研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置和方法与流程

本申请涉及泄洪消能建筑物运维，具体而言，涉及一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置和方法。

背景技术：

1、在水利工程中，泄洪消能建筑物如消力池、水垫塘和泄洪洞等，其水工混凝土结构长期暴露于含沙水流的冲刷和磨蚀下，经常遭受严重的磨蚀损伤。这种损伤直接影响到建筑物的耐久性和安全性，进而影响整个水利系统的稳定运行。混凝土的磨蚀性能因此成为了泄洪消能结构设计和维护中的一个关键考量因素。

2、尽管混凝土磨蚀的问题已被广泛认识，但目前国内外的标准实验装置在测试混凝土的磨蚀损伤时，大多未能同时模拟水流的冲击力和磨蚀作用。现有的实验方法往往忽略了含沙水流冲击混凝土时的复杂交互作用，导致实验结果无法真实反映混凝土在实际运行环境中的耐磨蚀性能。此外，大部分现有实验装置仅能在单一的运行条件下进行测试，缺乏考察不同条件组合下混凝土磨蚀性能的能力，这限制了对混凝土材料行为全面理解的深度和广度。同时对于含沙水流冲击实验，目前已有的实验装置无法保证沙子和水流的混合效果，混合不均匀、不完全、装置中存在落淤的问题仍未得到解决。

技术实现思路

1、本申请的目的是提供一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置和方法，该装置和方法能够模拟不同运行参数条件下的含沙水流对混凝土的冲刷磨蚀作用，全面评估混凝土在各种复杂环境下的磨蚀损伤性能。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，装置包括箱体、隔板、水泵、搅拌桨、管道、支架和传感器组件；

3、隔板设置在箱体内，将箱体内的空间分为射流试验区和含沙水流混合区，含沙水流混合区内用于装载沙子和水流，水泵和搅拌桨安装在含沙水流混合区，搅拌桨用于混合沙子和水流，形成含沙水体，管道的一端连接到水泵，管道的另一端延伸到射流试验区；

4、支架安装在射流试验区，支架用于承载混凝土试件，支架可调整混凝土试件的空间位置和角度，射流试验区的底部具有斜面，斜面用于引导下沉的沙子滑落到含沙水流混合区；

5、传感器组件连接到混凝土试件的表面，用于监测混凝土试件的受力情况。

6、在可选的实施方式中，装置还包括网格状消波器，网格状消波器设置在箱体内水面的位置。

7、在可选的实施方式中，隔板与射流试验区底部的斜面间隔设置，形成落沙通道。

8、在可选的实施方式中，斜面的倾角大于或等于最大粒径沙子的水下休止角。

9、在可选的实施方式中，管道包括多根可拆装的支管，调整支管的数量可调整管道的高度。

10、在可选的实施方式中，管道连接水泵的一端的管径大于管道另一端的管径。

11、在可选的实施方式中，传感器组件包括压力传感器和剪切力传感器，压力传感器用于监测混凝土试件表面的水流压力，剪切力传感器用于监测混凝土试件表面的剪切力。

12、在可选的实施方式中，支架包括多根长度可调的支杆，每根支杆支撑在射流试验区底部的斜面上。

13、第二方面，本发明提供一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验方法，方法采用前述实施方式的装置，方法包括以下步骤：

14、s1：调整装置的运行参数，利用传感器组件监测混凝土试件的受力情况，获得含沙水流对混凝土试件的冲击特性；

15、s2：统计混凝土试件在含沙水流冲击前后的差异情况，确定混凝土试件的磨蚀损伤；

16、s3：采集实验数据，分析得出混凝土试件的磨蚀性能。

17、在可选的实施方式中，在s1中，调整装置的运行参数包括：

18、调整水泵的阀门或运行频率，以改变含沙水流对混凝土试件的射流流速；和/或，调整管道或支架的高度，以改变含沙水流对混凝土试件的射流冲击距离；和/或，调整支架的倾角，以改变含沙水流对混凝土试件的射流冲击角度；和/或，调整含沙水流混合区内加入沙子的质量，以改变含沙水体的含沙量；和/或，调整更换不同类型的混凝土试件，以研究不同类型混凝土试件的冲刷磨蚀性能。

19、该装置和方法用于模拟和研究含沙水流对混凝土的冲刷磨蚀作用，不仅通过设计解决了水沙混合和落淤的问题，还能够在控制的实验条件下，模拟不同的水流速度、含沙量和水流角度等运行参数，以全面评估混凝土在各种复杂环境下的磨蚀损伤性能。通过这种方式，不仅能还原真实的运行环境，而且能提供一个平台来研究不同运行参数变化对混凝土耐磨蚀性能的影响。

20、本装置旨在提供一种更加科学和全面的方法来评估和理解混凝土在泄洪消能建筑物中的磨蚀损伤机理，从而指导水利工程的设计、优化和维护工作，提升结构的耐久性和安全性。

21、本申请的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

1.一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述装置包括箱体(1)、隔板(2)、水泵(3)、搅拌桨(4)、管道(5)、支架(7)和传感器组件；

2.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述装置还包括网格状消波器(10)，所述网格状消波器(10)设置在所述箱体(1)内水面的位置。

3.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述隔板(2)与所述射流试验区(101)底部的所述斜面(103)间隔设置，形成落沙通道。

4.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述斜面(103)的倾角大于或等于最大粒径沙子的水下休止角。

5.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述管道(5)包括多根可拆装的支管，调整所述支管的数量可调整所述管道(5)的高度。

6.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述管道(5)连接所述水泵(3)的一端的管径大于所述管道(5)另一端的管径。

7.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述传感器组件包括压力传感器(8)和剪切力传感器(9)，所述压力传感器(8)用于监测所述混凝土试件(13)表面的水流压力，所述剪切力传感器(9)用于监测所述混凝土试件(13)表面的剪切力。

8.根据权利要求1所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置，其特征在于，所述支架(7)包括多根长度可调的支杆，每根所述支杆支撑在所述射流试验区(101)底部的所述斜面(103)上。

9.一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验方法，其特征在于，所述方法采用权利要求1所述的装置，所述方法包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述的研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验方法，其特征在于，在s1中，所述调整所述装置的运行参数包括：

技术总结本申请涉及一种研究混凝土冲刷磨蚀性能的实验装置和方法，涉及泄洪消能建筑物运维技术领域。装置的箱体内的空间分为射流试验区和含沙水流混合区，含沙水流混合区内用于装载沙子和水流，水泵和搅拌桨安装在含沙水流混合区，水泵通过管道连接到含沙水流混合区，混凝土试件装载在射流试验区内的支架上，射流试验区的底部具有斜面，斜面用于引导下沉的沙子滑落到含沙水流混合区；传感器组件用于监测混凝土试件的受力情况。该装置和方法能够模拟不同运行参数条件下的含沙水流对混凝土的冲刷磨蚀作用，全面评估混凝土在各种复杂环境下的磨蚀损伤性能。技术研发人员：王皓冉,刘康,陈永灿,刘昭伟,谢辉,张红,李永龙,李佳龙,覃月,税宇航,何文艳,范骢骧受保护的技术使用者：天府永兴实验室技术研发日：技术公布日：2024/12/2