一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统技术方案

本申请属于岩土工程技术领域，提供一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统。本系统包括原位测试装置和评估系统。其中，原位测试装置包括取土系统、侵蚀测试系统、供电与控制系统，通过生成的涡流及层流流场来模拟侵蚀过程中的局部流场条件，用于完成水下取土采样、测试、数据采集与存储；评估系统通过原位测试装置提供的测试数据，根据算法对土体的抗侵蚀能力作出评价并输出评价结论。本申请提供的方案，其有益效果在于：原位测试装置携带方便、结构清晰、操作性强、成本低廉，评估系统方法可靠、计算简单，能够便捷地对不同土体的抗侵蚀能力进行分类，进而对涉水设施的基础冲刷设计提供指导和帮助。

【技术实现步骤摘要】
一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统
本申请属于岩土工程
，尤其涉及一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统。
技术介绍
随着我国江河流域经济的不断发展，深水基础作为跨江海桥梁等结构的关键组成部分，其跨度和规模日益增大，所处的环境和自然条件也愈发复杂。这些深水基础在建设和服役期间，不可避免地会面临冲刷现象所产生的影响。实际上，冲刷过程就是深水基础周围土体受水流作用被侵蚀并不断发展的过程，严重影响了其安全性和稳定性。因此，如何快速便捷地确定河床土体的抗侵蚀能力变得尤为重要。然而目前，河床土体抗侵蚀能力几乎只能通过室内冲刷试验的方式获得，几乎没有用于在工程现场进行原位测试的试验装置及试验方法，而室内冲刷试验所借助的试验设备和研究方法都较为复杂，无法便捷高效地为实际工程提供指导。因此，适用于对河床材料抗侵蚀性能进行评测的原位测试装置亟待开发。
技术实现思路
本申请的目的在于：为了克服当前抗侵蚀研究中试验设备和研究方法较为复杂的问题，提供一套能够便捷地测得不同土体抗侵蚀能力的原位测试系统，利用原位测试装置产生的涡流及层流流场来模拟侵蚀过程中的局部流场条件，通过获得的测试数据，根据评估系统算法对土体的抗侵蚀能力作出评价并输出评价结论，实现对待测河床抗侵蚀性能的原位测试。为实现上述目标，本申请提供了如下技术方案：一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，包括传感控制式河床材料抗侵蚀能力的原位测试装置和评估系统。所述原位测试装置包括取土系统、侵蚀测试系统、供电与控制系统，用于完成水下取土采样、测试、数据采集与存储；所述的取土系统用于获取试验所需的原位土样，包括固定箱、连接杆、多连杆结构、若干个固定销栓、液压杆、环刀、环形刀刃、试验土样；进一步，所述的固定箱与顶盖上侧固定相连；所述的连接杆横向贯穿固定箱并与之固定；所述的多连杆结构由若干根杆件构成，若干根杆件之间通过若干个固定销栓固定；所述的液压杆穿过多连杆结构与固定箱顶部形成点接触，在多连杆结构的约束下，液压杆可将压力沿垂直方向传递给固定箱，从而为整个装置提供垂直向下的推力；所述的环刀焊接于试验箱下部，用于土样采集；为减小环刀插入土体时的阻力，在环刀底端设置了环形刀刃；所述的试验土样位于环刀内部；所述的侵蚀测试系统包括：顶盖、若干个把手、试验箱、若干颗固定螺栓、环形隔板、内室、外室、排水口、进水泵、进水口、出水泵、出水口、两根水管、滤网、叶轮；进一步，所述的顶盖为圆形，上侧固定若干个把手；所述的试验箱为带底圆柱壳形，是装置主体结构，通过若干颗固定螺栓与顶盖固定连接；所述的环形隔板为圆柱壳形，位于试验箱内部，与顶盖下侧连接，将试验箱内腔分为内室和外室；所述的内室为土体侵蚀试验的主要场所；所述的外室底板向圆心方向设有一定的向上坡度，用于储藏侵蚀作用产生的卷扬泥沙，防止其流回内室；所述的排水口垂直贯穿顶盖，排水口处设置有电动盖板，电动盖板可实现排水口的打开与关闭，用于保证装置在水中下沉及取土时，试验箱内、外水压一致；所述的进水泵固定在顶盖上侧；所述的进水口位于试验箱外室侧并垂直贯穿顶盖，进水口与进水泵之间通过水管连接，用于将外部水流泵送入试验箱外室；所述的出水泵固定在顶盖下外室侧；所述的出水口位于试验箱外室侧并垂直贯穿顶盖，用于将试验箱内水流泵送出试验箱外室；所述的进水口与出水口分别位于顶盖两侧，水流依次由进水泵、水管、进水口进入试验箱外室一侧，随后流入内室，再从外室另一侧依次由出水泵、水管、出水口排出试验箱；利用进水泵和出水泵可以实现水流的定向流动，一方面提供了试验所需的流场条件，另一方面，泥沙在定向水流作用下流入外室，有效避免了内室中的侵蚀起扬土体对试验结果产生影响；所述的滤网为圆环形，水平设置在外室中部距顶盖一定距离处，其作用为防止进入外室的泥沙随水流一同被出水泵排出，影响被侵蚀泥沙的收集；所述的叶轮水平设置在试验箱内室中部，用于生成试验所需的涡流条件；所述供电与控制系统包括电源、电压转化模块、动力开关、照明灯环、拍摄记录装置、Ι号光敏传感器、Ⅱ号光敏传感器、单片机；进一步，所述的电源和电压转化模块装在密闭隔水箱室内，并固定于顶盖下侧、内室最上端；所述的动力开关位于顶盖上侧，动力开关与电源之间通过导线连接，可控制电源的开启与关闭；所述的电源与液压杆、顶盖排水口电动盖板、进水泵、出水泵、叶轮各执行机构连接，同时与照明灯环、摄记录装置、Ι号光敏传感器、Ⅱ号光敏传感器以及单片机各个弱电部分经由电压转化模块降压后通过导线连接，可为以上装置提供动力；所述的照明灯环位于叶轮外侧，并设有透明防水灯罩，为试验提供照明的同时保证了光敏传感器的正常运作；所述的拍摄记录装置位于叶轮转轴中心，用于拍摄记录侵蚀试验过程，并记录试验所需的关键试验时刻；所述的Ι号光敏传感器位于环刀内壁顶端，用于控制液压杆的运行停止、顶盖排水口电动盖板的闭合、叶轮的开启、进水泵与出水泵的开启、拍摄记录装置的开启与计时，以确保试验装置从下沉到取土完成这一过程的顺利进行，传感器表面贴有透明防水贴片，以保证传感器在水中的正常运作；当取土装置进行取土时，环刀完全插入待测土体，环刀内试验土样达到环刀顶部，完全遮蔽Ι号光敏传感器时，Ι号光敏传感器失去照明灯环光源刺激、停止发射电信号；所述的Ⅱ号光敏传感器位于环刀顶端以下一定距离处，用于判定试验的结束条件并控制叶轮、进水泵与出水泵的关闭、拍摄记录装置的计时与关闭，传感器表面贴有透明防水贴片，以保证传感器在水中的正常运作；当装置试验箱内抗侵蚀性能测试开始后，试验土样侵蚀不断发展至Ⅱ号光敏传感器位置处时，Ⅱ号光敏传感器接受照明灯环光源刺激、开始发射电信号；所述的单片机装在密闭隔水箱室内，并固定于顶盖下侧、内室最上端，单片机与Ι号光敏传感器、Ⅱ号光敏传感器之间通过导线连接，可接收传感器的控制信号；所述的单片机与液压杆、顶盖排水口电动盖板、进水泵、出水泵、叶轮、拍摄记录装置之间通过导线与它们的驱动模块、电子阀或者控制器完成电气连接，根据单片机内置程序可控制以上装置的开启与关闭。所述评估系统，通过原位测试装置提供的测试数据，根据以下算法对土体的抗侵蚀能力作出评价并输出评价结论：首先，根据土体抗侵蚀能力的不同可将土体分为三类：不易侵蚀(Ⅰ类土)，此类土在水流作用下不易发生侵蚀，土体侵蚀所需时间较长；易侵蚀易堆积(II类土)，水流作用下，该类土颗粒在土体表面发生明显起动，并土体表面附近堆积；易侵蚀不易堆积(III类土)，大量颗粒在水流作用下被卷扬带走，无法在堆积区形成有效堆积；其中，Ⅰ类土为不易侵蚀土，Ⅱ类土及Ⅲ类土为易侵蚀土；实际河流中，局部流场复杂多变，对于第Ⅱ类土形成的侵蚀坑，其周围堆积的土体颗粒在复杂流场作用下会一定程度上补偿回填侵蚀坑，减小最大侵蚀坑深度；然而，第Ⅲ类土在水流作用下不会堆积，侵蚀过程将持续发展，侵蚀深度会持续增长直到达到平衡状态；进一步，定义标准侵蚀时间T＝T2-T1，若侵蚀试验开始30min后自动停止，则T＝30min；定义土体颗粒保有率Rs＝1-V1/V5cm土层；将T＝30min的土体划本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，其特征在于：包括传感控制式河床材料抗侵蚀能力的原位测试装置和评估系统；/n所述原位测试装置包括取土系统(1)、侵蚀测试系统(2)、供电与控制系统(3)，用于完成水下取土采样、测试、数据采集与存储；/n所述评估系统，通过原位测试装置提供的测试数据，根据算法对土体的抗侵蚀能力作出评价并输出评价结论。/n

【技术特征摘要】
20200518 CN 20201041715081.一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，其特征在于：包括传感控制式河床材料抗侵蚀能力的原位测试装置和评估系统；
所述原位测试装置包括取土系统(1)、侵蚀测试系统(2)、供电与控制系统(3)，用于完成水下取土采样、测试、数据采集与存储；
所述评估系统，通过原位测试装置提供的测试数据，根据算法对土体的抗侵蚀能力作出评价并输出评价结论。


2.根据权利要求1所述的一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，其特征在于：取土系统(1)包括固定箱(11)、连接杆(12)、多连杆结构(13)、若干个固定销栓(14)、液压杆(15)、环刀(16)、环形刀刃(17)和试验土样(18)；
固定箱(11)与顶盖(21)上侧固定相连；连接杆(12)横向贯穿固定箱(11)并与之固定；多连杆结构(13)由若干根杆件构成，若干根杆件之间通过若干个固定销栓(14)固定；液压杆(15)穿过多连杆结构(13)与固定箱(11)顶部形成点接触，在多连杆结构(13)的约束下，液压杆(15)可将压力沿垂直方向传递给固定箱(11)，从而为整个装置提供垂直向下的推力；环刀(16)焊接于试验箱(23)下部，用于土样采集；为减小环刀(16)插入土体时的阻力，在环刀(16)底端设置了环形刀刃(17)；试验土样(18)位于环刀(16)内部。


3.根据权利要求1所述的一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，其特征在于：侵蚀测试系统(2)包括顶盖(21)、若干个把手(22)、试验箱(23)、若干颗固定螺栓(24)、环形隔板(25)、内室(26)、外室(27)、排水口(28)、进水泵(29)、进水口(210)、出水泵(211)、出水口(212)、两根水管(213)、滤网(214)、叶轮(215)；
顶盖(21)为圆形，上侧固定若干个把手(22)；试验箱(23)为带底圆柱壳形，通过若干颗固定螺栓(24)与顶盖(21)固定连接；环形隔板(25)为圆柱壳形，位于试验箱(23)内部，与顶盖(21)下侧连接，将试验箱(23)内腔分为内室(26)和外室(27)；内室(26)为土体侵蚀试验的主要场所；外室(27)底板向圆心方向设有一定的向上坡度，用于储藏侵蚀作用产生的卷扬泥沙，防止其流回内室(26)；排水口(28)垂直贯穿顶盖(21)，排水口(28)处设置有电动盖板，电动盖板可实现排水口(28)的打开与关闭；进水泵(29)固定在顶盖(21)上侧；进水口(210)位于试验箱(23)外室(27)侧并垂直贯穿顶盖(21)，进水口(210)与进水泵(29)之间通过水管(213)连接，用于将外部水流泵送入试验箱(23)外室(27)；出水泵(211)固定在顶盖(21)下外室(27)侧；出水口(212)位于试验箱(23)外室(27)侧并垂直贯穿顶盖(21)，用于将试验箱(23)内水流泵送出试验箱(23)外室(27)；进水口(210)与出水口(212)分别位于顶盖(21)两侧，水流依次由进水泵(29)、水管(213)、进水口(210)进入试验箱(23)外室(27)一侧，随后流入内室(26)，再从外室(27)另一侧依次由出水泵(211)、水管(213)、出水口(212)排出试验箱(23)；滤网(214)为圆环形，水平设置在外室(27)中部距顶盖(21)一定距离处，其作用为防止进入外室(27)的泥沙随水流一同被出水泵(211)排出，影响被侵蚀泥沙的收集；叶轮(215)水平设置在试验箱(23)内室(26)中部,用于生成试验所需的涡流条件。


4.根据权利要求1所述的一种河床材料抗侵蚀能力的原位测试系统，其特征在于：所述供电与控制系统(3)包括电源(31)、电压转化模块(32)、动力开关(33)、照明灯环(34)、拍摄记录装置(35)、Ι号光敏传感器(36)、Ⅱ号光敏传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王琛，袁野，梁发云，沈超，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31