[发明专利]一种非均匀沙运动概率的试验装置和试验方法

权利要求书

1.一种非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，包括水槽、泥沙供给器、底床模拟板、推移质捕集器、悬移质捕集器；

所述水槽包括储水箱、潜水泵、稳流板、前门、水槽槽体、尾门和回水管；所述水槽槽体位于所述储水箱上方，所述水槽槽体的尾部通过所述回水管与储水箱连通；所述潜水泵位于所述储水箱内，潜水泵的出水口通过管路与水槽槽体的进水口连通，从而将储水箱中的水通过管道泵入水槽槽体中；所述稳流板设置在水槽槽体的进水口附近，用以使水流平稳流入水槽槽体；所述前门和尾门分别位于所述水槽槽体的前端和尾端，前门和尾门为可上下抽动的挡板，用于阻挡水流或调节槽体储水流量；

所述泥沙供给器位于所述水槽槽体的底部，用于盛装泥沙；所述泥沙供给器包括可自动弹开的盖板；

所述底床模拟板、推移质捕集器、悬移质捕集器沿着水槽的长度方向依次布置在所述水槽槽体的底部；所述底床模拟板位于所述泥沙供给器和推移质捕集器之间；所述水槽槽体的底部开始有两个通孔，所述推移质捕集器和悬移质捕集器均包括一直管段和弯管段，通过所述直管段固连在所述水槽槽体的底部相应位置的通孔处，所述推移质捕集器和悬移质捕集器分别用于收集推移质和悬移质。

2.根据权利要求1所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述泥沙供给器为呈矩形断面和梯形剖面形态的抽屉式盖板盒子，其包括抽屉式盖板；所述抽屉式盖板的两侧面均通过弹簧与一卡口控制开关连接。

3.根据权利要求1所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述推移质捕集器的宽度与所述水槽槽体的宽度相同，所述推移质捕集器的直管段和弯管段相接处设置旋转叶片，用于封闭来自水槽槽体的水流；所述弯管段的尾部固定可拆卸圆形封口板，便于泥沙收集。

4.根据权利要求3所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述悬移质捕集器和推移质捕集器结构相同，所述悬移质捕集器沿所述水槽槽体的长度方向的尺寸大于所述推移质捕集器沿所述水槽槽体的长度方向的尺寸。

5.根据权利要求1所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述稳流板为两块，平行间隔布置在所述水槽槽体的进水口附近。

6.根据权利要求1所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述稳流板为设有均匀孔洞的有机玻璃板。

7.根据权利要求1所述的非均匀沙运动概率的试验装置，其特征在于，所述推移质捕集器沿水槽槽体长度方向的尺寸L_推略大于推移质最大跳跃长度L_b：

其中，D_max为试验沙最大起动颗粒粒径；ρ_s为泥沙密度，ρ为水流密度；为无因次水流切应力，D_min为试验沙最小起动颗粒粒径，R_b为水力半径，J为水力能坡；为无因次起动切应力，取值0.032-0.047；D_m为平均粒径；系数α根据跳跃试验资料确定，α≥150；

悬移质捕集器沿水槽槽体长度方向的尺寸L_悬为

其中，L_s为悬移质捕集器5悬移质最大移动距离，V₀为水流速度，h₀为水深，h为悬移质捕集器中水深，ω_min为最小试验颗粒D_min对应的沉降速度。

8.一种基于非均匀沙运动概率的试验方法，其特征在于，该方法基于权利要求1～7中任意一项的非均匀沙运动概率的试验装置来实现，该方法包括：

步骤一：将天然沙筛分得到不同粒级的颗粒，采用红色、黄色、绿色、蓝色、紫色、黑色和白色等颜色的染料对不同粒级颗粒D_k进行染色，烘干得到不同粒级的染色沙，称重得到非均匀沙的总重量G₀和不同粒级染色沙的重量G_0k，计算出初始级配将染色沙混合并浸湿后放入泥沙供给器，作为试验用沙；

步骤二：将与试验沙同级配的非均匀沙粘置于底床模拟板上，形成粗糙板；

步骤三：确定试验水深，在每个试验水深下设置多种试验流速开展试验，执行步骤四～步骤六，每组试验获得非均匀沙在该水流条件下的分级起动概率和分级扬动概率及其对应的概率分布；

且应保证试验流速最小值大于或等于起动流速计算值，试验流速最大值大于或等于扬动流速计算值；采用如下公式分别计算第k粒级泥沙起动流速V_kc和扬动流速

V_kc＝8/7(h/D_m)^1/6[(ρ_s/ρ-1)gD_k/ε_k]^0.5

其中，D_k为第k粒级粒径，g为重力加速度，ρ_s和ρ分别为泥沙和水的密度，为非均匀沙不同颗粒间的隐暴系数，D_m为泥沙平均粒径，σ_g为几何标准差，h为水深；D_*为无因次粒径，ω为泥沙沉降速度。

步骤四：开启潜水泵，并调节所述水槽槽体的前门和尾门，使水槽槽体内的水位达到预先设定的试验水深，参考起动流速和扬动流速的公式计算值设定一合适流速开始试验；

步骤五：保持试验流速和试验水深不变，开启泥沙供给器，开始染色沙在水槽槽体中的输移试验；持续运动足够时间使得泥沙供给器中染色沙不再起动，同时粗糙板上染色沙冲刷殆尽，关闭尾门和潜水泵，停止试验；

步骤六：对部分输移情形，分别收集泥沙供给器、推移质捕集器和悬移质捕集器中的染色沙，烘干，采用试验沙染色前同规格的标准筛进行筛分，称重，获得推移质和悬移质中不同粒级染色沙重量G_bk和G_sk，分别计算出非均匀沙的分级起动概率p_bk＝G_bk/G₀和分级扬动概率p_sk＝G_sk/G₀，进而获得推移质的累积频率即起动概率分布和悬移质的累积频率即悬浮概率分布

对全动输移情形，分别收集推移质捕集器和悬移质捕集器中的染色沙，采用与部分输移情形下相同的方式计算起动概率和悬浮概率，并得到各自的概率分布。