CN113155660B - 一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于海洋岩土工程实验技术领域，尤其涉及一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，包括主控系统、造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统，其中岩土围压试验系统底部与水位调节试验系统相连，造波试验系统底部与岩土围压试验系统相连，造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统均与主控系统电联接。该实验装置不仅可以在较小的实验装置下，模拟非线性复杂波浪下海底隧道情况，还可以考虑海床与波浪的共同作用，同时可以调节不同水位，不同土压，功能完善，有效探究多方面对海底隧道的影响。

Description

一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置和实 验方法

技术领域

本发明属于海洋岩土工程实验技术领域，尤其涉及一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置和实验方法。

背景技术

目前，随着海洋资源与交通的开发，海底隧道的建设成为新的热点。然而作为海底隧道，不但具有承载上部荷载、静态抗渗性等常规隧道的要求，还需要时时刻刻承受上部波浪动荷载的周期性冲击，导致海床的承载力变化，同时水压的变化也会使海浪对海底隧道的渗透作用变化明显。为了便于对海底隧道的特性进行研究，一般会构建海底隧道试验装置，以实现对海底隧道特性的模拟研究。

现有技术中常规的海底隧道试验装置体型大，耗能高，对波浪环境的模拟较少，特别是在非线性复杂波浪下的研究，同时较少的考虑海床与波浪共同作用。为此，针对现有海底隧道试验装置的不足，本发明提出了一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，进而详细论述了其运行方法。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，能够在较小的试验设备下模拟非线性复杂波浪对海底隧道的影响，同时考虑了波浪与海床的互相作用，并可同时调节水位情况。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，包括主控系统、造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统，其中岩土围压试验系统底部与水位调节试验系统相连，造波试验系统底部与岩土围压试验系统相连，造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统均与主控系统电联接。

优选的，所述造波试验系统包括对称设置的玻璃板，在相对的两玻璃板之间的左、右两侧分别设置有第一底板和第二底板，所述造波试验系统与岩土围压试验系统通过第一底板和第二底板进行隔离；在两玻璃板之间左侧的底部设置有伸缩电机弹簧，所述伸缩电机弹簧的顶端与造波底板连接，所述造波底板的顶端与造波箱连接，所述造波箱的顶端通过转轴转动连接有造波上板；所述玻璃板上端的左侧设置有第一进水口，所述玻璃板上竖向嵌设有压感计。

优选的，所述造波底板呈倒L型，所述玻璃板上端的右侧设置有竖直挡板和水平挡板，所述竖直挡板和水平挡板非等间距设置在第二底板上，所述第二底板末端设置有带有齿状凸起的消波坡。

优选的，所述水位调节试验系统包括设置在底部的水箱，所述水箱上设置有第二进水口，所述水箱的右侧通过虹吸管固定架竖向设置有虹吸管，所述虹吸管右端的进水口位于水箱下部，所述虹吸管左端的排水口位于水箱上部，所述左侧的虹吸管上沿高度方向均匀设置有多个出水口，所述出水口处均设置有电磁阀，且所述电磁阀均与主控系统电联接。

优选的，所述岩土围压试验系统包括设置在水箱上方的试验装配块，所述试验装配块的中心处设置有试验隧洞，所述试验装配块的左、右两侧分别设置钢反力架和小型液压机，所述小型液压机的底部设置有配重块。

优选的，所述试验装配块上竖向设置有水位检测计，所述试验装配块的右端沿高度方向均匀设置有多个小型液压机。

优选的，所述主控系统包括控制器，所述造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统均与控制器电联接，所述控制器可以控制所述造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统的运行，并且能对设备进行自检。

本发明还公开了一种研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验方法，利用上述任一所述的实验装置进行实验，具体包括以下步骤：

（1）先将试验隧洞与试验装配块放置完毕，然后通过对主控系统设定相应任务，主控系统对任务进行分析规划，对设备进行自检，确认设备准备充分；

（2）主控系统同时控制岩土围压系统与水位调节系统的启动，小型液压机开始逐渐施加压力，主控系统控制多个虹吸管出水口处的电磁阀同时开启，当达到预定围压后，小型液压机维持对应压力，当水位检测计检测水位到预定水位后，主控系统控制虹吸管出水口处的电磁阀关闭；

（3）主控系统控制打开造波试验系统的第一进水口，通过压感计感应到达预定水位后，控制关闭第一进水口，主控系统通过控制伸缩电机弹簧带动造波箱上下移动，同时造波上板绕轴旋转，通过两种不同造波方式模拟出非线性复杂波形，通过压感计检测波浪质量与情况，波浪通过竖直挡板与水平挡板时会出现紊流现象，结合带有齿状凸起的消波坡将波浪消减，使反射波浪不影响后续试验。

有益效果

本发明公开了一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，该实验装置不仅可以在较小的实验装置下，模拟非线性复杂波浪下海底隧道情况，还可以考虑海床与波浪的共同作用，同时可以调节不同水位，不同土压，功能完善，有效探究多方面对海底隧道的影响。其次，该实验装置还具有耗能少、环保的优点（比如采用虹吸管，不需要额外的水泵等外力）。

附图说明

图1：本发明实施例1所述的一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置的正面图；

图2：本发明实施例1所述的一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置的俯视图；

图3：本发明实施例1所述的竖直挡板的细部正面图；

图4：本发明实施例1所述的水平挡板的细部正面图；

图5：本发明实施例2所述用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验方法的流程图；

图中，1第一进水口、2压感计、3玻璃板、4第一底板、5造波上板、6造波箱、7造波底板、8钢反力架、9伸缩电机弹簧、10水位检测计、11试验隧洞、12试验装配块、13水箱、14第二进水口、15竖直挡板、16消波坡、17第二底板、18小型液压机、19虹吸管、20虹吸管出水口、21虹吸管固定架、22虹吸管排水口、23虹吸管进水口、24配重块、25水平挡板。

具体实施方式

以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。

实施例1

如图1-4所示，一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，包括主控系统、造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统，其中岩土围压试验系统底部与水位调节试验系统相连，造波试验系统底部与岩土围压试验系统相连。

造波系统包括第一进水口1、玻璃板3、压感计2、第一底板4、第二底板01、造波上板5、造波箱6、造波底板7、伸缩电机弹簧9、竖直挡板15、水平挡板25、消波坡16，其中第一进水口1位于玻璃板3上部，压感计2嵌入在玻璃板3中，第一底板4与第二底板17将造波试验系统与岩土围压试验系统隔离，造波上板5安装在造波箱6上部，造波箱6安装在造波底板7上，造波底板7呈L型，可保证造波时液体密封，造波底板7安装在伸缩电机弹簧9上，竖直挡板15与水平挡板25非等间距安装在第二底板17上，消波坡16安装在第二底板17末端；

岩土围压系统包括试验装配块12、试验隧洞11、小型液压机18、钢反力架8和配重块24，其中试验装配块12安装在水箱13之上，试验隧洞11安置在试验装配块12中心，小型液压机18与钢反力架8分布在试验装配块12两边固定，配重块24固定于小型液压机18下部；

水位调节试验系统包括水位检测计10、水箱13、第二进水口14、虹吸管19、虹吸管出水口20、虹吸管固定架21、虹吸管排水口22和虹吸管进水口23，其中水位检测计10竖直摆放于试验装配块12角落处，虹吸管进水口23与虹吸管排水口22安装在水箱13上部，虹吸管19与水位检测计10为斜对面，虹吸管固定架21将虹吸管19固定，虹吸管出水口20分布于虹吸管19上，随着主控系统调节开启与闭合。

实施例2

一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验方法，利用实施例1所述的试验装置，运行流程如图5所示，先将试验隧洞11与试验装配块12放置完毕，然后通过对主控系统设定相应任务，主控系统对任务进行分析规划，对设备进行自检，确认设备准备充分后，同时进行岩土围压系统与水位调节系统的启动，小型液压机18开始逐渐施加适当压力，对应位置的虹吸管出水口20（从下至上多个同时）开启，当达到预定围压后，小型液压机18维持对应压力，当水位检测计10检测水位到预定水位后，虹吸管出水口20关闭。

随后主控系统打开第一进水口1，通过压感计2感应到达预定水位后，关闭第一进水口1。开始造波，通过伸缩电机弹簧9带动造波箱6上下移动，同时通过造波上板5绕轴旋转，通过两种不同方式造波方法可模拟出非线性复杂波形，通过压感计2检测波浪质量与情况，波浪通过竖直挡板15与水平挡板25会出现紊流等现象，结合带有齿状的消波坡16将波浪消减，使反射波浪不影响后续试验。同时可在任一试验系统运作下进行另一试验系统运作，列如在造波试验系统下，改变岩土围压试验系统，进行相关试验分析。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于：包括主控系统、造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统，其中岩土围压试验系统底部与水位调节试验系统相连，造波试验系统底部与岩土围压试验系统相连，造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统均与主控系统电联接。

2.根据权利要求1所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述造波试验系统包括对称设置的玻璃板，在相对的两玻璃板之间的左、右两侧分别设置有第一底板和第二底板，所述造波试验系统与岩土围压试验系统通过第一底板和第二底板进行隔离；在两玻璃板之间左侧的底部设置有伸缩电机弹簧，所述伸缩电机弹簧的顶端与造波底板连接，所述造波底板的顶端与造波箱连接，所述造波箱的顶端通过转轴转动连接有造波上板；所述玻璃板上端的左侧设置有第一进水口，所述玻璃板上竖向嵌设有压感计。

3.根据权利要求2所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述造波底板呈倒L型，所述玻璃板上端的右侧设置有竖直挡板和水平挡板，所述竖直挡板和水平挡板非等间距设置在第二底板上，所述第二底板末端设置有带有齿状凸起的消波坡。

4.根据权利要求1所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述水位调节试验系统包括设置在底部的水箱，所述水箱上设置有第二进水口，所述水箱的右侧通过虹吸管固定架竖向设置有虹吸管，所述虹吸管右端的进水口位于水箱下部，所述虹吸管左端的排水口位于水箱上部，所述虹吸管上沿高度方向均匀设置有多个出水口，所述出水口处均设置有电磁阀，且所述电磁阀均与主控系统电联接。

5.根据权利要求4所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述岩土围压试验系统包括设置在水箱上方的试验装配块，所述试验装配块的中心处设置有试验隧洞，所述试验装配块的左、右两侧分别设置钢反力架和小型液压机，所述小型液压机的底部设置有配重块。

6.根据权利要求5所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述试验装配块上竖向设置有水位检测计，所述试验装配块的右端沿高度方向均匀设置有多个小型液压机。

7.根据权利要求1所述的用于研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验装置，其特征在于，所述主控系统包括控制器，所述造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统均与控制器电联接，所述控制器可以控制所述造波试验系统、岩土围压试验系统与水位调节试验系统的运行，并且能对设备进行自检。

8.一种研究波浪下海床底部海底隧道特性的实验方法，其特征在于，利用权利要求1-7任一所述的实验装置进行实验，具体包括以下步骤：

（1）先将试验隧洞与试验装配块放置完毕，然后通过对主控系统设定相应任务，主控系统对任务进行分析规划，对设备进行自检，确认设备准备充分；

（2）主控系统同时控制岩土围压系统与水位调节系统的启动，小型液压机开始逐渐施加压力，主控系统控制多个虹吸管出水口处的电磁阀同时开启，当达到预定围压后，小型液压机维持对应压力，当水位检测计检测水位到预定水位后，主控系统控制虹吸管出水口处的电磁阀关闭；

（3）主控系统控制打开造波试验系统的第一进水口，通过压感计感应到达预定水位后，控制关闭第一进水口，主控系统通过控制伸缩电机弹簧带动造波箱上下移动，同时造波上板绕轴旋转，通过两种不同造波方式模拟出非线性复杂波形，通过压感计检测波浪质量与情况，波浪通过竖直挡板与水平挡板时会出现紊流现象，结合带有齿状凸起的消波坡将波浪消减，使反射波浪不影响后续试验。

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