CN110375958A - 一种平板式透空堤消浪性能的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种平板式透空堤消浪性能的测量装置及其测量方法，其特点是：包括上部结构、平板式透空堤、下部结构、浪高仪、波高数据采集系统和波浪水槽；所述的浪高仪布置于波浪水槽内，通过数据线与波浪数据采集系统连接，记录浪高数据，采用Goda两点法计算平板式透空堤的反射系数进而分析其消浪性能；本发明的一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，结构简单、易于操作。

Description

一种平板式透空堤消浪性能的测量装置及其测量方法

技术领域：

本发明涉及结构物消浪特性的测量装置技术领域，特别涉及一种平板式透空堤消浪性能的测量装置及其测量方法，用于试验水槽内平板式透空堤在外部荷载（波浪、水流或者两者联合）作用下消浪性能的测量。

背景技术：

传统重力式防波堤阻碍结构物内外水体的自由交换引发诸多环境生态问题。近几十年来，鉴于透空式防波堤结构的良好水体交换能力，逐步成为专家学者的研究热点。板式防波堤作为透空式防波堤的一种，基于波能的90%以上集中于水体表层的特点，利用靠近水面的板式结构削减波浪大大减少工程造价，近年来其消浪特性研究备受海洋工程界关注。平板式透空堤消浪性能研究以现场试验和数值模拟和物理模型试验为主，现场试验在具体实施过程中资金投入较大、周期较长；数值模拟计算中需要一定的假定条件以满足控制方程。物理模型试验研究，能弥补现场试验资金投入和周期长的不足，也能为数值模拟计算提供正确的输入参数提供保障。即传统的防波堤结构消浪性能装置存在量程精度低、与平板式透空堤安装不匹配、价格昂贵等问题，为了满足实验室内波浪对平板式透空堤消浪性能试验的精度和灵敏度等要求，自主研发设计了一种性能强、精度高、经济实用的平板式透空堤消浪特性的专用装置。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有问题的不足，而提供一种平板式透空堤消浪特性的测量装置。

本发明的另一目的是提供一种平板式透空堤消浪性能的测量方法。

本发明的技术方案是，一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，其特殊之处在于，由上部结构、平板式透空堤、下部结构、浪高仪、波高数据采集系统和波浪水槽组成；

所述的上部结构从上方固定平板式透空堤，上部结构包括纵梁、槽钢、短柱、长柱和钢板；所述的槽钢横向布置于波浪水槽侧壁顶部，通过短柱与波浪水槽锚固；所述的纵梁共有4条，其中波浪水槽两侧壁顶部各有2条，分别位于槽钢两端的上部和下部，通过短柱与槽钢紧密连接，4条纵梁沿着波浪水槽横向移动；所述的钢板共有2条，上端分别通过长柱与纵梁连接，下端通过螺杆与长条板31锚固，将上部结构、平板式透空堤和下部结构连接为一个整体；

所述的平板式透空堤由2块相同的玻璃平板构成；所述的平板式透空堤两侧的四个角上分别钻有用于固定的柱子孔；

所述的下部结构从下方固定平板式透空堤，包括长条板和螺杆；所述的长条板采用强力防水胶粘结固定于波浪水槽底部，长条板共有2条，长条板通过螺杆与钢板固定连接；

所述的浪高仪沿着波浪水槽在测量装置的前后两侧共计布置3根，位于测量装置迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对平板式透空堤的反射系数；位于测量装置背浪向一侧1根，用于计算波浪对平板式透空堤的透射系数；

所述的波高数据采集系统连接浪高仪，并实时采集浪高仪上监测的浪高数据。

进一步的，所述的平板式透空堤的两块玻璃平板均可沿螺杆移动，其各自位置和之间距离均可调，即平板式透空堤的高度和净空可调。

进一步的，所述的平板式透空堤采用有机玻璃制成。

本发明的一种平板式透空堤消浪性能的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

a在平板式透空堤的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在平板式透空堤的背浪向一侧布置1根浪高仪；

b将3根浪高仪的数据传输线与波高数据采集系统分别连接，浪高仪的标号与采集系统中的标号一一对应；

c平板式透空堤迎浪向一侧2根浪高仪所采集到的波高均由入射波高和反射波高组成，且入射波和反射波均满足线性叠加关系，波形均属于正态分布；平板式透空堤迎浪向第1根浪高仪的波形为：

其中：为入射波面；为反射波面；表示m倍频入射波幅；表示m倍频反射波幅；，为倍频的波数；为倍频的波长，由色散关系确定，即 x为坐标位置；表示m倍频入射波初相位；表示m倍频反射波初相位；它表示倍频的圆频率；为倍频的波周期，t为时间；d为水深；平板式透空堤迎浪向第2根浪高仪的波形为：

为两根浪高仪的间距；两个位置处的波面历程按照傅里叶级数展开，通过傅里叶分析可得到参数A _1m，A _2m，B _1m，B _2m的值，倍频波的入射波振幅和反射波振幅可由下式计算：

通过能量叠加原理可计算入射波的合成波振幅为：

反射波的合成振幅为：

反射系数的表达式为，A _r 为反射波振幅，A _i 为入射波振幅；

d通过平板式透空堤背浪向一侧浪高仪所监测的波面历程，计算其平均波高为H _t，A _t=H _t/2，透射系数的表达式为，A _t 为透射波振幅。

本发明的有益效果是：1、通过上部结构、平板式透空堤、下部结构、浪高仪、浪高数据采集系统和波浪水槽的联合应用，能够通过实测波高数据研究平板式透空堤的消浪性能；2、利用水槽顶部横向搭载2条槽钢作为上部结构支撑，槽钢两端上下各通过螺帽共固定4条纵梁，调整槽钢和纵梁间距，以适应不同长度和宽度的平板式透空堤；3、采用上下螺帽相夹的方式固定平板式透空堤，通过调节螺帽的位置调节其高度以实现试验过程中改变平板潜深和净空的目的；5、在平板式透空堤迎浪向与其背浪向各自浪高仪，实现对平板式透空堤透射系数和反射系数的计算，进而分析其消浪性能。另外，所采用的浪高仪和浪高数据采集系统，其性能可靠、易拆装、更换方便，非常适合在试验水糟内使用。与其它消浪特性的测量装置及方法相比较，本发明专利具有性能强，测量精度高、拆装方便、经济实用等优点，可为在波浪水槽中开展不同比尺下的平板式透空堤消浪性能的物模试验提供一种新的研究途径。

附图说明：

图1是本发明专利的整体结构示意图；

图2是本发明专利的上部结构示意图；

图3是本发明专利的平板式透空堤和下部结构示意图；

图4是本发明专利的平板式透空堤示意图；

图5是本发明专利平板式透空堤1块平板的俯视图；

图中：1上部结构，2平板式透空堤，3下部结构，4浪高仪，5波高数据采集系统，6波浪水槽，11纵梁，12槽钢，13短柱，14短柱螺帽，15长柱，16长柱螺帽，17钢板，21玻璃平板，22柱子孔，31长条板，32螺杆螺帽，33螺杆。

具体实施方式：

为方便进一步了解本发明专利的发明内容和特点以及功能，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1、2、3、4、5所示，一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，包括上部结构1、平板式透空堤2、下部结构3、浪高仪4、波高数据采集系统5和波浪水槽6；

所述的上部结构1从上方固定平板式透空堤2，上部结构1包括纵梁11、槽钢12、短柱13、短柱螺帽14、长柱15、长柱螺帽16和钢板17；所述的槽钢12横向布置于波浪水槽6侧壁顶部，通过短柱13和短柱螺帽14与波浪水槽6锚固；所述的纵梁11共有4条，其中波浪水槽6两侧壁顶部各有2条，分别位于槽钢12两端的上部和下部，通过短柱13和短柱螺帽14与槽钢12紧密连接，4条纵梁11沿着波浪水槽6横向移动；所述的钢板17共有2条，上端分别通过长柱15与纵梁11连接，下端通过螺杆33和螺杆螺帽32与长条板31锚固，将上部结构1、平板式透空堤2和下部结构3连接为一个整体；

所述的平板式透空堤2由2块相同的玻璃平板21构成；所述的平板式透空堤2两侧的四个角上分别钻有用于固定的柱子孔22；

所述的下部结构3从下方固定平板式透空堤2，包括长条板31、螺杆螺帽32和螺杆33；所述的长条板31采用强力防水胶粘结固定于波浪水槽6底部，长条板31共有2条，长条板31通过螺杆33和螺杆螺帽32与钢板17固定连接；

所述的浪高仪4沿着波浪水槽6布置3根，位于平板式透空堤2迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对平板式透空堤2的反射系数；位于平板式透空堤2背浪向一侧1根，用于计算波浪对平板式透空堤2的透射系数；

所述的波高数据采集系统5连接浪高仪4，并实时采集浪高仪4上监测的浪高数据。

采用上述测量装置，开展平板式透空堤消浪性能研究，测量方法包括以下步骤：

a在平板式透空堤的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在平板式透空堤的背浪向一侧布置1根浪高仪；

b将3根浪高仪的数据传输线与波高数据采集系统分别连接，浪高仪的标号与采集系统中的标号一一对应；

c平板式透空堤迎浪向一侧2根浪高仪所采集到的波高均由入射波高和反射波高组成，且入射波和反射波均满足线性叠加关系，波形均属于正态分布；平板式透空堤迎浪向第1根浪高仪的波形为：

其中：为入射波面；为反射波面；表示m倍频入射波幅；表示m倍频反射波幅；，为倍频的波数；为倍频的波长，由色散关系确定，即 x为坐标位置；表示m倍频入射波初相位；表示m倍频反射波初相位；它表示倍频的圆频率；为倍频的波周期，t为时间；d为水深；平板式透空堤迎浪向第2根浪高仪的波形为：

为两根浪高仪的间距；两个位置处的波面历程按照傅里叶级数展开，通过傅里叶分析可得到参数A _1m，A _2m，B _1m，B _2m的值，倍频波的入射波振幅和反射波振幅可由下式计算：

通过能量叠加原理可计算入射波的合成波振幅为：

反射波的合成振幅为：

反射系数的表达式为，A _r 为反射波振幅，A _i 为入射波振幅；

d通过平板式透空堤背浪向一侧浪高仪所监测的波面历程，计算其平均波高为H _t，A _t=H _t/2，透射系数的表达式为，A _t 为透射波振幅。

本发明的一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，使用时，将四根螺杆33通过螺杆螺帽32固定于长条板31，通过两块玻璃平板21四个角处预留的柱子孔22穿入四根螺杆33上，通过移动螺杆螺帽32的位置调节两块玻璃平板21的间距高度，实现试验对平板式透空堤2不同潜深和净空的要求；上部结构1中的钢板17其上各钻有四个柱子孔（与平板式2中的柱子孔22相同），通过长柱15和长柱螺母16与纵梁11连接，通过螺杆33和螺杆螺帽32与长条板31锚固，将上部结构1、平板式透空堤2和下部结构3连接为一个整体；通过改变不同的波浪入射条件、潜深和净空，分析波高数据采集系统所实时监测的波高数据，获取不同工况下波浪对平板式透空堤的透射和反射系数，进而分析平板式透空堤消浪特性的影响因素。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理下的若干改进和润饰，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，其特征在于，由上部结构（1）、平板式透空堤（2）、下部结构（3）、浪高仪（4）、波高数据采集系统（5）和波浪水槽（6）组成；

所述的上部结构（1）从上方固定平板式透空堤（2），上部结构（1）包括纵梁（11）、槽钢（12）、短柱（13）、长柱（15）和钢板（17）；所述的槽钢（12）横向布置于波浪水槽（6）侧壁顶部，通过短柱（13）与波浪水槽（6）锚固；所述的纵梁（11）共有4条，其中波浪水槽（6）两侧壁顶部各有2条，分别位于槽钢（12）两端的上部和下部，通过短柱（13）与槽钢（12）紧密连接，4条纵梁（11）沿着波浪水槽（6）横向移动；所述的钢板（17）共有2条，上端分别通过长柱（15）与纵梁（11）连接，下端通过螺杆（33）与长条板（31）锚固，将上部结构（1）、平板式透空堤（2）和下部结构（3）连接为一个整体；

所述的平板式透空堤（2）由2块相同的玻璃平板（21）构成；所述的平板式透空堤（2）两侧的四个角上分别钻有用于固定的柱子孔（22）；

所述的下部结构（3）从下方固定平板式透空堤（2），包括长条板（31）和螺杆（33）；所述的长条板（31）采用强力防水胶粘结固定于波浪水槽（6）底部，长条板（31）共有2条，长条板（31）通过螺杆（33）与钢板（17）固定连接；

所述的浪高仪（4）沿着波浪水槽（6）在测量装置的前后两侧共计布置3根，位于测量装置迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对平板式透空堤（2）的反射系数；位于测量装置背浪向一侧1根，用于计算波浪对平板式透空堤（2）的透射系数；

所述的波高数据采集系统（5）连接浪高仪（4），并实时采集浪高仪（4）上监测的浪高数据。

2.根据权利要求1所述的一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，其特征在于，所述的平板式透空堤（2）的两块玻璃平板（21）均可沿螺杆（33）移动，其各自位置和之间距离均可调，即平板式透空堤（2）的高度和净空可调。

3.根据权利要求1所述的一种平板式透空堤消浪性能的测量装置，其特征在于，所述的平板式透空堤（2）采用有机玻璃制成。

4.采用权利要求1、2或3的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a在平板式透空堤的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在平板式透空堤的背浪向一侧布置1根浪高仪；

b将3根浪高仪的数据传输线与波高数据采集系统分别连接，浪高仪的标号与采集系统中的标号一一对应；

c平板式透空堤迎浪向一侧2根浪高仪所采集到的波高均由入射波高和反射波高组成，且入射波和反射波均满足线性叠加关系，波形均属于正态分布；平板式透空堤迎浪向第1根浪高仪的波形为：

其中：为入射波面；为反射波面；表示m倍频入射波幅；表示m倍频反射波幅；，为倍频的波数；为倍频的波长，由色散关系确定，即 x为坐标位置；表示m倍频入射波初相位；表示m倍频反射波初相位；它表示倍频的圆频率；为倍频的波周期，t为时间；d为水深；平板式透空堤迎浪向第2根浪高仪的波形为：

为两根浪高仪的间距；两个位置处的波面历程按照傅里叶级数展开，通过傅里叶分析可得到参数A _1m，A _2m，B _1m，B _2m的值，倍频波的入射波振幅和反射波振幅可由下式计算：

通过能量叠加原理可计算入射波的合成波振幅为：

反射波的合成振幅为：

反射系数的表达式为，A _r 为反射波振幅，A _i 为入射波振幅；

d通过平板式透空堤背浪向一侧浪高仪所监测的波面历程，计算其平均波高为H _t，A _t=H _t/2，透射系数的表达式为，A _t 为透射波振幅。