[發明專利]一種波致滲流誘發海床內部沉積物侵蝕的實驗裝置

有效

• 申請號: 201811335536.3
• 申請日: 2018-11-10
• 公開（公告）號: CN109443691B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 張少同;賈永剛;張雅淇;文明征;張博文;單紅仙
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00;G01N15/00
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

一種波致滲流誘發海床內部沉積物侵蝕的實驗裝置，主要包括波致滲流模擬水槽，沉積物槽、被侵蝕沉積物的時序收集系統與連接導管。四者均由透明亞克力材料制成，并通過帶有萬向滾輪的不銹鋼結構支架支撐。滲流模擬水槽內置波浪模擬器，底部設有壓力傳感器，用以實時記錄滲透壓力。滲流通過導管進入裝置中部的沉積物槽，導管中部有開關控制閥，用以開啟/關閉滲流作用。沉積物槽底部設有水壓平衡沙袋，頂部設有傾斜外流導管，被滲流侵蝕的沉積物可自由流入下覆時序收集系統。被收集的沉積物可給用來開展物理力學性質測試，定量評估波致滲流引起的海床內部侵蝕通量與粒徑特征。本裝置既可用于原位柱狀樣的滲流侵蝕過程實驗，亦可利用重塑土開展科學研究。

技術領域

本發明涉及一種波致滲流誘發海床內部沉積物侵蝕的實驗裝置，屬于并將直接應用于海洋工程地質及相關科研領域。

背景技術

海底沉積物的侵蝕再懸浮，對于海岸侵蝕等工程地質災害、全球物質循環等前沿科學問題，均具有重要意義。粉質沉積物易受波浪荷載的影響，產生超孔隙水壓力，進而誘發海床滲流，引起沉積物的內部滲流侵蝕。目前，主流的沉積物侵蝕計算方法，鮮將波致滲流引起的內部侵蝕通量考慮其中。究其原因，主要是受限于實驗技術手段，能夠實現這一過程實際測量的實驗裝置未見報道，導致相關的定量研究較少。

室內水槽是海洋工程地質領域常用的研究方法之一，其優點在于可以簡化現場復雜環境，通過控制變量實現定量研究的目的。關于滲流侵蝕問題，浙江大學曾設計一種“土體滲流沖刷特性研究的試驗儀器”（201110301770.6），中鐵十六局與上海交通大學曾設計“模擬深部含水層砂土內部細顆粒滲流侵蝕的室內試驗裝置”（201820094877.5），河海大學曾設計“一種滲流侵蝕應力耦合管涌試驗裝置”（201110242127.0），同濟大學曾設計“一種往復變動水頭作用下的水下坡面侵蝕試驗裝置”（201510411516.X）。然而，以上專利均針對陸地地區的靜態滲流或準靜態滲流，而針對海底環境中波致滲流引起的侵蝕問題，相關裝置未見報道。已有發明無法實現滲流侵蝕沉積物的時序收集，因而無法可靠地定量評價侵蝕通量與粒徑特征。

發明內容

為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種波致滲流誘發海床內部沉積物侵蝕的實驗裝置。

一種波致滲流誘發海床內部沉積物侵蝕的實驗裝置，其特征在于包括一個三層支架，所述三層支架最上層設有波致滲流模擬水槽、中層設有沉積物槽、下層設有侵蝕沉積物時序收集裝置，所述波致滲流模擬水槽中設有造波裝置，且該底部設有水壓傳感器，用于實時記錄波動的海水壓力，即滲透壓力；所述的沉積物槽底部鋪有石英砂層，用于平衡水壓，即平衡滲流力在沉積物底部的分布；石英砂層上方布放帶有孔隙的隔板，最大限度地防止沉積物與石英砂混合；孔隙隔板上方即可填充沉積物；沉積物槽頂部側面設有傾斜導管，該傾斜導管的另一端與被侵蝕沉積物收集裝置相連；通過造波裝置可以人為模擬預設波參數的波浪荷載；動水壓力通過波致滲流模擬水槽底部的導管傳遞到中部沉積物槽的底部，滲流自下而上流經沉積物槽中的沉積物，侵蝕其內部的土顆粒并攜帶至沉積物頂面，進而順勢流出沉積物槽，沿傾斜導管流入侵蝕沉積物收集裝置。

所述的被侵蝕沉積物收集裝置包括圓形托盤，圓形托盤上圍繞圓心設有一圈收集瓶，圓形托盤通過步進電機驅動，并按照預設時間旋轉。

利用本裝置收集到的被侵蝕沉積物可被用來開展質量、粒徑與微結構測量。

通過控制波致滲流水槽中的水位，可控制靜態滲流力；通過控制波參數，可控制動態滲流力；通過控制沉積物的組分與固結時間等，可以構建一系列滲流侵蝕通量與粒徑特征的參數化定量評價方法。

本發明結合前沿科學問題，重點服務于粉質沉積物的波致滲流侵蝕測量，目前未見直接相關或類似專利。利用本發明裝置開展實驗研究，可以構建粉質沉積物波致滲流侵蝕通量與粒徑特征的參數化評價方法，為波致沉積物侵蝕再懸浮的計算預測研究提供一種有效的研究工具。

附圖說明