CN113267169B - 一种波浪作用动能测量装置、方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波浪作用动能测量装置、方法及其应用，该测量装置，包括浮体、水面测量部件和水下测量部件，浮体能够漂浮于水面上，水面测量部件设于浮体上，浮体通过水下测量部件连接于水底，水面测量部件用于获取波浪作用在水平面内的动能，水下测量部件用于获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能以及水平面内动能的补偿。该测量装置通过浮体接受波浪作用，通过水面测量部件和水下测量部件共同获取出波浪作用在水平面内的动能，且水平面内的动能能够正交分解，通过水下测量部件获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能，从而同时获取出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰。

Description

一种波浪作用动能测量装置、方法及其应用

技术领域

本发明涉及工程测量领域，特别是涉及一种波浪作用动能测量装置、方法及其应用。

背景技术

中国东部沿海地区人多地少，陆地空间有限，为满足交通需求，往往需要修建大量越江跨海隧道，沉管隧道则是比较普遍的隧道型式之一。大连理工大学的研究论文《超长沉管管段沉放过程的模拟研究》提到水下沉管隧道在施工中会受到波浪、水流等因素影响，在复杂的水下环境中，沉管的沉放是沉管隧道施工的重要关节，同时也是最危险的环节。已建成的港珠澳跨海大桥在施工中也遇到沉管沉放的安全性考验。因此，测量沉管施工过程中各个方向受到波浪作用的三维动能可以有助于把握沉管运动的稳定性并保证施工安全性。

另外，水下悬浮隧道受到波浪作用也会发生位移，位移较大会影响隧道稳定性，因此，测量波浪作用力至关重要，保证悬浮隧道安全性。

在现有的技术中，中国专利公开号CN106706266A提出了一种模拟波浪荷载作用下海底隧道动态响应模型试验装置，包括模型箱、隧道及支撑系统和量测系统。模型箱包括模型箱底板、角钢、模型箱右侧板、模型箱左侧转动板、模型箱背面板、钢化玻璃和有机玻璃板。其可模拟在不同隧道埋深、开挖半径以及衬砌厚度等条件下，海底隧道周围海床孔隙水压力响应，能为波浪荷载作用下海底隧道动态响应问题研究提供有效的试验数据支持。但是对于测量波浪作用的三维动能却无法实现，因此需要提供一种波浪作用动能测量装置及方法，准确获得波浪作用三维动能，再设计沉管沉放相关参数，从而提高沉管施工的安全性。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术存在的波浪作用动能难以测量的问题，提供一种波浪作用动能测量装置、方法及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种波浪作用动能测量装置，包括浮体、水面测量部件和水下测量部件，所述浮体能够漂浮于水面上，所述水面测量部件设于所述浮体上，所述浮体通过所述水下测量部件连接于水底，所述水面测量部件用于获取波浪作用在水平面内的动能，所述水下测量部件用于获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能以及水平面内动能的补偿。

连接于水底指连接于如海床、河床或者湖床。

采用本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，通过所述浮体接受波浪作用，通过所述水面测量部件和所述水下测量部件共同获取出波浪作用在水平面内的动能，且水平面内的动能能够正交分解，通过所述水下测量部件获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能，从而同时获取出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量装置结构简单，使用方便，效果良好。

优选地，所述水面测量部件包括重物、支架、外框架和内框架，所述支架固定在所述浮体上，所述外框架固定在所述支架上，所述第一转轴转动连接于所述外框架，所述内框架固定连接于所述第一转轴上，所述第二转轴转动连接于所述内框架，所述重物通过连杆悬挂连接于所述第二转轴之下，所述第二转轴和所述第一转轴正交设置，所述内框架上固定连接有第一传感器，所述第一传感器用于检测所述第二转轴的最大转动角度α，所述外框架上固定连接有第二传感器，所述第二传感器用于检测所述第一转轴的最大转动角度β。

采用这种结构，所述内框架套设于外框架内，所述内框架随所述第一转轴一起转动，所述重物能够设置在所述外框架下中心位置，波浪作用于所述浮体，所述浮体发生位移时，所述重物在惯性作用下位置不变，所述重物和所述浮体在水平面内产生相对位移，使得，所述第二转轴和/或所述第一转轴发生转动，通过测量所述第二转轴和/或所述第一转轴的最大转动角度来计算波浪对所述浮体在所述第一转轴方向和/或所述第二转轴方向的做功大小，获取正交的两个方向的动能大小，从而确定波浪在水平面内的动能，该结构构思巧妙，结构简单，利用所述重物惯性特性、通过测量波浪作用下轴的最大转动角度计算动能大小，便于工程实现。

进一步优选地，所述外框架和所述内框架均为矩形框架。

进一步优选地，所述第一转轴为曲轴，所述第二转轴为直轴，所述重物为重球；所述曲轴为具有弯曲部的轴，在安装设置时，所述曲轴的所述弯曲部能够绕过所述直轴，使两者之间具有间隙，避免两者转动时相互干扰，影响测量结果。

进一步优选地，所述水下测量部件包括钢丝绳和与其连接的弹簧，所述弹簧连接所述水底，所述钢丝绳连接所述浮体，所述弹簧上设有第三传感器，所述第三传感器用于检测所述弹簧的最大伸长位移h，所述钢丝绳上设有第四传感器，所述第四传感器用于检测所述钢丝绳的偏移夹角。

由于利用所述重物惯性特性测量计算动能的大小参照物为所述重物的重量，忽略了所述浮体和其他支撑构件的重量，因此采用这种结构，波浪作用于所述浮体，所述浮体发生位移时，拉动所述弹簧拉伸，通过测量所述弹簧的最大伸长位移，计算波浪对所述浮体的做功大小，从而确定波浪在垂直于水平面方向的动能，以及确定波浪在水平面内动能的补偿量。

进一步优选地，所述第一传感器为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第二传感器为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第三传感器为位移传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第四传感器为数字三维霍尔传感器或者3D立体摄像头。

本发明还提供了一种波浪作用动能测量方法，应用如以上所述的波浪作用动能测量装置，包括：

以所述第一转轴为X轴方向、所述第二转轴为Y轴方向、垂直于水平面方向为Z轴方向建立空间直角坐标系；

测量波浪作用下，

所述第二转轴的最大转动角度α，单位为度；

所述第一转轴的最大转动角度β，单位为度；

所述弹簧的最大伸长位移h，单位为m；

所述钢丝绳偏移X轴夹角A1，单位为度；

所述钢丝绳偏移Y轴夹角A2，单位为度；

所述钢丝绳偏移Z轴夹角γ，单位为度；

则波浪在X方向动能、Y方向动能、Z方向动能分别为

Nx=（L-Lcosα）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA1

Ny=（L-Lcosβ）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA2

Nz=（Mgh+0.5kh²）cosγ

其中，L为所述连杆的长度，单位为m；

m₁为所述重物的质量，单位为kg；

g为重力加速度；

M为所述浮体和所述水面测量部件的质量，单位为kg；

k为所述弹簧的弹性系数。

采用本发明所述的一种波浪作用动能测量方法，通过沿所述第一转轴方向、所述第二转轴方向、垂直于水平面方向构件空间直角坐标系，测量波浪作用下所述第二转轴的最大转动角度α、所述第一转轴的最大转动角度β、所述弹簧的最大伸长位移h和所述钢丝绳的偏移夹角，同时计算出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量方法步骤简单，操作方便，效果良好。

优选地，在测量水域中设置若干个所述波浪作用动能测量装置，取各个所述波浪作用动能测量装置获取的动能的平均值作为每一次的动能获取值。

优选地，为了得到更准确的数值，测量计算n次，取Nx、Ny、Nz各自的平均值作为最终数值。

本发明还提供了一种如以上任一项所述的波浪作用动能测量装置或者如以上任一项所述的波浪作用动能测量方法，在水下悬浮隧道的施工及运营、沉管隧道的施工、波浪对水面物体的冲击防护中的应用。

采用本发明所述的一种波浪作用动能测量装置或方法，能够获取三个方向的动能，三个方向的动能可以解释为波浪在三个方向对测量装置的做功，即可推知悬浮隧道或沉管或水面物体在施工时受到三个方向波浪做功的数值，便于调整施工沉管的各项参数，保证施工的安全性；监控悬浮隧道的位移，保证运营的安全性。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，通过所述浮体接受波浪作用，通过所述水面测量部件和所述水下测量部件共同获取出波浪作用在水平面内的动能，且水平面内的动能能够正交分解，通过所述水下测量部件获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能，从而同时获取出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量装置结构简单，使用方便，效果良好；

2、本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，所述内框架套设于外框架内，所述内框架随所述第一转轴一起转动，所述重物能够设置在所述外框架下中心位置，波浪作用于所述浮体，所述浮体发生位移时，所述重物在惯性作用下位置不变，所述重物和所述浮体在水平面内产生相对位移，使得，所述第二转轴和/或所述第一转轴发生转动，通过测量所述第二转轴和/或所述第一转轴的最大转动角度来计算波浪对所述浮体在所述第一转轴方向和/或所述第二转轴方向的做功大小，获取正交的两个方向的动能大小，从而确定波浪在水平面内的动能，该结构构思巧妙，结构简单，利用所述重物惯性特性、通过测量波浪作用下轴的最大转动角度计算动能大小，便于工程实现；

3、本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，波浪作用于所述浮体，所述浮体发生位移时，拉动所述弹簧拉伸，通过测量所述弹簧的最大伸长位移，计算波浪对所述浮体的做功大小，从而确定波浪在垂直于水平面方向的动能，以及确定波浪在水平面内动能的补偿量；

4、本发明所述的一种波浪作用动能测量方法，通过沿所述第一转轴方向、所述第二转轴方向、垂直于水平面方向构件空间直角坐标系，测量波浪作用下所述第二转轴的最大转动角度α、所述第一转轴的最大转动角度β、所述弹簧的最大伸长位移h和所述钢丝绳的偏移夹角，同时计算出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量方法步骤简单，操作方便，效果良好；

5、本发明所述的一种波浪作用动能测量装置或方法，能够获取三个方向的动能，三个方向的动能可以解释为波浪在三个方向对测量装置的做功，即可推知悬浮隧道或沉管或水面物体在施工时受到三个方向波浪做功的数值，便于调整施工沉管的各项参数，保证施工的安全性；监控悬浮隧道的位移，保证运营的安全性。

附图说明

图1是所述波浪作用动能测量装置的结构示意图；

图2是重物在XY平面内的相对位移示意图；

图3是图2中重物在X方向运动分解图；

图4是图2中重物在Y方向运动分解图；

图5是钢丝绳偏移方向与Z轴夹角的示意图；

图6是钢丝绳偏移方向与X轴和Y轴夹角的示意图。

图中标记：1-浮体，2-支架，3-外框架，4-内框架，5-第二转轴，6-第一转轴，7-连杆，8-重物，9-第二传感器，10-第一传感器，11-钢丝绳，12-弹簧，13-第三传感器，14-第四传感器，15-水底，16-波浪。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1-6所示，本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，包括浮体1、水面测量部件和水下测量部件，所述浮体1能够漂浮于水面上，所述水面测量部件设于所述浮体1上，所述浮体1通过所述水下测量部件连接于水底15，所述水面测量部件用于获取波浪作用在水平面内的动能，所述水下测量部件用于获取波浪作用在垂直于水平面方向的动能以及水平面内动能的补偿。获取动能的装置可采用现有技术中的测量装置，或采用测量动能相关参数的测量装置，利用动能相关计算公式获得动能的计算值。所述水底15可指海床、河床或者湖床。

具体的，本实施例中，所述水面测量部件包括重物8、连杆7、支架2、外框架3、第一转轴6、内框架4、第二转轴5、第一传感器10和第二传感器9；所述支架2固定在所述浮体1上，所述外框架3固定在所述支架2上，所述第一转轴6转动连接于所述外框架3，所述外框架3固定连接所述第二传感器9，所述内框架4固定连接于所述第一转轴6上，所述第二转轴5转动连接于所述内框架4，所述内框架4固定连接所述第一传感器10，所述重物8通过所述连杆7悬挂连接于所述第二转轴5之下，所述第二转轴5和所述第一转轴6正交设置、且两者之间具有空隙，所述第一传感器10连接所述第二转轴5，所述第一传感器10用于检测所述第二转轴5的最大转动角度α，所述第二传感器9连接所述第一转轴6，所述第二传感器9用于检测所述第一转轴6的最大转动角度β；采用这种结构，所述内框架4套设于外框架3内，所述内框架4随所述第一转轴6一起转动，所述重物8能够设置在所述外框架3下中心位置，波浪16作用于所述浮体1，所述浮体1发生位移时，所述重物8在惯性作用下位置不变，所述重物8和所述浮体1在水平面内产生相对位移，使得，所述第二转轴5和/或所述第一转轴6发生转动，通过测量所述第二转轴5和/或所述第一转轴6的最大转动角度来计算波浪16对所述浮体1在所述第一转轴6方向和/或所述第二转轴5方向的做功大小，获取正交的两个方向的动能大小，从而确定波浪16在水平面内的动能，该结构构思巧妙，结构简单，利用所述重物8惯性特性、通过测量波浪作用下轴的最大转动角度计算动能大小，便于工程实现；具体地，所述第一转轴6为曲轴，所述第二转轴5为直轴，所述重物8为重球；所述曲轴为具有弯曲部的轴，在安装设置时，所述曲轴的所述弯曲部能够绕过所述直轴，使两者之间具有间隙，避免两者转动时相互干扰，影响测量结果。

所述水下测量部件包括钢丝绳11和与其连接的弹簧12，所述弹簧12连接所述水底15，所述钢丝绳11连接所述浮体1，所述弹簧12上设有第三传感器13，所述第三传感器13用于检测所述弹簧12的最大伸长位移h，所述钢丝绳11上设有第四传感器14，所述第四传感器14用于检测所述钢丝绳11的偏移夹角；由于利用所述重物8惯性特性测量计算动能的大小参照物为所述重物8的重量，忽略了所述浮体1和其他支撑构件的重量，因此采用这种结构，波浪16作用于所述浮体1，所述浮体1发生位移时，拉动所述弹簧12拉伸，通过测量所述弹簧12的最大伸长位移，计算波浪16对所述浮体1的做功大小，从而确定波浪16在垂直于水平面方向的动能，以及确定波浪16在水平面内动能的补偿量。

其中，所述外框架3和所述内框架4均为矩形框架，当然也可以为如圆形、多边形等形状，弹簧12初始状态呈自由状态；所述第一传感器10、所述第二传感器9、所述第三传感器13和所述第四传感器14均通讯连接处理器，所述处理器用于处理计算接收的数据，所述第一传感器10为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第二传感器9为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第三传感器13为位移传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第四传感器14为数字三维霍尔传感器或者3D立体摄像头。

本发明所述的一种波浪作用动能测量装置，通过所述浮体1接受波浪16作用，通过所述水面测量部件和所述水下测量部件共同获取出波浪16作用在水平面内的动能，且水平面内的动能能够正交分解，通过所述水下测量部件获取波浪16作用在垂直于水平面方向的动能，从而同时获取出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量装置结构简单，使用方便，效果良好。

实施例2

如图1-6所示，本发明所述的一种波浪作用动能测量方法，应用如实施例1所述的波浪作用动能测量装置，包括：

以所述第一转轴6为X轴方向、所述第二转轴5为Y轴方向、垂直于水平面方向为Z轴方向建立空间直角坐标系；

测量波浪16作用下，

所述第二转轴5的最大转动角度α，单位为度；

所述第一转轴6的最大转动角度β，单位为度；

所述弹簧12的最大伸长位移h，单位为m；

所述钢丝绳11偏移X轴夹角A1，单位为度；

所述钢丝绳11偏移Y轴夹角A2，单位为度；

所述钢丝绳11偏移Z轴夹角γ，单位为度；

则波浪16在X方向动能、Y方向动能、Z方向动能分别为

Nx=（L-Lcosα）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA1

Ny=（L-Lcosβ）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA2

Nz=（Mgh+0.5kh²）cosγ

其中，L为所述连杆7的长度，单位为m；

m₁为所述重物8的质量，单位为kg；

g为重力加速度；

M为所述浮体1和所述水面测量部件的质量，单位为kg；

k为所述弹簧12的弹性系数。

作为本实施例的一种优选方案，在测量水域中设置若干个所述波浪作用动能测量装置，取各个所述波浪作用动能测量装置获取的动能的平均值作为每一次的动能获取值。

作为本实施例的一种优选方案，为了得到更准确的数值，测量计算n次，取Nx、Ny、Nz各自的平均值作为最终数值。

本发明所述的一种波浪作用动能测量方法，通过沿所述第一转轴6方向、所述第二转轴5方向、垂直于水平面方向构件空间直角坐标系，测量波浪16作用下所述第二转轴5的最大转动角度α、所述第一转轴6的最大转动角度β、所述弹簧12的最大伸长位移h和所述钢丝绳11的偏移夹角，同时计算出空间直角坐标系三个方向的动能，且三个方向在测量时互相不干扰，该测量方法步骤简单，操作方便，效果良好。

实施例3

一种如实施例1所述的波浪作用动能测量装置或者如实施例2所述的波浪作用动能测量方法，在水下悬浮隧道的施工及运营、沉管隧道的施工、波浪对水面物体的冲击防护中的应用。

本发明所述的一种波浪作用动能测量装置或方法，能够测量计算三个方向的动能，三个方向的动能可以解释为波浪在三个方向对测量装置的做功，即可推知悬浮隧道或沉管或水面物体在施工时受到三个方向波浪做功的数值，便于调整施工沉管的各项参数，保证施工的安全性；监控悬浮隧道的位移，保证运营的安全性；如可计算出波浪对堤坝、桥墩、水中灯台、水中风力发电基座等固定建筑物的冲击力大小，从而进行相应的防护以及维护加固。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波浪作用动能测量装置，其特征在于，包括浮体(1)、水面测量部件和水下测量部件，所述浮体(1)能够漂浮于水面上，所述水面测量部件设于所述浮体(1)上，所述浮体(1)通过所述水下测量部件连接于水底(15)，所述水面测量部件用于获取波浪(16)作用在水平面内的动能，所述水下测量部件用于获取波浪(16)作用在垂直于水平面方向的动能以及水平面内动能的补偿；所述水面测量部件包括重物(8)、支架(2)、外框架(3)和内框架(4)，所述支架(2)固定在所述浮体(1)上，所述外框架(3)固定在所述支架(2)上，第一转轴(6)转动连接于所述外框架(3)，所述内框架(4)固定连接于所述第一转轴(6)上，第二转轴(5)转动连接于所述内框架(4)，所述重物(8)通过连杆(7)悬挂连接于所述第二转轴(5)之下，所述第二转轴(5)和所述第一转轴(6)正交设置，所述内框架(4)上固定连接有第一传感器(10)，所述第一传感器(10)用于检测所述第二转轴(5)的最大转动角度α，所述外框架(3)上固定连接有第二传感器(9)，所述第二传感器(9)用于检测所述第一转轴(6)的最大转动角度β；所述水下测量部件包括钢丝绳(11)和与其连接的弹簧(12)，所述弹簧(12)连接所述水底(15)，所述钢丝绳(11)连接所述浮体(1)，所述弹簧(12)上设有第三传感器(13)，所述第三传感器(13)用于检测所述弹簧(12)的最大伸长位移h，所述钢丝绳(11)上设有第四传感器(14)，所述第四传感器(14)用于检测所述钢丝绳(11)的偏移夹角。

2.根据权利要求1所述的波浪作用动能测量装置，其特征在于，所述外框架(3)和所述内框架(4)均为矩形框架。

3.根据权利要求1所述的波浪作用动能测量装置，其特征在于，所述第一转轴(6)为曲轴，所述第二转轴(5)为直轴，所述重物(8)为重球。

4.根据权利要求1所述的波浪作用动能测量装置，其特征在于，所述第一传感器(10)为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第二传感器(9)为角度传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第三传感器(13)为位移传感器或者数字三维霍尔传感器，所述第四传感器(14)为数字三维霍尔传感器或者3D立体摄像头。

5.一种波浪作用动能测量方法，其特征在于，应用如权利要求4所述的波浪作用动能测量装置，包括：

以所述第一转轴(6)为X轴方向、所述第二转轴(5)为Y轴方向、垂直于水平面方向为Z轴方向建立空间直角坐标系；

测量波浪(16)作用下所述第二转轴(5)的最大转动角度α、所述第一转轴(6)的最大转动角度β、所述弹簧(12)的最大伸长位移h、所述钢丝绳(11)偏移X轴夹角A1、偏移Y轴夹角A2、偏移Z轴夹角γ；

则波浪(16)在X方向动能为Nx=（L-Lcosα）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA1，在Y方向动能为Ny=（L-Lcosβ）m₁g+（Mgh+0.5kh²）sinγcosA2，在Z方向动能为Nz=（Mgh+0.5kh²）cosγ；

其中，L为所述连杆(7)的长度，m₁为所述重物(8)的质量，g为重力加速度，M为所述浮体(1)和所述水面测量部件的质量，k为所述弹簧(12)的弹性系数。

6.根据权利要求5所述的波浪作用动能测量方法，其特征在于，在测量水域中设置若干个所述波浪作用动能测量装置，取各个所述波浪作用动能测量装置获取的动能的平均值作为每一次的动能获取值。

7.根据权利要求5所述的波浪作用动能测量方法，其特征在于，测量计算n次，取Nx、Ny、Nz各自的平均值作为最终数值。

8.一种如权利要求1-4任一项所述的波浪作用动能测量装置或者如权利要求5-7任一项所述的波浪作用动能测量方法的应用，其特征在于，应用于水下悬浮隧道的施工及运营、沉管隧道的施工、波浪对水面物体的冲击防护中。

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