CN110389013A - 一种弧板式结构消浪特性的测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种弧板式结构消浪特性的测量装置及其测量方法，其特点是：包括上部结构、弧板式结构、下部结构、浪高仪、波高数据采集系统和波浪水槽；本发明利用特制的不锈钢细柱从下部固定弧板式结构，可有效减弱固定支撑对水体的扰动作用；依据波浪水槽中所布置的浪高仪，采用Goda两点法计算弧板式结构的反射系数进而分析其消浪特性；本发明的一种弧板式结构消浪特性的测量装置，结构简单、易于操作，能够根据计算所得的透射与反射系数综合分析弧板式结构的消浪特性。

Description

一种弧板式结构消浪特性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，特别涉及一种弧板式结构消浪特性的测量装置及其测量方法，用于试验水槽内弧板式结构在外部荷载（波浪、水流或者两者联合）作用下消浪特性的测量。

背景技术：

随着大型深水港和码头开发建设力度的加大，传统重力式防波堤存在施工期较长、不适合在水深浪大海域建造、阻碍港区内外水体交换和对港区内水质保持和生态环境有不利影响等缺点，不能适应海洋工程建设的诸多要求。透空型式防波堤结构则因具有对地基要求低、施工方便、造价低廉和环境友好等优点而得到广大专家学者的关注。弧板式防波堤作为典型结构之一，近年来其消浪性能研究越来越受到海洋工程界的重视。目前，弧板式结构消浪性能研究多从现场试验和数值模拟等方面开展，鉴于现场试验在具体实施过程中的资金投入较大、周期长，且在外海的极端风浪条件下，很难开展有效的测量和试验数据的收集工作。数值模拟中输入条件参数难以实现实际工程中存在的诸多不确定因素，致使数值模拟结果与实际工程存在一定的差距；即传统的防波堤结构消浪性能装置存在量程精度低、与弧板式结构安装不匹配、价格昂贵等问题。

发明内容：

本发明的目的是克服上述已有问题的不足，而提供一种弧板式结构消浪特性的测量装置。

本发明的另一目的提供一种弧板式结构消浪特性的测量方法。

本发明提供的技术方案是：一种弧板式结构消浪特性的测量装置，其特殊之处在于，由上部结构、弧板式结构、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弧板式结构，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锚固，将上部结构、弧板式结构和下部结构连接为一个整体；

所述的弧板式结构由2块相同的玻璃弧板构成；所述的弧板式结构两侧留有水平段，水平段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弧板式结构，包括长条板和螺杆；所述的长条板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布置3根，位于弧板式结构迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对弧板式结构的反射系数；位于弧板式结构背浪向一侧1根，用于计算波浪对弧板式结构的透射系数；

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波面历程数据。

进一步的，所述的弧板式结构的两块玻璃弧板沿螺杆移动，其各自位置和之间距离均可调，即弧板式结构的高度和净空可调。

采用本发明测量装置的测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

a在弧板式结构的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在弧板式结构的背浪向一侧布置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弧板式结构迎浪向一侧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；弧板式结构迎浪向第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 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；弧板式结构迎浪向第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通过弧板式结构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、弧板式结构、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弧板式结构的消浪性能，并且能够研究不同波浪要素、不同弧板式结构净空、潜深等对消浪性能的影响；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弧板式结构；3、采用强力防水胶固定长条板，不需要提前预埋构件，操作方便、节约材料、节省工期，且不破坏水槽底部的防水层；4、采用上下螺帽相夹的方式固定弧板式结构，通过调节螺帽的位置调节其高度以实现试验过程中改变弧板潜深和净空的目的；5、在弧板式结构迎浪向布置2根浪高仪，在其背浪向布置1根浪高仪，实现对弧板式结构反射系数的计算，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弧板式结构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是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的上部结构示意图；

图3是本发明的弧板式结构和下部结构示意图；

图4是本发明的弧板式结构示意图；

图5是本发明弧板式结构的弧板的俯视图。

图中：1上部结构，2弧板式结构，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玻璃弧板，22柱子孔，31长条板，32螺杆螺帽，33为螺杆。

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，一种弧板式结构消浪特性的测量装置，由上部结构1、弧板式结构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；

将上部结构1从上方固定弧板式结构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；将槽钢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；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；钢板17共有2条，上端分别通过长柱15和长柱螺帽16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、弧板式结构2和下部结构3连接为一个整体；

弧板式结构2由2块相同的玻璃弧板21构成；弧板式结构2两侧留有边长1cm的水平段，水平段的四个角上分别钻有用于固定的柱子孔22；弧板式结构2的两块玻璃弧板21沿螺杆33移动，其各自位置和之间距离均可调，即弧板式结构2的高度和净空可调；

下部结构3从下方固定弧板式结构2，包括长条板31、螺杆33和螺杆螺帽32；长条板31采用强力防水胶粘结固定于波浪水槽6底部，优点是不需要提前预埋构件，操作方便、节约材料、节省工期，且不破坏水槽底部的防水层；长条板31共有2条，其上分别钻有2个孔洞，用于固定螺杆33，螺杆33由不锈钢制成，表面有螺纹，螺杆33底端通过螺杆螺帽32固定于长条板31上，螺杆33穿过透空堤主体2的柱子孔23，顶端与钢板17固定连接；

浪高仪4沿着波浪水槽6布置3根，位于弧板式结构2迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对弧板式结构2的反射系数；位于弧板式结构2背浪向一侧1根，用于计算波浪对弧板式结构2的透射系数；

波高数据采集系统5连接浪高仪4，并实时采集浪高仪4上监测的浪面历程数据。

采用上述测量装置，开展弧板式结构消浪特性的测量，其测量方法包括以下步骤：

a在弧板式结构的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在弧板式结构的背浪向一侧布置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弧板式结构迎浪向一侧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；弧板式结构迎浪向第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 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；弧板式结构迎浪向第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通过弧板式结构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。

本发明的一种弧板式结构消浪特性的测量装置，使用时，将四根螺杆33通过螺杆螺帽32固定于长条板31，通过两块玻璃弧板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弧板21的间距高度，实现试验对弧板式结构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（与弧板式结构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、弧板式结构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，依据改进的两点法计算不同工况下波浪对弧板式结构的反射系数，进而分析弧板式结构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 (3)

1.一种弧板式结构消浪特性的测量装置，其特征在于，由上部结构（1）、弧板式结构（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）从上方固定弧板式结构（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）、弧板式结构（2）和下部结构（3）连接为一个整体；

所述的弧板式结构（2）由2块相同的玻璃弧板（21）构成；所述的弧板式结构（2）两侧留有水平段，水平段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）从下方固定弧板式结构（2），包括长条板（31）和螺杆（33）；所述的长条板（31）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）布置3根，位于弧板式结构（2）迎浪向一侧2根，间距等于波长的四分之一倍，用于计算波浪对弧板式结构（2）的反射系数；位于弧板式结构（2）背浪向一侧1根，用于计算波浪对弧板式结构（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）上监测的波面历程数据。

2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述的弧板式结构（2）的两块玻璃弧板（21）沿螺杆（33）移动，其各自位置和之间距离均可调，即弧板式结构（2）的高度和净空可调。

3.采用权利要求1或2的测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

a在弧板式结构的迎浪向一侧布置2根间距为1/4L的浪高仪，在弧板式结构的背浪向一侧布置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弧板式结构迎浪向一侧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；弧板式结构迎浪向第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 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；弧板式结构迎浪向第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通过弧板式结构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。