CN107447721A - 兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置及方法。该装置包括试验水池系统、造波系统、加沙清沙系统、监测系统、控制系统；造波系统采用移动式造波机与固定式造波机、直立式消能箱与斜坡式消能网相结合的布置，能实现三向规则波、多向不规则波的模拟；加沙清沙系统可多断面移动式加沙，并能实现自动清沙功能；监测系统和控制系统可实现装置的闭环控制，使装置按照给定的加沙时空过程曲线，实现与波浪同步匹配加沙的模拟试验。本发明既能产生多方向多波形的波浪，又能保证试验加沙的稳定性，实现了自动、移动式、多向造波加沙的功能，且能循环利用试验水沙，具备自动清沙功能，有效的降低了试验成本。

Description

兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置及方法

技术领域

本发明属于一种近海工程浑水波浪试验装置，特别涉及一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置及方法。

背景技术

实体物理模型试验是河口、海岸等近海区域涉水工程设计和理论研究不可或缺的一种科学方法。近海区域水流波浪泥沙环境复杂，工程结构物受力及结构物附近水域的冲淤变化也十分复杂。

对于港口建设、航道整治、海岸开发、造岛及护岸等涉水工程，在自然条件下及工程实施后的水下地形冲淤及工程结构物的受力状况，都是工程设计时要研究的关键问题。一套能满足移动式造波，并耦合泥沙作用的浑水试验装置是研究和解决港口、海岸与近海工程波浪泥沙问题的重要手段之一。

现有的浑水波浪试验装置不能很好的实现与波浪同步匹配加沙量的模拟，与造波系统的耦合性常常不能满足试验要求，一次试验后，不能很好地自动沉沙清沙、循环利用。另外，对于以舟山群岛为代表的群岛地形，受到钱塘江、长江口及湾外海域等多个方向的来沙来浪作用，而现有的浑水波浪试验装置的造波设备只能产生固定方向的特定波形波浪，其加沙设备也无法同时在多个加沙断面之间自由移动，使得其不能满足多向来沙来浪的近海涉水工程的模拟试验要求。

故针对多向来沙来浪的近海工程，需发明一种能多向多波形造波，多断面移动式加沙，循环利用试验水沙，实现波浪和泥沙耦合功能的试验装置，以提高试验的可靠性，经济性，为波浪、泥沙和工程结构物的相互作用研究提供重要手段。

发明内容

针对现有技术的浑水波浪试验装置的不足，本发明提供一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，该装置能多向造波且能产生多种波形波浪，多断面加沙，并能循环利用试验水沙，可按照给定的加沙时空过程曲线，实现与波浪同步匹配加沙量的模拟，以满足近海区域涉水工程设计和理论研究的需要。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，包括试验水池系统、造波系统、加沙清沙系统、监测系统、控制系统。

上述各系统可以采用如下的优选方式实现，且各技术特征在没有相互冲突的情况下均可进行组合：

试验水池系统由试验水池、地下水库、排水孔组成；造波系统包括抽水泵群、造波装置、消能装置；加沙清沙系统由地下水库沉沙池、浑水储备搅拌池、加沙搅拌池、泥浆泵、搅拌器、含沙量仪、固定式循环加沙管道、移动式加沙管道、开关阀、调节阀、加沙喷嘴组成；监测系统由波高仪、流速流向仪组成；控制系统包括造波控制柜、加沙控制柜。

试验水池系统包括试验水池、地下水库、排水孔。其中试验水池是涉水工程结构物布设区域；地下水库位于试验水池下方，作为储存收集试验用水的场所，试验水池底部设有排水孔，用于将试验水池中的水体排入地下水库，以便下次试验循环使用。

造波系统包括抽水泵群、造波装置、消能装置；所述抽水泵群由过滤器、水泵、止水消能罩组成，沿试验水池三边均匀布置，安装在试验水池下方，用于向试验水池中注水，以便造波机造波。

水泵通过输水管与地下水库相连；过滤器安装在位于地下水库的输水管末端处，用于防止泥沙进入输水管道；止水消能罩设置在水泵上方，通过输水管与水泵相连，用于减弱水流的湍动能，水流经止水消能罩消能后进入试验水池。

造波装置由固定式造波机和移动式造波机组成，对称布置在试验水池三边边壁处；其中移动式造波机安装在试验水池一短边边壁处、及与其相邻的二分之一长边的边壁处，能达到移动造波效果，与固定式造波机相互结合可产生从多个方向产生二阶Stokes波、孤立波、椭圆余弦波等规则波，以及港口水文规范谱、J谱、B谱等不规则波。

消能装置包括直立式消能箱与斜坡式消能网，直立式消能箱安装在造波装置后方，体积较小，节省水池空间；斜坡式消能网安装在未安装造波机的水池边壁处，节省造价。

优选的，所述直立式消能箱采用三层不锈钢骨架结构，内部填充消能塑料块，斜坡式消能网为网状结构，开孔率为50％，内部由消能塑料块填充；消能装置可消除90％以上的反射波。

所述加沙清沙系统包括地下水库沉沙池、浑水储备搅拌池、加沙搅拌池、泥浆泵、搅拌器、含沙量仪、固定式循环加沙管道、移动式加沙管道、开关阀、调节阀、加沙喷嘴，用于实现本发明加沙部分的功能。地下水库沉沙池位于地下水库下方，通过两侧的混凝土隔板与地下水库隔开，试验结束后的含沙水体经重力作用沉降后，高含沙量的浑水聚集在地下水库沉沙池中。

所述浑水储备搅拌池通过输沙管道与地下水库沉沙池相连，输沙管道上布置有泥浆泵，用于将高含沙浑水从地下水库沉沙池转移到浑水储备搅拌池。加沙搅拌池位于浑水储备搅拌池一侧，通过输沙管道与浑水储备搅拌池相连通，输沙管道上布置有泥浆泵，用于将浑水从浑水储备搅拌池输送到加沙搅拌池。

进一步地，所述浑水储备搅拌池和加沙搅拌池中均布置有搅拌器，用于使含沙浑水搅拌均匀，便于输运；含沙量仪布置在加沙搅拌池中，用于监测加沙搅拌池中悬沙浓度。

所述固定式循环加沙管道底端布置在加沙搅拌池中，顶端安装在试验水池上方，固定式循环加沙管道上设有泥浆泵，实现配置好的砂浆的自动循环，防止管道的堵塞。固定式循环加沙管道顶端设有两个出口，与移动式加沙管道连接。所述开关阀位于固定式循环加沙管道和移动式加沙管道之间，开关阀开启，砂浆通过固定式循环加沙管道进入移动式加沙管道。

所述移动式加沙管道为柔性管道，安装在试验水池上方，可进行自由移动。调节阀设置在移动式加沙管道末端，用于调节出沙流量。加沙喷嘴通过调节阀与移动式加沙管道相连，用于将砂浆投入试验水池的加沙断面。

所述监测系统由波高仪、流速流向仪组成。波高仪和流速流向仪安装在试验水池中，并与控制系统的造波控制柜相连，实时将边界处的波高、流速及流向数据反馈到控制系统中。

所述控制系统包括造波控制柜、加沙控制柜，位于试验水池边上。造波控制柜连接并控制固定式造波机、移动式造波机，同时连接波高仪和流速流向仪，根据波高仪和流速流向仪反馈的波高、流速、流向数据，修改造波机参数，从而在多个方向产生多种类型的规则波及不规则波，实现闭环控制。

加沙控制柜连接并控制泥浆泵、搅拌器、开关阀、移动式加沙管道、调节阀，通过控制开关阀启闭，移动移动式加沙管道，调节调节阀开度，可按照给定的加沙时空过程曲线，实现与波浪同步匹配的，在规定加沙断面进行加沙的试验；同时连接含沙量仪，根据含沙量仪反馈的悬沙浓度数据，决定是否要往加沙搅拌池中加沙或加水。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过控制造波机移动及造波机造波参数，能从多个方向产生多类型的规则波、不规则波和自定义波等预设波形，并通过检测系统的反馈数据实现闭环控制，实时纠正造波误差。

(2)本发明可多断面移动式加沙，可按照给定的加沙时空过程曲线，实现与波浪同步匹配加沙量的模拟试验。

(3)本发明通过浑水储备搅拌池、加沙搅拌池的二次转运浑水砂浆，实现了对砂浆浓度有效的控制，并且通过二次搅拌，保证了砂浆的浓度均一性,配置好的砂浆在固定式循环加沙管道中能实现自动循坏流动，避免了加沙管道的堵塞。

(4)本发明可循环利用试验水体及泥沙，试验后地下水库内的泥沙在重力作用下自动沉淀至地下水库沉沙池，沉沙输送到浑水储备搅拌池循环利用的同时，也实现了自动清沙功能。

附图说明

图1是本发明所述装置的平面布局图；

图2是本发明所述装置的立面布置图；

图3是本发明所述装置的直立式消能箱三视图，其中a)为主视图，b)为侧视图，c)为俯视图；

图4是本发明所述装置的斜坡式消能立面图；

图中：1试验水池、2抽水泵群、3监测系统、4造波控制柜、5加沙控制柜、6浑水储备搅拌池、7加沙搅拌池、8移动式造波机、9固定式造波机、10直立式消能箱、11斜坡式消能网、12地下水库、13地下水库沉沙池、14排水孔、15过滤器、16水泵、17止水消能罩、18波高仪、19流速流向仪、20泥浆泵、21搅拌器、22含沙量仪、23固定式循环加沙管道、24开关阀、25移动式加沙管道、26调节阀、27加沙喷嘴、28混凝土隔板

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能理解为对本发明的限制。

如图1至图2所示，一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，包括试验水池系统、造波系统、加沙清沙系统、监测系统3、控制系统。各系统的实现方式如下：

试验水池系统包括试验水池1、地下水库12、排水孔14。其中试验水池1是涉水工程结构物布设区域；地下水库12位于试验水池1下方，作为储存收集试验用水的场所，试验水池底部设有排水孔14，用于将试验水池中的水体排入地下水库12，以便下次试验循环使用。

造波系统包括抽水泵群2、造波装置、消能装置；抽水泵群2由过滤器15、水泵16、止水消能罩17组成，沿试验水池三边均匀布置，安装在试验水池下方；水泵16通过输水管与地下水库12相连；过滤器15安装在位于地下水库12的输水管末端处，用于防止泥沙进入输水管道；止水消能罩17设置在水泵16上方，通过输水管与水泵16相连，用于减弱水流的湍动能，水流经止水消能罩17消能后，进入试验水池1。

造波装置由移动式造波机8和固定式造波机9组成，对称布置在试验水池1三边边壁处，其中移动式造波机8安装在试验水池1一短边边壁处、及与其相邻的二分之一长边的边壁处，能达到移动造波效果。

消能装置包括直立式消能箱10与斜坡式消能网11，直立式消能箱10安装在造波装置后方，体积较小，节省水池空间；斜坡式消能网11安装在未安装造波机的试验水池1边壁处，节省造价。

加沙清沙系统包括地下水库沉沙池13、浑水储备搅拌池6、加沙搅拌池7、泥浆泵20、搅拌器21、含沙量仪22、固定式循环加沙管道23、开关阀24、移动式加沙管道25、调节阀26、加沙喷嘴27。地下水库沉沙池13位于地下水库12下方，通过两侧的混凝土隔板28与地下水库12隔开，试验结束后的含沙水体经重力作用沉降后，高含沙量的浑水聚集在地下水库沉沙池13中。

浑水储备搅拌池6通过输沙管道与地下水库沉沙池13相连，输沙管道上布置有泥浆泵20，用于将高含沙浑水从地下水库沉沙池13转移到浑水储备搅拌池6。加沙搅拌池7通过输沙管道与浑水储备搅拌池6相连通，输沙管道上布置有泥浆泵20，用于将浑水从浑水储备搅拌池6输送到加沙搅拌池7。浑水储备搅拌池6和加沙搅拌池7中均布置有搅拌器21，用于使含沙浑水搅拌均匀。含沙量仪22布置在加沙搅拌池7中，用于监测加沙搅拌池7中悬沙浓度。

固定式循环加沙管道23底端布置在加沙搅拌池7中，顶端安装在试验水池1上方，固定式循环加沙管道23上设有泥浆泵20，实现配置好的砂浆的自动循环，防止管道的堵塞。固定式循环加沙管道23顶端设有两个出口，通过开关阀24与移动式加沙管道25连接。移动式加沙管道25为柔性管道，安装在试验水池上方，可进行自由移动。加沙喷嘴27通过调节阀26与移动式加沙管道25相连，调节阀26用于调节出沙流量，砂浆经加沙喷嘴27投入试验水池1的加沙断面。

监测系统3由波高仪18、流速流向仪19组成。波高仪18和流速流向仪19安装在试验水池1中，并与控制系统的造波控制柜4相连，实时将边界处的波高、流速及流向数据反馈到控制系统中。

控制系统包括造波控制柜4、加沙控制柜5，位于试验水池1边上。造波控制柜4连接并控制移动式造波机8、固定式造波机9，同时连接波高仪18和流速流向仪19，根据波高仪18和流速流向仪19反馈的波高、流速、流向数据，修改造波机参数，从而在多个方向产生多种类型的规则波及不规则波，实现闭环控制。

加沙控制柜5连接并控制泥浆泵20、搅拌器21、开关阀24、移动式加沙管道25、调节阀26。通过控制开关阀24启闭，移动移动式加沙管道25，调节调节阀26开度，可按照给定的加沙时空过程曲线，实现与波浪同步匹配的，在规定加沙断面进行加沙的试验；同时连接含沙量仪22，根据含沙量仪22反馈的悬沙浓度数据，决定是否要往加沙搅拌池中加沙或加水。

如图3所述，直立式消能箱10采用三层不锈钢骨架结构，内部间断填充消能塑料块10-1；如图4所述，所述斜坡式消能网11为网状结构，开孔率为50％，内部由消能塑料块11-1填充。

采用本发明的浑水波浪模型试验装置来实现移动加沙造波、自动清沙的方法，包括以下步骤：

步骤1：准备工作

在试验水池1中修建涉水工程结构物。向地下水库12中注入适量清水，向浑水储备搅拌池6中倒入满足试验要求粒径的泥沙及清水，按照给定的造波过程曲线在造波控制柜4上设定好移动式造波机8、固定式造波机9的参数。在加沙控制柜5上输入给定的加沙时空过程曲线。

步骤2：开启造波系统

在造波控制柜4上启动水泵16的电机，开始试验，水泵16从地下水库12中抽水，经过止水消能罩17的消能处理，将清水注入试验水池1，同时波高仪18和流速流向仪19实时测量试验水池1中造波系统附近的波高、流速及流向数据，并将其反馈到造波控制柜4上，造波控制柜4实时修正误差，将修改后的控制参数发送给移动式造波机8及固定式造波机9，实现闭环控制。

步骤3：开启加沙清沙系统

造波系统开启后，在加沙控制柜5上启动连接浑水储备搅拌池6和加沙搅拌池7之间的泥浆泵20，以及固定式循环加沙管道23上的泥浆泵20，再启动搅拌器21，根据含沙量仪22显示的数据决定是否往加沙搅拌池7中加沙或加水。待含沙量仪22读数稳定不变后，在加沙控制柜5上打开开关阀24，移动式加沙管道25根据给定的加沙时空过程曲线自动移动到加沙断面，调节阀26根据给定的加沙时空过程曲线自动调整阀门开度，实现与波浪同步匹配的、在规定加沙断面进行加沙的浑水波浪试验。

步骤4：试验结束

试验结束后，在造波控制柜4上关闭造波系统，在加沙控制柜5上关闭加沙清沙系统。打开排水孔14，试验水池1中水体流入地下水库12，浑水中的泥沙经重力作用自动沉淀至地下水库沉沙池13。

步骤5：再次试验

待地下水库中的泥沙大部分自动沉淀至地下水库沉沙池13后，进行下一轮试验。在加沙控制柜5上启动浑水储备搅拌池6与地下水库沉沙池13之间的泥浆泵20，将高浊度的浑水抽至浑水储备搅拌池6中，实现自动清沙功能。随后进行上述步骤2-4，此处不再复述。

本发明的创新点在于，通过控制造波机移动及造波机造波参数，能从多个方向产生多类型的规则波、不规则波和自定义波等预设波形，并通过检测系统的反馈数据实现闭环控制，实时纠正造波误差；同时，本发明可按照给定的加沙时空过程曲线，自动控制移动式加沙管道的移动及调节阀的开度，实现与波浪同步匹配的多断面加沙模拟试验；另外，本发明通过浑水储备搅拌池、加沙搅拌池的二次转运浑水砂浆，实现了对砂浆浓度有效的控制，并且通过二次搅拌，保证了砂浆的浓度均一性，配置好的砂浆在固定式循环加沙管道中能实现自动循坏流动，避免了加沙管道的堵塞；最后，本发明可循环利用试验水沙，试验后地下水库内的泥沙在重力作用下自动沉淀至地下水库沉沙池，沉沙输送到浑水储备搅拌池循环利用的同时，也实现了自动清沙功能，有效的降低了试验成本，经济环保。

以上描述了本发明的基本原理、控制方法及优点，但本发明不受上述实施例的限制，应当指出，在不脱离本发明原理和范围的前提下，本发明还会有若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：包括试验水池系统、造波系统、加沙清沙系统、监测系统、控制系统；

所述试验水池系统包括试验水池、地下水库、排水孔；所述地下水库位于试验水池下方，所述试验水池底部设有排水孔，用于将试验水池中的水体排入地下水库，以便下次试验循环使用；

所述造波系统包括抽水泵群、造波装置、消能装置；抽水泵群沿试验水池三边均匀布置，安装在试验水池下方，用于向试验水池中注水，以便造波机造波；所述抽水泵群由过滤器、水泵、止水消能罩组成；水泵通过输水管与地下水库相连；过滤器安装在位于地下水库的输水管末端处，用于防止泥沙进入输水管道；所述止水消能罩设置在水泵上方，用于减弱水流的湍动能，水流经止水消能罩消能后进入试验水池；所述造波装置由固定式造波机和移动式造波机组成，沿试验水池三边布置，其中移动式造波机安装在试验水池一短边边壁处、及与其相邻的二分之一长边的边壁处，能达到移动造波效果；所述固定式造波机和移动式造波机在试验水池中对称布置；

所述消能装置包括直立式消能箱与斜坡式消能网，直立式消能箱安装在造波装置后方，斜坡式消能网安装在未安装造波机的水池边壁处；

所述的加沙清沙系统用于向试验水池的断面进行加沙，并实现自动清沙；

所述的监测系统用于监测试验过程参数；

所述的控制系统用于对各设备进行中央控制。

2.根据权利要求1所述的一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：所述加沙清沙系统包括地下水库沉沙池、浑水储备搅拌池、加沙搅拌池、泥浆泵、搅拌器、含沙量仪、固定式循环加沙管道、移动式加沙管道、开关阀、调节阀、加沙喷嘴；所述地下水库沉沙池位于地下水库下方，用于收集经重力作用沉降下来的泥沙所述浑水储备搅拌池通过输沙管道与地下水库沉沙池相连，输沙管道上布置有泥浆泵；加沙搅拌池通过输沙管道与浑水储备搅拌池相连通，输沙管道上布置有泥浆泵；所述浑水储备搅拌池和加沙搅拌池中均布置有搅拌器，用于使含沙浑水搅拌均匀；所述含沙量仪布置在加沙搅拌池中，用于监测加沙搅拌池中悬沙浓度。

3.根据权利要求2所述的一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：所述固定式循环加沙管道底端布置在加沙搅拌池中，顶端安装在试验水池上方，固定式循环加沙管道上设有泥浆泵，实现配置好的砂浆的自动循环；所述固定式循环加沙管道顶端设有两个出口，通过开关阀与移动式加沙管道连接；所述移动式加沙管道为柔性管道，安装在试验水池上方，可进行自由移动；所述加沙喷嘴通过调节阀与移动式加沙管道相连；所述调节阀用于调节出沙流量，砂浆经加沙喷嘴投入试验水池的加沙断面。

4.根据权利要求1所述的一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：所述监测系统由波高仪、流速流向仪组成，所述波高仪和流速流向仪安装在试验水池中，并与控制系统的造波控制柜相连，实时将边界处的波高、流速及流向数据反馈到控制系统中。

5.根据权利要求1所述的一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：所述控制系统包括造波控制柜、加沙控制柜；所述造波控制柜连接并控制固定式造波机、移动式造波机，同时连接波高仪和流速流向仪，根据波高仪和流速流向仪反馈的波高、流速、流向数据，修改造波机参数，实现闭环控制；

所述加沙控制柜同时连接并控制泥浆泵、搅拌器、开关阀、移动式加沙管道、调节阀和含沙量仪，自动控制加沙和加水。

6.根据权利要求1所述的一种兼具自动清沙功能的移动加沙造波浑水模型试验装置，其特征在于：所述直立式消能箱采用三层不锈钢骨架结构，内部填充消能塑料块；斜坡式消能网为网状结构，内部由消能塑料块填充。

7.一种利用如权利要求1～6任一所述浑水模型试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：在试验水池中设置涉水工程结构物；向地下水库中注入适量清水，向浑水储备搅拌池中倒入满足试验要求粒径的泥沙及清水，按照给定的造波过程曲线在造波控制柜上设定好移动式造波机、固定式造波机的参数；在加沙控制柜上输入给定的加沙时空过程曲线；

步骤2：在造波控制柜上启动水泵的电机，开始试验，水泵从地下水库中抽水，经过止水消能罩的消能处理，将清水注入试验水池，同时波高仪和流速流向仪实时测量试验水池中造波系统附近的波高、流速及流向数据，并将其反馈到造波控制柜上，造波控制柜实时修正误差，将修改后的控制参数发送给移动式造波机及固定式造波机，实现闭环控制；

步骤3：造波系统开启后，在加沙控制柜上启动连接浑水储备搅拌池和加沙搅拌池之间的泥浆泵，以及固定式循环加沙管道上的泥浆泵，再启动搅拌器，根据含沙量仪显示的数据决定是否往加沙搅拌池中加沙或加水；待含沙量仪读数稳定不变后，在加沙控制柜上打开开关阀，移动式加沙管道根据给定的加沙时空过程曲线自动移动到加沙断面，调节阀根据给定的加沙时空过程曲线自动调整阀门开度，实现与波浪同步匹配的、在规定加沙断面进行加沙的浑水波浪试验；

步骤4：试验结束后，在造波控制柜上关闭造波系统，在加沙控制柜上关闭加沙清沙系统；打开排水孔，试验水池中水体流入地下水库，浑水中的泥沙经重力作用自动沉淀至地下水库沉沙池；等待进行下一轮试验。