CN103871309B - 淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置及方法 - Google Patents

Abstract

淤泥质潮滩波流斜交模拟方法，该方法专门用于模拟在淤泥质滩涂上的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动。其特征在于，包括：一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置和该装置的运行方式。一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，包括主流泵、水槽、地下水库、造波机；所述的主流泵出口设置在水槽进水端，进口设置在地下水库中；水槽出水端连接地下水库，主流泵驱动水流在水槽和地下水库之间循环，所述的造波机布置在水槽的左侧或右侧。本发明提供了一种专门用于模拟在淤泥质滩涂上的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动的波流斜交模拟方法；本发明提供的淤泥质潮滩波流斜交模拟方法模拟的得到的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动产生的河床地形与天然地形基本吻合。

Description

淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置及方法

技术领域

本发明涉及一种在海岸模型试验中模拟淤泥质潮滩波流斜交的模拟水槽装置及方法，尤其是一种在淤泥质潮滩环境下能有效的同时模拟风浪掀沙和潮流输沙机制的波流斜交模拟方法，属于海岸工程模型试验领域。

背景技术

淤泥质潮滩主要是指分布在河口海岸潮间带由细颗粒泥沙组成的滩地。利用丰富的滩涂资源进行围垦造地一直是缓解当前我国人多地少矛盾的主要措施。然而由于河口的水动力及地质条件非常复杂，目前对波流作用下淤泥质潮滩演变规律还没有充分地认识与理解，使得近岸滩涂的合理开发与利用受到诸多限制。风浪掀沙和潮流输沙是淤泥质潮滩演变的重要机制。相关的理论研究与数值模型的建立需要大量可靠而详尽的实验数据来加以验证和优化。相对于现场原位试验而言，模型试验方法具有费用低廉，易于操作、外界干扰因素少等优点，在科学研究中具有不可替代的作用。现有的模型试验一般采用波流水槽进行。但是现有波流水槽存在以下问题：

1、现有的潮滩波流斜交模拟方法一般通过电机驱动式伺服造波机在水槽内造波；潮流模拟系统采用将变频水泵并联在造流管路中，再连接至水槽首尾下端的均流箱里，与整个水槽构成一个闭合的水流回路。因此现有波流水槽其潮流传播方向一般与波浪传播方向平行。而在天然状态下，潮流一般以平行于岸线的沿岸往复流为主，风浪掀沙的行波传播方向一般与岸线成一定的夹角。因此现有的方法很难模拟由于风浪掀沙和潮流输沙共同作用对造床泥沙的影响。

2、在现有的潮滩波流斜交模拟方法中，由于波浪周期和潮流周期的时间系列组合作用，将造波机简单地与潮流方向布置成非平行或非垂直的夹角，并不能获得风浪掀沙和潮流输沙的共同作用效果。

3、大型的港池造波系统通过将造波面离散化，采用矩阵式控制，可以模拟波流斜交的作用效果，但是其造价昂贵，单次试验投入和占有空间大，不利于推广。

为了解决以上技术问题，本发明为淤泥质滩涂演变试验研究提供一种潮滩波流斜交模拟方法，该方法能有效的模拟风浪掀沙和潮流输沙的机制。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种淤泥质潮滩波流斜交模拟方法，该方法专门用于模拟在淤泥质滩涂上的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动。

所述的方法包括：一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置和该装置的运行方式。

一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，包括主流泵、水槽、地下水库、造波机；所述的主流泵出口设置在水槽进水端，进口设置在地下水库中；水槽出水端连接地下水库，主流泵驱动水流在水槽和地下水库之间循环，所述的造波机布置在水槽的左侧或右侧。

所述的造波机包括：推波板、推臂、推波电机、旋转平台和整体升降支架；所述的推波板通过推臂与推波电机相连；所述的旋转平台固定在整体升降支架顶部，升降支架由4个千斤顶组成；所述的推波电机固定在旋转平台上。

所述的推波板包括：推臂牛腿、固定板和活动板，自活动板底缘至固定板顶部整个推波板的总高度为模型波高2A；

所述的推臂牛腿焊接在固定板上；

所述的活动板长度为2A/3并通过连接销钉固定在固定板上，连接销钉固定的位置为固定板自下而上2A/3位置，固定板总长度范围为自下而上A/3到2A，活动板总长度范围为自下而上0到2A/3，其中自下而上A/3到2A/3范围为活动板固定板重复部分；

所述的通过销钉固定的活动板曲线型式与固定板此长度范围的曲线一致。

经过以上方式连接的活动板和固定板在推波时2A长度的推波板共同向前运动，在后退时底部的活动板在水流作用下挑起，其中自下而上0到A/3范围推波板不起作用。

所述的固定板纵剖线包括如下三种型式：

以下各剖线通过方程表示，坐标系为右手坐标系，即x轴为水平向，y轴为纵向；

在潮流方向与波浪方向相同时采用直线型式，直线方程为x＝0，(-A≤y≤A)，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

在潮流方向与波浪方向相互垂直时采用抛物线型式，抛物线方程为x＝y²/50(-A≤y≤A)，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

在潮流方向与波浪方向成夹角θ时(0<θ<π/2)，采用正弦曲线，曲线方程为y＝sin(x+θ)(0<x<π/2)，推臂牛腿的中心线方程为 $y-\frac{cos\mathrm{\&theta;}+sin\mathrm{\&theta;}}{2}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2(1-sin\mathrm{\&theta;})}(x-\frac{\mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}{2}),$ 且取为正弦曲线的上方，剖线加工尺寸根据模型波高进行正态缩放，即将正弦曲线上点(θ，sinθ)到[(θ+π/2),sin(θ+π/2)]的距离设置为波高2A。

所述的推臂包括：推臂支架、变长曲轴、连杆、连杆套，所述的推臂支架为伸缩式，采用4个千斤顶作为支撑，所述的变长曲轴最大可用半径为0.5m，最小可用半径为0.08m，推距为可用半径的2倍，经发明者反复试验得到在模型模拟天然波浪情况下，推距在0.16m到1.0m之间基本包含了所需要模拟波浪的大部分系列。因此变长曲轴的范围设置为0.08m～0.5m是最优的。

所述的推波电机采用伺服电机或步进电机；

所述的旋转平台通过分为旋转部分和固定部分，固定部分焊接在升降支架上，旋转部分通过轴承和销钉与固定部分相连。

所述的一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置的运行方式为：

将实际波浪周期T_p根据模型长度比尺λ计算为模型波浪周期T_m，

计算公式为： $T_m=T_p/\sqrt{\mathrm{\&lambda;}},$

所述的T_m为装置推波板运行半周期，即推波板的一个往复周期为2T_m，经发明人反复试验发现，当2T_m设置为推波板往复周期时获得的模拟结果与天然结果最为接近。

本发明有如下有益效果：

(1)本发明提供了一种专门用于模拟在淤泥质滩涂上的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动的波流斜交模拟方法；

(2)本发明提供的淤泥质潮滩波流斜交模拟方法模拟的得到的风浪掀沙和潮流输沙的联合造床运动产生的河床地形与天然地形基本吻合；

(3)本发明较现有装置节约制作成本。

附图说明

图1为本发明装置的整体俯视示意图；

图2为本发明装置的造波机整体侧视示意图；

图3为本发明装置的造波机整体俯视示意图；

图4为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向垂直时采用的抛物线型纵剖面；

图5为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/4时采用的正弦曲线剖面；

图6为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/6时采用的正弦曲线剖面；

图7为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/3时采用的正弦曲线剖面；

图8为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/3时推波周期为2T_m得到的地形断面。

本发明的设备包括：主流泵1、水槽2、地下水库3、造波机4、推波板41、推臂42、推波电机43、旋转平台44、整体升降支架45、推臂牛腿421、固定板411、活动板412、连接销钉413、推臂支架422、变长曲轴46、连杆47、连杆套471。

具体实施方式

实施例一

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

一种在水利模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，包括主流泵1、水槽2、地下水库3、造波机4；所述的主流泵1出口设置在水槽2进水端，进口设置在地下水库3中；水槽2出水端连接地下水库3，主流泵1驱动水流在水槽2和地下水库3之间循环，所述的造波机4布置在水槽2的左侧或右侧。

所述的造波机4包括：推波板41、推臂42、推波电机43、旋转平台44和整体升降支架45；所述的推波板41通过推臂42与推波电机43相连；所述的旋转平台44固定在整体升降支架45顶部；所述的推波电机43固定在旋转平台44上。

所述的推波板41包括：推臂牛腿421、固定板411和活动板412，整个推波板41的总高度为模型波高2A，自活动板底缘至固定板顶部；

所述的推臂牛腿421焊接在固定板上；

所述的活动板长度为2A/3并通过连接销钉413固定在固定板411上，连接销钉413固定的位置为固定板411自下而上2A/3位置，固定板411总长度范围为自下而上A/3到2A，活动板412总长度范围为自下而上0到2A/3，其中自下而上A/3到2A/3范围为活动板412固定板411重复部分；

所述的通过连接销钉413固定的活动板412曲线型式与固定板411此长度范围的曲线一致。

经过以上方式连接的活动板412和固定板411在推波时，2A长度的推波板共同向前运动，在后退时底部的活动板412在水流作用下挑起，其中自下而上0到A/3范围推波板不起作用。

在潮流方向与波浪方向相同时所述的固定板411纵剖线采用直线型式，直线方程为x＝0，(-A≤y≤A)，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

直线型式的剖线通过方程表示，坐标系为右手坐标系，即x轴为水平向，y轴为纵向；

所述的推臂包括：推臂支架422、变长曲轴46、连杆47、连杆套471，所述的推臂支架422为伸缩式，所述的变长曲轴46最大可用半径为0.5m，最小可用半径为0.08m，推距为可用半径的2倍，经发明者反复试验得到在模型模拟天然波浪情况下，推距在0.16m到1.0m之间基本包含了所需要模拟波浪的大部分系列。因此变长曲轴46的范围设置为0.08m～0.5m是最优的。

所述的推波电机43采用伺服电机或步进电机；

所述的旋转平台44通过分为旋转部分和固定部分，固定部分焊接在升降支架上，旋转部分通过轴承和销钉与固定部分相连。

实施例二

一种在水利模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，包括主流泵1、水槽2、地下水库3、造波机4；所述的主流泵1出口设置在水槽2进水端，进口设置在地下水库3中；水槽2出水端连接地下水库3，主流泵1驱动水流在水槽2和地下水库3之间循环，所述的造波机4布置在水槽2的左侧或右侧。

所述的造波机4包括：推波板41、推臂42、推波电机43、旋转平台44和整体升降支架45；所述的推波板41通过推臂42与推波电机43相连；所述的旋转平台44固定在整体升降支架45顶部；所述的推波电机43固定在旋转平台44上。

所述的推波板41包括：推臂牛腿421、固定板411和活动板412，整个推波板41的总高度为模型波高2A，自活动板底缘至固定板顶部；

所述的推臂牛腿421焊接在固定板上；

所述的活动板长度为2A/3并通过连接销钉413固定在固定板411上，连接销钉413固定的位置为固定板411自下而上2A/3位置，固定板411总长度范围为自下而上A/3到2A，活动板412总长度范围为自下而上0到2A/3，其中自下而上A/3到2A/3范围为活动板412固定板411重复部分；

所述的通过连接销钉413固定的活动板412曲线型式与固定板411此长度范围的曲线一致。

经过以上方式连接的活动板412和固定板411在推波时，2A长度的推波板共同向前运动，在后退时底部的活动板412在水流作用下挑起，其中自下而上0到A/3范围推波板不起作用。

在潮流方向与波浪方向相互垂直时所述的固定板411纵剖线采用抛物线型式，抛物线方程为x＝y²/50(-A≤y≤A)，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

坐标系为右手坐标系，即x轴为水平向，y轴为纵向；

所述的推臂包括：推臂支架422、变长曲轴46、连杆47、连杆套471，所述的推臂支架422为伸缩式，所述的变长曲轴46最大可用半径为0.5m，最小可用半径为0.08m，推距为可用半径的2倍，经发明者反复试验得到在模型模拟天然波浪情况下，推距在0.16m到1.0m之间基本包含了所需要模拟波浪的大部分系列。因此变长曲轴46的范围设置为0.08m～0.5m是最优的。

所述的推波电机43采用步进电机；

所述的旋转平台44通过分为旋转部分和固定部分，固定部分焊接在升降支架上，旋转部分通过轴承和销钉与固定部分相连。

实施例三

一种在水利模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，包括主流泵1、水槽2、地下水库3、造波机4；所述的主流泵1出口设置在水槽2进水端，进口设置在地下水库3中；水槽2出水端连接地下水库3，主流泵1驱动水流在水槽2和地下水库3之间循环，所述的造波机4布置在水槽2的左侧或右侧。

所述的造波机4包括：推波板41、推臂42、推波电机43、旋转平台44和整体升降支架45；所述的推波板41通过推臂42与推波电机43相连；所述的旋转平台44固定在整体升降支架45顶部；所述的推波电机43固定在旋转平台44上。

所述的推波板41包括：推臂牛腿421、固定板411和活动板412，整个推波板41的总高度为模型波高2A，自活动板底缘至固定板顶部；

所述的推臂牛腿421焊接在固定板上；

所述的活动板长度为2A/3并通过连接销钉413固定在固定板411上，连接销钉413固定的位置为固定板411自下而上2A/3位置，固定板411总长度范围为自下而上A/3到2A，活动板412总长度范围为自下而上0到2A/3，其中自下而上A/3到2A/3范围为活动板412固定板411重复部分；

所述的通过连接销钉413固定的活动板412曲线型式与固定板411此长度范围的曲线一致。

经过以上方式连接的活动板412和固定板411在推波时，2A长度的推波板共同向前运动，在后退时底部的活动板412在水流作用下挑起，其中自下而上0到A/3范围推波板不起作用。

在潮流方向与波浪方向成夹角θ时(0<θ<π/2)，所述的固定板411纵剖线采用抛物线型式，曲线方程为y＝sin(x+θ)(0<x<π/2)，推臂牛腿的中心线方程为

且取为正弦曲线的上方，剖线加工尺寸根据模型波高进行正态缩放，即将正弦曲线上点(θ，sinθ)到[(θ+π/2),sin(θ+π/2)]的距离设置为波高2A。

坐标系为右手坐标系，即x轴为水平向，y轴为纵向。

推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/3时即θ＝π/3时的推波板正弦曲线剖面。

所述的推臂包括：推臂支架422、变长曲轴46、连杆47、连杆套471，所述的推臂支架422为伸缩式，所述的变长曲轴46最大可用半径为0.5m，最小可用半径为0.08m，推距为可用半径的2倍，经发明者反复试验得到在模型模拟天然波浪情况下，推距在0.16m到1.0m之间基本包含了所需要模拟波浪的大部分系列。因此变长曲轴46的范围设置为0.08m～0.5m是最优的。

所述的推波电机43采用伺服电机；

所述的旋转平台44通过分为旋转部分和固定部分，固定部分焊接在升降支架上，旋转部分通过轴承和销钉与固定部分相连。

图8为本发明装置的推波板在潮流方向与波浪方向夹角π/3时推波周期为2T_m得到的地形断面。

所述的一种在海岸模型试验中的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置的运行方式为：

将实际波浪周期T_p＝300s，模型长度比尺λ＝1：100，

则模型波浪周期 $T_m=T_p/\sqrt{\mathrm{\&lambda;}}=300/10=30s,$

所述的T_m＝30s为装置推波板运行半周期，即推波板的一个往复周期为2T_m＝60s。

图8中D’1为淤泥质潮滩原型经历1个月风浪斜交作用得到的断面线，D1为模型经历3天推波板运动得到的断面线，两断面线基本一致；

图8中D’6为淤泥质潮滩原型经历6个月风浪斜交作用得到的断面线，D1为模型经历18天推波板运动得到的断面线，两断面线基本一致。

Claims (4)

1.淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，其特征在于：包括：主流泵、水槽、地下水库、造波机；所述的主流泵出口设置在水槽进水端，进口设置在地下水库中；水槽出水端连接地下水库，主流泵驱动水流在水槽和地下水库之间循环，所述的造波机布置在水槽的左侧或右侧；

所述的造波机包括：推波板、推臂、推波电机、旋转平台和整体升降支架；所述的推波板通过推臂与推波电机相连；所述的旋转平台固定在整体升降支架顶部，升降支架由4个千斤顶组成；所述的推波电机固定在旋转平台上；

所述的推波板包括：推臂牛腿、固定板和活动板，自活动板底缘至固定板顶部整个推波板的总高度为模型波高2A；

所述的推臂牛腿焊接在固定板上；

所述的活动板长度为2A/3并通过连接销钉固定在固定板上，连接销钉固定的位置为固定板自下而上2A/3位置，固定板总长度范围为自下而上A/3到2A，活动板总长度范围为自下而上0到2A/3，其中自下而上A/3到2A/3范围为活动板固定板重复部分；

所述的通过销钉固定的活动板曲线型式与固定板此长度范围的曲线一致；

所述的固定板纵剖线包括如下三种型式：

以下各剖线通过方程表示，坐标系为右手坐标系，即x轴为水平向，y轴为纵向；

在潮流方向与波浪方向相同时采用直线型式，直线方程为x＝0，-A≤y≤A，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

在潮流方向与波浪方向相互垂直时采用抛物线型式，抛物线方程为x＝y²/50，-A≤y≤A，2A为模型波高，推臂牛腿的中心线与x轴重合，且取为y轴的左侧；

在潮流方向与波浪方向成夹角θ时0<θ<π/2，采用正弦曲线，曲线方程为y＝sin(x+θ)(0<x<π/2)，推臂牛腿的中心线方程为 $y-\frac{cos\mathrm{\&theta;}+sin\mathrm{\&theta;}}{2}=\frac{\mathrm{\&pi;}}{2(1-sin\mathrm{\&theta;})}(x-\frac{\mathrm{\&theta;}+\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}}{2}),$ 且取为正弦曲线的上方，剖线加工尺寸根据模型波高进行正态缩放，即将正弦曲线上点(θ，sinθ)到[(θ+π/2),sin(θ+π/2)]的距离设置为波高2A；

所述的推臂包括：推臂支架、变长曲轴、连杆、连杆套，所述的推臂支架为伸缩式，采用4个千斤顶作为支撑，所述的变长曲轴最大可用半径为0.5m，最小可用半径为0.08m。

2.根据权利要求1所述的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，其特征在于：所述的推波电机采用步进电机。

3.根据权利要求1所述的淤泥质潮滩波流斜交模拟水槽装置，其特征在于：所述的旋转平台通过分为旋转部分和固定部分，固定部分焊接在升降支架上，旋转部分通过轴承和销钉与固定部分相连。

4.采用淤泥质潮滩波流斜交水槽装置进行模拟的方法，其特征在于：采用权利要求1所述装置，对淤泥质潮滩波流斜交进行模拟，装置的运行方式为：

将实际波浪周期T_p根据模型长度比尺λ计算为模型波浪周期T_m，

计算公式为： $T_m=T_p/\sqrt{\mathrm{\&lambda;}},$

所述的T_m为装置推波板运行半周期，即推波板的一个往复周期为2T_m。