专利名称：地下泥沙冲刷模型实验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于水力学及河流动力学和岩土力学特性测试技术领域，特别涉及一
种地下泥沙冲刷模型实验装置。
背景技术：
泥沙研究领域已经从河道转移到陆地，即河流泥沙发展到流域泥沙，这是科研人 员在泥沙研究上的一大飞跃。河流中的泥沙一方面来自于河道的底部和两侧，另一方面来 自陆地表面，即流域泥沙所研究的内容。泥沙还有一个重要的来源——岸堤及陆地的内部， 即来自地下的泥沙，称为地下泥沙。关于地下泥沙的研究属于一个新的领域，这一领域的具 体工程表现为冲刷作用、水位涨落下地下泥沙的输移引起的岸堤稳定性的降低及坍塌。目 前研究较少，相关的测试测量方法和设备还很少见到。 岸堤内的泥沙由细到粗逐渐被岸堤内潜水冲刷携带出岸堤，逐渐形成很大的通 道，通道坍塌，最终导致岸堤的坍塌。 土是由许多不同粒径的细小颗粒组成，颗粒之间互相咬合、填充、胶结等，土体中
也有很多细小的通道、孔隙，当有水渗透进来时，粒径较小的颗粒将会在水力的作用下，随
水而走。进而土体的孔隙、通道逐渐加大，粒径更大的颗粒有可能被继续带走，也有可能达
到一种稳定状态。这主要取决于土颗粒的受力，土体中的土颗粒受到水的浮力、重力、其它
颗粒的支撑力等，例如咬合力、摩擦力等。当渗流土体达到稳定状态时，土中颗粒即达到一
种稳定的平衡状态。在这种平衡状态下，土体孔隙比及现有土体的颗粒级配这两个参数对
研究地下泥沙的输移具有很重要的意义，通过这两个参数结合水压力、冲刷时间，就可以对
土体的力学参数及其稳定性做出预测和判断，为岸堤的稳定性做出评价。 在地下泥沙冲刷领域，目前国内外还没有相关的直接测量一定冲刷状态下孔隙
比、颗粒级配及其分布的地下泥沙冲刷模型实验装置，用直接的方法，保持原有冲刷状态和
取样不扰动邻近测量点的情况下，测量地下泥沙的孔隙比和颗粒级配及其分布。

实用新型内容本实用新型的目的是解决能用直接的方法，保持原有冲刷状态和取样不扰动邻近 测量点的情况下，测量地下泥沙的孔隙比和颗粒级配及其分布的实验装置，提供一种地下 泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，装置由冲刷箱、固定台201、倾斜装置和冷冻箱组成， 冲刷箱固定在固定台201上，倾斜装置支撑固定台201，倾斜装置固定在冷冻箱的底板上， 冲刷箱、固定台201和倾斜装置安装在冷冻箱内；所述冷冻箱由防温隔热箱体板401、冷冻 箱上盖和底板构成；所述冲刷箱，箱体的下板1012通过下板固定螺栓202固定在固定台 201上，两个侧板102和左右两个挡板103用四周板固定螺栓1061固定在一起，上板1011 和下板1012与侧板102和挡板103构成冲刷箱箱体，用上下板固定螺栓1062固定在固定 台201上，两块纱网板104置于上板1011和下板1012的凹槽中，将冲刷箱分隔成左箱室 108、中箱室109和右箱室110 ;固定台201向下的平面上左边有2个对称分布的固定台支撑板203，右边中心有1个倾斜固定台支撑板304，固定台支撑板203和倾斜固定台支撑板304 上都有圆形转轴孔，倾斜装置两个支柱302上端用长转轴3021分别和固定台201的两个固 定台支撑板203铰链连接，长转轴3021与两个支柱302固接，支柱302的下端与倾斜固定 台301固接，上升降螺柱3031、升降螺套3032和下升降螺柱3033通过螺纹连接组成升降支 柱，升降支柱的上端用短转轴305和固定台201右边的倾斜固定台支撑板304铰链连接，短 转轴305与升降螺柱3031固接，升降支柱的下端用短转轴305和倾斜固定台301右边的倾 斜固定台支撑板304铰链连接，短转轴305与升降螺柱3033固接，倾斜固定台301与冷冻 箱的底板焊接固定，转动升降螺套3032调节升降支柱的高度，确定冲刷箱倾斜角度；冲刷 箱的挡板103上的冲刷箱输水孔105和冷冻箱的冷冻箱输水孔402用输水胶管107连接。 所述侧板102为透明玻璃板。 所述冷冻箱，在两块侧板102外侧的防温隔热箱体板401上与侧板102高度和宽 度相对应部分为透明板。 所述上板1011和下板1012在与侧板102和挡板103接触处，上板1011和下板 1012都有凹槽，并在凹槽内有橡胶垫片111。 所述纱网板104，纱网网格孔径范围不大于3毫米。纱网网格孔径大小根据冲刷泥 沙的颗粒大小来决定，满足支撑实验前泥沙堆积要求，纱网网格孔径要略大于最大泥沙颗 粒的直径，冲刷时泥沙能够通过。 所述长转轴3021与支柱302的固接为焊接，短转轴305与升降螺柱3031的固接 为焊接，短转轴305与升降螺柱3033的固接为焊接。 所述冲刷箱倾斜角度的调节范围为O。 46° 。按照冲刷箱倾斜角度和进水方向 有3种冲刷方式，从倾斜的冲刷箱高端的冲刷箱输水孔105进水冲刷为正向冲刷，从倾斜的 冲刷箱低端的冲刷箱输水孔105进水冲刷为反向冲刷，冲刷箱处于水平位置为水平冲刷。 冲刷箱的中箱室109盛放土样或者沙样，在左箱室108和右箱室110内放置大粒 径砾石或不放置大粒径砾石，经水冲刷后冷冻箱对冲刷箱内的处于冲刷状态下的土样或者 是沙样进行冷冻，获得经冷冻定形的左箱室108、中箱室109和右箱室110中的冷冻冲刷试 样。 本实用新型放置土样或者是沙样的冲刷箱为可拆卸结构，在对土样或者是沙样进
行冲刷实验后，用冷冻的方法获得固体状态的地下泥沙冲刷试样，这种试样真实模拟了地
下泥沙冲刷状态，在拆卸掉冲刷箱后，用再对冷冻冲刷试样网格标记定位和切割，进行二级
冷冻小试样单独测量、解冻、称量、筛分，得到冲刷状态下的地下泥沙冲刷模型的级配和孔
隙度的分布。所获观测数据具有水力学及河流动力学和岩土力学工程应用价值。 本实用新型的有益效果为利用本实用新型能够用直接的方法测得一定水压下不
同冲刷状态地下泥沙的孔隙比分布、颗粒级配分布。在河道防洪治理中，需要人为堆填泥
土、沙石来筑坝、筑堤，通过本实用新型的装置和观测方法就可以在实验室内进行模拟实
验，为防洪治理工程提供参考和依据。具有结构简单、操作方便的特点。

图1为本实用新型结构示意主视图； 图2为本实用新型结构示意左视图；[0018] 图3图1中A-A截面俯视图； 图4为图1中B-B截面仰视图； 图5为图2中III处的放大图即上板与侧板装配放大图； 图6为图2中IV处的放大图即下板与侧板装配放大图； 图7为图1中I处的放大图即上板与挡板装配放大图； 图8为图1中II处的放大图即下板与挡板装配放大图。 图中，1011—上板，1012—下板，102—侧板，103—挡板，104—纱网板，105—冲 刷箱输水孔，1061-四周板固定螺栓，1062-上下板固定螺栓，107-输水胶管，108-左 箱室，109-中箱室，IIO—右箱室，lll一橡胶垫片，201—固定台，202—下板固定螺栓， 203—固定台支撑板，301—倾斜固定台，302—支柱，3021—长转轴，303—升降支柱， 3031—上升降螺柱，3032-升降螺套，3033-下升降螺柱，304—倾斜固定台支撑板， 305—短转轴，401—防温隔热箱体板，402—冷冻箱输水孔。
具体实施方式本实用新型提供一种地下泥沙冲刷模型实验装置，下面结合实施例的附图，说明 本实用新型的具体实施方式
。 如图1和图2所示，装置由冲刷箱、固定台201、倾斜装置和冷冻箱组成。 冲刷箱用于盛放土样或者沙样，并在此箱内进行地下泥沙的冲刷模型实验。箱体 下板1012用下板固定螺栓202固定在固定台201上，两个侧板102和左右两个挡板103用 四周板固定螺栓1061固定在一起，上板1011和下板1012与两个侧板102和左右两块挡板 103组成冲刷箱，并通过上下板固定螺栓1062固定在固定台201上。侧板102与挡板103 接触的部分有橡胶垫，以紧固密合，防止漏水。如图5所示，上板1011与侧板102的结合 处为凹槽结构，并在凹槽内设置有橡胶垫片lll，达到侧板定位和密封防止漏水要求。侧板 102为透明玻璃板，可以直接观察到内部的冲刷情况。同样，如图6所示，下板1012与侧板 102的结合处为凹槽结构，并在凹槽内设置有橡胶垫片111，如图7和图8所示，挡板103与 上板1011及与下板1012的结合处为凹槽结构，并在凹槽内设置有橡胶垫片111。两个纱网 板104位于冲刷箱的箱室内，将冲刷箱的箱室分为左箱室108、中箱室109和右箱室IIO，如 图3所示。挡板103有多个冲刷箱输水孔105，其数量及分布由装置大小决定，本实施例每 块挡板103上有16个冲刷箱输水孔105，并均匀分布，冲刷箱输水孔105是冲刷箱的进水 或排水的通道，根据实验要求，如果是起到进水作用称为进水孔，如果是起到排水作用，称 为排水孔。纱网板104放置在上板1011和下板1012的凹槽内，凹槽为纱网板104定位，纱 网板上有一定孔径大小的纱网，用于支撑实验用的土样或者沙洋。将实验用土样或者沙样 放置于中箱室109中，在左箱室108和右箱室110中根据需要放置大粒径砾石或不放置大 粒径砾石。两边的左箱室108和右箱室IIO可以对进水或者出水的水流起到调节和缓冲的 作用，减小边界效应，同时排水侧的左箱室108或右箱室IIO可以容纳沉淀一部分从中箱室 109输出的泥沙，以防止堵塞排水孔。 固定台201用于固定冲刷箱，下板固定螺栓202将冲刷箱固定在固定台201上。 倾斜装置用于将冲刷箱倾斜并保持一定角度，以满足不同角度实验的需求。如图 4所示，两个支柱302下端固接在倾斜固定台301上，上端用长转轴3021和固定台支撑板203铰链连接。升降支柱的下端通过短转轴305和倾斜固定台301右边的倾斜固定台支撑 板304铰链连接，升降支柱的上端通过短转轴305和固定台201右边的倾斜固定台支撑板 304铰链连接。两个支柱302和升降支柱支撑固定台201。升降支柱由升降螺套3032通过 螺纹连接升降螺柱3031和升降螺柱3033构成，升降螺套3032可以转动，使得升降支柱上 升或者是下降，来达到冲刷箱的实验倾斜角度要求。长转轴3021与支柱302焊接，升降螺 柱3031与短转轴305焊接，升降螺柱3033与短转轴305焊接。 冷冻箱用于盛放冲刷箱、固定台201和倾斜装置，对冲刷箱内冲刷土样或沙洋进 行降温冷冻。倾斜固定台301与冷冻箱底板焊接固定在一起。防温隔热箱体板401与侧板 102高度和宽度相对应部分为透明板，以便于观察冲刷箱内的冲刷情况，防温隔热箱体板 401上与左右两块挡板103对应部分有冷冻箱输水孔402，用输水胶管107将挡板103上的 冲刷箱输水孔105与冷冻箱输水孔402相连接，并将冷冻箱输水孔402与外部水管联通。 设备安装完成以后，进行地下泥沙冲刷模型实验观测。以下是测试土样或沙样高 度变化的实施例，实验要求为土样高度下降20%，具体步骤如下 (1)将冷冻箱的上盖打开，调整升降支柱303高度，使固定台201为水平设置，去除 上下板固定螺栓1062，打开上板1011，在冲刷箱各箱室内表面，即下板1012、侧板102、挡板 103以及上板1011的箱室内表面刷低温润滑油； (2)在冲刷箱的中箱室109内放置土样，土样按实验要求为将中箱室109空间堆 满，并按实验要求设定孔隙比和级配，在左箱室108和右箱室110中内放置大粒径砾石；在 侧板102和挡板103上放置橡胶垫片lll，盖好上板1011，并旋紧上下板固定螺栓1062，将 冲刷箱的左箱室108、中箱室109和右箱室110封闭； (3)按照实验的冲刷箱倾斜角度要求，转动升降螺套3032，调整固定台201的倾角 度；用输水胶管107连接冷冻箱输水孔402和冲刷箱输水孔105，按实验要求的冲刷方式设 置冷冻箱输水孔402进水方向，将进水的冷冻箱输水孔402与外部进水管连接； (4)按实验要求设置水压，开启水流，对冲刷箱内的泥沙进行冲刷，观察泥沙冲刷 过程，或在透明侧板处设置摄像机或照相机，记录冲刷过程； (5)等冲刷达到土样高度下降20%实验要求的状态时，关闭水流，停止冲刷，并保 持冲刷箱内的水位；启动冷冻设备，对冲刷箱进行冷冻； (6)冷冻完毕之后，开启冷冻箱，将输水胶管107拔开脱离冲刷箱输水孔105，去除 上下板固定螺栓1062，并轻击上板1011，移去上板1011，去除下板固定螺栓202，轻击冲刷 箱，抬起下板1012，将侧板102、挡板103、纱网板104和各箱室内冷冻的土样一起从冷冻箱 取出，去除四周板固定螺栓1061，轻击并拆掉侧板102和挡板103，通过切割将纱网板104 取出，得到经冷冻定形的左箱室108、中箱室109和右箱室110中的冷冻冲刷试样； (7)对中箱室109内的冷冻冲刷试样进行网格标记定位，再经切割得到各点位处 的二级冷冻小试样； (8)对二级冷冻小试样进行单独测量、解冻、称量、筛分，得到二级冷冻小试样的级 配、孔隙度，并根据二级冷冻小试样的分布，得到土样高度下降20%冲刷状态下的地下泥沙 的级配和孔隙度的分布。 本实用新型解决了用直接的方法，保持原有冲刷状态和取样不扰动临近测量点的 情况下，测量地下泥沙的孔隙比和颗粒级配及其分布，具有结构简单、操作方便的特点。用本实用新型的装置可以在实验室内进行地下泥沙冲刷模型实验，为河道防洪治理的人为堆 填泥土、沙石来筑坝、筑堤提供参考和依据。适用于地下泥沙冲刷的实验室研究。
权利要求一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，装置由冲刷箱、固定台(201)、倾斜装置和冷冻箱组成，冲刷箱固定在固定台(201)上，倾斜装置支撑固定台(201)，倾斜装置固定在冷冻箱的底板上，冲刷箱、固定台(201)和倾斜装置安装在冷冻箱内；所述冷冻箱由防温隔热箱体板(401)、冷冻箱上盖和底板构成；所述冲刷箱，箱体下板(1012)用下板固定螺栓(202)固定在固定台(201)上，两个侧板(102)和左右两个挡板(103)用四周板固定螺栓(1061)固定在一起，上板(1011)和下板(1012)与侧板(102)和挡板(103)构成冲刷箱箱体，通过上下板固定螺栓(1062)固定在固定台(201)上，两块纱网板(104)置于上板(1011)和下板(1012)的凹槽中，将冲刷箱分隔成左箱室(108)、中箱室(109)和右箱室(110)；固定台(201)向下的平面上左边有两个对称分布的固定台支撑板(203)，右边中心有一个倾斜固定台支撑板(304)，固定台支撑板(203)和倾斜固定台支撑板(304)上都有圆形转轴孔，倾斜装置两个支柱(302)上端用长转轴(3021)和固定台支撑板(203)铰链连接，长转轴(3021)与两个支柱(302)固接，支柱(302)的下端与倾斜固定台(301)固接，上升降螺柱(3031)、升降螺套(3032)和下升降螺柱(3033)通过螺纹连接组成升降支柱，升降支柱的上端用短转轴(305)和固定台(201)右边的倾斜固定台支撑板(304)铰链连接，短转轴(305)与升降螺柱(3031)固接，升降支柱的下端用短转轴(305)和倾斜固定台(301)右边的倾斜固定台支撑板(304)铰链连接，短转轴(305)与升降螺柱(3033)固接，倾斜固定台(301)与冷冻箱的底板焊接固定；冲刷箱的挡板(103)上的冲刷箱输水孔(105)和冷冻箱的冷冻箱输水孔(402)用输水胶管(107)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述侧板 (102)为透明玻璃板。
3. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述冷冻箱， 在两块侧板(102)外侧的防温隔热箱体板(401)上与侧板(102)高度和宽度相对应部分为 透明板。
4. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述上板 (1011)和下板(1012)在与侧板(102)和挡板(103)接触处，上板(1011)和下板(1012)都 有凹槽，并在凹槽内有橡胶垫片(111)。
5. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述纱网板 (104)，纱网网格孔径范围为不大于3毫米。
6. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述长转轴 (3021)与支柱(302)的固接为焊接，短转轴(305)与升降螺柱(3031)的固接为焊接，短转 轴(305)与升降螺柱(3033)的固接为焊接。
7. 根据权利要求1所述的一种地下泥沙冲刷模型实验装置，其特征在于，所述冲刷箱 倾斜角度的调节范围为O。 46° 。
专利摘要本实用新型属于水力学及河流动力学和岩土力学特性测试技术领域，涉及一种地下泥沙冲刷模型实验装置。装置由冲刷箱、固定台、倾斜装置和冷冻箱组成。冲刷箱为可拆卸结构，用纱网板分割成左、中、右三个箱室，中箱室放置土样或者是沙样，在对土样或者是沙样进行冲刷实验后，用冷冻的方法获得固体状态的地下泥沙冲刷试样，试样真实模拟了地下泥沙冲刷状态，在拆卸掉冲刷箱后，用再对冷冻冲刷试样网格标记定位和切割，进行二级冷冻小试样单独测量、解冻、称量、筛分，得到冲刷状态下的地下泥沙冲刷模型的级配和孔隙度的分布。本实用新型用于实验室地下泥沙冲刷模型实验，为河道防洪治理的人为堆填泥土，沙石筑坝、筑堤提供参考和依据。
文档编号G01N15/02GK201514367SQ20092022261
公开日2010年6月23日 申请日期2009年9月14日 优先权日2009年9月14日
发明者傅旭东, 吴保生, 孙即超, 王光谦, 魏加华 申请人:清华大学