[发明专利]水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置和方法

权利要求书

1.一种水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，其特征在于，包括：交变式流槽系统，地基和冲刷防护系统，加载和测量系统，颗粒运动捕捉和视频采集系统；

所述交变式流槽系统包括流槽(1.1)，四条流槽(1.1)相交于实验箱(2.1)；所述流槽(1.1)与实验箱(2.1)相接处设有垫块(1.4)；流体(1.3)在流槽(1.1)中流动；流槽(1.1)内设有组合式造浪闸门(1.2)；

所述地基和冲刷防护系统包括实验箱(2.1)、地基(2.2)、冲刷防护结构(2.4)和基础(2.5)，所述实验箱(2.1)内装载有地基(2.2)，实验箱(2.1)表面和地基(2.2)内部均设有标记点阵和网格线(2.3)；地基(2.2)内掺有标记颗粒或示踪粒子；地基(2.2)上部一定范围内敷设有冲刷防护结构(2.4)；基础(2.5)贯穿冲刷防护结构(2.4)伸入地基(2.2)内；

所述加载和测量系统通过加载支架(3.1)安装于实验箱(2.1)上方，加载支架(3.1)侧面安装有横向电动机(3.2)，横向电动机(3.2)连接横向螺杆(3.4)；加载支架(3.1)顶面安装有横向滑轨(3.3)和竖向电动机(3.5)，竖向电动机(3.5)下部连接有竖向滑轨(3.6)、竖向螺杆(3.7)和加载臂(3.8)形成竖向加载模块，横向螺杆(3.4)转动时竖向加载模块沿横向滑轨(3.3)滑动，竖向加载模块通过连接机构(3.10)连接基础(2.5)顶部；

所述颗粒运动捕捉和视频采集系统安装于实验箱(2.1)侧面和上部，包括激光扫描仪(4.1)、高频照相机(4.2)和摄像机(4.3)。

2.根据权利要求1所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，其特征在于：所述交变式流槽系统中，流槽(1.1)的横断面为矩形或半圆形，流槽(1.1)外部连接流体源，流槽(1.1)内设有用于控制流体(1.3)流量和方向的阀门，所述的流体(1.3)为水或水以外的粘性介质。

3.根据权利要求1所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，其特征在于：所述地基和冲刷防护系统中，地基(2.2)材质为塑料颗粒、黏土或细沙，冲刷防护结构(2.4)包括石块、橡胶软垫、半固态-固态水泥和仿生水草，实验箱(2.1)为透明材质。

4.根据权利要求1所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，其特征在于：还包括测量装置，所述测量系统包括三向测力计(3.9)、激光位移计(3.11)和加速度计(2.6)；加载臂(3.8)与连接机构(3.10)之间安装有三向测力计(3.9)，加载支架(3.1)上安装有激光位移计(3.11)，基础(2.5)内置有加速度计(2.6)。

5.根据权利要求3所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置，其特征在于：冲刷防护结构(2.4)的形态和构造根据实验需要确定，也可以不设置冲刷防护结构(2.4)。

6.如权利要求1至5中任一所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置的实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将流槽(1.1)与实验箱(2.1)连接，流槽(1.1)上安装组合式造浪闸门(1.2)，将垫块(1.4)安放于流槽(1.1)与实验箱(2.1)相接处；

S2、实验箱(2.1)内装载地基(2.2)和标记点阵和网格线(2.3)，视实验需要将冲刷防护结构(2.4)敷设于地基(2.2)表面，并安装基础(2.5)；

S3、组装加载和测量系统，将三向测力计(3.9)安装在加载臂(3.8)上，同时将连接机构(3.10)与基础(2.5)相连；

S4、开启激光扫描仪(4.1)、高频照相机(4.2)和摄像机(4.3)，并调试至运行状态；

S5、开启外部阀门，使流体(1.3)在流槽(1.1)和实验箱(2.1)内按指定参数流动，并视实验需要开启组合式造浪闸门(1.2)制造波浪效应；启动竖向加载模块，对基础(2.5)施加荷载作用；

S6、借助激光扫描仪(4.1)、高频照相机(4.2)和摄像机(4.3)，通过拍照和录像，对实验过程进行记录，计算机绘制地基(2.2)和冲刷防护结构(2.4)在流体(1.3)冲刷作用下实时演变过程的三维图形和视频。

7.根据权利要求6所述的水下基础冲刷发展过程及结构防护性能的实验装置的实验方法，其特征在于：利用激光扫描仪(4.1)照射和捕捉地基(2.2)、冲刷防护结构(2.4)和流体(1.3)内标记颗粒或示踪粒子的运动轨迹；利用高频照相机(4.2)结合实验箱(2.1)表面的标记点阵和网格线(2.3)记录实验箱(2.1)内结构物的变形；利用摄像机(4.3)拍摄记录实验步骤和过程。