圆筒冲刷测试仪的率定及启动流速和冲刷速率实验方法初探

作     者：沙培骏 

作者单位：中国地质大学(北京) 

学位级别：硕士

导师姓名：徐能雄;于沭

授予年度：2016年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：圆筒冲刷仪 启动流速 冲刷速率 剪应力 

摘      要：土石料的冲刷是土石坝溃决,水工建筑物破坏,河岸迁移的主要原因。测定土石料的冲刷特性具有十分重要的科学和工程价值。国内外学者对土石料的冲刷特性进行了大量研究。但土石料的冲刷包含了水流运动的随机性和土石料性质的随机性,很难建立理论公式进行求解,所以目前的理论研究成果还未被采用,实际工程中多采用基于实验的经验公式。这些公式大都只针对特定场地的土样,计算误差较大,且适用范围很窄。要建立更为准确的冲刷本构模型,就必须对不同类型的土进行大量的冲刷实验。为了研究土石料的冲刷特性,并避开传统冲刷实验设备流速转换效率低和测试级配范围窄的问题,中国水利水电科学研究院岩土所研制了大型圆筒冲刷设备(Erosion Testing Cylinder(ETC))。由于圆筒冲刷设备初步加工完成,存在一些需要完善的地方,包括叶轮驱动造成的流速分布未知,泥沙过滤效率低和实验过程无法观察等,还不能进行有效的实验。另外圆筒与主流的四种冲刷实验设备差别较大,不能直接套用其他实验设备的实验方法。为了能在圆筒冲刷仪中进行冲刷实验,必须先对新制仪器进行升级,然后根据仪器特点设计专门的冲刷实验方法。在国家自然科学基金项目:堰塞体漫顶溃决模式的离心模拟及数值模拟研究(51309260)和梯级水库群大坝溃决机制与灾害链效应(2013CB036402)的支持下,本文阐述了土石料冲刷的基本理论,总结了四种主流的冲刷设备的特点和三种仪器剪应力计算方法,回顾了无粘性土启动流速实验和粘性土冲刷速率实验的研究成果。在此基础上,对初步加工完成的仪器进行升级,包括在圆筒底部增设滤沙网以改善过滤效率,采用直读式流速仪对不同转速下圆筒内的流速进行率定。之后结合圆筒冲刷仪的特点,初步设计出无粘性土启动流速实验和土料的冲刷速率测定实验的方法。然后建立圆筒剪应力的计算模型来处理实验数据,并通过实验和已有成果的对比分析来确定剪应力计算模型的参数。最后采用以上的实验方法和数据处理方法进行无粘性土的启动流速实验,实验结果能很好的反应试样土的抗冲性能,证明了实验方法的适用性。此外,本文还结合冲刷实验中观察到的冲刷过程对冲刷的指数模型和双曲线模型进行了对比分析,结果表明两种模型可能是对同一冲刷过程不同阶段的描述。