CN113551872A - 冲流带海岸段波模拟实验装置和实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种冲流带海岸段波模拟实验装置和实验方法，包括实验池、活动挡板和渗水板，活动挡板和渗水板设置在实验池内，将实验池分割为三部分，包括储放水池、海岸段波制造池和滤水池；活动挡板可以在实验池内上下移动，将储放水池和海岸段波制造池连通或阻隔，储放水池内沿竖直方向设有刻度条，储放水池上设有第一输水管；渗水板可以通过水，泥沙不能通过，滤水池上沿竖直方向设有刻度线；海岸段波制造池包括活动挡板、实验池侧壁、实验池池底和渗水板，海岸段波制造池靠近渗水板的一端设有泥沙斜坡。通过模拟海岸的形状，提高实验数据的准确性，所以本发明提供了一种成本较低，测量准确的测量仪器。

Description

冲流带海岸段波模拟实验装置和实验方法

技术领域

本发明属于冲流带海岸段波测量领域，具体涉及一种冲流带海岸段波模拟实验装置和实验方法。

背景技术

目前随着经济的发展，海岸冲流带的研究具有重要的经济价值和生态价值，如冲流带海岸对海岸附近建筑物地基稳定性的影响，海岸泥沙斜坡运动对海岸带生物繁衍的影响等。

所以海岸带水流和泥沙斜坡的运动特性具有很高的研究价值。国内外已经有相应的实验设备来测量水流和泥沙斜坡的特性，这些实验设备的价格比较昂贵，且存在着测量精度不高等问题。

这些问题主要是因为冲流带海岸具有深度浅、水流流速大、水流中泥沙斜坡含量高等复杂的特点，这些复杂的测量对象，使测量过程无论是直接测量，还是仿真模拟测量都需要考虑多种实际情况，需要多种设备进行测量，然后进行综合的分析，所以迫切需要一种测量准确，且价格便宜的测量仪器。

发明内容

本发明的目的是提供一种冲流带海岸段波模拟实验装置和实验方法，解决现有技术中测量不够准确，且测量设备昂贵的技术问题。

本发明解决其技术问题所采用的方案是：冲流带海岸段波模拟实验装置，包括实验池、活动挡板和渗水板，实验池无上盖，活动挡板和渗水板设置在实验池内，将实验池分割为三部分，依次包括储放水池、海岸段波制造池和滤水池；活动挡板可以在实验池内上下移动，将储放水池和海岸段波制造池连通或阻隔，储放水池内沿竖直方向设有刻度条，储放水池通过第一输水管与外界水源接通；渗水板水可以通过，泥沙不能通过，滤水池上沿竖直方向设有刻度线；海岸段波制造池靠近渗水板的一端设有泥沙斜坡，泥沙斜坡由泥沙堆积而成，泥沙斜坡的坡面由渗水板一侧向活动挡板一侧由高向低倾斜设置，海岸段波制造池中设有流速测量仪，海岸段波制造池上沿竖直方向设有测量角度的刻度线。

通过设置活动挡板和渗水板，将实验池分割为三部分，即储放水池、海岸段波制造池和滤水池，活动挡板通过上下的移动，可以将储放水池和海岸段波制造池连通或阻隔，储放水池内的刻度条，可以测量储放水池内的水位，第一输水管一端连接水源，另一端伸入储放水池底端。海岸段波制造池是测量装置的主要工作区，海岸段波制造池内靠近渗水板的一端设有泥沙斜坡，泥沙斜坡由泥沙堆积而成，泥沙沿渗水板、实验池侧壁和实验池池底设置，泥沙斜坡的坡面由渗水板一侧向活动挡板一侧由高向低倾斜设置，用于模仿海岸的结构，泥沙斜坡和活动挡板之间具有一定距离，用于模仿海岸边的深水区，海岸段波制造池上用于测量角度的刻度线可以测量泥沙斜坡的坡度，当活动挡板打开时，水流从储放水池内以一定速度流到海岸段波制造池内，并形成溃坝波，然后溃坝波冲击泥沙斜坡，位于海岸段波制造池上的流速测量仪，将溃坝波速度测量，当溃坝波冲击泥沙斜坡时进行两方面测量，一方面利用声学多普勒流速剖面仪测量底床附近流速剖面时间序列数据，另一方面利用高速相机，拍摄溃坝波冲击泥沙斜坡过程中泥沙运动图像，并用粒子图像测速法处理运动图像，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，渗水板只允许水通过，泥沙不能通过，当水流流到渗水板时，如果边界上的板是无渗水功能的实心板，实心板的边界将影响水的流动，使实验数据不精确，然而设置为渗水板时，渗水板可以使滤水池和海岸段波制造池的水连通，以此来减小边界对实验的影响，此外滤水池内的水还可以使渗水板一端的泥沙斜坡保持一定的含水量，使泥沙斜坡和自然状况下的海岸更加贴近，增加实验的准确性。

进一步的是，泥沙斜坡坡面和实验池池底的交汇处设有一个1cm高的障碍物，障碍物的两端和实验池的内壁连接。

通过将障碍物设置在泥沙斜坡坡面和实验池池底的交汇处，可以防止泥沙斜坡的底端被水流过分冲刷。

进一步的是，储放水池的两侧板的内壁沿竖直方向均设有定向滑动槽，活动挡板的两端插设在定向滑动槽中，并可以在定向滑动槽内上下滑动，活动挡板与实验池池底和定向滑动槽接触的边缘上设有密封垫，密封垫由弹性材料制成。

通过设置定向滑动槽，可以使活动挡板的上下移动更加的稳定，通过在活动挡板的边缘处设置密封垫，可以加强活动挡板的密封性。

进一步的是，滤水池的池底设有排水管，排水管上设有截止阀。

通过设置排水管和排水管上的截止阀，可以在实验结束后，打开截止阀将水池内的水通过排水管排出，排水管设置在滤水池池底，可以通过渗水板，将海岸段波制造池的泥沙过滤，防止泥沙堵塞排水管。

进一步的是，还包括水泵、第二输水管和送水管，第二输水管由柔性材料制成，一端连接水泵的入水口，另一端伸入海岸段波制造池内，送水管一端和水泵的出水口连接，另一端伸入储放水池中。

在进行一次实验后，水从储放水池流入海岸段波制造池后，如果再进行实验，就需要再向储放水池内继续注水，以此来形成液位差，因此通过设置水泵、第二输水管和送水管，可以将海岸段波制造池内的水抽出，抽入到储放水池内，以此来形成液位差，实现水的循环使用，节省能源；第二输水管由柔性材料制成，水泵在需要抽水时，第二输水管伸入到海岸段波制造池的液面下，抽水完成后，将第二输水管收起，防止水管始终插设在海岸段波制造池中阻碍水流的流动，而影响实验结果。

进一步的是，活动挡板的上方设有定滑轮组件，定滑轮组件包括定滑轮支架、缆绳、操作杆和定滑轮，定滑轮连接在定滑轮支架上，缆绳一端和活动挡板连接，另一端穿过定滑轮，并和操作杆连接，操作杆上设有配重铅球。

通过设置定滑轮装置，可以改变使用者拉动活动挡板的方向，具体过程如下：首先，将定滑轮支架和定滑轮支架上的定滑轮设置在活动挡板的上端，缆绳穿过定滑轮，一端和活动挡板连接，另一端和操作杆连接，使用者向下拉动操作杆就可以将活动挡板向上拉起，操纵杆上设有配重铅球，用于辅助使用者向下拉动操纵杆，该配重铅球的自身重量不足以拉起活动挡板，但使用者可以通过配重铅球的重量，和施加给操作杆的力，轻松的移动活动挡板。

基于上述冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，该方法包括如下步骤：

步骤1、首先将海岸段波制造池内的泥沙沿渗水板、实验池侧壁和实验池池底堆积，并且泥沙斜坡的坡面由渗水板一侧向活动挡板一侧由高向低倾斜设置，并和实验池的池底呈一定角度，并且泥沙斜坡坡面的最底端和障碍物接触。

通过先堆积泥沙斜坡，可以较容易的堆积泥沙斜坡，反之如果先向水池内注水，那么泥沙被水浸泡后，松散的泥沙将不容易堆积。

步骤2、拉动操作杆将活动挡板向上移动，使储放水池和海岸段波制造池连通；通过第一输水管向实验池内注水，当实验池内注入一定水位的水后，放下活动挡板，使活动挡板两侧的水池阻隔。

通过向实验池内注入一定高度的水，使海岸段波制造池在未进行实验前，储有一定高度的水，该水位高度可以依据具体情况进行变化，这些水起到水垫作用，在进行实验时，当水流冲出活动挡板时，一定液位的水将有助于溃坝波在进入海岸波制造池，但是还没有冲击泥沙斜坡时的平稳过渡，防止水流和实验池底直接冲刷。

步骤3、继续向储放水池内注水，当储放水池和海岸段波制造池之间形成一定的液位差时，停止注水。

通过活动挡板将活动挡板两侧阻隔，继续向储放水池内注水，当水位达到一定高度后，停止注水，该储水高度可以依据实验的具体情况进行变化，该储水过程使储放水池和海岸段波制造池之间形成一定的液位差，为步骤4的溃坝波储备势能。

步骤4、然后拉动操作杆迅速向上移动活动挡板，将储放水池内的水释放到海岸段波制造池内，并冲击泥沙斜坡，位于海岸段波制造池上的流速测量仪将此处的水流流速测出。

通过向上移动活动挡板，将高势能的水释放到海岸段波制造池内，使水在海岸段波制造池内形成溃坝波，流速测量仪用于测量溃坝波的波速，在进行步骤4时，如果溃坝波冲击泥沙斜坡是首次进行，那么需要用高势能的水对泥沙斜坡进行冲刷，保证实验过程中不会有太多的水体损失，冲刷的次数视泥沙的干燥程度而定，冲刷次数一般为2次，此外，该过程不用测量和记录数据，即不用进行后续步骤。

步骤5、利用声学多普勒流速剖面仪测量溃坝波冲击泥沙斜坡过程中，底床附近流速剖面时间序列数据，对冲流运动底床附近的水动力特性展开研究和分析，包括紊动强度、床面切应力和摩擦系数，利用高速相机，拍摄溃坝波冲击泥沙斜坡过程中泥沙运动图像，并用粒子图像测速法处理该运动图像，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，根据泥沙运动速度剖面的时间序列，对该区域泥沙运动特性进行分析；

通过使用冲流带海岸段波模拟实验装置，和上述实验步骤进行实验，研究非固定床面上溃坝波冲流运动的底床附近水动力特性，首先，先定义X-O-Z坐标系，沿实验池池底的水平方向为X轴方向，以活动挡板一侧向渗水板一侧的方向为X轴的正方向，竖直方向为Z轴方向，竖直向上为Z轴正轴方向，该坐标系的坐标原点，位于泥沙斜坡和实验池池底交汇处的直线上，然后在泥沙斜坡的上侧，选取声学多普勒流速剖面仪的测量位置，进行多组次的实验，利用声学多普勒流速剖面仪测量底床附近流速剖面时间序列数据，并对冲流运动底床附近的水动力特性展开研究，包括紊动强度、床面切应力和摩擦系数，通过高速相机拍摄泥沙和泥沙颗粒的运动图像，用粒子图像测速法，得知泥沙颗粒的运动速度，通过将连续拍摄的图像处理后，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，然后对该区域泥沙运动特性进行分析。

步骤6、提升配重放下活动挡板，将第二输水管伸入海岸段波制造池中，通过水泵、第二输水管和送水管将海岸段波制造池内的水抽入储放水池中，输水完成后收起第二输水管，然后或改变泥沙斜坡的坡度，或改变泥沙的粒径，重复步骤4-5进行多组实验，并将重复实验所得的数据汇成图表；

通过步骤1-5完成一组实验后，还不能的出相应的结论，所以要反复多次进行实验，通过控制变量，有针对性的对相应特性进行实验和证明，该实验方法的变量为：2种斜面坡度，即1:10和1:12； 3种泥沙粒径，即0.3mm、0.5mm和0.8mm，3个观测位置。针对上述3种变量每次选择一种不同的组合方式进行实验，如斜坡坡度为1:10，泥沙粒径为0.3mm，观测位置为位置1，所以至少要进行18 组次的实验。然后依据实验组次的设计，选择相应的变量进行实验，在进行该步骤时，首先放下活动挡板，通过第二输水管、水泵和送水管，将海岸段波制造池的水抽入储放水池内，然后将第二输水管收起，重复步骤4-5。

步骤7、完成实验后，打开排水管的截止阀，将水排出，并把活动挡板放到池底，留待下一次使用。

进一步的是，所述步骤5的声学多普勒流速剖面仪在三个不同的位置进行测量。

通过将声学多普勒流速剖面仪设置在三个不同的位置，测量在一定条件下泥沙和水流的速度，用于分析不同的离岸位置对冲流带海岸段波的影响。

进一步的是，步骤6的泥沙斜坡的坡度是1:10或1:12。

通过设置不同的坡度，测量在此坡度下泥沙和水流的速度，分析海岸坡度对冲流带海岸段波的影响。

进一步的是，步骤6的泥沙斜坡的泥沙粒径是0.3mm、0.5mm或0.8mm。

通过设置不同粒径的泥沙颗粒，测量在此条件下泥沙和水流的速度，用于分析泥沙颗粒的粒径对冲流带海岸段波的影响。

本发明的有益效果是：

通过设置活动挡板，可以使活动挡板两侧连通或隔离，进行实验时，关闭活动挡板，可以在储放水池内储存一定水位的水，打开活动挡板可以将水流放出，通过设置泥沙斜坡，且泥沙斜坡和水流的流动方向呈一定角度，这样模仿了自然的海岸形状，通过设置可以渗水的渗水板，可以减小边界板对实验结果的影响，由于实验装置所使用的材料便宜，且模拟自然海岸的相似度高，所以减少了实验装置的生产成本，提高了测量的准确度。

附图说明

图1为本发明实施例一中对应的主视图。

图2为本发明实施例四中对应的主视图。

图3为本发明实施例五中对应的主视图。

图4为本发明实施例六中上冲阶段和回流阶段的有效数据时长；其中，4(a)为上冲阶段的有效数据长度图；4(b)为回流阶段的有效数据长度图。

图5为本发明实施例六中各时刻紊动强度剖面分布图；其中，5(a)为t＝1.45s时紊动强度剖面分布图；5(b)为t＝1.6s时紊动强度剖面分布图；5(c)为t＝1.75s时紊动强度剖面分布图；5(d)为 t＝1.9s时紊动强度剖面分布图。

图6为本发明实施例六中各回流阶段紊动强度最大时刻的紊动强度剖面分布图，其中，6(a)为 t＝4.96s时紊动强度剖面分布图；6(b)为t＝4.6s时紊动强度剖面分布图；6(c)为t＝3.25s时紊动强度剖面分布图；6(d)为t＝4.95s时紊动强度剖面分布图。

图7为本发明实施例六中各组次床面切应力时间序列图，其中，7(a)是观测位置为位置1，泥沙粒径为0.3mm，泥沙斜坡的坡度为1:10时的床面切应力时间序列图；7(b)是观测位置为位置2，泥沙粒径为0.3mm，泥沙斜坡的坡度为1:10时的床面切应力时间序列图；7(c)是观测位置为位置3，泥沙粒径为0.3mm，泥沙斜坡的坡度为1:10时的床面切应力时间序列图；7(d)是观测位置为位置1，泥沙粒径为0.3mm，泥沙斜坡的坡度为1:12时的床面切应力时间序列图。

图8为本发明实施例六中各组次床面切应力拟合直线斜率大小结果图。

图9为本发明实施例六中不同粒径，泥沙斜坡坡度为1：12的时间---摩擦系数时间序列图。

图10为本发明实施例六中不同测量位置时，上冲阶段和回流阶段的雷诺数---摩擦系数关系图。

图11为本发明实施例六中不同泥沙坡度时的雷诺数---摩擦系数关系图。

图12为本发明实施例六中不同观测位置时的雷诺数---摩擦系数关系图。

图13为泥沙颗粒运动轨迹图，Z轴表示泥沙颗粒在竖直方向上的位置，X轴表示泥沙颗粒在水平方向上的位置；其中，13(a)表示t＝0～0.13时的运动轨迹，13(b)表示t＝0.53～0.67s时的运动轨迹，13(a)和13(b)表示上冲阶段，运动方向从左向右；13(c)表示t＝5.5～5.63时的运动轨迹， 13(d)表示t＝6.03～6.16s时的运动轨迹，13(c)和13(d)表示回流阶段，运动方向从右向左。

图中零部件、部件及编号；实验池1、储放水池2、第一输水管3、刻度条4、活动挡板5、海岸段波制造池6、流速测量仪7、泥沙斜坡8、渗水板9、刻度线10、滤水池11、配重铅球12、操作杆 13、定滑轮14、缆绳15、定滑轮支架16、送水管17、第二输水管18、水泵19。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方法并结合附图加以说明。

实施例一：

如图1所示，冲流带海岸段波模拟实验装置，包括实验池1、活动挡板5和渗水板9，实验池1无上盖，活动挡板5和渗水板9设置在实验池1内，将实验池1分割为三部分，依次包括储放水池2、海岸段波制造池6和滤水池11；活动挡板5可以在实验池1内上下移动，将储放水池2和海岸段波制造池6连通或阻隔，储放水池2内沿竖直方向设有刻度条4，储放水池2通过第一输水管与外界水源接通，渗水板9水可以通过，泥沙不能通过，滤水池11上沿竖直方向设有刻度线10；海岸段波制造池6靠近渗水板9的一端设有泥沙斜坡8，泥沙斜坡8由泥沙堆积而成，泥沙斜坡8的坡面由渗水板 9一侧向活动挡板5一侧由高向低倾斜设置，海岸段波制造池6中设有流速测量仪7，海岸段波制造池6上沿竖直方向设有测量角度的刻度线，滤水池11的池底设有排水管，排水管上设有截止阀。

通过设置活动挡板5和渗水板9，将实验池1分割为三部分，既储放水池2、海岸段波制造池6和滤水池11，活动挡板5通过上下的移动，可以将储放水池2和海岸段波制造池6连通或阻隔，储放水池2内的刻度条4，可以测量储放水池2内的水位，第一输水管3可以设置在储放水池2的侧壁上，也可以设置在储放水池2的上端，第一输水管3一端为实验池1提供了水源，另一端伸入储放水池2 底端，海岸段波制造池6是测量装置的主要工作区，海岸段波制造池6内靠近渗水板9的一端设有泥沙斜坡8，泥沙斜坡8从渗水板9一端向活动挡板5一端由高向低设置，用于模仿海岸的结构，泥沙斜坡8和活动挡板5之间具有一定距离，用于模仿海边的深水区，海岸段波制造池6上用于测量角度的刻度线可以测量泥沙斜坡8的坡度，当活动挡板5打开时，水流从储放水池2内以一定速度流到海岸段波制造池6内，并形成溃坝波，然后溃坝波冲击泥沙斜坡8，位于海岸段波制造池6上的流速测量仪7，将溃坝波速度测量，当溃坝波冲击泥沙斜坡8时进行两方面测量，一方面利用声学多普勒流速剖面仪测量底床附近流速剖面时间序列数据，另一方面利用高速相机，拍摄溃坝波冲击泥沙斜坡8 过程中泥沙运动图像，并用粒子图像测速法处理，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，渗水板9只允许水通过，泥沙不能通过，当水流流到渗水板9时，如果边界上的板是无渗水功能的实心板，实心板的边界将影响实验结果，然而设置为渗水板9时，渗水板9可以使滤水池11和海岸段波制造池6的水连通，水流可流过渗水板9，以此来减小边界对实验的影响，此外滤水池11内的水还可以使渗水板9一端的泥沙斜坡8保持一定的含水量，增加模拟实验的真实性，此外，通过在滤水池11内设置排水管和排水管上的截止阀，可以在实验结束后，打开截止阀将水池内的水通过排水管排出。

实施例二：

冲流带海岸段波模拟实验装置，实施例二和实施例一的不同之处在于，泥沙斜坡8坡面和实验池 1池底的交汇处设有一个1cm高的障碍物，障碍物的两端和实验池1的内壁连接。

通过将障碍物设置在泥沙斜坡8坡面和实验池1池底的交汇处，可以防止泥沙斜坡8的底端被水流过分冲刷。

实施例三：

冲流带海岸段波模拟实验装置，实施例三和之前实施例的不同之处在于，储放水池6的两侧板的内壁沿竖直方向均设有定向滑动槽，活动挡板5的两端插设在定向滑动槽中，并可以在定向滑动槽内上下滑动，活动挡板5与实验池1池底和定向滑动槽接触的边缘上设有密封垫，密封垫由弹性材料制成。

通过设置定向滑动槽，可以使活动挡板5的上下移动更加的稳定，通过在活动挡板5的边缘处设置密封垫，可以加强活动挡板5的密封性，密封垫可以由天然橡胶、氯丁橡胶和丁氰橡胶等材料制成。

实施例四：

如图2所示，冲流带海岸段波模拟实验装置，实施例四和之前的实施例的不同之处在于，还包括水泵19、第二输水管18和送水管17，第二输水管18由柔性材料制成，一端连接水泵19的入水口，另一端伸入海岸段波制造池6内，送水管17一端和水泵19的出水口连接，另一端伸入储放水池2中。

在进行一次实验后，水从储放水池2流入海岸段波制造池6后，如果再进行实验，就需要再向储放水池2内继续注水，以此来形成液位差，因此通过设置水泵19、第二输水管18和送水管17，可以将海岸段波制造池6内的水抽出，抽入到储放水池2内，以此来形成液位差，实现水的循环使用，第二输水管18由柔性材料制成，该柔性管可以是金属软管、橡胶软管和塑料软管等，水泵19在需要抽水时，第二输水管18伸入到海岸段波制造池的液面下，抽水完成后，将第二输水管18收起，防止第二输水管18阻碍水流的流动。

实施例五：

如图3所示，冲流带海岸段波模拟实验装置，实施例五和之前的实施例的不同之处在于，活动挡板5的上方设有定滑轮组件，定滑轮组件包括定滑轮支架16、缆绳15、操作杆13和定滑轮14，定滑轮14连接在定滑轮支架16上，缆绳15一端和活动挡板5连接，另一端穿过定滑轮14，并和操作杆 13连接，操作杆13上设有配重铅球12。

通过设置定滑轮装置，可以改变使用者拉动活动挡板5的方向，具体过程如下：首先，将定滑轮支架16和定滑轮支架16上的定滑轮14设置在活动挡板5的上方，缆绳15穿过定滑轮14，一端和活动挡板5连接，另一端和操作杆13连接，使用者向下拉动操作杆13就可以将活动挡板5向上拉起，操纵杆13上设有配重铅球12，用于辅助使用者向下拉动操纵杆13，该配重铅球12的重量不足以拉起活动挡板5，但使用者可以通过配重铅球12的重量，和施加给操作杆13的力，轻松的移动活动挡板5。

实施例六：

基于冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，包括如下步骤：

步骤1、首先将海岸段波制造池6内的泥沙沿渗水板9、实验池1侧壁和实验池1池底堆积，并且泥沙斜坡8的坡面由渗水板9一端向活动挡板5一端由高向低倾斜设置，并和实验池1的池底呈一定角度，并且泥沙斜坡坡面的最底端和障碍物接触。

通过先堆积泥沙斜坡8，可以较容易的堆积泥沙斜坡8，反之如果先向水池内注水，那么泥沙被水浸泡后，松散的泥沙将不容易堆积，此外，在本实施例中，进行第一次实验时，泥沙颗粒的粒径为0.3mm，泥沙斜坡的坡度为1:10。

步骤2、将活动挡板5向上移动，使储放水池2和海岸段波制造池6连通；通过第一输水管3向实验池1内注水，当实验池1内注入一定水位的水后，放下活动挡板5，使活动挡板5两侧的水池阻隔。

首先向实验池1内注入一定高度的水，使海岸段波制造池6在未进行实验前，储有一定高度的水，该水位高度可以依据具体情况进行变化，在本实施例中，该水位高度取6cm，这些水起到水垫作用，在进行实验时，当水流冲出活动挡板5时，一定液位的水将有助于溃坝波在进入海岸波制造池6内，但是还没有冲击泥沙斜坡8时的平稳过渡，防止水流和实验池1底直接冲刷。

步骤3、继续向储放水池2内注水，当储放水池2和海岸段波制造池6之间形成一定的液位差时，停止注水。

通过活动挡板5将活动挡板5两侧阻隔，继续向储放水池2内注水，当水位达到一定高度后，停止注水，该储水高度可以依据实验的具体情况进行变化，在本实施例中，该储水高度为60cm，该储水过程使储放水池2和海岸段波制造池6之间形成一定的液位差，为步骤4的溃坝波储备势能。

步骤4、然后迅速向上移动活动挡板5，将储放水池2内的水释放到海岸段波制造池6内，并冲击泥沙斜坡8，位于海岸段波制造池6上的流速测量仪7将此处的水流流速测出。

通过向上移动活动挡板5，将高势能的水释放到海岸段波制造池6内，使水在海岸段波制造池6内形成溃坝波，流速测量仪7用于测量溃坝波的波速，在进行步骤4时，如果溃坝波冲击泥沙斜坡8是首次进行，那么需要用高势能的水对泥沙斜坡8进行冲刷，保证实验过程中不会有太多的水体损失，冲刷的次数视泥沙的干燥程度而定，在本实施例中，冲刷次数为2次，此外，该过程不用测量和记录数据，即不用进行后续步骤。

步骤5、利用声学多普勒流速剖面仪测量溃坝波冲击泥沙斜坡8过程中，底床附近流速剖面时间序列数据，对冲流运动底床附近的水动力特性展开研究和分析，包括紊动强度、床面切应力和摩擦系数，与此同时，利用高速相机，拍摄溃坝波冲击泥沙斜坡8过程中泥沙运动图像，并用粒子图像测速法处理该运动图像，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，根据泥沙运动速度剖面的时间序列，对该区域泥沙运动特性进行分析；

通过使用冲流带海岸段波模拟实验装置，和上述实验步骤进行实验，研究非固定床面上溃坝波冲流运动的底床附近水动力特性。首先，先定义X-O-Z垂直坐标系，沿实验池1池底的水平方向为X轴方向，以活动挡板5一侧向渗水板9一侧的方向为X轴的正方向，竖直方向为Z轴方向，即垂直池底的方向，竖直向上为Z轴正轴方向，该坐标系的坐标原点，位于泥沙斜坡和实验池池底交汇处的直线上，其次，选取声学多普勒流速剖面仪的测量位置，在本次实施例中，声学多普勒流速剖面仪与下方床面的垂直距离为5.8cm，第一次选择的测量位置为X＝98.5cm，然后进行实验，测量并分析测量结果，得到底床附近流速剖面时间序列数据，并对冲流运动底床附近的水动力特性展开研究，包括紊动强度、床面切应力和摩擦系数。与此同时，通过高速相机拍摄泥沙和泥沙颗粒的运动图像，在本实施例中，高速相机镜头距实验池外壁的水平距离为40cm，拍摄过程中使高速相机的镜头处于水平和竖直方向，用粒子图像测速法，得知泥沙颗粒的运动速度，连续拍摄的图像经过处理后，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，然后对该区域泥沙运动特性进行分析。

步骤6、放下活动挡板5，将第二输水管18伸入海岸段波制造池6中，通过水泵19、第二输水管 18和送水管17将海岸段波制造池6内的水抽入储放水池2中，输水完成后收起第二输水管18，然后或改变泥沙斜坡8的坡度，或改变泥沙的粒径，重复步骤4-5进行多组实验，并将重复实验所得的数据汇成图表；

通过步骤1-5完成一组实验后，还不能的出相应的结论，所以要反复多次进行实验，通过控制变量，有针对性的对相应特性进行实验和证明，在本实施例中，该实验方法的变量为：2种斜面坡度，即1:10和1:12；3种泥沙粒径，即0.3mm、0.5mm和0.8mm；3个观测位置，即沿水流冲击方向依次为位置1(X＝98.5cm)、位置2(X＝152.5cm)和位置3(X＝220.5cm)。针对上述3种变量每次选择一种不同的组合方式进行实验，如斜坡坡度为1:10，泥沙粒径为0.3mm，观测位置为位置1，共进行了18 组次的实验。然后依据实验组次的设计，选择相应的变量进行实验，首先放下活动挡板5，通过第二输水管18、水泵19和送水管17，将海岸段波制造池6的水抽入储放水池2内，然后将第二输水管收起，重复步骤4-5。

步骤7、完成实验后，打开排水管的截止阀，将水排出，并把活动挡板5放到池底，留待下一次使用。

综上所述，在通过控制变量法进行18组次的实验后，将实验结果汇集成图表，对冲流带底床附近水动力特性，和冲流动底床附近泥沙运动特性，进行分析后得到如下结论：

1)、冲流运动底床附近的水动力特性：

由于水流和泥沙之间相互作用，所以在底床附近产生了较大的垂向速度梯度，这是由底部边界层造成的，大量波浪的能量消耗在底部边界层中，边界层床面切应力大，紊动激烈，泥沙输运量大，所以一方面水体紊动能促进泥沙悬浮和运输，另一方面目前广泛应用的冲流带海岸形态动力学模型采用的输沙公式都以床面切应力作为控制泥沙移动的重要参数，所以通过底床附近测量的向岸----离岸方向上的流速剖面数据，研究冲流运动底床附近的水动力特性。

根据声学多普勒流速剖面仪采集的流速剖面数据，首先要对所有组次采集的流速数据进行预处理，消除不合理数据，并对各组次的重复试验数据进行集成平均处理研究平均运动特性，得到冲流运动过程中底床附近集成平均流速剖面时间序列；根据重复试验的速度结果计算底床附近的紊动强度剖面并进行分析；通过考虑边界层厚度变化的对数模型描述流速剖面，并基于摩阻流速估计床面切应力；然后根据二次拖拽应力公式估计经验摩擦系数，并对不同试验组次下这些水动力参数变化规律进行讨论分析，研究冲流运动底床附近的水动力特性。

1.1)、如图4所示，表示上冲阶段和回流阶段，在不同的粒径，不同的观测位置，和不同的坡度条件下的有效数据时长，4(a)纵坐标表示上冲时间，4(b)纵坐标表示回流时间。如图4所示，在相同的坡度和粒径的条件下，位置1的上冲时间最长，位置2次之，位置3的上冲时间最短；在相同粒径和位置的条件下，1:10的坡度的上冲时长要小于1:12；在位置和坡度相同时，在不同的粒径条件下，对时长分布影响不明显；在相同位置的条件下，回流阶段的时长要大于上冲时长，所以流速时间序列具有离岸偏斜性，在离岸方向上偏斜性减小。总体而言，该实验尺度下的泥沙粒径变化对于水动力特性影响较小，而坡度和位置的变化则影响较大。

1.2)、水体紊动对泥沙的运动状态有较大的促进作用，在实验中某处的流速可以分解为平均流速和紊动流速，然后根据以下公式计算紊动强度：

式中，u为水平方向的水流速度、w为垂直方向的水流速度，x为X轴的坐标值、z为Z轴的坐标值， t为时间，

为水平方向的平均流速，

为垂直方向的平均流速，w′_i为垂直方向的紊动流速，u′_i为水平方向的紊动流速，

分别代表w′_i与u′_i平方的平均值，右上角加撇号代表紊动分量，i为第i重复实验的标号，TKE为紊动强度，N为重复实验次数，由上述公式将测量的速度进行处理，并用图表进行记录，得结论如下：

1.2.1)、如图5所示，将声学多普勒流速剖面仪采集的流速剖面数据带入上述公式，计算紊动强度，然后制成各组次特定时刻的紊动强度图，其中横坐标表示紊动强度，纵坐标表示距床面的距离。依据图表所示，上冲阶段前期紊动强度较大，受段波紊动主导，自上而下传播，爬高过程中紊动逐渐消散。

1.2.2)、如图6所示，为各组次回流阶段紊动强度最大时刻的紊动强度剖面分布图，横坐标表示紊动强度，纵坐标表示距床面的竖直距离。如图6所示，回流阶段最大达到0.04m²/s²左右，自下而上传播，传播距离相对有限，底床作用下紊动的产生、消散和扩散会达到平衡，无法持续变大，相同坡度下不同位置处的最大紊动强度相似，坡度较大条件下紊动强度最大值以及向上传播距离更大，另外，传播距离在离岸方向上有一定增长。

1.3)、通过考虑边界层厚度的变化对数模型，量化了各组次床面切应力，利用公式对床面切应力进行量化，公式如下：

式中，u(z)表示不同的Z轴坐标值对应的向岸—离岸水流速度的水平分量，z为Z轴的坐标值，κ为卡门常数，取0.4，z₀为速度零点高度，U_*为摩阻流速，τ_b为床面切应力，ρ为水密度，f为摩擦系数，U₀为自由流速，|U₀|为自由流速的绝对值。

1.3.1)、如图7所示，横坐标表示泥沙颗粒的运动的时间，纵坐标表示剪切应力，表示了在不同坡度，不同粒径，不同观测位置的条件下，泥沙颗粒的运动的时间和剪切应力的关系，如图7所示，床面切应力上冲阶段最大8N/m²左右，回流阶段最大16N/m²左右。

1.3.2)、如图7所示，上冲阶段中期至回流阶段中后期床面切应力有直线变化趋势，因此提出了该阶段近似替代公式，

τ_b＝m(t-t_r)

式中，τ_b为床面切应力，m为直线斜率系数，且小于0，t为时间，t_r为水流方向反转时刻。

1.3.3)、如图8所示，表示在不同的粒径，不同的观测位置，和不同的坡度的条件下，该近似替代公式的直线斜率绝对值的图表，如图8所示，1:10坡度拟合直线斜率分布在7.4～8.6之间，1:12坡度分布在5.4～7.4之间，坡度变化对于拟合直线斜率大小影响明显，靠近海侧位置处斜率偏小，特别是在坡度较小情况下更加明显，其它位置处直线斜率大小相似，床面切应力关于不同的时间具有离岸偏斜性。

1.3.4)、利用二次拖拽应力公式估计经验摩擦系数，公式如下：

式中，τ_b为床面切应力，ρ为水密度，f为摩擦系数，U₀为自由流速,|U₀|为自由流速的绝对值，在不同的条件下，测出的数据带入上述公式，并制成图表，得如下结论：

如图9所示，该实验在不同粒径和1:10的坡度条件下进行，横坐标表示泥沙颗粒的运动的时间，纵坐标表示摩擦系数。如图9所示，摩擦系数分布在0.02～0.08之间，上冲阶段摩擦系数逐渐增大结论，水流方向反转阶段摩擦系数最大，回流阶段摩擦系数不断变小。

如图10所示，横坐标表示雷诺数，纵坐标表示摩擦系数，该实验在不同的观测位置和不同的运动阶段进行，其观测位置为位置1、位置2和位置3，其不同的运动阶段为上冲阶段和回流阶段。如图10所示，摩擦系数随雷诺数增大而减小，当Re>1.5×104，摩擦系数变化较小与恒定均匀流情况下一致。

如图9所示，靠近海侧位置处上冲阶段摩擦系数较小，靠近岸侧位置处上冲阶段和回流阶段摩擦系数时间序列趋于对称。

如图11和图12所示，图11的横坐标为雷诺数，纵坐标为摩擦系数，该实验结果是在1:10和1:12 的坡度条件下得来，图12的横坐标为雷诺数，纵坐标为摩擦系数，该实验结果是在不同观测位置的条件下得来。如图所示，坡度和位置的变化通过影响冲流过程中的雷诺数，引起摩擦系数的改变，因此可以计算考虑边界层变化的雷诺数来估计摩擦系数。

2)、底床附近泥沙运动特性：

2.1)、如表1和表2所示，上冲阶段泥沙运动最大速度能够达到2.8m/s，回流阶段最大1.8m/s，相对于回流阶段，上冲初始阶段泥沙速度大，输运量大，上冲初始阶段对于整个泥沙运动过程具有重要影响。

表1各组次上冲阶段和回流阶段向岸—离岸方向上最大速度(单位：m/s)

表2各组次上冲阶段速度剖面最大值>1.5m/s持续时长(单位：s)

2.2)、如表3和表4所示，表示各实验组次泥沙输运层厚度和速度剖面最大速度平均值之间的关系，各组次实验的变量为泥沙的粒径和泥沙斜坡的坡度。如表3和表4所示，回流阶段泥沙无法上升至水体较高位置，粒径越大，泥沙上升高度越小，以推移质输运为主；回流阶段末期会持续较长时间的极薄的泥沙输运层运动，该过程基本不会引起床位发生改变；冲流头部爬高速度受流量汇聚和重力分量共同作用，爬高阶段有短暂加速过程，在冲流带中下部达到最大上冲速度，其中坡度较大条件下能达到更大速度；上冲阶段泥沙粒径越大，坡度越小、越靠近岸侧，泥沙颗粒沉降越快；回流阶段最大泥沙输运层厚度受到位置和粒径影响，越靠近岸侧，泥沙颗粒越粗，最大输运层厚度越小；随着回流阶段泥沙输运层厚度增大，同一厚度下速度剖面最大速度的平均值越大，当输运层厚度大于15mm 后，该特征速度变化较小，对应速度在1.2m/s左右。

表3 1～9组次速度剖面最大速度平均值(单位：m/s)

表4 10～18组次速度剖面最大速度平均值(单位：m/s)

注：厚度指：泥沙输运层厚度，单位mm；速度指：速度剖面最大速度平均值，单位m/s；组次指：实验组次和观测位置(J051201表示实验编号，1表示观测位置为：位置1)，NaN表示未定义的值。

2.3)、如表5所示，各组次的底床都受到轻微侵蚀，其中靠近海侧位置侵蚀相对较大，其中泥沙颗粒较粗的泥沙床位变化较小，整个冲流运动过程泥沙向岸净输运，引起冲流带近岸侧泥沙的堆积。

表5各组次单次冲流运动过程床面位置净变化(单位：mm)

3)、泥沙颗粒运动特性：

通过高速相机从水槽侧面对冲流运动底床附近的泥沙运动进行拍摄，利用相机拍摄的图像和后续的处理，对泥沙运动规律进行展开研究，由于冲流带上冲初始阶段和回流中后期泥沙输运量大，所以重点对这两个阶段进行分析。首先利用粒子图像法对采集的泥沙运动图像进行处理，然后得到各组次最为完整的泥沙运动速度剖面时间序列，提取泥沙运动速度剖面特征参数，然后以上冲阶段和回流阶段最大速度，速度剖面厚度小于20mm时剖面最大速度，回流阶段速度剖面分布规律和床面位置展开讨论，最后，基于一定泥沙颗粒选取原则，人工选取各组次中，具有代表性的泥沙颗粒运动轨迹，并分析泥沙运动规律。

3.1)、如图13所示，图13的横坐标表示泥沙颗粒到障碍物的水平距离，纵坐标表示泥沙颗粒到位置1的竖直距离，13(a)表示t＝0～0.13时的运动轨迹，13(b)表示t＝0.53～0.67s时的运动轨迹， 13(a)和13(b)表示上冲阶段，运动方向从左向右；13(c)表示t＝5.5～5.63时的运动轨迹，13(d) 表示t＝6.03～6.16s时的运动轨迹，13(c)和13(d)表示回流阶段，运动方向从右向左。每幅图中都有多条线条，每个线条表示某个泥沙颗粒在某一时间段内的运动轨迹。

其中，如图13(a)和图13(b)所示，垂直方向上，颗粒运动速度分布呈现“上大下小”的特点，即在竖直方向上远离床面的颗粒运动速度大，靠近床面的运动速度小。

3.2)、如图13(a)和图13(b)所示，受泥沙沉降延迟效应影响，相同大小速度条件下，上冲阶段泥沙颗粒能够出现在水体较高位置。

3.3)、如图13(a)、图13(b)、图13(c)和图13(d)所示，水体紊动、颗粒间碰撞和颗粒床面间的碰撞会引起泥沙运动方向发生突然转变，特别在上冲阶段运动方向变化较大；靠近床面附近泥沙运动方向与斜面坡度保持基本一致，水体较高处泥沙运动方向变化较大；速度较大的情况下泥沙运动方向和水平方向的夹角趋近于泥沙斜坡的坡面坡度。

总体而言，泥沙坡度和测量位置的变化对于水动力和泥沙运动特性的影响比较明显，该实验尺度下泥沙粒径变化对水动力特性影响较小，而对泥沙运动有一定影响。

采用本发明所述实验装置进行实验，并对实验结果进行分析得出该装置模拟自然海岸的相似度高，提高了测量的准确度，且实验装置的生产成本低。

以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，包括实验池(1)、活动挡板(5)和渗水板(9)，所述实验池(1)无上盖，活动挡板(5)和渗水板(9)设置在实验池(1)内，将实验池(1)分割为三部分，依次包括储放水池(2)、海岸段波制造池(6)和滤水池(11)；

所述活动挡板(5)可以在实验池(1)内上下移动，将储放水池(2)和海岸段波制造池(2)连通或阻隔，储放水池(2)内沿竖直方向设有刻度条(4)，储放水池(2)通过第一输水管(3)与外部水源接通；

所述渗水板(9)水可以通过，泥沙不能通过，滤水池(11)上沿竖直方向设有刻度线(10)；

所述海岸段波制造池(6)靠近渗水板(9)的一端设有泥沙斜坡(8)，泥沙斜坡(8)由泥沙堆积而成，泥沙斜坡(8)的坡面由渗水板(9)一侧向活动挡板(5)一侧由高向低倾斜设置，海岸段波制造池(6)中设有流速测量仪(7)，海岸段波制造池(6)上沿竖直方向设有测量角度的刻度线。

2.根据权利要求1所述的冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，泥沙斜坡(8)坡面和实验池(1)池底的交汇处设有一个1cm高的障碍物，所述障碍物的两侧和实验池(1)的内壁连接。

3.根据权利要求1或2所述的冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，所述储放水池(6)的两侧板的内壁沿竖直方向均设有定向滑动槽，活动挡板(5)的两端插设在对应的定向滑动槽中，并可以在定向滑动槽内上下滑动，所述活动挡板(5)与实验池(1)池底、定向滑动槽接触的边缘上设有密封垫。

4.根据权利要求3所述的冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，所述滤水池(11)的池底设有排水管，排水管上设有截止阀。

5.根据权利要求4所述的冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，还包括水泵(19)、第二输水管(18)和送水管(17)，所述第二输水管(18)由柔性材料制成，一端连接水泵(19)的入水口，另一端伸入海岸段波制造池(6)内，送水管(17)一端和水泵(19)的出水口连接，另一端伸入储放水池(2)中。

6.根据权利要求5所述的冲流带海岸段波模拟实验装置，其特征在于，所述活动挡板(5)的上方设有定滑轮组件，所述定滑轮组件包括定滑轮支架(16)、缆绳(15)、操作杆(13)和定滑轮(14)，定滑轮(14)连接在定滑轮支架(16)上，缆绳(15)一端和活动挡板(5)连接，另一端穿过定滑轮(14)，并和操作杆(13)连接，操作杆(13)上设有配重铅球(12)。

7.基于权利要求1-6中任一项所述冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，其特征在于，

包括如下步骤：

步骤1、首先将海岸段波制造池(6)内的泥沙沿渗水板(9)、实验池(1)侧壁和实验池(1)池底堆积形成泥沙斜坡(8)，泥沙斜坡(8)的坡面由渗水板(9)一端向活动挡板(5)一端由高向低倾斜设置，并和实验池(1)的池底呈一定角度，泥沙斜坡(8)坡面的最底端和障碍物接触；

步骤2、拉动操作杆(13)将活动挡板(5)向上移动，使储放水池(2)和海岸段波制造池(6)连通；通过第一输水管(3)向实验池(1)内注水，当实验池(1)内注入一定水位的水后，放下活动挡板(5)，使活动挡板(5)将储放水池(2)和海岸段波制造池(6)相阻隔；

步骤3、继续向储放水池内注水，当储放水池(2)和海岸段波制造池(6)之间形成一定的液位差时，停止注水；

步骤4、然后拉动操作杆(13)迅速向上移动活动挡板(5)，将储放水池(2)内的水释放到海岸段波制造池(6)内，并冲击泥沙斜坡(8)，位于海岸段波制造池(6)中的流速测量仪(7)测出此处的水流流速；

步骤5、利用声学多普勒流速剖面仪测量溃坝波冲击泥沙斜坡(8)过程中底床附近的流速剖面时间序列数据，对冲流运动底床附近的水动力特性展开研究和分析，包括紊动强度、床面切应力和摩擦系数；同时，利用高速相机，拍摄溃坝波冲击泥沙斜坡(8)过程中泥沙运动图像，并用粒子图像测速法处理该运动图像，得到冲流运动底床附近的泥沙运动速度剖面的时间序列，根据泥沙运动速度剖面的时间序列，对该区域泥沙运动特性进行分析；

步骤6、提升配重，放下活动挡板(5)，将第二输水管(18)伸入海岸段波制造池(6)中，通过水泵(19)、第二输水管(18)和送水管(17)将海岸段波制造池(6)内的水抽入储放水池(2)中，输水完成后收起第二输水管(18)；然后或改变泥沙斜坡(8)的坡度，或改变泥沙的粒径，重复步骤4-5进行多组实验，将重复实验所得的数据汇成图表，并进行分析；

步骤7、完成实验后，打开排水管的截止阀，将滤水池(11)中的水排出，并把活动挡板(5)放到池底，留待下一次使用。

8.根据权利要求7所述的冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤5的声学多普勒流速剖面仪在三个不同的位置进行测量。

9.根据权利要求7所述的冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤6的泥沙斜坡(8)的坡度是1:10或1:12。

10.根据权利要求7所述的冲流带海岸段波模拟实验装置的实验方法，其特征在于，所述步骤6的泥沙斜坡(8)的泥沙粒径是0.3mm、0.5mm或0.8mm。

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