁崩塌类型、确定破坏区。

【技术实现步骤摘要】
一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统及方法
本专利技术公开了一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统及方法，属于涉及潮滩-潮沟系统岸壁崩塌机理研究的测量

技术介绍
潮滩是海陆相互作用的前沿地带，一般发育在沿海平原外缘，广泛分布在开敞式、港湾型和河口湾型海岸，具有宽广性好、尺度大、坡度缓、底质颗粒细等特征。潮滩凭借其自身丰富的自然资源和优越的地理位置在围垦造地、生态环境、水产养殖和旅游度假等方面具有重要的环境意义和经济价值。在淤泥质潮滩的潮间带，即平均大潮高潮线至平均大潮低潮线之间的潮滩，由海洋动力特别是潮汐作用形成的潮沟系统广泛发育并呈现树枝状、矩形状、平形状或羽状等平面形态结构。作为潮滩上海陆相互作用最活跃的微地貌单元，潮沟是潮水、泥沙以及营养物质输入与输出潮滩的重要通道，对潮滩的地貌形态塑造、生态系统稳定有重要意义。通常来说，滩面泥沙比潮沟边壁的泥沙具有更强的抗冲性能，因此潮沟的特征参数及潮滩-潮沟系统的稳定性主要依赖于水动力作用和潮沟的边壁侵蚀过程。潮沟的边壁侵蚀从机理上可以分为两类：(1)水流作用下的岸壁侵蚀；(2)土块重力作用下的岸壁崩塌。目前，对于潮沟边壁侵蚀的研究主要集中在水流侵蚀，其主要方法包括现场观测、卫星遥感图像分析、数值模拟等，而对于岸壁崩塌却少有涉及。考虑到潮滩-潮沟系统在多因子驱动下的复杂性，岸壁崩塌的机理有待深入研究，因此有必要以物理模型为主要技术手段揭示潮滩-潮沟系统多因子共同作用下的岸壁崩塌机理，加深对潮滩-潮沟系统稳定性的认识。
技术实现思路
本专利技术的专利技术目的是针对上述
技术介绍
的不足，提供了一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统及方法，在室内高效模拟了潮流和渗流共同作用下的潮沟边壁侵蚀过程，解决了目前还没有针对多因子共同作用下岸壁崩塌机理的物理实验系统及方法的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统，包括：潮沟边壁塑造区、水循环系统、水位及流速测控系统、渗流控制系统、孔隙水压力及土壤含水率监测系统、岸壁破坏监测系统，其中，潮沟边壁塑造区包括：木板墙、第一有机玻璃墙、多孔有机玻璃墙、不透水底层、密实锤、现场边壁土、塑料板，砌筑在不透水底层外围的第一有机玻璃墙、多孔有机玻璃墙使得不透水底层不完全封闭，木板墙插入不透水底层未封闭侧留有的凹槽，经密实锤压实的现场边壁土铺设在不透水底层上，塑料板置于多孔有机玻璃的一侧以隔离现场边壁土与多孔有机玻璃，水循环系统包括：水槽、蓄水池、第一水泵、第二水泵、进出水管、进水管、阀门、进水阀门、出水阀门，水槽接触潮沟边壁塑造区中木板墙的一侧开有便于潮流冲刷现场边壁土的开口，布设在水槽进水口的进出水管上安装有进水阀门和第一水泵，在水槽出水口的进出水管上安装有出水阀门，进水管布设在蓄水池出水口和渗流控制系统进水口之间，蓄水池底部的高程低于水槽底部的高程，不透水底层的高程与水槽的底部高程齐平，蓄水池底部的高程低于不透水底层的高程，水位及流速测控系统包括：剖面流速仪、横杆、第一数据采集装置，横杆固定在水槽内壁上，剖面流速仪固定在横杆上，第一数据采集装置接收剖面流速仪测量的水位和流速数据，水槽、进出水管、第一水泵、进水阀门、蓄水池和出水阀门形成水位及流速测控系统的循环水路，渗流控制系统包括：第二有机玻璃墙以及设置在其侧边不同高程处的若干凹槽，凹槽配有与其开口形状相匹配的活塞，第二有机玻璃墙与第一有机玻璃墙砌筑而成的整体与多孔有机玻璃围城渗流控制区域，阀门、第二水泵、进水管、蓄水池形成渗流控制的循环水路，孔隙水压力及土壤含水率监测系统包括：张力计、含水率测定仪、第二数据采集装置、第三数据采集装置，张力计和含水率测定仪埋设在现场边壁土中的设定层，第二数据采集装置接收张力计采集的孔压数据，第三数据采集装置接收含水率测定仪测量的含水率数据，岸壁破坏监测系统包括：固定在第一有机玻璃墙外侧的摄像机、固定在木板墙外侧的高速照相机。作为潮沟边壁侵蚀物理实验系统的进一步优化方案，塑料板两侧涂有润滑油。作为潮沟边壁侵蚀物理实验系统的进一步优化方案，张力计和含水率测定仪外部都包裹有塑料管。作为潮沟边壁侵蚀物理实验系统的进一步优化方案，水槽的边壁与第一有机玻璃墙之间设有吻合接口，吻合接口处涂有硅脂。作为潮沟边壁侵蚀物理实验系统的进一步优化方案，多孔玻璃板上均匀地开有圆形孔洞，圆形孔洞的密度根据渗流控制要求设定。作为潮沟边壁侵蚀物理实验系统的进一步优化方案，摄像机、高速照相机固定在设置在水槽上方的横杆上。一种潮沟边壁侵蚀物理实验方法，包括如下步骤：S1、建立潮沟边壁侵蚀物理实验系统，根据实际潮沟空间尺度确定潮沟边壁塑造区的潮沟边壁的长度、宽度和高度，根据潮汐特性和渗流特性确定潮流水位、流速、渗流水头高度的设定值；S2、构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁并获取初始岸壁形态；S3、模拟潮沟边壁侵蚀过程：S31、控制和模拟潮流过程：打开第一水泵和进水阀门，在剖面流速仪测量的实时水位接近潮流水位设定值时打开出水阀门，在实时水位达到潮流水位设定值时调节进水阀门流量和出水阀门流量以使两者流量相同，在剖面流速仪测量的实时流速达到流速设定值时移除木板墙，S32、控制和模拟渗流过程：将渗流水头高度设定值对应高程处凹槽内的活塞取出，打开第二水泵和阀门，在渗流控制区域内水位上升至最高水位处时减小阀门，移除塑料板，S33、采集实验各个阶段岸壁缓慢水流侵蚀过程以及瞬时崩塌过程的图片，S34、采集实验各个阶段潮流水位和流速过程的数据、岸壁土体孔隙水压力压及含水率变化过程的数据。作为潮沟边壁侵蚀物理实验方法的进一步优化方案，构建潮沟边壁塑造区的初始岸壁并获取初始岸壁形态的方法为：将现场边壁土敲碎并碾压成颗粒状，用氯化钙溶液浸泡颗粒状边壁土24小时，对浸泡后的边壁土颗粒进行排水干燥处理，将经干燥处理后的边壁土颗粒铺设在不透水底层上，将外侧包裹有塑料管的张力计和含水率测定仪埋设在现场边壁土中的设定层，用密实锤压平各层边壁土颗粒后湿润至最优含水率以形成各层岸壁，取出包裹在张力计和含水率测定仪外侧的塑料管，在取出张力计和含水率测定仪的岸壁层上静置一设定重量的石板20小时，当岸壁高度达到设定值时结束初始岸壁的构建。作为潮沟边壁侵蚀物理实验方法的再进一步优化方案，在取出张力计和含水率测定仪的岸壁层上静置一设定重量石板时，根据表达式：确定石板质量，F、Fi、FN分别为静止在底层、第i层、表层岸壁上的石板重量，N为现场边壁土颗粒的总层数。本专利技术采用上述技术方案，具有以下有益效果：(1)提出的潮沟边壁侵蚀物理模型可以方便高效地在室内模拟潮流和渗流共同作用下的潮沟边壁侵蚀过程，实验结果能够真实反映现场潮沟边壁演变过程；(2)采用现场边壁土建造空间尺寸为1:1的岸壁模型，可以消除模型缩放造成的影响，并能对岸壁侵蚀的细节过程进行观察；(3)渗流控制系统可以方便、有效地模拟并控制一定水头高度的渗流过程；(4)水循环系统能够收集实验中溢出的水，以便于循环再利用，达到了环保、可持续的效果；(5)水位及流速测控系统采用小威龙剖面流速仪可以精准地测量水槽中水体的分层流速和水位高度，便于建立水动力条件与潮流侧向侵蚀的相关关系；(6)孔隙水压力及土壤含水率测量系统可测量潮流和渗流共同作用下的岸壁土体孔隙水压力及土壤含水率，便本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统，其特征在于，包括：潮沟边壁塑造区、水循环系统、水位及流速测控系统、渗流控制系统、孔隙水压力及土壤含水率监测系统、岸壁破坏监测系统，其中，所述潮沟边壁塑造区包括：木板墙(1)、第一有机玻璃墙(2)、多孔有机玻璃墙(3)、不透水底层(4)、密实锤(5)、现场边壁土(6)、塑料板(27)，砌筑在不透水底层(4)外围的第一有机玻璃墙(2)、多孔有机玻璃墙(3)使得不透水底层(4)不完全封闭，木板墙(1)插入不透水底层(4)未封闭侧留有的凹槽，经密实锤(5)压实的现场边壁土(6)铺设在不透水底层(4)上，塑料板(27)置于多孔有机玻璃(3)的一侧以隔离现场边壁土(6)与多孔有机玻璃(3)，所述水循环系统包括：水槽(7)、蓄水池(8)、第一水泵(9)、第二水泵(17)、进出水管(10)、进水管(20)、阀门(28)、进水阀门(29)、出水阀门(30)，所述水槽(7)接触潮沟边壁塑造区中木板墙(1)的一侧开有便于潮流冲刷现场边壁土的开口，布设在水槽(7)进水口的进出水管(10)上安装有进水阀门(29)和第一水泵(9)，在水槽(7)出水口的进出水管(10)上安装有出水阀门(30)，进水管(20)布设在蓄水池(8)出水口和渗流控制系统进水口之间，所述蓄水池(8)底部的高程低于水槽(7)底部的高程，不透水底层(4)的高程与水槽(7)的底部高程齐平，蓄水池(8)底部的高程低于不透水底层(4)的高程，所述水位及流速测控系统包括：剖面流速仪(11)、横杆(12)、第一数据采集装置(13)，横杆(12)固定在水槽(7)内壁上，剖面流速仪(11)固定在横杆(12)上，第一数据采集装置(13)接收剖面流速仪(11)测量的水位和流速数据，水槽(7)、进出水管(10)、第一水泵(9)、进水阀门(29)、蓄水池(8)和出水阀门(30)形成水位及流速测控系统的循环水路，所述渗流控制系统包括：第二有机玻璃墙(19)以及设置在其侧边不同高程处的若干凹槽(18)，凹槽(18)配有与其开口形状相匹配的活塞(16)，第二有机玻璃墙(19)与第一有机玻璃墙(2)砌筑而成的整体与多孔有机玻璃(3)围城渗流控制区域，阀门(28)、第二水泵(17)、进水管(20)、蓄水池(8)形成渗流控制的循环水路，所述孔隙水压力及土壤含水率监测系统包括：张力计(21)、含水率测定仪(20)、第二数据采集装置(22)、第三数据采集装置(23)，张力计(21)和含水率测定仪(20)埋设在现场边壁土(6)中的设定层，第二数据采集装置(22)接收张力计(21)采集的孔压数据，第三数据采集装置(23)接收含水率测定仪(20)测量的含水率数据，所述岸壁破坏监测系统包括：固定在第一有机玻璃墙(2)外侧的摄像机(25)、固定在木板墙(1)外侧的高速照相机(26)。...

【技术特征摘要】
1.一种潮沟边壁侵蚀物理实验系统，其特征在于，包括：潮沟边壁塑造区、水循环系统、水位及流速测控系统、渗流控制系统、孔隙水压力及土壤含水率监测系统、岸壁破坏监测系统，其中，所述潮沟边壁塑造区包括：木板墙(1)、第一有机玻璃墙(2)、多孔有机玻璃墙(3)、不透水底层(4)、密实锤(5)、现场边壁土(6)、塑料板(27)，砌筑在不透水底层(4)外围的第一有机玻璃墙(2)、多孔有机玻璃墙(3)使得不透水底层(4)不完全封闭，木板墙(1)插入不透水底层(4)未封闭侧留有的凹槽，经密实锤(5)压实的现场边壁土(6)铺设在不透水底层(4)上，塑料板(27)置于多孔有机玻璃(3)的一侧以隔离现场边壁土(6)与多孔有机玻璃(3)，所述水循环系统包括：水槽(7)、蓄水池(8)、第一水泵(9)、第二水泵(17)、进出水管(10)、进水管(20)、阀门(28)、进水阀门(29)、出水阀门(30)，所述水槽(7)接触潮沟边壁塑造区中木板墙(1)的一侧开有便于潮流冲刷现场边壁土的开口，布设在水槽(7)进水口的进出水管(10)上安装有进水阀门(29)和第一水泵(9)，在水槽(7)出水口的进出水管(10)上安装有出水阀门(30)，进水管(20)布设在蓄水池(8)出水口和渗流控制系统进水口之间，所述蓄水池(8)底部的高程低于水槽(7)底部的高程，不透水底层(4)的高程与水槽(7)的底部高程齐平，蓄水池(8)底部的高程低于不透水底层(4)的高程，所述水位及流速测控系统包括：剖面流速仪(11)、横杆(12)、第一数据采集装置(13)，横杆(12)固定在水槽(7)内壁上，剖面流速仪(11)固定在横杆(12)上，第一数据采集装置(13)接收剖面流速仪(11)测量的水位和流速数据，水槽(7)、进出水管(10)、第一水泵(9)、进水阀门(29)、蓄水池(8)和出水阀门(30)形成水位及流速测控系统的循环水路，所述渗流控制系统包括：第二有机玻璃墙(19)以及设置在其侧边不同高程处的若干凹槽(18)，凹槽(18)配有与其开口形状相匹配的活塞(16)，第二有机玻璃墙(19)与第一有机玻璃墙(2)砌筑而成的整体与多孔有机玻璃(3)围城渗流控制区域，阀门(28)、第二水泵(17)、进水管(20)、蓄水池(8)形成渗流控制的循环水路，所述孔隙水压力及土壤含水率监测系统包括：张力计(21)、含水率测定仪(20)、第二数据采集装置(22)、第三数据采集装置(23)，张力计(21)和含水率测定仪(20)埋设在现场边壁土(6)中的设定层，第二数据采集装置(22)接收张力计(21)采集的孔压数据，第三数据采集装置(23)接收含水率测定仪(20)测量的含水率数据，所述岸壁破坏监测系统包括：固定在第一有机玻璃墙(2)外侧的摄像机(25)、固定在木板墙(1)外侧的高速...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚政，赵堃，戴玮琦，周曾，张凯丽，徐凡，李欢，张长宽，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32