CN108332901B - 波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法 - Google Patents

Abstract

波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，包括一模拟装置，模拟试验的过程包括准备步骤、试验步骤；所述准备步骤，首先，根据模拟试验工况的要求，确定水动力参数和沉积物类型，然后完成沉积物样品的制备与铺设、设备安装和连接；所述水动力参数包括模拟的水深、波浪类型及波浪参数；其次，在仓体内预先装入水体，开启搅拌机构，在搅拌的同时将模拟试验用的沉积物样品倒入仓体内；向仓体内加入水并密封，然后让沉积物静止固结；所述试验步骤包括工况模拟和数据获取。本发明提高了水槽试验的准确度，减小因等比缩小引起的误差；将复杂的波浪运动过程简化为一定体积水量的变化来控制海床表面波压力的变化，大大减小了传统水槽的体积和成本。

Description

波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法

技术领域

本发明涉及沉积物孔压测量方法，属于海洋地质工程领域，尤其涉及一种全尺寸的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法。

背景技术

海洋沉积物是指各种海洋沉积作用所形成的海底沉积物的总称，以海水为介质沉积在海底的物质，沉积产生原因包括物理的、化学的和生物的多种因素，这些沉积物的形成过程往往不是孤立地进行，大多都是综合作用产生的地质体。

海底沉积物在波浪反复运动的条件下可能会发生液化现象，沉积物液化会导致土体承载力大幅度减小、海上工程设施失稳，危害人员安全和造成财产损失，严重的甚至会引发地质或海洋灾害。

室内水槽试验是一种研究波浪作用下沉积物液化的重要方法，通过使用等比例缩小的水槽模拟，可以研究不同波浪条件下沉积物内部孔压响应过程，分析孔压变化特征和影响因素，进而研究和判断出沉积物的液化现象。室内水槽试验的结果对数值模型和数值计算有着检验和指导的作用，与原位监测相比也有着操作简单、可控性高、经济实惠等优点，是液化研究中不可或缺的一种重要手段。

沉积物和水在等比例缩小后对室内水槽试验的影响方面，由于水分子的特性按照一定比例缩小后，该缩小比例与水分子大小相比无太大影响，水动力条件可以较为准确地进行模拟。但沉积物的颗粒大小属于肉眼可分别的状态，缩小后存在一定的误差。由于上覆水体深度较小，存在水动力作用的影响深度限制，因此水槽中沉积物厚度均较小，无法反映更深层海底沉积物内部孔压变化情况。水槽试验不够准确则会影响一系列后续数值模型参数的选取及构建，给波浪作用下液化研究带来不良的影响。另外，现有的水槽试验均为开放状态下操作，能够模拟的水动力范围有限。

如中国专利(申请公布号CN105953971A)公开了一种“基于振动液化原理的滩浅海孔隙水压力原位观测系统”，包括液化振动装置、孔隙水压力观测系统以及用于布放和回收的辅助船。液化振动装置包括振动箱、活塞振动系统、护筒、防沉降圆盘和透水的柔性材料；孔隙水压力观测系统包括孔隙水压力观测探杆内部设有孔隙水压力采集舱、孔隙水压力传感器，顶部设有浮体并连接孔压布放缆；布放时通过辅助船将液化振动装置和孔隙水压力观测系统至海床面，通过液化振动装置使海床土体发生局部液化，完成孔隙水压力观测系统的布放；通过辅助船上的控制系统调节控制液化振动装置的振动频率，可实现不同海床条件下孔隙水压力观测系统的布放。该系统采用振动液化原理对孔隙水压力进行测量，属于原位测量系统，受现场条件和环境限制，其并不能实现多种海浪作用下的孔压响应模拟测量。

发明内容

本发明的目的是提供一种全尺寸的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，用于解决现有测量方法的缺陷。

本发明通过以下技术方案予以实现：

波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，包括一模拟装置，所述模拟装置包括水槽试验仓、水泵系统；所述水槽试验仓包括仓体、搅拌机构和孔压监测机构，仓体为高度在4m以上的密封筒体，仓体内填充沉积物和水体，用于实现密封的波浪作用下1：1比例沉积物的内部孔压模拟响应；所述搅拌机构包括搅拌电机和搅拌机，搅拌机安装在仓体下部由搅拌电机驱动；所述水泵系统包括输送水泵、控制机构，所述输送水泵通过管道与仓体内部连通，控制机构通过控制输送水泵的进水、出水在仓体内模拟海床表面波压力的变化；所述孔压监测机构包括孔压探杆和多个孔压探头，孔压探杆竖向埋设在沉积物内，孔压探头间隔安装在孔压探杆上，用于获取模拟试验时沉积物内部孔压数据；

所述模拟试验的过程包括准备步骤、试验步骤；

所述准备步骤，首先，根据模拟试验工况的要求，确定水动力参数和沉积物类型，然后完成沉积物样品的制备与铺设、设备安装和连接；所述水动力参数包括模拟的水深、波浪类型及波浪参数；其次，在仓体内预先装入水体，开启搅拌机构，在搅拌的同时将模拟试验用的沉积物样品倒入仓体内；向仓体内加入水并密封，然后让沉积物静止固结；

所述试验步骤包括工况模拟和数据获取，所述工况模拟为通过控制输送水泵进、出水改变仓体内沉积物受到的水压，模拟沉积物在波浪作用下的变化；所述数据采集包括海床表面波压力数据采集、沉积物内部孔隙水压力数据采集。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，沉积物静止固结的时间在24小时以上。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，海床表面波压力为孔压监测探杆最上方的孔压探头读取数值转换得到。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，所述仓体内设有浊度计，用于获得模拟试验时沉积物的悬砂浓度。

如上所述的一种波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，所述仓体为直径0.5m以上的透明圆形筒。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，所述仓体上部有用于添加沉积物的第一密封门，仓体下部设有用于清理沉积物的第二密封门。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，所述控制机构为安装有波浪荷载模拟软件的计算机系统，计算机系统根据波浪荷载模拟软件设定的波浪类型及参数控制输送水泵工作。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，所述孔压探头与计算机系统连接，用于实时获取和存储沉积物内部孔压数据。

如上所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，准备步骤中将孔压探杆设置在沉积物的中间区域。

与现有波浪作用下模拟装置相比，本发明的优点是：

1、本发明可以提高水槽试验的准确度，减小因等比缩小引起的误差等问题；同时，将复杂的波浪运动过程简化为一定体积水量的变化，来控制海床表面波压力的变化，大大减小了传统水槽的体积和成本。

2、本发明可以研究不同波浪工况条件下的海床沉积物内部孔压变化情况、液化情况、沉积物再悬浮情况并进行高清摄像记录试验过程，简化水动力模拟部分的同时最大限度地保证了沉积物模拟的真实性、可靠性。

3、本发明可以进行多种条件下的模拟，另外可以根据需求调整尺寸，并增加所需要的监测仪器，具有很强的可重复性，大大提高了效率、节约了成本、提高了孔压响应测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍。

图1是所述模拟装置的结构示意图；

图2是本发明在使用时的状态图；

图3是图2中所述仓体的结构示意图；

图4是本发明的流程图。

附图标记：1-水槽试验仓，11-上密封门，12-下密封门，2-搅拌机构，21-搅拌电机，22-搅拌机，3-水箱，4-输送水泵，5-孔压探杆，6-孔压探头，7-计算机系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图4所示，本实施例公开的一种波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，包括一模拟装置，所述模拟试验过程包括准备步骤、试验步骤：

所述准备步骤，首先，根据模拟试验工况的要求，确定水动力参数和沉积物类型，然后完成沉积物样品的制备与铺设、设备安装和连接；所述水动力参数包括模拟的水深、波浪类型及波浪参数的确定；其次，在仓体内预先装入水体，开启搅拌机构，在搅拌的同时将准备好的沉积物样品倒入仓体；然后仓体内加入水使其满足试验模拟工况条件下的海床静水压力，并进行静止固结；

所述试验步骤包括工况模拟和数据获取，所述工况模拟为根据设计好的水深、波浪条件，通过控制输送水泵循环进、出水改变仓体内沉积物受到的水压，模拟海底沉积物波浪作用下的变化；所述数据采集包括海床表面波压力的采集、沉积物内部孔隙水压力的采集、所述海床表面波压力为孔压监测探杆最上方的传感器读取数值转换得到。

其中，如图1、图2、图3所示，本实施例使用的模拟装置，设置有水槽试验仓1、搅拌机构2、水箱3和输送水泵4。仓体为密封的透明圆形筒并设置有上密封门11、下密封门12，上密封门11、下密封门12通过密封垫保证仓体的密封性能。

本实施例中水槽试验仓1的仓体选用直径1m、高5m的高强度钢化玻璃制成，通过可打开的上密封门11用以添加模拟试验用沉积物；下部设置的下密封门12用以清理模拟试验后的沉积物；另有两个密封管道口，分别用以进水加压和连接搅拌装置的电源；仓体的尺寸可根据具体的模拟试验需求做相应调整。

由于仓体具有足够的高度，因此，可以进行1:1比例下沉积物的模拟试验，即沉积物不需要等比例缩小，因此可保证沉积物在颗粒大小等物理属性的一致性，克服现有试验方法所产生的误差；另外，由于仓体为密封体，因此，可以通过输送水泵的进出水或者在一定体水体积下的加压操作来模拟海床表面波压力，即水所需要的深度条件可随意控制，对应到仓体上，在保证沉积物具有1:1的高度时，水体深度可以通过输送水泵4模拟代替，因此，能够实现较大的模拟试验范围。

搅拌机构2由搅拌电机21和位于仓体的搅拌机22组成，用以搅拌沉积物使其均匀沉降；通过计算机系统7可以控制输送水泵4从水箱3中抽水或回收，进而在水槽试验仓1内实现调节水量或增减水压的作用，通过一维尺度上的海床在波浪往复作用力形成模拟海浪，观测沉积物内部孔压的响应及液化情况。搅拌电机21与上述搅拌机22相连接为大功率电机，可满足模拟试验操作时的大扭矩搅拌需求。

如图2所示，本实施例在仓体内部设有孔压监测机构2，孔压监测机构2有孔压探杆5以及设置孔压探杆上的多个孔压探头6构成，根据需求可配置其埋深位置，孔压探头6和外接的计算机系统7用以监测水压及孔压数据并存储。将孔压探杆5设置为活动式和位于沉积物中间区域，方便调节和模拟试验后的沉积物清理，保持模拟试验数据的准确性。

水箱3为水槽试验仓1的储水或回收设备，根据需求可置入淡水或海水，通过水泵和管道与仓体连接，满足试验的供水加压或减压需求。

输送水泵4为大功率水泵，由装载波浪载荷模拟软件的计算机系统7控制，根据电脑上对波浪类型及参数的选择，输送水泵4可通过向仓体增加水、减水以改变其内部的水压大小，从而模拟一定深度条件下海床静压力和海床表面波压力的变化。

如图3所示，模拟方法包括试验前的设备连接、检查、孔压探杆的标定试验、沉积物样品的准备工作等；试验中通过调节水压的大小模拟波浪作用，监测沉积物内部不同深度的孔隙水压力变化；试验结束后，清理试验设备。具体的操作步骤如下：

(1)开启搅拌机构2，并从上密闭门11加入适量的水，根据试验需求再缓缓加入沉积物，直至满足研究需求，关闭搅拌机构2，盖好上密闭门6；

(2)通过水箱和输送水泵4继续加水直至达到研究海底的海床表面水压；

(3)保持密封仓体内水压不变，静置48小时使沉积物固结；

(4)根据试验需求，通过计算机系统7调节海床表面波压力变化大小和频率，控制输送水泵4从密封仓体中抽水；

(5)观察并记录孔压监测装置4中的孔压变化情况，以及液化情况和沉积物形态变化；

试压结束后，对水槽试试验仓进行清理，包括：

(1)通过计算机系统7控制输送水泵4从密封仓体中抽水，减小水压；

(2)打开下密闭门12清理试验用的沉积物样品；

(3)用淡水清理仓体等部件，完成波浪作用下水槽测试的试验。

本发明未详尽描述的技术内容均为公知技术。

Claims (9)

1.波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，包括一模拟装置，所述模拟装置包括水槽试验仓、水泵系统；所述水槽试验仓包括仓体、搅拌机构和孔压监测机构，仓体为高度在4m以上、直径在0.5m-1m之间的密封筒体，仓体内填充沉积物和水体，用于实现密封的波浪作用下1：1比例沉积物的内部孔压模拟响应；所述搅拌机构包括搅拌电机和搅拌机，搅拌机安装在仓体下部由搅拌电机驱动；所述水泵系统包括输送水泵、控制机构，所述输送水泵通过管道与仓体内部连通，控制机构通过控制输送水泵的进水、出水在仓体内模拟海床表面波压力的变化；所述孔压监测机构包括孔压探杆和多个孔压探头，孔压探杆竖向埋设在沉积物内，多个孔压探头间隔安装在孔压探杆上，用于获取模拟试验时沉积物内部孔压数据；

所述模拟试验的过程包括准备步骤、试验步骤；

所述准备步骤，首先，根据模拟试验工况的要求，确定水动力参数和沉积物类型，然后完成沉积物样品的制备与铺设、设备安装和连接；所述水动力参数包括模拟的水深、波浪类型及波浪参数；其次，在仓体内预先装入水体，开启搅拌机构，在搅拌的同时将模拟试验用的沉积物样品倒入仓体内；向仓体内加入水并密封，然后让沉积物静止固结；

所述试验步骤包括工况模拟和数据获取，所述工况模拟为通过控制输送水泵进、出水改变仓体内沉积物受到的水压，模拟沉积物在波浪作用下的变化；所述数据采集包括海床表面波压力数据采集、沉积物内部孔隙水压力数据采集。

2.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，沉积物静止固结的时间在24小时以上。

3.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，海床表面波压力为孔压监测探杆最上方的孔压探头读取数值转换得到。

4.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，所述仓体内设置有浊度计，用于获得模拟试验时沉积物的悬砂浓度。

5.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，所述仓体为透明圆形筒。

6.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，所述仓体上部设有用于添加沉积物的第一密封门，仓体下部设有用于清理沉积物的第二密封门。

7.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，所述控制机构为安装有波浪荷载模拟软件的计算机系统，计算机系统根据波浪荷载模拟软件设定的波浪类型及参数控制输送水泵工作。

8.根据权利要求7所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，所述孔压探头与计算机系统连接，用于实时获取和存储沉积物内部孔压数据。

9.根据权利要求1所述的波浪作用下沉积物孔压响应模拟方法，其特征在于，准备步骤中，将孔压探杆设置在沉积物的中间区域。

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