[发明专利]一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其试验方法

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程的试验研究领域，特别涉及大水压力下淤积物干容重变化的试验装置及方法。

背景技术

在大型水库的运行中，泥沙在水库中淤积。随着时间的变化，淤积物的干容重亦随之变化。在计算水库排沙比时，主要以水库上游水文站测量的入库泥沙重量与库内淤积泥沙重量之差来确定。在实际观测中，只能测量库内的泥沙淤积体积，乘以干容重才能得出水库淤积的沙重，所以淤积物的干容重是关键的参数。

在大型水库中，淤积在河床中的泥沙多数都很细，如三峡水库常年回水区床面淤积的泥沙，中值粒径约为0.003～0.015mm。由于极细泥沙的干容重是随时间缓慢变化的，与水深亦有直接的关系，原型观测在100m水深以下采样的难度很大，且容易扰动河床而影响测量精度。再是泥沙淤积也是随时间逐渐淤厚的，原型观测极难确定淤积物的哪一层是某一段时间淤积的，即难以得出淤积物的干容重随时间的变化过程。

我国已规划了数十座特大型水电站工程，如正在修建的雅砻江下游的锦屏一级水电站、金沙江下游的白鹤滩和溪洛渡水电站的坝高均为300m的量级。

在现有的室内试验中，很难模拟大水压力的试验条件。故如何设计一种可以模拟大水压力情况以及不同水压力情况进行泥沙淤积物干容重变化试验的技术，以使人们可以研究探索泥沙淤积物在不同水压力情况的干容重变化情况，成为有待解决的问题。

发明内容

针对上述问题和不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样提供一种可以模拟大水压力情况以及不同水压力情况进行泥沙淤积物干容重变化试验的泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置及其试验方法。

为了解决上述问题，本发明采用了以下的技术方案：

一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验装置，其特征在于，包括壳体和摄像系统，壳体内并列固定有一排竖向设置的试验筒，每个试验筒后方竖向设置有数个并列的U形差压管，U形差压管上端首尾依次连通形成整体呈倒S形延伸的管道，每个试验筒连同其后方的U形差压管构成一个试验单元；每个试验单元中，U型差压管上端均连通设置有注水管，试验筒上端连通设置有加料管；壳体一侧还设置有加压管，加压管和该侧的第一个试验单元的第一个U型差压管的进口侧上端连接，并通过管道与第一个试验筒连通；前一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端通过管道与下一个试验单元的加料管9的相连通，同时还通过管道与下一个试验单元的第一个U型差压管进口侧上端相连通，最后一个试验单元的最后一个U型差压管出口侧上端与大气连通；每个试验单元中，试验筒前方表面和U形差压管后方表面均沿整个高度方向设置有用于摄像的观察缝隙且采用透明材料密封该观察缝隙；所述摄像系统包括正对壳体前方和后方设置的两个相机，以及和两个相机相连的计算机。

作为优化，包括10个试验单元，每个试验单元高h=1000mm左右，宽b=140mm左右，试验筒直径D=120mm左右，并具有3个U型加压管。这样，可以直接模拟300m水压力下各种不同深度的水库泥沙淤积物的干容重随时间的变化过程。

本发明还公开了一种泥沙淤积物在大水压力下干容重变化的试验方法，其特点在于，包括以下步骤：

a、获取如上述结构的试验装置；

b、每个试验单元中，均从注水管往各U型差压管的下半部加注水银，上半部注满清水，从加料管往试验筒内加搅拌均匀的泥浆（泥沙淤积物），泥浆占试验筒下部的80％，其上加清水，并保证各连通管道和加压管内均注满清水，各注水管和加料管注满水后进口处密封；

c、在加压管进口端通过一加压控制阀连接一个以水为介质的加压系统；通过该加压系统进行加压，驱动U型差压管内形成水银柱压差，水银柱压差作用于试验筒内的泥沙淤积物，并通过压差累积作用使得各试验筒形成从远到近承受从小到大的不同倍数压力；

d、当按照设定的压强加压完成后，关闭加压控制阀封闭住加压管进口端以维持压力稳定，使得整个系统保持稳定的状态；用相机定期拍摄水银柱压差的图像以及试验筒泥面变化过程的图像；计算机采集两台相机的图像进行比尺换算后得出U型差压管中水银柱的高差和试验筒中泥沙界面的变化过程，试验过程中定时记录温度；根据水银柱高差计算出承受压力大小，根据试验筒泥面的高低变化可计算淤泥体积的变化再计算出不同时刻淤泥的干容重，并可以建立起考虑温度影响的淤积泥沙干容重与水压力的关系。