模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置及其试验方法
技术领域
本发明属于水利工程领域，具体涉及模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置及其试验方法。
背景技术
近年来，随着长江下游河道江苏段河势持续改变和调整，长江河道岸坡治理工作愈发面广量大。随着环保理念的增强和长江大保护工作的不断推进，传统抛石护岸所需大量块石料源接近枯竭，沙袋水下护岸技术作为一种新型护岸技术能有效解决这一问题。沙袋是以土工织物通过缝制手段塑形，在船舱内形成尺度较大的袋体。其内部充填泥砂浆，现成缝合脱水后形成构筑物，抛投至水下。沙袋护岸技术因其施工材料就地易取、造价低廉，能避免开采石料等造成的环境破坏，又能稳定河势、保障堤防安全，国际上已广泛应用于河口海岸防护工程中。
在沙袋水下护岸工程施工过程中，沙袋是在驳船上充填完成，随后抛投入水下沉至设计位置。沙袋入水后会在水流流速、流向的影响下产生一定距离的漂移，需要根据一定理论大致估计漂移方向及水平位移，从而进行抛投船舶的定位。实践中往往通过模型试验来模拟抛投过程，可以直观反映各种流态水流中不同外形沙袋的漂移沉落规律。
一方面，该试验领域缺乏专用的试验装置：在本发明之前，针对沙袋的抛投试验装置，已有人结合模拟驳船水上翻板抛投的模型试验装置提出了“一种三联体土工包及其抛投漂移量计算方法(CN106777447A)”。但使用开底驳船抛投过程中，土工包始终处于水下，且抛投过程中会与驳船底板接触摩擦发生挤压变形并导致土工包位移，即采用开底驳船抛投时土工包产生位移的影响因素和表现特征与采用驳船水上翻板抛投时差异较大，现有的翻板抛投试验装置无法应用于该研究领域，需要一种专门的模拟开底驳船开底过程的模型试验装置。
另一方面，出于试验条件和实际原型工况的不同，可能在多次模型试验中采用不同的模型比尺。开底驳船开底抛投沙袋过程中，其底部最大开口宽度、开口角度均会影响沙袋入水姿态，对试验结果造成影响。适用一种比尺的试验装置在另一比尺中则不在适用。因此，需要一种能够灵活调整自身结构从而适应不同原型工况、试验比尺的需求。
发明内容
发明目的：为解决模拟抛投沙袋水下护岸工程中使用的开底驳船开底抛投沙袋过程的模型试验难以开展的问题，本发明提供模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置；本发明的另一目的是提供其试验方法。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置，包括水平滑轨，在所述的水平滑轨上对称设置两个翻板支座，在每个所述的翻板支座的两侧均设有翻板旋转轨，在每个所述的翻板支座上均设有翻板，所述的翻板通过转轴和翻板支座相连，所述的翻板通过滑动轴和翻板旋转轨相连，在所述的翻板底部的两侧设有转轴滑轨，所述的转轴和滑动轴的两端均分别设置在转轴滑轨中。配合后，所述的翻板通过滑动轴实现沿着翻板旋转轨的转动，所述的翻板通过转轴和滑动轴上的轴支座实现沿着转轴滑轨的滑动。
进一步地，还包括与水平滑轨平行设置的支架，所述的水平滑轨通过螺杆连接支架，所述的水平滑轨通过调节螺杆垂直移动。
进一步地，所述的翻板旋转轨焊接在翻板支座上，所述的翻板旋转轨为圆弧形轨道，所述的翻板旋转轨的圆心与转轴预留孔圆心对齐接至翻板支座上。
进一步地，所述的翻板支座通过两侧支撑轴与水平滑轨相连，配合后，所述的翻板支座通过支撑轴在水平滑轨上调节水平位置。
进一步地，所述的支撑轴通过旋钮固定，旋钮为螺纹旋钮。在支撑轴两侧、转轴滑轨两侧、滑动轴两侧、翻板旋转轨两侧均布置有旋钮。
进一步地，所述的转轴和滑动轴的两端均分别通过轴支座接入转轴滑轨，在所述的转轴和滑动轴的端部均分别设有旋钮。
进一步地，在所述的翻板两侧对称设置两个挡板，所述的挡板为扇形，垂直于翻板固定。
进一步地，在所述的滑动轴的上部设有滑动支座；滑动支座外侧设有旋钮，用于固定滑动支座在翻板旋转轨内的位置，所述的滑动支座与转轴连线与水平面的夹角为γ，翻板闭合时，两翻板夹角为α，则翻板打开时最多旋转
进一步地，所述的挡板圆心角β不小于90°，最低处与水平面夹角20°。
进一步地，模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置的试验方法，包括如下步骤：
步骤一：将支架两端固定至水槽；逐一拧动支架上的螺母，初步调节水平滑轨高度，使水平滑轨在试验水位上方；
步骤二：拧松滑动轴末端的旋钮；设模型试验原型驳船的闭合角为α，滑动翻板旋转轨中的滑动轴，调整翻板与水平夹角为拧紧滑动轴末端的旋钮，固定翻板角度；
步骤三：按试验比尺将原型驳船船舱转动半径换算为模型翻板转动半径；拧松轴支座上的旋钮，调整翻板使用长度l3(即转轴至翻板下端)为换算后的模型翻板转动半径大小；拧紧轴支座上的旋钮，固定翻板使用长度l3；
步骤四：拧松支撑轴末端的旋钮；滑动两个翻板支座向中间靠拢直至翻板底端接触；拧紧翻板支座上的旋钮固定翻板支座位置；此时两翻板转轴间距l1应满足
步骤五：按试验比尺换算原型驳船船舱吃水深度；逐一拧动支架上的螺母，调节水平滑轨高度，使翻板底部浸没入水中换算深度处；
步骤六：按试验比尺将原型驳船船舱最大开口宽度换算为模型最大开口宽度b；拧松滑动支座，调整滑动支座使得b+2l3cosγ＝l1；拧松滑动轴末端的旋钮，转动翻板至滑动支座抵住滑动轴，此时翻板为最大开口状态；
步骤七：将两翻板从彼此相抵位置旋转至与滑动支座相抵，可模拟开底驳船开底过程，即可开展开底驳船抛投沙袋的模型试验。
有益效果：与现有技术相比，本发明的模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置，包通过在水平滑轨上对称设置两个翻板支座，在每个翻板支座的两侧均设有翻板旋转轨，在每个翻板支座上均设有翻板，翻板通过转轴和翻板支座相连，翻板通过滑动轴和翻板旋转轨相连，在翻板底部的两侧设有转轴滑轨，转轴和滑动轴的两端均分别设置在转轴滑轨中，配合后，翻板通过滑动轴实现沿着翻板旋转轨的转动，翻板通过转轴和滑动轴上的轴支座实现沿着转轴滑轨的滑动，实现模拟不同闭合角、不同最开角、不同最大开口宽度的开底驳船开底过程；此外，本发明的试验方法，能够在采用不同模型比尺开展试验时，通过调整翻板使用长度l3，可模拟不同开底驳船底板旋转半径；通过调整可移动支座位置，限制翻板旋转角度，满足b+2l3cosγ＝l1，可模拟不同开底驳船底部最大开口宽度b；通过调整翻板支座的间距，满足可模拟开底驳船不同闭合角α；上述功能在采用不同模型比尺时均可实现，使本有较广泛的适用性；综上，本发明能够适应不同水深工况的模型试验要求：装置固定端与水槽侧壁连接，装置主体可通过螺杆调节装置垂直高度，可保证抛投沙袋部分始终浸没在水中，模拟开底驳船水下抛投的实际施工条件。
附图说明
：图1为本发明的主视图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明组件拆解示意图；
图4为闭合状态，本发明试验方法操作示意图；
图5为开底状态，本发明试验方法操作示意图；
附图标记：1-支架、2-水平滑轨、3-翻板支座、4-翻板旋转轨、5-翻板、6-螺杆、7-支撑轴、8-转轴、9-滑动轴、10-旋钮、11-转轴滑轨、12-轴支座、13-挡板、14-滑动支座。
具体实施方式
：
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。本发明的保护范围并不以具体实施方式为限，而是由权利要求加以限定。
如图1-3所示，模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置，由支架1、水平滑轨2、一对翻板支座3、一对翻板旋转轨4和一对翻板5组成。水平滑轨2通过螺杆6连接支架1，翻板支座3通过两侧支撑轴7与水平滑轨2相连，翻板旋转轨4焊接在翻板支座3上，翻板5通过转轴8和翻板支座3相连，翻板5通过滑动轴9和翻板旋转轨4相连。
水平滑轨2通过调节螺杆6垂直移动。
翻板支座3通过两侧支撑轴7可在水平滑轨2上调节水平位置，并通过旋钮10固定。上述旋钮10具体为螺纹旋钮，在支撑轴7两侧、转轴滑轨11两侧、滑动轴9两侧、翻板旋转轨4两侧均布置有旋钮10。
翻板5底面固定两条转轴滑轨11；轴支座12为内径稍大于转轴8与滑动轴9的圆环结构，用于支撑转轴8与滑动轴9并可在转轴滑轨11内移动，通过旋钮10固定；通过调整轴支座12位置，可调节翻板5使用长度；转轴8与滑动轴9均穿过轴支座12，翻板5可绕转轴8转动；滑动轴9两端插入翻板旋转轨4，滑动轴9末端设螺纹并安装旋钮10，通过旋钮10固定翻板5角度；翻板5顶面两侧固定两个挡板13，两翻板5上挡板13位置错开。上述挡板13为扇形，垂直于翻板5，与翻板5作防水胶结或防水焊接。
翻板旋转轨4轨道内，滑动支座14布置在翻板旋转轨4内，滑动轴9的上方，滑动支座14外侧设有旋钮10，用于固定滑动支座14在翻板旋转轨4内的位置；上述滑动支座14用于限制翻板5旋转角度。配合后，翻板5通过滑动轴9实现沿着翻板旋转轨4的转动，翻板5通过转轴8和滑动轴9上的轴支座12实现沿着转轴滑轨11的滑动。
翻板旋转轨4外的所有旋钮10内侧与翻板旋转轨4接触出设橡胶垫圈，增强固定作用。
如图4-5所示，挡板13圆心角β不小于90°，最低处与水平面夹角20°，滑动支座14与转轴8连线与水平面的夹角为γ，翻板5闭合时，两翻板5夹角为α，则翻板5打开时最多旋转
工作过程：
步骤一：将滑动轴9外侧的旋钮10拧松，使翻板5处于可自由活动状态；将左右两个翻板5相抵，形成一个V形仓，即模拟开底驳船闭合状态；拧紧滑动轴9外侧的旋钮10，固定该翻板5角度。
步骤二：将试验用沙袋泡水充分饱和后，布置在两个翻板5形成的V形仓内；
步骤三：将滑动轴9外侧的旋钮10拧松，使翻板5处于可自由活动状态；手动控制两个翻板5缓慢旋转，直至滑动轴9与活动支座14相抵；此时即对应模拟开底驳船最大开角状态；上述过程中沙袋沿两翻板中间打开的空隙滑落，模拟开底驳船开底抛投沙袋过程。
在转轴8处布置电机，使用电机控制翻板5的旋转速度。
实施例
模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置，包括支架1、水平滑轨2、一对翻板支座3、一对翻板旋转轨4和一对翻板5。
支架1为一对两条角钢，每条角钢上开圆孔两处用于连接螺杆6。
水平滑轨2主体为两条略短于支架1的水平滑轨2，水平滑轨2高4cm，两端各焊接一块挡板将两条水平滑轨2固接，整体组成框形结构；两水平滑轨间距为48cm，小于支架1中两角钢间距，为凸出水平滑轨2的支撑轴7、转轴8留出空间。上述支撑轴7、转轴8半径为1cm。水平滑轨2外侧设焊接一水平外延平台，并开圆孔用于连接螺杆6。螺杆6穿过圆孔连接水平滑轨2和支架1，在水平滑轨2底部和支架1顶部分别设有螺母。底部螺母旋至同一水平位置保持固定，当顶部四个螺母同时旋紧时，可控制水平滑轨2相对支架1位置上移。
翻板支座3为扁平长方体底座，水平滑轨2长32cm，高4cm，宽46cm；翻板支座3主体部分高度与水平滑轨2一致；主体部分为长14cm，宽46cm，高4cm的立方体；两侧侧板向前伸出一段距离使总长度达到32cm；侧板两端各设一支撑轴7，支撑轴7插入水平滑轨2；支撑轴7顶端伸出水平滑轨2部分设螺纹与旋钮10，可手动旋拧，当旋钮10拧紧时翻板支座3固定；侧板前伸部分开一圆孔用于插入转轴8。
本实施例翻板旋转轨4为圆弧形轨道，轨道宽度2cm，轨道圆心角为120°，最低处连接圆心的直线与水平面夹角20°，最高处连接圆心的直线与水平面夹角140°；将翻板旋转轨4的圆心与转轴8预留孔圆心对齐接至翻板支座3上。
翻板5的长35cm，宽40cm，底面靠上位置焊接两条转轴滑轨11，避免转轴滑轨11过长插入水中影响水流条件；转轴滑轨11长25cm，高5cm；转轴滑轨11中插入两个可滑动的轴支座12并通过旋扭10固定；通过调节轴支座在转轴滑轨中的位置，可调节翻板使用长度l3；转轴8与滑动轴9均通过穿过轴支座12，翻板5可绕转轴8转动；滑动轴9两端插入翻板滑动轨4，轴末端伸出翻板旋转轨4部分设螺纹并安装旋钮10，通过旋钮10固定翻板5角度；翻板5顶面两侧焊接两个挡板13；本实施例挡板13为扇形，半径35cm，圆心角为90°，垂直于翻板5，焊接处作防水处理；右侧翻板5上两挡板13位置向内错开一个挡板的厚度。
翻板旋转轨4轨道内，滑动轴9的上部设有滑动支座14；滑动支座14外侧设有旋钮10，用于固定滑动支座14在翻板旋转轨4内的位置；上述滑动支座14用于限制翻板5旋转角度。
装置不使用时拧紧全部固定旋钮10。模拟开底驳船开底抛投沙袋过程的试验装置的试验方法，按以下步骤调整装置：
步骤一：将支架1两端固定至水槽；逐一拧动支架1上的螺母，初步调节水平滑轨2高度，使水平滑轨2在试验水位上方；
步骤二：拧松滑动轴9末端的旋钮10；设模型试验原型驳船的闭合角为α，滑动翻板旋转轨4中的滑动轴9，调整翻板5与水平夹角为拧紧滑动轴9末端的旋钮10，固定翻板5角度；
步骤三：按试验比尺将原型驳船船舱转动半径换算为模型翻板转动半径；拧松轴支座12上的旋钮10，调整翻板5使用长度l3(即转轴8至翻板5下端)为换算后的模型翻板5转动半径大小；拧紧轴支座12上的旋钮10，固定翻板5使用长度l3；
步骤四：拧松支撑轴7末端的旋钮10；滑动两个翻板支座3向中间靠拢直至翻板5底端接触；拧紧翻板支座3上的旋钮10固定翻板支座3位置；此时两翻板转轴8间距l1应满足
步骤五：按试验比尺换算原型驳船船舱吃水深度；逐一拧动支架1上的螺母，调节水平滑轨2高度，使翻板5底部浸没入水中换算深度处；
步骤六：按试验比尺将原型驳船船舱最大开口宽度换算为模型最大开口宽度b；拧松滑动支座14，调整滑动支座14使得b+2l3cosγ＝l1；拧松滑动轴9末端的旋钮10，转动翻板5至滑动支座14抵住滑动轴9，此时翻板5为最大开口状态；
步骤七：将两翻板5从彼此相抵位置旋转至与滑动支座14相抵，可模拟开底驳船开底过程，即可开展开底驳船抛投沙袋的模型试验。
以一具体试验案例数据说明试验装置调整步骤：
原型开底驳船尺寸为：船底旋转半径7m，闭合角α＝90°，最大开口3m；选用试验长度比尺1:50，则换算模型翻板转动半径14cm，模型最大开口6cm。即在进行试验装置调整时，翻板5的使用长度l3调整为14cm；调整翻板支座位置，使两翻板转轴8间距l1为19.80cm；调整滑动支座14位置，使滑动支座14与转轴8连线和水平面成60°。
