CN111707443A - 一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其技术方案为：包括水槽主体，水槽主体底部连接岩土试验箱，所述岩土试验箱置于地震模拟系统上方；水槽主体两侧安装有供排水系统，水槽主体底部设置有造流系统；水槽主体内部安装造波系统，水槽主体顶部安装桁车系统。本发明可实现对海上结构物全部荷载的模拟，可以实现水槽、振动台和岩土试验箱三者之间的协同工作。

Description

一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统

技术领域

本发明涉及建筑用试验设备技术领域，尤其涉及一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统。

背景技术

随着海洋开发力度的不断深入，近海区域建设了大量跨海桥梁、海上风机、海上石油平台、海底管道、防波堤等海工结构物。与陆地结构物相比，海工结构物通常承担复杂的海洋环境作用，长时间遭受复杂的海洋荷载作用，在大波高长周期的波浪冲击下，海工结构物可能会因外部荷载作用而发生局部甚至全部的强度或刚度破坏，每年由于海工结构物破坏而造成的生命财产损失骤增。

波浪荷载作为近海区域的结构物在施工和设计过程中需要重点考虑荷载的形式，结构物影响流场分布的同时也会因较大波浪力作用而可能失稳，结构物所受波浪荷载的取值问题将会在很大程度上影响海工结构物的经济性和安全性。海工结构物在海洋环境中，处于复杂的受力状态，而且不确定性因素较多(如海工结构物自身缺陷的不确定性、地质灾害的不确定性等)，海工结构物失稳破坏的现象时有发生。大部分海上结构物失稳是由于海工结构物底部海床液化后丧失承载力所致，因此研究海工结构物周围海床液化稳定性对保护海工结构物具有重要意义。多孔介质海床由于较高孔隙率而影响波浪-构筑物间的相互作用。海上结构的稳定性不仅受到波浪荷载直接作用的影响，而且受到结构物周围海床稳定性的影响。

一维圆筒试验中，在土体上施加振荡压力，使土体内部产生振荡的孔隙水压力，但是不能考虑剪切作用；离心机试验可以使应力水平达到现场实测值，但由于设备尺寸的限制，难以放入结构物；传统振动台与模型箱试验将风、波、流等进行简化，很难模拟真实的海洋环境。波浪传播过程中，海床表面会受到周期性的波浪荷载，这种周期性波浪荷载会引起海床中孔隙水压力及有效应力的变化，当海床内孔隙水压力较大、有效应力逐渐消失时，海床将丧失承载力，发生液化失稳，会对海洋建筑物的整体稳定性构成极大威胁。研究波浪荷载作用下海床的动力响应及液化稳定性对保障海工结构物安全具有重要意义，传统水槽-结构物试验，忽略海床对海工结构物承载特性的影响，与真实海工结构物的工作环境相差较大。

海底地震是地下岩石突然断裂而发生的急剧运动。海底地震及其所引起的海啸，给人类带来灾难。海底地震导致地面破坏，如地面裂缝、塌陷，喷水冒砂等。近年来由于海底地震给海上结构物造成的损失不断增加，地震对海上结构物的影响不容忽视。因此一种新的研究波浪-海上结构物-海床-地震相互作用的水槽试验无疑是研究海工结构物真实承载特性的有效试验手段。

目前现有的海上结构物模拟多为水槽与模型箱或水槽与振动台的结合。前者只可实现海床的模拟，无法进行地震荷载的施加。或者只可实现地震荷载的模拟，无法实现床的模拟。上述试验设备的缺点主要为：在试验中对真实海上结构物所承担的波浪、潮汐、水流、地震等多个荷载只可进行某个或某几个荷载的模拟，无法进行全部荷载的模拟。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，可实现对海上结构物全部荷载的模拟，可以实现水槽、振动台和岩土试验箱三者之间的协同工作。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

本发明的实施例提供了一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，包括水槽主体，水槽主体底部连接岩土试验箱，所述岩土试验箱置于地震模拟系统上方；水槽主体两侧安装有供排水系统，水槽主体底部设置有造流系统；水槽主体内部安装造波系统，水槽主体顶部安装桁车系统。

作为进一步的实现方式，所述供排水系统设置两组，每组供排水系统均包括一个蓄水池、一个水槽供水泵和一个水槽排水泵，所述水槽供水泵和水槽排水泵安装于水槽主体侧面；水槽供水泵和水槽排水泵分别通过水管连接蓄水池。

作为进一步的实现方式，所述岩土试验箱通过入水阀门连接试验箱供水泵，试验箱供水泵通过阀门安装于蓄水池的侧面；岩土试验箱通过出水阀门连接地漏，且岩土试验箱顶部与水槽主体底部密封连接。

作为进一步的实现方式，所述造流系统包括两个均流箱，均流箱与水槽主体之间通过水篦子连通；两个均流箱之间通过主管路相连，主管路一侧具有分支管路；所述分支管路连接至其中一个均流箱，用以实现水流的循环。

作为进一步的实现方式，所述主管路、分支管路与均流箱的连接端安装有双向造流泵，所述双向造流泵连接控制台。

作为进一步的实现方式，所述造波系统一侧安装第一消波器，第一消波器位于水槽主体一端；水槽主体另一端安装第二消波器。

作为进一步的实现方式，所述地震模拟系统包括振动台和第三控制台，所述振动台设置于岩土试验箱下方，且振动台与第三控制台相连。

作为进一步的实现方式，所述桁车系统包括桁车和第一直线导轨，第一直线导轨固定于水槽主体上方且沿水槽主体长度方向安装；桁车能够沿第一直线导轨移动。

作为进一步的实现方式，所述水槽主体的侧壁安装有凹字形轨道，凹字形轨道与围堰滑动连接；水槽主体外部设置围堰排水泵，能够通过水管将围堰中心内部的水排出到水槽主体其他位置处。

作为进一步的实现方式，所述水槽主体沿长度方向的两侧安装若干可视窗，水槽主体侧面设置多台高清摄像机。

上述本发明的实施例的有益效果如下：

(1)本发明的一个或多个实施方式可以实现水槽、振动台和岩土试验箱三者之间的协同工作，改变现有的海上结构物荷载模拟多为水槽与振动台的结合，只可实现结构物上部结构的模拟；或者水槽与岩土试验箱的结合，只可实现海床的模拟，无法进行地震荷载的施加；本发明可实现海床、潮汐荷载、水流荷载、波浪荷载、地震荷载的同时模拟；

(2)本发明的一个或多个实施方式的造波系统通过数字化实时控制，利用控制台可输入理想化波形和现场实测波形，尽可能真实模拟海上结构物所受波浪作用；

(3)本发明的一个或多个实施方式的造流系统，加入水篦子和均流箱，可实现全池宽范围的整体造流，更真实的模拟海洋流场情况；

(4)本发明的一个或多个实施方式可同时模拟海上结构物所受的波浪、潮汐、水流、地震等多场耦合作用，并全部进行数字化控制，使模拟效果更加真实，实现所施加荷载的量化型，这也使得所得试验结果更具有说服力；

(5)本发明的一个或多个实施方式的水槽主体设置可视窗，且水槽主体侧面放置高清摄像机，通过高清摄像机能够实时拍摄记录试验情况。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1是本发明根据一个或多个实施方式的立体图一；

图2是本发明根据一个或多个实施方式的立体图二；

图3是本发明根据一个或多个实施方式的A-A剖视图；

图4是本发明根据一个或多个实施方式的造波系统结构示意图；

图5(a)-图5(b)是本发明根据一个或多个实施方式的消波器结构示意图；

图6是本发明根据一个或多个实施方式的振动台-水下岩土试验箱系统结构示意图；

图7是本发明根据一个或多个实施方式的岩土试验箱剖视图；

图8是本发明根据一个或多个实施方式的造流系统结构示意图；

图9是本发明根据一个或多个实施方式的供排水系统结构示意图；

其中，1-水槽主体；2-可视窗；3-造波机；4-造波板；5-滚珠丝杠副；6-伺服电机；7-第一控制台；8-第一消波器；9-第二消波器；10-第二直线导轨；11-岩土试验箱；12-振动台；13-方形钢管；14-入水阀门；15-出水阀门；16-试验箱供水泵；17-蓄水池；18-地漏；19-第三控制台；20-双向造流泵；21-主管路；22-分支管路；23-均流箱；24-水篦子；25-第四控制台；26-水槽供水泵；27-水槽排水泵；28-围堰；29-凹字形轨道；30-围堰排水泵；31-桁车；32-第一直线导轨；33-高清摄像机。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；

为了方便叙述，本申请中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语解释部分:本申请中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。

实施例一：

本实施例提供了一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，如图1-图9所示，包括水槽主体1、造波系统、岩土试验箱11、地震模拟系统、造流系统、供排水系统、桁车系统，岩土试验箱11设置于水槽主体1下方，地震模拟系统设置于岩土试验箱11下方，桁车系统安装于水槽主体1上方，造波系统、造流系统位于水槽主体1内侧。

具体的，如图1所示，水槽主体1为顶部开口的长方体结构，其尺寸可根据实际试验要求、试验条件设置。在本实施例中，水槽主体1的尺寸为：长30.0m×宽10.0m×深2.5m，最大工作水深为2.0m，最低工作水深为0.2m。水槽主体1沿长度方向的两侧安装若干可视窗2，以观察试验过程中海上结构物的动态变化。所述水槽主体1外侧沿长度方向对称安装第二直线导轨10，通过第二直线导轨10安装其他测量系统。

进一步的，可视窗2由支撑结构和填充于支撑结构内的透明玻璃制成，所述支撑结构为矩形框。在本实施例中，支撑结构由截面为长200mm*宽100mm*厚6mm的矩形钢管焊接而成；共11跨，中间一跨长3m，其余各跨长2m；透明玻璃选用厚度为19mm+19mm的夹胶玻璃。当然，在其他实施例中，可视窗2的支撑结构也可以采用其他尺寸，透明玻璃也可以选用其他厚度，只要能够与水槽主体1尺寸相匹配即可。

造波系统包括造波机3和第一控制台7，第一控制台7为数字化控制台，用于控制造波机3的动作。造波机3设置于水槽主体1内部一端，第一控制台7设置于水槽主体1外侧。如图4所示，所述造波机3为推板式造波机，包括造波板4、滚珠丝杠副5、伺服电机6等，伺服电机6通过控制线路连接第一控制台7；所述伺服电机6通过滚珠丝杠副5连接造波板4，第一控制台7控制造波机3生成规则波和不规则波。

其中，规则波生成：

由计算机和信号源控制，产生规则波。并对波高仪所测波浪信号进行数据采集处理。

技术指标(无反射时)：

(1)波周期范围：0.4～2秒；

(2)波高范围：0.02～0.15m；

(3)波高横向误差：

(4)波高稳定性：

(5)波高重复性：

(6)周期的稳定性和重复性：

注：以上指标在很小周期(<1.0s)或较大周期(>2.0s)时，误差指标允许适当降低。

不规则波的生成：

将要生成的波谱(包括P－M谱、B谱、J谱、海港水文规范谱及自定义波谱)公式特征参数送入计算机，计算出推波板运动信号，进而控制伺服系统驱动造波板产生不规则波，得到期望谱。

技术指标：

(1)平均波周期变化范围为0.4～2秒；

(2)有效波高变化范围为0.02～0.08m；

(3)有效波高的重复性：△Hs/H_s≤3％；

(4)最大波高的重复性：△H_max/H_max≤3％；

(5)平均周期和谱峰周期的稳定性和重复性：△T/T≤3％；

(6)有效波高误差：△H_s/H_s≤4％；

(7)谱峰周期误差：△T_p/T_p≤4％；

(8)总能量误差：△M₀/M₀≤6％；

(9)波谱密度误差：△S(ω)/S(ω)≤10％。

在本实施例中，设计波高为0.02m-0.15m，实验周期范围为0.4-2s。为了消除波浪反射，造波机3后侧(以远离造波机3的安装侧为前)设有第一消波器8，第一消波器8位于水槽主体1一端，水槽主体1另一端设置第二消波器9。如图5(b)所示，第一消波器8为多个相互平行的方钢焊接而成的管式消波器(竖直式)，方钢表面设有盲沟材料。如图5(a)所示，第二消波器9由多个相互平行的方钢焊接形成倾斜设定角度的管式消波器(倾斜式)，方钢表面设有盲沟材料。优选地，第二消波器9的方钢所在平面与水平面的夹角为30°。

地震模拟系统包括振动台12和第三控制台19，振动台12设置于岩土试验箱11下方，试验时，海上结构物设置于岩土试验箱11中。岩土试验箱11为顶部开口的长方体结构，在本实施例中，岩土试验箱11的尺寸为长3.0m×宽3.0m×高2.0m，如图7所示，箱壁由20层方形钢管13(截面尺寸为100mm×100mm)叠合而成，以此获得层状剪切效果；箱壁内侧布置橡胶膜，达到密封止水效果。岩土试验箱11内壁与橡胶膜之间设置海绵，以削弱边界上地震波的反射或散射。

进一步的，水槽主体1底部连接岩土试验箱11的位置设置矩形开口，岩土试验箱11顶部与矩形开口密封连接。为了实现岩土试验箱11水平向自由震动，又保证密封不漏水，所述岩土试验箱11与水槽主体1之间采用大变形弹性橡胶连接。如图6所示，岩土试验箱11靠近底部位置分别设有入水阀门14和出水阀门15，可在试验前提前对岩土试验箱11内部填充物进行浸水饱和。入水阀门14通过水管连接试验箱供水泵16，出水阀门15通过水管连接地漏18，将岩土试验箱11中需要排出的水通过水管输送到排水沟中。

振动台12与岩土试验箱11刚性连接，其台面尺寸为长3.5m×宽3.5m，可激发与水槽主体1波流同向的单向震动，也可实现双向振动。在本实施例中，振动台12由第三控制台19控制，其工作频率为0.1-40Hz，最大加速度为1.0g，最大水平位移为±120mm，可实现模拟指定地震波。当然，在其他实施例中，上述参数可以根据试验要求选择。为了节省空间和提高振动台稳定性，安装时，振动台12一部分设置在地面以下。

如图6所示，水槽主体1侧面安装有供排水系统，所述供排水系统共有两组，沿水槽主体1的对角设置；每组供排水系统均包括一个蓄水池17、一个水槽供水泵26和一个水槽排水泵27。所述水槽供水泵26和水槽排水泵27安装于水槽主体1侧面。

水槽供水泵26和水槽排水泵27分别通过水管连接蓄水池17；其中水槽供水泵26用于将水从蓄水池17贯入水槽主体，水槽排水泵27用于将水从水槽主体1排出。其中一个蓄水池17侧面安装有试验箱供水泵16，所述试验箱供水泵16通过水管连接入水阀门14，蓄水池17中的水通过水管输送到岩土试验箱11中。在本实施例中，蓄水池17最大工作水深2m，最小工作水深1m。

如图8所示，造流系统包括两个均流箱23、两水篦子24、主管路21、分支管路22、第四控制台25、双向造流泵20，均流箱23设置于蓄水池17上方、水槽主体1下方。两个均流箱23之间通过主管路21相连，且主管路21一侧具有分支管路22，所述分支管路22连接至其中一个均流箱23。所述主管路21、分支管路22与均流箱23的连接端安装有双向造流泵20，所述双向造流泵20连接第四控制台25。双向造流泵20配备双向变频电源，用第四控制台25自动控制产生双向流场。在本实施例中，主管路21、分支管路22采用不锈钢管路。

所述水槽主体1的底面对应于均流箱23上方安装水篦子24，通过水篦子24实现均流箱23与水槽主体1贯通。如图2所示，水篦子24沿水槽主体1的宽度方向设置，在本实施例中，水篦子24的尺寸为长10m×宽1.5m。当然，在其他实施例中，水篦子24的尺寸也可以根据实际试验要求调整。传统水槽流场由水泵产生，但水泵能量转化出的水流包括高速流、较大的湍流和速度梯度。自然界中由潮汐运动和风的剪切形成的流是在大范围内产生，包含较小的速度梯度和湍流，较为平缓。均流箱23和水篦子24的使用可实现全池宽范围的整体造流，更真实的模拟海洋流场情况。

桁车系统包括桁车31和第一直线导轨32，第一直线导轨32固定于水槽主体1上方且沿水槽主体1长度方向上安装；桁车31可通过遥控器控制以沿第一直线导轨32移动。为了记录海上结构物和水流的变化情况，在水槽主体1一侧设置多台高清摄像机33。本实施例中，设置三台高清摄像机33。可以理解的，在其他实施例中，也可以设置其他个数的高清摄像机33，高清摄像机33的个数选择与水槽主体1的长度有关。

如图2所示，水槽主体1的侧壁安装有凹字形轨道29，凹字形轨道29为具有凹槽的轨道。凹槽内部铺设有丁腈橡胶，可有效防止水流的溢出。水槽主体1内部设置围堰28，在本实施例中，围堰28设置于水槽主体1的中间位置。进一步的，围堰28为井字形围堰，在水槽主体1内部与岩土试验箱11连接处的周围的上部安装。井字形围堰由两块长钢板和两块短钢板组成，两块长钢板通过凹字形轨道29与水槽主体1连接，两块短钢板通过凹字形轨道29连接在两块长钢板侧面；两块短钢板将两块长钢板之间的区域分隔成三个矩形空间。通过用水管连接围堰排水泵30，将围堰28中心位置的水排到水槽主体1中，用以方便岩土试验箱11内填充物的更换。

本实施例的试验方法为：

(1)首先利用桁车系统将岩土试验箱11中装入1m高的岩石，再装入0.5m高黏土和0.5m高的砂土，土体进行分层放入，每次放置100mm，分10次放置，每一层都进行夯实。土体放置结束后让其在自重状态下固结3天。然后通过岩土试验箱11中的入水阀门14和出水阀门15将岩石和土体进行浸水饱和。待岩土体饱和后关闭阀门，通过水槽供水泵26向水槽主体1中注入试验所需要的水量。

(2)在海上结构物上安装管线光栅传感器，以测量桩体侧摩阻力；并在海上结构物上安装微型土压传感器，以测量桩侧土压力变化。有机玻璃具有一定的透明性，采用高清摄像机33的摄像头进行桩-土界面细观变化的记录。

(3)待海上结构物安装完成后，安装其他测量仪器。通过高清摄像机33记录海床形态的实时变化、波浪场的特征及海上结构物的位移变化。在海上结构物四周水面上安装浪高仪，用于测量波面信息并及时反馈到造波系统的控制台，为波浪的设置提供实时数据反馈。

在海上结构物四周水面上安装声学多普勒流速仪，用于全局水流特征的数据采集，并及时反馈到造流系统的控制台中，为水流的设置提供实时数据反馈。在海上结构物四周水面上安装水压力传感器，用于测量水动力荷载。在振动台12上安装加速度传感器，用于测量地震频率。

(4)进行目标波普、目标流速、目标地震波的校准。

(5)根据校准结果，按照试验要求对波普、流速、地震波进行施加，开始正式试验。在试验过程中实时测量所需试验数据。

(6)第一组试验结束后，利用桁车系统将围堰28放置在水槽主体1中，利用围堰排水泵30将岩土试验箱11上部的水输送到水槽主体1其他位置。然后利用桁车系统对岩土试验箱11中的岩体26、土体进行更换，更换后取出围堰28，然后按照步骤(2)-(6)进行下一组试验。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，包括水槽主体，水槽主体底部连接岩土试验箱，所述岩土试验箱置于地震模拟系统上方；水槽主体两侧安装有供排水系统，水槽主体底部设置有造流系统；水槽主体内部安装造波系统，水槽主体顶部安装桁车系统。

2.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述供排水系统设置两组，每组供排水系统均包括一个蓄水池、一个水槽供水泵和一个水槽排水泵，所述水槽供水泵和水槽排水泵安装于水槽主体侧面；水槽供水泵和水槽排水泵分别通过水管连接蓄水池。

3.根据权利要求2所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述岩土试验箱通过入水阀门连接试验箱供水泵，试验箱供水泵通过阀门安装于蓄水池的侧面；岩土试验箱通过出水阀门连接地漏，且岩土试验箱顶部与水槽主体底部密封连接。

4.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述造流系统包括两个均流箱，均流箱与水槽主体之间通过水篦子连通；两个均流箱之间通过主管路相连，主管路一侧具有分支管路；所述分支管路连接至其中一个均流箱，用以实现水流的循环。

5.根据权利要求4所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述主管路、分支管路与均流箱的连接端安装有双向造流泵，所述双向造流泵连接控制台。

6.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述造波系统一侧安装第一消波器，第一消波器位于水槽主体一端；水槽主体另一端安装第二消波器。

7.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述地震模拟系统包括振动台和第三控制台，所述振动台设置于岩土试验箱下方，且振动台与第三控制台相连。

8.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述桁车系统包括桁车和第一直线导轨，第一直线导轨固定于水槽主体上方且沿水槽主体长度方向安装；桁车能够沿第一直线导轨移动。

9.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述水槽主体的侧壁安装有凹字形轨道，凹字形轨道与围堰滑动连接；围堰与水槽主体之间通过围堰排水泵连接水管，能够将围堰中心的水排到水槽主体其它位置处。

10.根据权利要求1所述的一种模拟海上结构物多场耦合作用的水槽试验系统，其特征在于，所述水槽主体沿长度方向的两侧安装若干可视窗，水槽主体侧面设置多台高清摄像机。

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