CN106677117A - 试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，在水槽内横设有海堤模型，在海堤模型上设有挡浪墙，该装置位于海堤模型后方，包括集水槽、集水箱、水位跟踪仪和计算机，集水槽的上端垂直落放在挡浪墙的顶部中央，集水槽的下端是出水口；集水箱的进水口位于集水槽的出水口下方；水位跟踪仪固定在集水箱上，用于测量集水箱内的水位；在计算机内设有数据采集卡，数据采集卡采集水位跟踪仪中的水位数据，计算机调取水位数据生成水位随时间变化的过程曲线，并进行显示和存储。本发明的测量过程不需要工作人员介入，自动完成，结果的准确性较高；测量结果能够真实体现波列中不同大小波所产生的越浪量数值。

Description

试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置

技术领域

本发明涉及一种海堤堤顶越浪量测量装置，特别是一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置。

背景技术

随着我国沿海经济的迅速发展和海上生产活动的日益增多，近年来台风暴潮灾害造成的损失从总体上看呈明显上升趋势。据统计，仅2005年一场台风的侵袭，导致我国沿海堤防损毁10,266处，长度为600.7公里，经济损失达到329.8亿元。作为抵御外海波浪冲击的海堤是保护沿海地区免遭潮、浪袭击的重要工程设施，海堤的破坏将导致严重的后果。大量海堤事故表明：越浪是造成海堤破坏的一个重要原因，其产生的破坏主要表现在三个方面：一是对堤顶及后坡的冲击和冲刷；二是对后坡的掏刷使海堤发生滑坡；三是使海堤土体含水量增大导致海堤失稳。然而堤顶越浪量的影响程度主要受堤顶高程的控制，当超过一定量级后，就可能对堤后结构产生破坏。理论上讲，只要堤顶足够高，越浪是可以避免的。但是，一方面由于按照完全不允许越浪标准设计建造海堤的不经济性。同时，还有由于地基承载力不够，在地基处理条件不具备或虽经处理但达不到要求，堤身高度受到限制；另一方面由于设计水位及波浪要素的不确定性，特别是在风暴潮作用下，越浪量将会大大的增加，因此在现有海堤的设计过程中应该考虑允许部分越浪及后坡保护问题。

当海堤堤顶高程确定后，准确估算出越浪量的量级，对堤后坡采取不同类型防御措施提供科学决策非常必要。目前越浪量估算大致有以下几种方法，分别为数值模拟、物理模型试验和采用经验公式计算三种。然而现有的数值模拟方法，受海堤护面块体复杂形式和波浪破碎等很难进行精细模拟，同时结果也仅仅被有限资料所验证，因此其通用性有待考证。现有计算公式，大多数从试验研究成果总结出来的，适用范围较窄，使用起来有很大的局限性，且彼此之间的计算结果差异也很大。目前对于重要工程，需通过越浪量的大小来确定堤顶高程，通常采用物理模型试验进行测量，以往测量通常依靠人工进入试验水槽中，利用在挡浪墙堤顶安放集水装置对越浪水体进行收集后，采用电子称(或量筒)对一个完整波列所收集到的水体进进行称重，这种方法简称为称重法。称重法虽然操作简单，但其存在较大的局限性，首先对于不同波的越浪冲击量值(表现为越浪形态)，就不能真实反映出来，而这种越浪形态，对于分析越浪水体对后坡行人、车辆及结构物等的影响尤为重要。同时特殊情况下，例如工程上需要采用单个大波所产生越浪量大小来设计后方护坡的强度时，由于无法及时捕捉连续波浪作用所产生的越浪结果，最终只能利用平均越浪量来进行代替，这将给工程设计带来一定的风险。另外人工对水体进行多次称重时，也存在漏水损失，以及误读的可能性；特别是在水槽中进行加风条件试验时，在水槽中的测量者对风速会产生一定的阻碍和干扰作用，这些都将对试验结果产生一定的影响。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，该装置的测量过程不需要工作人员介入，自动完成，结果的准确性较高；且不仅能准确测量平均越浪量，还能测量单个波所产生的最大越浪量，真实反映不同波的越浪形态。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，在水槽内横设有海堤模型，在海堤模型上设有挡浪墙，该装置位于海堤模型后方，包括集水槽、集水箱、水位跟踪仪和计算机，所述集水槽的上端垂直落放在挡浪墙的顶部中央，所述集水槽的下端是出水口；所述集水箱的进水口位于所述集水槽的出水口下方；所述水位跟踪仪固定在所述集水箱上，用于测量所述集水箱内的水位；在所述计算机内设有数据采集卡，所述数据采集卡采集所述水位跟踪仪中的水位数据，所述计算机调取所述水位数据生成水位随时间变化的过程曲线，并同时进行显示和存储。

所述水位跟踪仪为探针式水位跟踪仪，在所述探针式水位跟踪仪的探针下方设有柔性透水消波片，所述柔性透水消波片浮在所述集水箱内。

所述探针式水位跟踪仪设有显示屏。

所述集水槽包括上下两段，上段为伸缩段，下段为旋转段，所述上段的下部插装在所述下段的上部内，二者形成滑动连接并采用螺栓Ⅰ固定，所述下段的下部两侧各设有一支撑柱，所述支撑柱的下端固接在所述集水箱上，在所述支撑柱上设有竖向长孔，所述下段采用穿装在所述竖向长孔内的螺栓Ⅱ紧固在所述支撑柱上。

所述上段采用弯折结构，所述上段的上部水平设置，所述上段的下部倾斜设置，二者的夹角为120°。

在所述集水箱的底部设有行走轮。

在所述集水箱上安装有抽水泵。

所述集水箱是采用透明亚克力制成的。

本发明具有的优点和积极效果是：采用水位跟踪仪实时测量每个越堤波浪所产生的越浪量，利用计算机反映波浪作用的整个时间过程中不同波的越浪形态，测量结果能够真实体现波列中不同大小波所产生的越浪量数值，工程设计人员利用所测的结果，可对海堤挡浪墙采取不同设计高程，与以往只能简单的采用平均越浪量来代替不同，这样的设计更符合实际情况；采用本发明不仅能够获得平均越浪量，而且也可以获得波列中单个大波所产生的最大越浪量，从而弥补了称重法的不足，研究成果可供工程设计参考；采用本发明进行测量的过程不需要人为介入，自动完成，结果的准确性较高；并且本发明结构简单，装拆灵活，可全方位精确调节固定集水槽位置，无需人工握持，调节方便快捷，操作简便，节约人力物力，能够加快整个试验进度；可以在现有实验水槽的基础上进行安装，并且加装之后不会影响实验水槽其它实验功能的实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为图1的B-B剖视图；

图4为图1的C-C剖视图；

图5为图1的D-D剖视图。

图中：1、海堤模型；1-1、挡浪墙；2、集水槽；2-1、上段；2-2、下段；3、水位跟踪仪；4、集水箱；5、计算机；6、柔性透水消波片；7、支撑柱；8、行走轮；9、抽水泵。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1～图5，一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，在水槽内横设有海堤模型1，在海堤模型1上设有挡浪墙1-1，该装置位于海堤模型后方，包括集水槽2、集水箱4、水位跟踪仪3和计算机5，所述集水槽2的上端垂直落放在挡浪墙1-1的顶部中央，所述集水槽2的下端是出水口；所述集水箱4的进水口位于所述集水槽2的出水口下方，所述水位跟踪仪3固定在所述集水箱4上，用于测量所述集水箱4内的水位，在所述计算机5内设有数据采集卡，所述数据采集卡采集所述水位跟踪仪3中的水位数据，所述计算机5调取所述水位数据生成水位随时间变化的过程曲线，并同时进行显示和存储。

在本实施例中，所述水位跟踪仪3为探针式水位跟踪仪，在所述探针式水位跟踪仪的探针下方设有柔性透水消波片6，所述柔性透水消波片6浮在所述集水箱4内。柔性透水消波片6的设置能够使探针式水位跟踪仪测得较为稳定、精确的水位数据。所述探针式水位跟踪仪3设有显示屏，以便于实时地直观地获取水位数据。在本实施例中，为了扩大本发明的适用范围，使本发明能够适用不同尺寸的海堤模型，所述集水槽2包括上下两段，上段2-1为伸缩段，下段2-2为旋转段，所述上段2-1的下部插装在所述下段2-2的上部内，二者形成滑动连接并采用螺栓Ⅰ固定，上述结构使所述上段2-1的长度可调。所述下段2-2的下部两侧各设有一支撑柱7，所述支撑柱7的下端固接在所述集水箱4上，在所述支撑柱7上设有竖向长孔，所述下段2-2采用穿装在所述竖向长孔内的螺栓Ⅱ紧固在所述支撑柱7上。上述结构使所述下段2-2的倾斜角度和上下位置可调。为了使结构紧凑稳定，所述上段2-1采用弯折结构，所述上段2-1的上部水平设置，所述上段2-1的下部倾斜设置，二者的夹角为120°。为了便于移动，在所述集水箱4的底部设有行走轮8。为了便于箱内水的排出，在所述集水箱4上安装有抽水泵9。为了便于观察箱内的水位，所述集水箱4是采用透明亚克力制成的。

本发明的使用：

1)水槽试验开始前，对水位跟踪仪3进行标定，并记录其显示屏上初始液面的数值，作为每次试验前初设值。

2)调试、安装集水箱4，根据海堤模型1摆放的位置，将集水箱4放置在其堤后合理的位置，并进行相应调试。

3)调节集水槽2的高度和角度。根据海堤模型1断面挡浪墙的高程和形式，首先调节下段2-2的角度和高度，然后再通过下段2-2调节上段2-1的长度，最终使集水槽2的上端正好放置在堤顶挡浪墙的中部位置，保证越浪稳定性。

4)连接水位跟踪仪3与计算机5之间的电缆，并在通电后进行相应调试。

5)连接集水箱4上抽水泵9的工作电源，并进行相应调试。

6)开始试验前，再次检测整个装置的线路。然后开始试验，计算机5同步进行数据采集，在波浪作用下，入射波浪由海堤模型挡浪墙1-1越至后方，通过集水槽2进入集水箱4，水位跟踪仪3实时显示水面变化高度，计算机同时采集不同时间的水面高度数据，并直接画出水位随时间的变化过程曲线。

7)由采集的水位变化数据，再根据下列公式可得出越浪量。

式中：q—单宽平均(或单个波)越浪量(m³/(m·s))；

Δh—一个波列(或单个波)作用下的越浪水体在水箱中上升的高度(m)；

S—集水箱的面积(m²)，为一定值；

b—集水槽宽度(m)，为一定值；

t—一个波列(或单个波)作用的持续时间(s)。

8)一组试验完成后，通过透明水箱壁观测箱体内水位的高度，若水体高度小，表明试验越浪较小，则可继续进行下组试验。若水体高度大，表明越浪较大，则通过自动抽水泵10进行自动排水，再进行下组次试验。

9)整个试验完成后，需要对整个装置进行擦干保养。

本发明的特点：

一)与现有称重法的区别：

现有称重法：利用人工把持收集装置，通过收集一个波列(一般100个波以上)作用下海堤模型挡浪墙上总越浪的水体，利用电子秤(或量筒)进行称重，得到总越浪量除以波浪作用时间和堤宽得到平均越浪量，即为称重法。由于收集过程是波浪是连续作用的，因此无法得出具体的单个波的越浪量，不能反映波浪越浪形态，但实际情况是一个波列中波浪大小不一，单个波浪的越浪大小也不相同。近年来的研究表明，在海堤模型与堤后结构的安全性评价和堤顶行人与车辆等的危险因素分析中，单个波越浪量和越浪形态比常用的平均越浪量能更真实地反映出堤顶越浪的影响，是更为合适的越浪量评估指标，但是采用现有称重法无法获得单个波的越浪量和越浪形态。而本发明利用跟踪式水位跟踪仪显示屏的实时显示功能，或外接计算机采集整个过程不同时间对应水位变化，得到变化水位Δh与固定箱体面积S的乘积，得到越堤水体体积，既可得出不同时刻每个波所产生的越浪量，获得越浪形态，同时还可以统计整个过程的平均越浪量。

二)水槽中进行加风条件下越浪试验时，采用传统测量方法与采用本发明进行测量对越浪结果的影响不同：

传统方法：需要工作人员进入水槽把持集水装置，因此在水槽中进行加风试验时，站在水槽中的工作人员对风速会产生一定的阻碍和干扰作用，从而减小了试验所需风速，所测越浪量结果将偏小。采用本发明进行测量时，整个过程不需要工作人员介入，整个测量过程自动完成，且整套装置位于海堤模型后方，对风速基本不产生影响，提高了试验精度。

三)为减小越浪水体在跌落箱体后产生的水波影响，本发明增加了可以随水位自由升降的柔性透水消波片，用以保证探针式水位跟踪仪测针一定范围内的水面平静，进而增加水位测量的精度。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，在水槽内横设有海堤模型，在海堤模型上设有挡浪墙，其特征在于，该装置位于海堤模型后方，包括集水槽、集水箱、水位跟踪仪和计算机，所述集水槽的上端垂直落放在挡浪墙的顶部中央，所述集水槽的下端是出水口；

所述集水箱的进水口位于所述集水槽的出水口下方；

所述水位跟踪仪固定在所述集水箱上，用于测量所述集水箱内的水位；

在所述计算机内设有数据采集卡，所述数据采集卡采集所述水位跟踪仪中的水位数据，所述计算机调取所述水位数据生成水位随时间变化的过程曲线，并同时进行显示和存储。

2.根据权利要求1所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，所述水位跟踪仪为探针式水位跟踪仪，在所述探针式水位跟踪仪的探针下方设有柔性透水消波片，所述柔性透水消波片浮在所述集水箱内。

3.根据权利要求2所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，所述探针式水位跟踪仪设有显示屏。

4.根据权利要求1所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，所述集水槽包括上下两段，上段为伸缩段，下段为旋转段，所述上段的下部插装在所述下段的上部内，二者形成滑动连接并采用螺栓Ⅰ固定，所述下段的下部两侧各设有一支撑柱，所述支撑柱的下端固接在所述集水箱上，在所述支撑柱上设有竖向长孔，所述下段采用穿装在所述竖向长孔内的螺栓Ⅱ紧固在所述支撑柱上。

5.根据权利要求4所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，所述上段采用弯折结构，所述上段的上部水平设置，所述上段的下部倾斜设置，二者的夹角为120°。

6.根据权利要求1所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，在所述集水箱的底部设有行走轮。

7.根据权利要求1所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，在所述集水箱上安装有抽水泵。

8.根据权利要求1所述的试验室水槽试验海堤堤顶越浪量自动测量装置，其特征在于，所述集水箱是采用透明亚克力制成的。