一种土料冲蚀试验装置及方法与流程

1.本发明涉及土石坝溃坝机理研究技术领域，特别涉及一种土料冲蚀试验装置及方法。


背景技术：

2.土石坝坝体材料的冲蚀特性参数是模拟土石坝溃决过程的重要参数之一，此参数需通过冲蚀试验装置来测定。针对均质土坝，目前可用于测定土体冲蚀参数的试验装置主要有水槽试验装置，但水槽试验中水流剪应力是由平均流速计算得到，不能反应土水界面真实的剪应力。


技术实现要素：

3.本发明的目的是解决水槽试验不能反应真实水流剪应力的技术问题，而提供一种能够直接准确测得土体冲蚀试验过程中的水流剪应力与冲蚀速率的试验装置。
4.本发明的技术方案包括：
5.一种土料冲蚀试验装置，包括矩形管道、升降机构和对射型矩阵光纤传感器，矩形管道具有上、下侧壁和左、右侧壁，共四个侧壁，矩形管道的左或右侧壁开设有观察窗，观察窗位于矩形管道的下游段，矩形管道的下侧壁开设有供采样环穿过的安装孔，采样环内放置由土料制成的试样，采样环的顶端穿过安装孔伸入矩形管道内，采样环的顶端与观察窗的底边平齐，试样的顶端高于采样环的顶端；对射型矩阵光纤传感器的发射端和接收端分别设置在矩形管道的左、右内侧壁，且发射端和接收端竖向设置在试样的两侧，发射端和接收端的底端均固连在矩形管道的下侧壁上；
6.采样环的底端固定连接在支撑板上，支撑板与多个片弹簧的顶部固连，片弹簧竖向设置，片弹簧的底端固定连接在防水隔板上，升降机构位于由多个片弹簧围合形成的区域内，升降机构的固定端连接在支撑板的下表面；升降机构的伸缩端穿过支撑板伸入采样环内，待试样高出采样环的顶端被冲蚀完后，能够顶升试样伸出采样环顶端；
7.升降机构的固定端连接有永磁铁，永磁铁正下方的防水隔板上设置有霍尔传感器，霍尔传感器与永磁铁之间具有间隙，霍尔传感器与电压放大器电性连接，防水隔板固定于一个外壳中，片弹簧、永磁铁、霍尔传感器、电压放大器共同构成了电磁效应测力计，电磁效应测力计位于外壳中，外壳设置在矩形管道的下侧壁安装孔的正下方，并与矩形管道之间密封连接。
8.试样、采样环、支撑板、片弹簧和升降机构连接成整体结构，片弹簧对支撑板、采样环、升降机构、永磁铁起到竖向支撑作用，具有一定的强度，片弹簧只有在水流冲击试样方向的最小刚度平面上容易弯曲，在竖向具有大的拉伸刚度及弯曲刚度，用以保证其在竖向不发生变形。在水流未冲蚀试样时，片弹簧不发生变形，在水流以一定流速冲蚀试样时，试样在水流冲蚀作用下，产生水平向位移，将水流作用于试样上的剪应力传递至片弹簧上，此时片弹簧会产生形变，弹簧刚度在小变形范围内为常数，满足线性胡克定律，利用片弹簧在
小变形范围内服从线性胡克定律计算得到水流剪应力。
9.微小形变的测量利用电磁感应的原理，永磁铁、片弹簧、霍尔传感器、电压放大器共同构成了电磁效应测力计，水流冲蚀试样的水流剪应力由电磁效应测力计测量得到，其中试样、永磁铁、片弹簧等构成了力磁转换部分，通过支撑板和升降机构，在试样下方放置永磁铁，永磁铁下方设置霍尔传感器，永磁铁移动会改变霍尔传感器周围磁场强度，从而引起霍尔传感器产生霍尔电压，将剪应力大小通过磁场的改变转换为电压信号，电压放大器将此电压信号进行放大，从而进行数据的获取。
10.优选地，升降机构包括升降机构壳体、液压缸、液压伸缩杆、上顶板和下顶板，升降机构壳体固连在支撑板的下表面，液压缸位于升降机构壳体中，下顶板连接在液压缸上，液压伸缩杆至少有两个，液压伸缩杆均竖向平行设置，液压伸缩杆的底端固定连接在下顶板上，液压伸缩杆与液压缸连通，液压伸缩杆穿过支撑板与上顶板连接，上顶板位于采样环内支撑于试样的底端，随液压伸缩杆的伸长，顶升试样伸出采样环顶端。
11.对射型矩阵光纤传感器自动控制升降机构，控制试样在冲蚀试验过程中自动上升，可以保证试验过程中不需要人为操控升降系统即可完成试样的不间断冲蚀，从而获取更为准确的冲蚀率。
12.优选地，试样为圆柱体结构，采样环为圆柱形筒体结构。
13.圆筒结构方便采样、制样，方便安装在矩形管道中，方便与矩形管道之间密封。
14.优选地，所述矩形管道按其功能分为稳流段和试验段，稳流段占矩形管道总长的三分之二，试验段占矩形管道总长的三分之一，观察窗开设于试验段。
15.稳流段用于保证水流进入矩形水槽后保持稳定的流态，试验段用于冲蚀试样，用于安装观察窗。
16.具体地，稳流段矩形管道一端通过进水管与压力水箱连接，矩形管道与进水管连接处设置有电磁流量计，试验段矩形管道一端通过出水管与水沙收集箱连通，水流经压力水箱增压后通过进水管经矩形管道冲蚀试样后，携带土颗粒的挟沙水流经出水管进入水沙收集箱。
17.压力水箱是试验装置的供水系统，由压力水箱提供的压力水流通过矩形管道稳流段进入试验段冲蚀试样，伺服电磁阀用于控制管道水流流量，通过控制流量进而控制入流流速，水沙收集箱用于收集冲蚀后的浑浊水流，水沙收集箱通过过滤板分隔成上下两层，下层用于收集水沙混合水流，上层收集被过滤板阻隔的泥沙，减少底层内水体的泥沙含量，下层的水可重复用于冲蚀试验装置，提高水的重复利用率。
18.优选地，观察窗底边与矩形管道下侧壁内侧齐平，观察窗顶边与矩形管道上侧壁之间具有一定距离，观察窗的材质为钢化玻璃，观察窗与矩形管道之间采用止水胶圈密封。
19.透明的观察窗可方便用摄像机进行录像，观察窗底边与矩形管道下侧壁内侧齐平，方便开设观察窗，方便安装采样环，将发射端和接收端的底端均固连在矩形管道的下侧壁上，可方便人眼观察试样冲蚀情况。
20.进一步优选地，为了摄像机进行高清录像，在观察窗内设置有led补光灯，观察窗外设置有高清摄像机。
21.一种土料冲蚀试验方法，包括以下步骤：
22.步骤1，采样环内壁涂抹凡士林后，使用采样环对土石坝进行现场取样，测定该土
料试样的物理力学参数；
23.步骤2，将采样环固定连接在冲蚀试验装置的支撑板上，使升降机构的伸缩端穿过支撑板伸入采样环内，支撑于试样底部，检查试验装置的密封性；
24.步骤3，开启装置，使水流在同一流速下冲蚀试样，测定该流速下试样的冲蚀高度δh或冲蚀质量δm，计算单位时间内的冲蚀速率e，计算公式如下：
25.e＝
△
h/
△
t或e＝
△
m/
△
t
26.计算该流速下试样所受水流剪应力τb，计算公式为：
27.τb＝f/a＝k
△
x/a
28.式中，τb为水流剪应力，pa；f为土水界面剪切力，n；a为试样面积，m2；k为片弹簧刚性系数，n/m；δx为永磁铁偏离初始安装位置的位移，m；δx通过电压放大器的读数推求得到，首先由计算公式
29.u＝kuh30.得到霍尔传感器输出的霍尔电势uh，再由计算公式uh＝k
x
△
x得到δx；
31.其中k为放大电压与霍尔电压之间的线性放大倍数，其数值由电压放大器本身决定，uh为霍尔传感器输出的霍尔电势，u为电压放大器输出电压，即电压放大器的读数；k
x
为霍尔传感器位置相关参数，其数值针对不同磁能的永磁铁、以及永磁铁与霍尔传感器的垂直距离而不同，需进行率定，其率定方法为改变δx位置，分别得到δx1、δx2、δx3…
δxn，以及霍尔电势uh，通过线性拟合的方法，得到斜率即为k
x
。
32.如此得到该流速下，水流剪应力τb与冲蚀速率e；通过观察窗观察，当土颗粒开始移动时测量得到的水流剪应力即为该流速下的起动剪应力τc。
33.步骤4，通过观察窗观察，当土颗粒开始移动时测量得到的水流剪应力即为起动剪应力τc，根据计算公式e＝kd(τ
b-τc)
ξ
，得到该流速下，冲蚀速率e与过剪应力(τ
b-τc)的具体数值；改变水流流速，获得多组冲蚀速率e、水流剪应力τb和起动剪应力τc，从而得到多组冲蚀速率e与过剪应力(τ
b-τc)的具体数值，再通过关系式：
34.e＝kd(τ
b-τc)
ξ
35.拟合得到指数系数ξ及冲蚀系数kd的关系曲线，如此得到试样所用土料的指数系数ξ及冲蚀系数kd这两个重要参数的关系，分析两参数的关系能反映出该试样的冲蚀特性。
36.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
37.本发明装置克服了现有技术利用沿水深方向平均流速计算水流剪应力的不足，通过非接触测量的手段，可实时获取试样表面的水流剪应力及冲蚀速率，不仅能够直接准确测得土体冲蚀试验过程中的水流剪应力与冲蚀速率，按照本发明所述方法还能拟合出土料指数系数及冲蚀系数之间的关系，这两个系数是能反映土料冲蚀特性的两个重要参数，所以本发明装置能用于测量土料冲蚀特性参数，使得该试验装置能够应用于土石坝减灾防灾等领域。
38.本发明所述装置不仅可用于原状土试验，还可用于重塑土试验，本发明中试样自动升降，通过观察窗及监控设备可观测到土体的启动现象，便于通过试验数据与试验现象准确确定土体的起动剪应力τc；本发明采用一体化自动控制系统，能够实现数据的自动化采集，可消除试验人员主观判断带来的误差。
附图说明
39.图1为试验装置整体结构示意图。
40.图2为霍尔效应原理图。
41.图3为电磁效应测力计示意图。
42.图4为伺服升降工作台示意图。
43.图5为对射型矩阵光纤传感器示意图。
44.图中：1为矩形管道；2为进水管；3为出水管；4为压力水箱；5为压力表；6为观察窗；7为水沙收集箱；8为电磁流量计；9为控制台；10为试样；11为led补光灯；12为对射型矩阵光纤传感器；13为片弹簧；14为永磁铁；15为霍尔传感器；16为电压放大器；17为液压伸缩杆；18为采样环；19为上顶板；20为下顶板；21为外壳；22为防水隔板；23为电磁效应测力计；24为液压缸；25为仪器支架；26为支撑板。
具体实施方式
45.下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。
46.实施例1
47.如图1-4，一种土料冲蚀试验装置，包括矩形管道1、压力水箱4、进水管2、出水管3、水沙收集箱7、仪器支架25等，矩形管道架设在仪器支架上，矩形管道1的入水口通过进水管2与压力水箱4相连接，在矩形管道和进水管2接口处安装电磁流量计8，矩形管道1出水口通过出水管3与水沙收集箱相连接。
48.矩形管道1按其功能包括稳流段和试验段，本实施例中，矩形管道长度为1.2m，稳流段和试验段的横截面内径尺寸均为20cm
×
15cm(宽
×
高)，管道壁厚为1cm，材质为不锈钢，在其他实施例中也可以是3003铝质板材等焊接性能好、防锈蚀性强及强度高的材料。稳流段部分长0.8m，为了保证水流进入矩形水槽段后保持稳定的流态；试验段部分长0.4m，该部分为试样冲刷区，试验段后接出水管3。水流经压力水箱增压后，通过进水管2进入矩形管道的稳流段，再进入试验段冲蚀试样，携带土颗粒的挟沙水流经出水管3进入水沙收集箱。
49.如图3、4，矩形管道具有上、下侧壁和左、右侧壁，共四个侧壁，矩形管道的右侧壁开设有观察窗，观察窗6位于矩形管道的试验段，矩形管道的下侧壁开设有供采样环穿过的安装孔，采样环18内放置由土料制成的试样10。
50.本实施例中，试样装在内径为100mm的采样环内，采样环高度为30mm，厚度为2mm，由不锈钢材质制成，其下部边缘进行打磨，便于进行原状土取样。
51.如图3、4，观察窗底边与矩形管道下侧壁内侧齐平，观察窗顶边与矩形管道上侧壁之间具有一定距离，本实施例中，观察窗顶边与矩形管道上侧壁之间距离为5cm，观察窗尺寸为30cm
×
10cm(宽
×
高)，材质为钢化玻璃，观察窗与矩形管道之间采用止水胶圈密封。观察窗内设置led补光灯，观察窗外设置高清摄像机，用于记录试样冲蚀过程。
52.如图3、4，采样环的顶端穿过安装孔伸入矩形管道内，采样环的顶端与观察窗的底边平齐，本实施例中，试样的顶端高出采样环的顶端1cm，一个对射型矩阵光纤传感器12的发射端和接收端分别设置在矩形管道的左、右内侧壁，且发射端和接收端竖向相对设置在试样的两侧，发射端和接收端的底端均固连在矩形管道的下侧壁上。
53.如图5，本实施例中，对射型矩阵光纤传感器的发射端和接收端的长度为10cm，宽
度为5cm，厚度为0.5cm，精度为
±
0.1mm，发射端和接收端上具有很多个信号发射孔，发射端和接收端最下端的发射孔顶端与试样上表面齐平，即最下端的发射孔被试样遮挡，随着试样被冲刷，发射端最底端的发射孔发射激光能被接收端相应地接收孔接收，证明试样顶端被冲刷成与采样环顶端齐平，对射型矩阵光纤传感器信号输出端与升降机构的控制台相连接，控制台对传感器信号进行解译进而将此信号转换为液压缸的输入信号，液压缸驱动液压伸缩杆伸长，将试样顶出采样环顶端1cm，顶出高度可根据试验需要，人为设定液压缸的泵油量，调节和控制液压伸缩杆伸长量。
54.升降机构包括升降机构壳体、液压缸24、液压伸缩杆17、上顶板19和下顶板20，升降机构壳体固连在支撑板26的下表面，液压缸位于升降机构壳体中，下顶板连接在液压缸上，本实施例中液压伸缩杆有三个，液压伸缩杆均竖向平行设置，且液压伸缩杆的底端固定连接在下顶板上，液压伸缩杆与液压缸连通，液压伸缩杆穿过支撑板与上顶板连接，上顶板位于采样环内支撑于试样的底端，随液压伸缩杆的伸长，顶升试样伸出采样环顶端，上顶板厚度方向四周涂抹凡士林，减小上顶板与采样环内壁摩擦。
55.在其他实施例中，升降机构还可选用thomson的涡轮丝杠螺旋升降机。
56.当试样高出采样环的1cm被水流冲蚀完后，液压缸向液压伸缩杆中注入液压油，使液压伸缩杆以一定速率推动试样上升直至试样高出观察窗底边高度1cm时停止工作，从而保证试样的不间断冲刷。整个试验过程中通过计算单位时间δt内土体冲蚀高度或质量定义冲蚀速率e，即
57.e＝
△
h/
△
t或e＝
△
m/
△
t
58.式中e为冲蚀速率，δh为冲蚀高度，δm为冲蚀质量，δt为冲蚀持续时间。冲蚀速率与土颗粒起动剪应力τc、试样所受的水流剪应力τb满足：
59.e＝kd(τ
b-τc)
ξ
60.式中τb为水流剪应力，τc为起动剪应力，ξ为指数系数，kd为冲蚀系数。其中指数系数ξ及冲蚀系数kd与土体的物理力学性质等参数相关性，是该冲蚀试验装置研究土体冲蚀特性的重要参数，不同土体其值不同。
61.如图3，片弹簧、永磁铁、霍尔传感器、电压放大器共同构成了电磁效应测力计，电磁效应测力计23中采用霍尔效应原理，霍尔传感器为半导体材料，当电流ic垂直于外磁场通过半导体时，在半导体的两端产生电势差，这一现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电势差uh。霍尔电势差与霍尔系数rh、通电电流ic及磁感强度b的乘积成正比。其计算表达式为，
62.uh＝khi
cb63.式中，kh为霍尔传感器的灵敏度，表示霍尔传感器在单位磁感强度和单位控制电流下霍尔电势的大小；kh＝rh/d，rh为霍尔系数，由半导体材料的性质决定；d为半导体的厚度。ic为通电电流，b为磁场的磁感强度，当磁感强度b和霍尔传感器平面法线成角度α时，霍尔传感器两端的霍尔电势为：
64.uh＝khicbcosα
65.rh、d为购买的霍尔传感器的基本参数，磁感强度b为购买的永磁铁的基本参数，均无需自行测量。
66.如图3，依据图2的霍尔效应原理设计电磁效应测力计23，用于测定水流剪应力，电
磁效应测力计位于外壳21中，外壳固定设置在矩形管道的下侧壁安装孔的正下方。试样、永磁铁14、片弹簧13及霍尔传感器15构成力磁转换部分，将水流剪应力大小通过磁场的改变转换为电压信号，试样在水流冲蚀作用下，试样与片弹簧13接触并产生水平向位移，利用片弹簧13在小变形范围内服从线性胡克定律得到水流剪应力τb。微小形变的测量利用电磁感应的原理，在升降机构底端放置永磁铁14，通过永磁铁14移动改变的磁场引起霍尔传感器15产生霍尔电势差uh。霍尔传感器15与永磁铁14垂直距离为10mm。在霍尔传感器15通恒定的电流ic，使其置于永磁铁产生的均匀梯度的磁场中，霍尔传感器输出的霍尔电势uh与其在磁场中的位移成正比。经过率定，所得到霍尔电势的变化可以推求得到永磁铁的位置变化。
67.uh＝k
x
△
x
68.k
x
为霍尔传感器位置相关参数，其数值针对不同磁能的永磁铁、以及永磁铁与霍尔传感器的垂直距离而不同，需进行率定，其率定方法为改变δx位置，分别得到δx1、δx2、δx3…
δxn，以及霍尔电势uh，通过线性拟合的方法，得到斜率即为k
x
；δx为永磁铁偏离初始安装位置的位移，mm；uh为由于永磁铁位置偏移引起霍尔传感器产生的霍尔电势。
69.永磁铁的初始安装位置是位于霍尔传感器的正上方，片弹簧、永磁铁、霍尔传感器、电压放大器共同构成了电磁效应测力计，霍尔传感器的安装位置与电磁效应测力计23中心线重合，随着试样被冲蚀，永磁铁的位置发生偏移。
70.电压放大器16采集此霍尔电势电压信号，并输出电压u传输至控制台9进行数据的读取，u与uh为线性关系。
71.u＝kuh72.其中k为放大电压与霍尔电压之间的线性放大倍数。
73.以试样初始位置为原点，永磁铁14的位移δx可以通过霍尔传感器15输出电压推求得到。永磁铁14的位移为片弹簧13的变形位移，因此其水流剪应力则可通过片弹簧的位移大小与刚度系数求得。其计算公式为：
74.τb＝f/a＝k
△
x/a
75.τb为水流剪应力，pa；f为土水界面剪切力，n；a为试样面积，m2；k为片弹簧刚性系数，n/m。
76.由此可直接准确测得土体冲蚀试验过程中的水流剪应力与冲蚀速率。
77.实施例2
78.试验设置同一物理力学性质指标下的坝体料进行试验，试验前先依据上述各部件工作原理组装试验装置，试验装置组装完成后对测试部件进行校准，主要包括电磁效应测力计23中的霍尔传感器15与永磁铁14位置关系、片弹簧弹性系数以及对射型光纤传感器发射器与接收器的位置等，一种土料冲蚀试验方法，具体如下：
79.步骤1，采样环内壁涂抹凡士林后，使用采样环对土石坝进行现场取样，测定该土料试样的物理力学参数；物理力学参数如密度ρ、含水量w、干密度ρd、孔隙比e，抗剪强度τ等参数，具体测定方法参照《土工试验方法标准》(gb/t 50123-2019)。
80.试样可以从现场采用采样环18进行取样，也可以采用在采样环18内制取重塑试样，具体制样方法参照《土工试验方法标准》(gb/t 50123-2019)。采样环内壁涂抹凡士林，可减少推动试样过程中的摩阻力。将制取完备的试样放置在上顶板19上方。
81.步骤2，将采样环固定连接在冲蚀试验装置的支撑板上，使升降机构的伸缩端穿过
支撑板伸入采样环内，支撑于试样底部，检查试验装置的密封性。
82.步骤3，开启装置，在同一流速下测定试样的冲蚀高度δh或冲蚀质量δm，计算单位时间内的冲蚀速率e，计算公式如下：
83.e＝
△
h/
△
t或e＝
△
m/
△
t
84.计算得到该流速下试样所受水流剪应力τb、冲蚀速率e和起动剪应力τc，通过观察窗观察，当土颗粒开始移动时测量得到的水流剪应力即为起动剪应力τc。
85.步骤4，在上述步骤的基础上，仅改变流速这一参数，相当于改变了试样冲蚀过程中所受的水流剪应力τb，改变5～6次流速(亦可增加试验组数)，从而获得多组冲蚀速率e、水流剪应力τb和起动剪应力τc，从而得到冲蚀速率e与过剪应力(τ
b-τc)的关系，再通过关系式：
86.e＝kd(τ
b-τc)
ξ
87.拟合得到指数系数ξ及冲蚀系数kd的关系曲线，如此得到能反映出该试验所用试样冲蚀特性的指数系数ξ及冲蚀系数kd这两个重要参数的关系。