CN112033641A - 一种海岸地貌演变物理模型试验方法 - Google Patents

一种海岸地貌演变物理模型试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于海岸和近海工程模型试验技术领域，提供了一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括动床模型的快速制作装置和方法，以及大范围试验地形的三维高精度快速测量。通过本发明所提供的方法开展海岸地貌演变试验，相比于以往的方法，通过设计高程定位杆和等高线定位框架确定动床模型的地形高程，实现快速、准确地制作动床模型；通过动床模型底部石子垫层结合土工布的特殊处理方式，使水易于排出并防止模型沙流失；通过引入测绘领域革命性的三维激光扫描技术，大幅度提升了大尺度试验地形模型的测量精度和工作效率。本方法经过适当的调整可应用于其他类型水动力学动床模型实验，具有普遍的适用性。

Description

一种海岸地貌演变物理模型试验方法
技术领域
本发明涉及一种波浪作用下沙滩侵蚀造成海岸地貌演变的物理模型试验方法，属于海岸和近海工程模型试验技术领域。
背景技术
海岸侵蚀会造成沿海土地减少、海岸构筑物破坏、海滨浴场退化、海滩生态环境恶化、海岸防护压力增大、侵蚀下来的泥沙又搬运到港湾淤积而使航道受损，从而成为一种严重的环境地质灾害。我国海岸线普遍存在海岸侵蚀灾害，给沿海城市带来巨大的生命和财产损失。研究海岸演变的方法主要有现场观测、数值模拟和模型试验。海岸演变是水流泥沙运动与地形变化的耦合作用引起的，动力与地貌之间存在相互作用与反馈，物理机理非常复杂。目前对于泥沙运动的水动力学机理仍缺乏足够的认识，数值建模分析难度大，计算结果依赖实验验证。而现场观测设备昂贵、周期长、人工成本高，缺乏极端条件的观测资料。因此，水池三维物理模型实验作为一种可靠的研究手段，被广泛应用于海岸演变的物理机理研究、海岸侵蚀灾害的中长期预报和沙滩养护工程的设计验证。
海岸演变属于动床模型实验，即试验地形在水动力作用下会发生动态变化。与定床模型试验不同，动床模型实验在每一组试验开始前都需要重新制作动床地形模型，工作量非常大，且模型精度和制作方法直接决定试验结果的准确性。以往试验中，由于缺乏有效的高程定位工具，动床地形模型的制作精度普遍不高，制作效率低，试验组次少，试验周期长。另外，实际海岸可达数千米范围，在试验水池中的模型试验范围可达数十米。砂质海岸在波浪、水流作用下的侵蚀和演变变形非常复杂，即有较大尺度的陡坎，也有小尺度的沟槽，这需要在三维空间内实现覆盖较大范围且足够精细的距离测量才能够描述其物理特征。受传统测量技术的限制，以往一般采用逐点测量方法，搭建平面框架用测距仪或全站仪进行高程测量，三维空间分辨率和精度低，难以描述海岸演变的小尺度细节特征；测量效率极其低下，对于三维大尺度海岸模型甚至是无法完成的。长期以来，动床地形模型的准确制作和快速测量是海岸地貌演变试验中迫切需要解决的关键技术问题。
发明内容
针对现有技术中动床模型制作和测量精度不高、效率低下的问题，本发明提供了一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括动床模型的快速制作装置和方法，以及大范围试验地形的三维高精度快速测量技术等。
本发明的技术方案：
一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括以下步骤：
S1.根据工程区域的海洋水文条件确定试验条件，包括波浪、水位和潮流；
S2.从工程区域中选取试验范围，确定试验范围内的海底地形、沙滩平面和剖面形态；
S3.综合考虑试验水池10有效尺寸、造波机11性能、波能覆盖区域、试验地形、主要水动力驱动因素，设计模型比尺；
S4.根据泥沙运动相似条件选取模型沙，确定沙的中值粒径；
S5.在试验水池10中按照模型比尺制作定床模型4，等待模型凝固硬化；
S6.分别率定波浪和潮流，造波机11在试验水池10中产生波浪，根据试验条件率定波浪要素；水泵在试验水池10中产生潮流，根据试验条件率定流速和流向；
S7.在定床模型4的基础上，采用安装高程定位杆和定位框架的方法，快速、准确地制作动床模型5；动床模型5底部以及陆域连接带采用石子6衬底并铺设土工布7的方式，使水易于渗出的同时阻挡模型沙流失；
S8.在每组试验开始前，采用三维激光扫描仪12测量动床模型5，作为试验初始地形；
S9.按照试验组次工况条件，试验水池10加水到设定水位，然后造波机11产生波浪，水泵产生潮流，使水动力因素作用预设的试验时长，完成一组海岸演变试验；
S10.单一组次试验
在每组试验结束后，将试验水池10中的水全部放掉，测量动床模型5，作为该组试验工况的最终地形；然后，将动床模型5恢复为初始地形，开展下一组次试验；
S11.连续作用试验
研究一个较长时期内水动力因素连续变化条件下的海岸演变，在每个试验工况结束后，将试验水池10中的水全部放掉，测量动床模型5，作为该组试验工况的中间地形。试验水池10加水到下一个设定水位，改变波浪和潮流试验条件，重复S9的试验步骤，每组之间测量动床模型5，直至完成所有试验工况。
本发明的有益效果：通过本发明所提供的方法开展海岸地貌演变试验，相比于以往的方法，通过设计高程定位杆和等高线定位框架确定动床模型的地形高程，实现快速、准确地制作动床模型；通过动床模型底部石子垫层结合土工布的特殊处理方式，使水易于排出并防止模型沙流失；通过引入测绘领域革命性的三维激光扫描技术，大幅度提升了大尺度试验地形模型的测量精度和工作效率。本方法经过适当的调整可应用于其他类型水动力学动床模型实验，具有普遍的适用性。
附图说明
图1为海岸地貌演变物理模型试验流程图；
图2为高程定位杆；
图3为等高线定位框架；
图4为试验模型剖面图；
图5为试验平面布置图；
图6(a)为波浪作用前初始地形等高线图；
图6(b)为波浪作用后演变地形等高线图；
图7为海岸侵蚀量等高线图；
图8为波浪作用前后平均高潮位海岸线变化图。
图中：1定位杆；2底座；3无齿带锯条；4定床模型；5动床模型；6石子垫层；7土工布；8格栅笼；9石子填充；10试验水池；11造波机；12三维激光扫描仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述，本发明依托背景为某市海湾生态整治项目修复沙滩物理模型试验及试验数据。
图1所示为海岸地貌演变物理模型试验流程。
S1.根据工程区域附近海洋站的多年实测波浪、潮位和风资料，利用波浪数值模型推算修复沙滩工程位置处的设计波浪要素、设计水位，确定模型试验条件和试验组次。对于海岸沙滩地貌演化而言，潮流和波浪是主要驱动因素。由于近岸浅水区域向海延伸地形的掩护作用，沙滩主要受波浪及其破碎后产生的近岸波生流影响。
S2.选取模型试验范围，基于试验范围内的海底地形资料，借助静态平衡岸线理论与数值模拟手段，给出优化后的工程区域修复沙滩平面和剖面形态。
S3.对于以波浪及波生流输沙为主的物理模型试验，不仅要满足重力相似准则以正确的模拟波浪运动，还需要满足泥沙起动相似、泥沙沉降相似、海滩剖面变形相似和沿岸输沙等才能比较准确地模拟沙滩冲淤变化。海岸泥沙运动与海岸变形分为两个方向考虑，即沿岸方向和垂岸方向，模型试验通常采用变态比尺，水平比尺与垂向比尺不同。综合考虑水池有效尺寸、造波机性能、波能覆盖区域、试验地形、主要水动力驱动因素等，本试验水平比尺设为1:65，垂向比尺设为1:31.65，模型变态率为2.05。
S4.根据《波浪模型试验规程》，以泥沙垂岸运动为主的动床模型试验应该满足泥沙冲淤相似(剖面形态相似)，要求泥沙沉速比尺为
Figure BDA0002650671070000051
试验所考虑的原型沙处于过渡区，采用Soulsby提出的泥沙沉速计算公式
Figure BDA0002650671070000052
Figure BDA0002650671070000053
式中，g为重力加速9.81ms-2，ν为水的粘性系数1.36×10-6m2s-1。据此，反算得到泥沙粒径比尺为λd50＝2.632。工程填沙中值粒径为0.5mm，试验中采用中值粒径为0.19mm的天然沙作为模型沙。
S5.将工程区域海床以-1.5m等深线为界分为定床和动床两部分，-1.5m等深线以下为水泥抹面形成的定床模型，-1.5m以上为由天然沙铺设的动床模型，均按照近岸实测海床地形、养滩设计平面和剖面进行制作。定床模型以粉煤灰打底，水泥抹面，对于定床部分涉及到的构筑物，码头以砖干砌然后水泥抹面，抛石堤以砖干砌周围堆放块石或者块体。
S6.分别率定波浪和潮流。根据《波浪模型试验规程》，试验采用不规则波作用，不规则波频谱采用合田改进的JONSWAP谱
Figure BDA0002650671070000061
Figure BDA0002650671070000062
Figure BDA0002650671070000063
Figure BDA0002650671070000064
式中，H1/3为有效波高，Tp为谱峰周期，fp为谱峰频率，谱峰升高因子γ取3.3。
造波机在水池中产生波浪，根据试验条件，使试验波浪要素和频谱形状满足试验精度要求。水泵在水池中产生潮流，根据试验条件，使试验流速和流向满足试验精度要求。
S7.为快速准确地制作动床模型，本发明设计了一种高程定位装置。图2所示为动床模型高程定位杆，图中可见组成部分：定位杆1和底座2，采用不锈钢制作。根据试验范围内的高程，选择若干条等高线进行定位，本试验选择原型1m、2m、3m等高线制作不同高度的定位杆，每个定位杆顶部切割一个深20mm宽1mm的沟槽，底部加工螺纹。底座由圆盘和短螺纹管组成，圆盘上有三个M3标准螺丝孔，短螺纹管用来连接定位杆。沿每条等高线等间距布置多个定位杆，用M3螺丝将定位杆底座固定在定床模型上。图3所示为动床模型等高线定位框架，图中可见组成部分：定位杆1、底座2和无齿带锯条3。定制的无齿带锯条宽20mm厚1mm，长度与每条等高线相同，将带锯条卡入定位杆的沟槽中，构成空间等高线框架，锯条上沿高度限定每条等高线高程。养滩设计剖面一般为平滑过渡剖面，试验中相邻两条等高线之间的地形模型采用平滑过渡制作，与实际工程吻合。利用等高线定位框架，工人可以准确定位地形高程，快速制作动床模型。
图4所示为试验模型剖面，图中可见组成部分：定床模型4、动床模型5、石子垫层6、土工布7、格栅笼8和石子填充9。其中定床模型4以粉煤灰打底，水泥抹面制作。动床模型5底部铺设2～3cm厚的石子垫层6，在石子垫层6上铺设2层100g土工布7，在土工布7上填沙形成动床模型5。动床模型5从海岸线再继续向陆域延伸一定长度，在动床模型5边界安装格栅笼8，由不锈钢网制作。格栅笼8向海侧的立面覆盖2层100g土工布7，内部填充石子9。动床模型的这种剖面设计在试验过程中使水能够自由渗出的同时防止模型沙流失。
S8.图5所示为试验平面布置，图中可见组成部分：定床模型4、动床模型5、试验水池10、造波机11和三维激光扫描仪12。三维激光扫描仪12放置在靠近动床模型5的水池中间位置(测站1)，扫描仪距离目标越近测量精度越高。实际操作中将三维激光扫描仪12到动床模型5边界的距离控制在10m之内，试验地形的测量精度可以达到1mm以内。若需要进一步提高重点关注区域的局部测量精度，可在靠近该区域位置增加测站，如测站2和测站3，进行多测站拼接测量。在每组试验开始前，使用三维激光扫描仪12测量试验初始地形。
S9.按照试验组次工况条件，水池加水到设定水位，然后造波机11产生波浪，水泵产生潮流。为避免波浪的二次反射，采用间歇造波方法生成波浪，本试验每次造波约6分钟后停止，待水体恢复平静后再进行下一次造波，照此反复进行，使波浪累计作用时间达到原型24小时，完成一组海岸演变试验。
S10.单一组次试验
在每组试验结束后，将水池中的水全部放掉，使用三维激光扫描仪12测量动床模型5，作为该组试验工况的最终地形。将动床模型5恢复为初始地形，开展下一组次试验。
S11.连续作用试验
研究一个较长时期内水动力因素连续变化条件下的海岸演变，在每个试验工况结束后，将试验水池10中的水全部放掉，测量动床模型5，作为该组试验工况的中间地形。试验水池10加水到下一个设定水位，改变波浪和潮流试验条件，重复S9的试验步骤，每组之间测量地形，直至完成所有试验工况。
S12.三维激光扫描仪12测量获得的点云原始数据经过预处理编辑、特征提取、参考系校准、初始配准、精确配准、三维建模和数据分析等一系列的处理分析步骤，获取彩色云图、等高线、剖面图等可视化地形高程表示，以及侵蚀量、坡度变化、岸线变化等海岸演化物理量试验结果。图6所示为波浪作用前后初始地形和演变地形的等高线图；图7所示为海岸侵蚀量等高线图；图8所示为平均高潮位海岸线变化的等高线图。

Claims (3)

1.一种海岸地貌演变物理模型试验方法，其特征在于，步骤如下：
S1.根据工程区域的海洋水文条件确定试验条件，包括波浪、水位和潮流；
S2.从工程区域中选取试验范围，确定试验范围内的海底地形、沙滩平面和剖面形态；
S3.综合考虑试验水池(10)有效尺寸、造波机(11)性能、波能覆盖区域、试验地形、主要水动力驱动因素，设计模型比尺；
S4.根据泥沙运动相似条件选取模型沙，确定沙的中值粒径；
S5.在试验水池(10)中按照模型比尺制作定床模型(4)，等待模型凝固硬化；
S6.分别率定波浪和潮流，造波机(11)在试验水池(10)中产生波浪，根据试验条件率定波浪要素；水泵在试验水池(10)中产生潮流，根据试验条件率定流速和流向；
S7.在定床模型(4)的基础上，采用安装高程定位杆和定位框架的方法，快速、准确地制作动床模型(5)；动床模型(5)底部以及陆域连接带采用石子(6)衬底并铺设土工布(7)的方式，使水易于渗出的同时阻挡模型沙流失；
S8.在每组试验开始前，采用三维激光扫描仪(12)测量动床模型(5)，作为试验初始地形；
S9.按照试验组次工况条件，试验水池(10)加水到设定水位，然后造波机(11)产生波浪，水泵产生潮流，使水动力因素作用预设的试验时长，完成一组海岸演变试验；
S10.单一组次试验
在每组试验结束后，将试验水池(10)中的水全部放掉，测量动床模型(5)，作为该组试验工况的最终地形；然后，将动床模型(5)恢复为初始地形，开展下一组次试验；
S11.连续作用试验
研究一个较长时期内水动力因素连续变化条件下的海岸演变，在每个试验工况结束后，将试验水池(10)中的水全部放掉，测量动床模型(5)，作为该组试验工况的中间地形；试验水池(10)加水到下一个设定水位，改变波浪和潮流试验条件，重复S9的试验步骤，每组之间测量动床模型(5)，直至完成所有试验工况。
2.根据权利要求1所述的海岸地貌演变物理模型试验方法，其特征在于，所述的等高线定位框架包括高程定位杆和无齿带锯条(3)，无齿带锯条(3)长度与每条等高线相同；无齿带锯条(3)卡入定位杆(1)顶部的沟槽中，构成等高线定位框架，无齿带锯条(3)上沿高度限定每条等高线高程；高程定位杆包括定位杆(1)和底座(2)，采用不锈钢制作；定位杆(1)的顶部切割有沟槽，底部加工有螺纹；底座(2)由圆盘和短螺纹管组成，圆盘上有螺丝孔，短螺纹管与定位杆(1)底部的螺纹配合连接。
3.根据权利要求1或2所述的海岸地貌演变物理模型试验方法，其特征在于，所述的海岸演变试验模型包括定床模型(4)、动床模型(5)、石子垫层(6)、土工布(7)、格栅笼(8)和石子填充(9)；定床模型(4)以粉煤灰打底，水泥抹面制作；动床模型(5)底部铺设2～3cm厚的石子垫层(6)，在石子垫层(6)上铺设2层土工布(7)，在土工布(7)上填沙形成动床模型(5)；动床模型(5)从海岸线再继续向陆域延伸一定长度，在动床模型(5)边界安装格栅笼(8)，由不锈钢网制作；格栅笼(8)向海侧的立面覆盖2层土工布(7)，内部填充石子(9)。
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