CN110398235B - 一种越浪水体上挑角度测量装置、方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种越浪水体上挑角度测量装置、方法及应用,本方法可用于海堤波浪断面物理模型试验和现场观测研究中,该装置包括设置在海堤后侧的越浪水体流量测量装置和设置在海堤堤顶的压强测量装置。该方法能够准确计算出波浪与海堤相互作用后,水体被挑起的角度和越浪水体的流速,从而可以知道越浪水体对海堤顶部结构物和堤后建筑物的打击范围和打击力,有利于海岸附近建筑物的优化布置和设计。
Description
技术领域
本发明属于一种海岸工程防护技术领域,特别涉及一种越浪水体上挑角度测量装置、方法及应用。
背景技术
近年来,随着全球气候变暖等因素的变化,极端性天气事件增多,热带气旋中生成台风的比例升高,沿海地区登陆的台风呈频率增加、强度增大的态势,其引发的风暴潮和台风浪具有突发性强、危害程度高、影响范围广、灾害链长等特点,是最严重的自然灾害之一。台风登录时,若天文大潮与台风增水叠加形成超标准高潮位,加上超标准台风大浪的作用,可能会引起海堤溃决,海水浸溢内陆,酿成巨灾。多年来,海堤越浪问题一直是海岸工程领域最受关注的热点问题之一。
目前针对海堤越浪研究多集中在越浪量的大小上,对于波浪如何越浪以及越浪后的运动状态研究偏少。越浪水体上挑角度和流速是表征越浪后水体运动的重要参数,可以根据这2个因素推断出越浪水体对海堤、海堤顶和周边建筑物的作用范围,从而可以优化海堤设计,优化建筑物的布置,特定位置加强防护。当由于越浪水体的上挑角度变化快,测量难度大,研究成果很少。随着图像技术的快速发展,目前快速摄影技术已用于抓拍越浪时刻水体运动状态,通过后期图像处理可测得越浪水体上挑角度。但摄影技术对环境要求比较苛刻,现场试验难以满足,后期处理也相对复杂。同时,上挑角瞬息万变,最终确定的上挑角度含有诸多主观意识,因人而异,没有统一标准,研究成果很难形成共识,且对一些细节变化规律难以发现。
发明内容
本发明的目的是克服上述背景技术存在问题,提供一种越浪水体上挑角度测量装置、方法及应用,该装置适用性强,结构简单,经久耐用,用途多样,能够快速测量出越浪水体上挑角度。
本发明提供的技术方案是:一种越浪水体上挑角度测量装置,包括设置在海堤后侧的越浪水体流量测量装置、设置在海堤堤顶的压强测量装置和采集电脑;所述越浪水体流量测量装置主要由导流板、接水容器、U形管、电磁流量计组成,所述导流板前端和海堤堤顶相连,所述导流板后端和所述接水容器相连,所述接水容器与U形管相连通,电磁流量计设置在U形管底部通道中;所述压强测量装置主要由支座、支撑导轨架、角度调节机构、滑块、压强传感器组成,所述支座通过固定在海堤堤顶,所述支撑导轨架通过角度调节机构连接在支座上,压强传感器通过滑块固定在支撑导轨架上;所述电磁流量计和压强传感器均与采集电脑相连。
进一步的,所述U形管由进水管道、出水管道和圆锥形弯管组成,接水容器和进水管道相连通,所述进水管道通过所述圆锥形弯管和所述电磁流量计入口相连,所述电磁流量计出口再通过所述圆锥形弯管和所述出水管道相连。
进一步的,所述出水管道的出水口高度低于所述进水管道的进水口高度,所述出水管道的出水口高度高于所述电磁流量计所处高度,所述电磁流量计管径小于所述进水管道和所述出水管道的管径。
进一步的,所述角度调节机构为钢质量角器,转动固定螺栓穿过钢质量角器中弧形槽连接所述支撑导轨架。
进一步的,所述支撑导轨架上布置多个滑块,每个所述滑块上布置一个压强传感器和一个滑动固定螺栓,通过滑动固定螺栓将滑块固定在支撑导轨架上。
进一步的,所述支撑导轨架顶部布置一个水平气泡。
进一步的,所述支撑导轨架上刻有刻度。
进一步的,所述电磁流量计和压强传感器均通过数据线和采集电脑相连,所述采集电脑布置在控制室内。
本发明还提供一种越浪水体上挑角度测量装置的计算方法,包括如下步骤:
步骤A、计算越浪量
电磁流量计实时测量数据为Q计,则单个波周期的越浪量q为:
式中:i为单个波周期电磁流量计采样值序号;dt为电磁流量计采样间隔;m为单个波周期电磁流量计的采样个数;
步骤B、计算水平越浪量
以压强测点前水质点为研究对象,因水质点撞击压强传感器后流速减小为0,根据动量方程可以计算出压强测点前水质点的水平流速Vx为:
式中:P为压强传感器压强值;ρ为水的密度;g为重力加速度;
利用压强值算出作用在直墙上越浪水体水平流速,将水平流速沿直墙垂线积分可以得出水平流速所对应的水平流量Qx为:
式中:为从下往上第j个压强传感器计算出对应的水平流速;dzi为从下往上第j个压强传感器与相邻压强传感器的垂直距离;n为压强传感器个数。
单个波周期的水平越浪量qx为:
式中:dt为压强传感器采样间隔;w为单个波周期压强传感器的采样个数;k为单个波周期压强传感器采样值序号。
步骤C、计算越浪水体上挑角度
定义K为积分求和的水平越浪量qx和越浪量q的比值,K=qx/q。则越浪水体上挑角度α为α=arcos(K)。
与现有技术相比,本发明的有益效果如下:
1、本发明提供了一种越浪水体上挑角度测量装置及计算方法,能够准确测量并计算出波浪与防波堤或海堤相互作用后,水体被挑起的角度和越浪水体的流速,从而可以知道越浪水体对海堤顶部结构物和堤后建筑物的打击范围和打击力,有利于海岸附近建筑物的优化布置和设计。
2、本发明结构原理简单,所需仪器设备较少,室内试验易于实现,现场测量时方便携带、安装,相对于现在的摄影图像处理技术,对试验环境要求更低,试验成本更低,且数据处理难度更小,有利于缩短试验周期,快速获得试验成果。
附图说明
图1是本发明的示意图;
图2是本发明的越浪水体流量测量装置部分示意图;
图3是本发明的压强测量装置示意图;
图4是浙江省某地典型海堤概化断面布置图;
图5是越浪水体上挑角度示意图;
图6是本发明提供的方法所计算上挑角度和传统摄像技术所得上挑角度对比图。
图中:1、越浪水体流量测量装置,1-1、导流板,1-2、接水容器,1-3、电磁流量计,1-4、进水管道,1-5、出水管道,1-6、圆锥形弯管,2、压强测量装置,2-1、支座,2-2、支撑导轨架,2-3、钢质量角器,2-3-1、弧形槽,2-4、转动固定螺栓,2-5、滑块,2-6、压强传感器,2-7、滑动固定螺栓,2-8、水平气泡。
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,特例举以下实施例,并配合附图详细说明如下。
请参见图1~图3,一种越浪水体上挑角度测量装置,包括设置在海堤后侧的越浪水体流量测量装置1、设置在海堤堤顶的压强测量装置2和采集电脑3。
所述越浪水体流量测量装置1主要由导流板1-1、接水容器1-2、U形管、电磁流量计1-3组成,所述导流板1-1前端和海堤堤顶相连,所述导流板1-1后端和所述接水容器1-2相连,所述接水容器1-2与U形管相连通,电磁流量计1-3设置在U形管底部通道中;
所述压强测量装置2主要由支座2-1、支撑导轨架2-2、角度调节机构、滑块2-5、压强传感器2-6组成,所述支座2-1通过固定在海堤堤顶,所述支撑导轨架2-2通过角度调节机构连接在支座2-1上,压强传感器2-6通过滑块2-5固定在支撑导轨架2-2上;
所述电磁流量计1-3和压强传感器2-6均与采集电脑3相连。
在本申请实施例中,所述U形管由进水管道1-4、出水管道1-5和圆锥形弯管1-6组成,接水容器1-2和进水管道1-4相连通,所述进水管道1-4通过所述圆锥形弯管1-6和所述电磁流量计1-3入口相连,所述电磁流量计1-3出口再通过所述圆锥形弯管1-6和所述出水管道1-5相连。
在本申请实施例中,所述出水管道1-5的出水口高度低于所述进水管道1-4的进水口高度,保证所述接水容器1-2中的水能够通过出水管道全部自流出去。所述出水管道1-5的出水口高度高于所述电磁流量计1-3所处高度,保证电磁流量计管道中时刻充满水体。所述电磁流量计1-3管径小于所述进水管道1-4和所述出水管道1-5的管径,以增大电磁流量计管道中水体流速,从而提高电磁流量计测量精度。
在本申请实施例中,所述角度调节机构为钢质量角器2-3,转动固定螺栓2-4穿过钢质量角器2-3中弧形槽2-3-1连接所述支撑导轨架2-2。
在本申请实施例中,所述支撑导轨架2-2上布置多个滑块2-5,每个所述滑块2-5上布置一个压强传感器2-6和一个滑动固定螺栓2-7,通过滑动固定螺栓2-7将滑块2-5固定在支撑导轨架2-2上。
在本申请实施例中,所述支撑导轨架2-2顶部布置一个水平气泡2-8,保证支撑导轨架垂直于堤顶。
在本申请实施例中,所述支撑导轨架2-2上刻有刻度,通过参考刻度来调节滑块垂向位置。
在本申请实施例中,所述电磁流量计1-3和压强传感器2-6均通过数据线和采集电脑3相连,所述采集电脑3布置在控制室内。
上述越浪水体上挑角度测量装置的计算方法,包括如下步骤:
步骤A、计算越浪量
电磁流量计实时测量数据为Q计,则单个波周期的越浪量q为:
式中:i为单个波周期电磁流量计采样值序号;dt为电磁流量计采样间隔;m为单个波周期电磁流量计的采样个数;
步骤B、计算水平越浪量
以压强测点前水质点为研究对象,因水质点撞击压强传感器后流速减小为0,根据动量方程可以计算出压强测点前水质点的水平流速Vx为:
式中:P为压强传感器压强值;ρ为水的密度;g为重力加速度;
利用压强值算出作用在直墙上越浪水体水平流速,将水平流速沿直墙垂线积分可以得出水平流速所对应的水平流量Qx为:
式中:为从下往上第j个压强传感器计算出对应的水平流速;dzi为从下往上第j个压强传感器与相邻压强传感器的垂直距离;n为压强传感器个数。
单个波周期的水平越浪量qx为:
式中:dt为压强传感器采样间隔;w为单个波周期压强传感器的采样个数;k为单个波周期压强传感器采样值序号。
步骤C、计算越浪水体上挑角度
定义K为积分求和的水平越浪量qx和越浪量q的比值,K=qx/q。则越浪水体上挑角度α为α=arcos(K)。
本发明的装置能够用于现场波浪越浪过程测量,同时也能够在波浪水槽中使用。下面结合实施例说明本发明在波浪水槽中的具体实施方式。
取浙江省平阳风暴潮越浪过程作为实施对象,该地典型海堤概化断面见图4,迎水面为1:3的复式斜坡,采用四脚空心块铺设;内坡坡度1:2,采用螺母块铺设;高潮位附近设消浪平台,平台采用混凝土板铺设;挡浪墙高1.0m,挡浪墙顶高程为8.4m。模型按正态重力相似准则设计,结合波要素、试验断面及设备性能,确定模型长度比尺λ=20。表1为从风暴潮过程中摘取几个时间点对应的潮位和波要素。
表1试验组次
时刻 | 潮位(m) | H1/3波高(m) | 周期T(s) | 越浪量q(m3/s.m) |
T | 5.25 | 3.20 | 9.99 | 0.033 |
T+5min | 5.65 | 3.40 | 10.02 | 0.089 |
T+7min | 5.85 | 3.50 | 10.05 | 0.117 |
T+15min | 6.40 | 3.85 | 10.07 | 0.266 |
T+17min | 6.50 | 3.90 | 10.13 | 0.305 |
T+20min | 6.60 | 3.95 | 10.18 | 0.338 |
试验操作步骤:
步骤一、根据海堤前沿的目标波浪要素,通过比例尺关系换算成波浪水槽中小尺度波浪要素,在无海堤条件下采集波高数据,不断调整造波机输入参数,从而获得目标波浪条件;
步骤二、通过比例尺关系将实际海堤断面尺寸换算到模型尺寸,并在试验区域布置海堤断面;
步骤三、将所述压强测量装置布置在海堤堤顶,将越浪水体流量测量装置布置在堤身后侧,并在采集电脑中将压强测量装置和越浪水体流量测量装置的采集时间设置统一;
步骤四、打开造波机,输入目标波浪要素,生成需要的波浪条件;
步骤五、打开压强测量装置和越浪水体流量测量装置,同步采集压强数据和流量数据;
步骤六、试验结束后,关闭压强测量装置和越浪水体流量测量装置,将采集好的数据导出,计算出越浪水体上挑角度。
利用本发明提供的越浪水体上挑角度测量装置和计算方法,得到了浙江省某地风暴潮越浪过程时越浪水体上挑角度变化过程,图5为本实施例越浪水体上挑角度示意图,从图中可以看出,随着水位越高、波高越大,越浪水体上挑角度逐渐增大,最大上挑角度基本保持在75°。图6为根据本发明提供的方法所计算出的上挑角度和传统摄像技术所得上挑角度对比图,从图中可以看出,两者基本接近,验证了本发明方法的正确性,说明本发明提供的方法能够较方便、准确地计算出越浪水体上挑角度。
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,在不脱离本发明原理和权利要求所保护的范围情况下,还可以作出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,包括设置在海堤后侧的越浪水体流量测量装置(1)、设置在海堤堤顶的压强测量装置(2)和采集电脑(3);
所述越浪水体流量测量装置(1)主要由导流板(1-1)、接水容器(1-2)、U形管、电磁流量计(1-3)组成,所述导流板(1-1)前端和海堤堤顶相连,所述导流板(1-1)后端和所述接水容器(1-2)相连,所述接水容器(1-2)与U形管相连通,电磁流量计(1-3)设置在U形管底部通道中;
所述U形管由进水管道(1-4)、出水管道(1-5)和圆锥形弯管(1-6)组成,接水容器(1-2)和进水管道(1-4)相连通,所述进水管道(1-4)通过所述圆锥形弯管(1-6)和所述电磁流量计(1-3)入口相连,所述电磁流量计(1-3)出口再通过所述圆锥形弯管(1-6)和所述出水管道(1-5)相连;
所述压强测量装置(2)主要由支座(2-1)、支撑导轨架(2-2)、角度调节机构、滑块(2-5)、压强传感器(2-6)组成,所述支座(2-1)通过固定在海堤堤顶,所述支撑导轨架(2-2)通过角度调节机构连接在支座(2-1)上,压强传感器(2-6)通过滑块(2-5)固定在支撑导轨架(2-2)上;
所述角度调节机构为钢质量角器(2-3),转动固定螺栓(2-4)穿过钢质量角器(2-3)中弧形槽(2-3-1)连接所述支撑导轨架(2-2);
所述电磁流量计(1-3)和压强传感器(2-6)均与采集电脑(3)相连。
2.根据权利要求1所述一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,所述出水管道(1-5)的出水口高度低于所述进水管道(1-4)的进水口高度,所述出水管道(1-5)的出水口高度高于所述电磁流量计(1-3)所处高度,所述电磁流量计(1-3)管径小于所述进水管道(1-4)和所述出水管道(1-5)的管径。
3.根据权利要求1所述一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,所述支撑导轨架(2-2)上布置多个滑块(2-5),每个所述滑块(2-5)上布置一个压强传感器(2-6)和一个滑动固定螺栓(2-7),通过滑动固定螺栓(2-7)将滑块(2-5)固定在支撑导轨架(2-2)上。
4.根据权利要求1所述一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,所述支撑导轨架(2-2)顶部布置一个水平气泡(2-8)。
5.根据权利要求1所述一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,所述支撑导轨架(2-2)上刻有刻度。
6.根据权利要求1所述一种越浪水体上挑角度测量装置,其特征在于,所述电磁流量计(1-3)和压强传感器(2-6)均通过数据线和采集电脑(3)相连,所述采集电脑(3)布置在控制室内。
7.根据权利要求1-6任一项所述一种越浪水体上挑角度测量装置的测量方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤A、计算越浪量
电磁流量计实时测量数据为Q计,则单个波周期的越浪量q为:
式中:i为单个波周期电磁流量计采样值序号;dt为电磁流量计采样间隔;m为单个波周期电磁流量计的采样个数;
步骤B、计算水平越浪量
以压强测点前水质点为研究对象,因水质点撞击压强传感器后流速减小为0,根据动量方程可以计算出压强测点前水质点的水平流速Vx为:
式中:P为压强传感器压强值;ρ为水的密度;g为重力加速度;
利用压强值算出作用在直墙上越浪水体水平流速,将水平流速沿直墙垂线积分可以得出水平流速所对应的水平流量Qx为:
式中:为从下往上第j个压强传感器计算出对应的水平流速;dzi为从下往上第j个压强传感器与相邻压强传感器的垂直距离;n为压强传感器个数;
单个波周期的水平越浪量qx为:
式中:dt为压强传感器采样间隔;w为单个波周期压强传感器的采样个数;k为单个波周期压强传感器采样值序号;
步骤C、计算越浪水体上挑角度
定义K为积分求和的水平越浪量qx和越浪量q的比值,K=qx/q;则越浪水体上挑角度α为α=arcos(K)。
8.根据权利要求1-6任一项所述一种越浪水体上挑角度测量装置在现场波浪越浪过程中或波浪水槽中测量越浪水体上挑角度的应用。
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