一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法制造方法及图纸

一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法。通过在小型环形水槽中预留柱状样置放槽，搭配浊度（OBS）、三维流速（ADV）与声波测距（Altimeter）等商业化传感器，实现沉积物柱状样抗侵蚀性的有效测量；进一步通过在置放槽底部设计升降托盘与控制转阀，以自由调节柱状样高程，从而实现柱状样抗侵蚀性的分层测量。目前业界主要利用粘结力仪（CSM）测量柱状样沉积物的抗侵蚀性，但由于其基于喷发气体来模拟底切应力，不可避免的具有一定“射流”效应，测试结果具有争议，且测试成本较高。本发明专利技术将打破这一技术局限，为原位沉积物柱状样抗侵蚀性的分层测量提供一种更为真实、有效、快捷、经济的测量装置与数据分析方法。

A Measuring Device for Layered Erosion Resistance of In-situ Sediment Column Samples and Its Method

A device and method for measuring the erosion resistance of in-situ sediment columnar layers. By reserving a cylindrical sample placement tank in a small annular flume, combining with commercialized sensors such as turbidity (OBS), three-dimensional velocity (ADV) and acoustic ranging (Altimeter), the effective measurement of the corrosion resistance of the sediment cylindrical sample can be achieved. Further, the elevation of the cylindrical sample can be adjusted freely by designing a lifting tray and a control rotary valve at the bottom of the placement tank. Layered measurement. At present, the industry mainly uses the cohesive force meter (CSM) to measure the erosion resistance of columnar sediments, but because it simulates the bottom shear stress based on the exhaust gas, it inevitably has a certain \jet\ effect, the test results are controversial, and the test cost is high. The invention will break the technical limitation and provide a more real, effective, fast and economical measuring device and data analysis method for stratified measurement of corrosion resistance of in-situ sediment columnar samples.

【技术实现步骤摘要】
一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置及其方法
本专利技术涉及一种原位沉积物柱状样抗侵蚀性分层测量装置及其方法，属于海洋工程地质领域，并将直接应用服务于近岸沉积物动力过程科研与工程领域。
技术介绍
海底沉积物的抗侵蚀性是预测海床侵蚀淤积演变、沉积物动力循环的重要指标，主要通过临界侵蚀切应力(τcr)与侵蚀速率(Er)两个指标来进行表征。无黏性砂质沉积物的抗侵蚀性研究已比较成熟，而黏性沉积物的抗侵蚀性由于受到黏聚力、固结状态以及生物等因素的综合影响，更加复杂。目前尚未形成普适性高的黏性沉积物抗侵蚀性预测模型，更多地依赖实际测量。目前，海底黏性沉积物抗侵蚀性的测试主要依赖三种技术手段：(1)原位环形水槽实地测量；(2)原位采集柱状样，在船甲板或带回实验室测量；(3)现场采集沉积物样品，带回实验室，重塑后开展实验测量。显然，第3种方式破坏了沉积物样品的原始结构，难以获得与现场实际情况一致的定量结果，因而常被用来开展物理模拟试验，进行定性研究；目前国内外已有的环形水槽，绝大多数服务于第3种测量方式。例如：中国海洋大学曾设计“模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置”(201710061388.X)。与之对比，第1种方式能够最大限度地保证测试对象的原始状态，然而，“水下原位环形水槽”已经形成商业化产品，且价格高达200万/台，测量成本昂贵，难以开展大批量的实测工作，此外其工作水深也受到限制。综合对比而言，第2种方式是性价比最高的测试手段，既可保证测试对象的原始状态，测量成本也较低。然而，目前搭载科考船取回的沉积物柱状样更多地被用来开展元素测年、颗粒组分、物理力学性质与生物化学指标分析，很少被用于侵蚀性测量。少数团队曾开展抗侵蚀性测试，但技术手段主要依靠粘结力仪(CSM)。CSM基于气体喷发原理模拟近底切应力，具有一定的“射流”效应，因而测试结果有一定争议，且测试成本也较高。环形水槽是基于流体速度模拟近底切应力的重要工具，可以避免CSM的“射流”效应。但目前的环形水槽更多地用于水流性质的模拟，如：同济大学曾设计“一种可用于模拟天然河道水流特性的环形水槽装置”(201310120205.9)和“一种消除环形水槽横向环流的调试方法”(201510093276.3)等。近年来也出现了一些研究水流与沉积物相互作用的环形水槽装置，如：上海大学曾设计“一种模拟底泥污染物再悬浮释放的环形水槽装置”(201410057326.8)，中国海洋大学曾设计“模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置”(201710061388.X)。然而，目前尚未见到利用环形水槽原理直接测试原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性的专利技术出现，更缺乏可以实现甲板快速测试的小型便携式环形水槽装置。众所周知，从海底原位采集的柱状样，在船甲板及时开展测试，要比带回实验室测试的结果更加可靠，因其可以最小化运输过程中对原状样品的扰动，以及由于温压条件改变所导致的土性变化；而准确测试原位柱状样的分层抗侵蚀性，是海岸科学家与工程师判别海床侵蚀发生与持续时间的重要指标，本专利技术则旨在为海岸蚀积演变预测提供可靠的侵蚀评价参数。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的不足，本专利技术提供了一种原位沉积物柱状样抗侵蚀性分层测量装置及其方法。一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个小型环形水槽与造流装置，其特征在于环形水槽中，设置多个柱状样沉积物的置放槽，且每个置放槽上端均设有封盖，试验时不被采用的置放槽可被密封；环形水槽中固定有浊度传感器、三维流速传感器，置放槽上方设置有回声测距传感器，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速(切应力)与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距(Altimeter)传感器，可实时记录侵蚀深度的变化。轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。所述环形水槽可以是外径小于2m的小型环形水槽，即本设计可以兼容小型环形水槽，整体上可以实现小型化，以满足随船搭载的需要。所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽底部设有可拆卸式的下端盖，柱状样品可从下方放入；放入置放槽底部后将下端盖拧紧密封，从而防止实验过程中漏水；所述下端盖底部设有一个带连接杆的升降阀，连接杆自底部伸入到下端盖内部，连接杆上端设有柱状样沉积物的升降托盘，从而使升降托盘受高程升降阀控制，可以自由调节样品高程，以实现样品抗侵蚀性的分层测量。所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于环形水槽中内置多个柱状样沉积物的置放槽。所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于置放槽内径设计为60、100、150、200mm，可以满足常规柱状样尺寸的测试需求。所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的造流装置的造流方式采用水面十字交叉四拨片均匀造流法，可以最大限度地减小“二次流”的影响；具有“单向流”与“往复流”两种造流模式；且流速可调，以在柱状样表面施加不同大小的近底切应力。所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量与数据处理方法，包括基于水体悬沙浓度与柱状样侵蚀深度的两种侵蚀速率计算方法，相互补充、互为验证。利用上述装置进行基于侵蚀深度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽，将该置放槽底部的下端盖拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘，然后拧紧下端盖，使柱状样沉积物盛放于置放槽中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀，直至柱状样表面与水槽的底面平齐；用封盖将其他不用的置放槽封闭；在选取的置放槽正上方固定回声测距传感器；将回声测距传感器以及位于水槽中的三维流速传感器设置采样模式；第二步：向水槽中加水至预定的实验液位线；第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通过回声测距传感器测得当侵蚀深度骤然增大时，所对应的底部切应力即为该层位样品的临界侵蚀切应力(τcr)；若侵蚀未发生，即该级流速不足以侵蚀该层柱状样，则证明该层沉积物的临界侵蚀切应力大于第一级流速产生的切应力，则选择高一级的流速继续监测，直至侵蚀发生，再进行第四步；第四步：侵蚀停止后，通过高程升降阀调整一次沉积物柱状样高程，使其表面重新与水槽的底面平齐；结合柱状样沉积物上方声波测距仪的测量数据，可通过公式(1)计算同样得到每一层沉积物的侵蚀速率；对于每一级流速，基于单位时间内(Δt)侵蚀深度的变化量(Δh)与土体密度(ρ)的乘积，计算得到侵蚀速率Er(kg·m-2·s-1)：第五步：当该柱状样沉积物被侵蚀完毕，结束测量。利用上述装置进行基于悬沙浓度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量，其特征在于包括以下步骤：第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽，将该置放槽底部的下端盖拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘，然后拧紧下端盖，使柱状样沉积物盛放于置放槽中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀，直至柱状样表面与水槽的底面平齐；用封盖将其他不用的置放槽封闭；将位于水槽中的浊度传感器、三维流速传感器设置采样模式；第二步：向水槽中加水至预设的实验液位线；第三步：开始选择第一级流速进行造流冲刷柱状样，实时查看侵蚀深度数据曲线，通本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个小型环形水槽(1)与造流装置(13)，其特征在于环形水槽(1)中，设置多个柱状样沉积物的置放槽(2)，且每个置放槽(2)上端均设有封盖(12)，试验时不被采用的置放槽(2)可被密封；环形水槽(1)中固定有浊度传感器(3)、三维流速传感器(4)，置放槽(2)上方设置有回声测距传感器(5)，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距(Altimeter)传感器，可实时记录侵蚀深度的变化。轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。

【技术特征摘要】
1.一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，包括一个小型环形水槽(1)与造流装置(13)，其特征在于环形水槽(1)中，设置多个柱状样沉积物的置放槽(2)，且每个置放槽(2)上端均设有封盖(12)，试验时不被采用的置放槽(2)可被密封；环形水槽(1)中固定有浊度传感器(3)、三维流速传感器(4)，置放槽(2)上方设置有回声测距传感器(5)，以同步测量水体悬沙浓度、水流流速与柱状样侵蚀深度，其中固定于柱状样品正上方的回声测距(Altimeter)传感器，可实时记录侵蚀深度的变化。轻便的小型水槽设计避免了大型环形水槽与沉积物柱状样品尺寸比例悬殊而引起的测试误差。2.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽(2)底部设有可拆卸式的下端盖(6)，柱状样品可从下方放入；放入置放槽底部后将下端盖(6)拧紧密封，从而防止实验过程中漏水；所述下端盖(6)底部设有一个带连接杆的升降阀(8)，连接杆自底部伸入到下端盖(6)内部，连接杆上端设有柱状样沉积物的升降托盘(7)，从而使升降托盘(7)受高程升降阀(8)控制，可以自由调节样品高程，以实现样品抗侵蚀性的分层测量。3.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述环形水槽(1)中内置多个柱状样沉积物的置放槽(2)。4.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的置放槽(2)内径设计为60、100、150、200mm，可以满足常规柱状样尺寸的测试需求。5.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述的造流装置(13)的造流方式采用水面十字交叉四拨片均匀造流法，可以最大限度地减小“二次流”的影响；具有“单向流”与“往复流”两种造流模式；且流速可调，以在柱状样表面施加不同大小的近底切应力。6.如权利要求1所述的一种原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量装置，其特征在于所述环形水槽(1)是外径小于2m的小型环形水槽。7.权利要求1所述的装置进行基于侵蚀深度的原位沉积物柱状样分层抗侵蚀性测量的方法，其特征在于包括以下步骤：第一步：根据柱状样沉积物的直径选择相应的置放槽(2)，将该置放槽(2)底部的下端盖(6)拆卸，将取自海底的柱状样沉积物放至升降托盘(7)，然后拧紧下端盖(6)，使柱状样沉积物盛放于置放槽(2)中并防止实验过程中漏水，转动升降调节阀(8)，直至柱状样表面与水槽(1)的底面平齐；用封盖(12)将其他不用的置放槽(2)封闭；在选取的...

【专利技术属性】
技术研发人员：张少同，张雅淇，贾永刚，张皓清，代馨楠，单红仙，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东,37