CN113552026B - 一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，能够通过外置的高速相机非侵入式记录底床内部渗流流场，在不干扰泥沙底床的前提下，获取孔压的空间分布特征，增加监测数据的可信性，获得更高模拟精度；透明土槽的深度可通过调节千斤顶活塞自由调节，便于对不同厚度的底床进行实验，操作简单；同时本发明占用空间小，且各部分拆装方便，易于携带和清洗；实验材料用量较少，且方便回收多次利用，实验成本低。
Description
技术领域
本发明涉及振荡水槽领域，尤其是一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法。
背景技术
在河口海岸地带，波浪的持续作用可能导致底床内部孔隙水压力(以下简称孔压)急剧增大，底床有效应力迅速减小甚至消失，底床内部泥沙颗粒发生悬浮，表现出流体性质，即底床发生液化。液化后，底床失去承载能力，威胁区域海洋工程及近海建筑物的安全，因此准确监测底床液化并揭示其机理有着重要的实际意义。针对波浪作用下泥沙运动的实验研究，目前所采取的手段主要包括波浪水槽实验和U型振荡水槽实验：波浪水槽可通过推波板的往复运动来生成满足条件的波浪，适用于多种工程模型实验，但水槽长度较大，占地面积大；U型振荡水槽主要用来模拟波浪边界层水体的往复流动，其占地面积相对较少，两种水槽多用于床面泥沙的起动与悬扬规律研究。在波致底床液化实验研究中，上述两种水槽也有广泛应用，通过在泥沙底床内埋置点式孔隙水压力计，实时监测波浪作用下不同埋深处的孔压，以孔压的变化特征推测底床液化条件。然而底床泥沙并非均匀、各向同性的，传统点式孔压监测的手段无法获取底床孔压的整体分布情况，其侵入式测量方法亦会扰动底床结构，造成实验的不确定性较大；且泥沙颗粒不透明，无法直接监测与孔压分布密切相关的波致渗流，制约了底床液化机理的研究。因此，亟需研发新型测量装置，实时监测底床内部孔压空间分布，捕捉底床内部渗流过程，为底床液化研究提供支撑。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，占用空间小，且各部分拆装方便，易于携带和清洗；实验材料用量较少，且方便回收多次利用，实验成本低。
为解决上述技术问题，本发明提供一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽，包括：动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4、法兰5、量测系统、千斤顶及活塞8和粒子图像测速系统；动力区1、实验区2和储液区3通过法兰5相连，透明土槽4安装在所述实验区下方，通过法兰5连接，量测系统安装于实验区2，千斤顶及活塞8设置在透明土槽4下部，粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，激光器11从侧面向透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于激光器11发射的平面光拍摄透明土槽4，获得图像堆栈。
优选的，量测系统包括取水孔9、固定支架10和流速剖面仪13；流速剖面仪13用于实时监测流体运动状态，由固定支架10固定，取水孔9为实验区2上的开孔，通过止水阀的开启和关闭可取水或止水，用于取样测量悬沙浓度。
优选的，动力区1上部还设置有交流变频调速电机6，通过电机活塞7的往复振动带动实验区2内溶液的振荡，动力区1下部设有排液口14。
优选的，实验区2是透明土和溶液接触区，其上方装有量测系统，通过流速剖面仪13和取水口9分别监测实验区2近底流速与悬沙浓度。
优选的，储液区3上方与外界连通，储液区3内液面高度大于动力区1内液面高度。
优选的，动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4的外壁均由透明亚克力板制成。
相应的，一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，包括如下步骤：
(1)预实验：根据实验所模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d，调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6直至溶液稳定振荡，持续5分钟左右后关闭交流变频调速电机6及流速剖面仪13，由流速剖面仪13记录的数据，获得近底流速峰值ubm及近底流速衰减系数
拆下流速剖面仪13，打开排液口14将溶液回收，将本设备各部分拆开并清洗；其中，S1为动力区1电机活塞7底面积，h0为实验区2高度，b为实验区2宽度；
(2)波致底床液化实验：实验开始前，首先向溶液中加入荧光剂，调整千斤顶及活塞8，使透明土槽4深度大于所需底床厚度，向透明土槽4中加入适量溶液，之后向溶液内加入透明土，直至透明土溶液饱和，振荡搅拌后静置沉降，使底床表面平整，将实验区2通过法兰5安装于透明土槽4上方，并通过法兰5将实验区2分别与动力区1和储液区3连接，推动千斤顶及活塞8，使透明土槽4的底床面与实验区2下边缘平齐，安装流速剖面仪13，将溶液从储液区3上部开口缓慢倒入至液面距底高度h处，需保证不扰动透明土槽4中的底床，架设激光器11与高速相机12并调整至合适角度，其中激光器11从侧面向所述透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于平面光拍摄透明土槽4，根据预实验结果以及需要模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d；调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6，同时打开高速相机12开始摄像，当监测到底床出现滑动面时，表明液化已发生，当监测到底床滑动面高度开始减小时，关闭交流变频调速电机6，停止流速剖面仪13，关闭激光器11及高速相机12，实验期间可打开取水孔9，采集悬沙样本；
(3)实验结束：打开排液口14将溶液回收，静置后将本设备各部分拆开并清洗，回收透明土，将高速相机12拍摄的图像堆栈输入计算机，通过图形分析技术构建透明土槽4的底床内部三维图形，获取透明土槽4的底床内部泥沙颗粒位移与渗流流场信息，将流速剖面仪13采集数据进行数据质量筛查、坏点删除等处理后，通过紊动动能法反算床面切应力，将实验期间通过取水孔9采集的悬沙样本进行过滤烘干称重等步骤处理，获取实验区2的近底悬沙浓度信息，上述物理量均为同步采集，用于波致底床液化发生条件及机理的研究。
本发明的有益效果为：能够通过外置的高速相机非侵入式记录底床内部渗流流场，在不干扰泥沙底床的前提下，获取孔压的空间分布特征，增加监测数据的可信性，获得更高的模拟精度；透明土槽的深度可通过调节千斤顶活塞自由调节，便于对不同厚度的底床进行实验，操作简单；同时本发明占用空间小，且各部分拆装方便，易于携带和清洗；实验材料用量较少，且方便回收多次利用，实验成本低。
附图说明
图1为本发明的振荡水槽立面示意图。
图2为本发明的振荡水槽A-A断面图。
其中，1、动力区；2、实验区；3、储液区；4、透明土槽；5、法兰；6、交流变频调速电机；7、电机活塞；8、千斤顶及活塞；9、取水孔；10、固定支架；11、激光器；12、高速相机；13、流速剖面仪；14、排液口。
具体实施方式
一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽，包括：动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4、法兰5、量测系统、千斤顶及活塞8和粒子图像测速系统；动力区1、实验区2和储液区3通过法兰5相连，透明土槽4安装在所述实验区下方，通过法兰5连接，量测系统安装于实验区2，千斤顶及活塞8设置在透明土槽4下部，粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，激光器11从侧面向透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于激光器11发射的平面光拍摄透明土槽4，获得图像堆栈。
动力区1顶部安装有交流电机6及电机活塞7，交流变频调速电机6的转速及电机活塞7的振幅均可以调节，从而改变往复流的频率、流速和水压力振幅。所述量测系统安装于所述实验区2，包括流速剖面仪13，固定支架10和取水孔9。所述流速剖面仪13用于实时监测实验区2内液体流体运动状态，由支架10固定；所述取水孔9用于取样测量实验区2内液体的悬沙浓度。所述透明土槽4的下部设有千斤顶及活塞8，通过调节其位置可改变透明土槽4的深度。所述储液区3用于控制初始水位的高度，上部开口与外界连通，所述储液区3内液体高度需高于所述动力区1。所述粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，其布置方式如图1和图2所示，图1中，激光器11向透明土槽4发射平面光，其所在平面与主视图所在投影面平行；图2为A-A断面图，高速相机12垂直于平面光拍摄。
一种非侵入式监测波致底床液化的振荡水槽的关键技术参数包括：(1)尺寸参数：动力区1电机活塞7底面积S1；实验区2截面面积S2及液面高度h2；储液区3的截面面积S3及液面高度h3；(2)动力类参数：电机活塞7的角频率ω和冲程d，实验区2的近底流速衰减系数C1。其中，实验区2的近底流速衰减系数C1需通过预实验确定；储液区3的静水位h3可参照以下公式：
动力类参数中ω、d可参照以下公式：
其中，H、T分别为实验所模拟的波浪的波高和周期。
非侵入式监测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，需要透明土及其溶液(溶液折射率与透明土相同)以及荧光剂。具体步骤如下：
(1)预实验：根据实验所模拟的波浪参数(波高H、周期T)，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d，调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6直至溶液稳定振荡，持续5分钟左右后关闭交流变频调速电机6及流速剖面仪13。由流速剖面仪13记录的数据，获得近底流速峰值ubm及近底流速衰减系数
拆下流速剖面仪13，打开排液口14将溶液回收，将本设备各部分拆开并清洗。
(2)波致底床液化实验：实验开始前，首先向溶液中加入荧光剂。调整千斤顶及活塞8，使透明土槽4深度大于所需底床厚度，向透明土槽4中加入适量溶液，之后向溶液内加入透明土，直至透明土溶液饱和，振荡搅拌后静置沉降，使底床表面平整。将实验区2通过法兰5安装于透明土槽4上方，并通过法兰5将实验区2分别与动力区1和储液区3连接。推动千斤顶及活塞8，使透明土槽4的底床面与实验区2下边缘平齐。安装流速剖面仪13。将溶液从储液区3上部开口缓慢倒入至液面距底高度h处，需保证不扰动透明土槽4中的底床。架设激光器11与高速相机12并调整至合适角度，其中激光器11从侧面向所述透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于平面光拍摄透明土槽4。根据预实验结果以及需要模拟的波浪参数(波高H、周期T)，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d；调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据。之后启动交流变频调速电机6，同时打开高速相机12开始摄像。当监测到底床出现滑动面时，表明液化已发生。当监测到底床滑动面高度开始减小时(表明液化已趋于结束)，关闭交流变频调速电机6，停止流速剖面仪13，关闭激光器11及高速相机12。实验期间可打开取水孔9，采集悬沙样本。
(3)实验结束：打开排液口14将溶液回收。静置后将本设备各部分拆开并清洗，回收透明土。将高速相机12拍摄的图像堆栈输入计算机，通过图形分析技术构建透明土槽4的底床内部三维图形，获取透明土槽4的底床内部泥沙颗粒位移与渗流流场信息。将流速剖面仪13采集数据进行数据质量筛查、坏点删除等处理后，通过紊动动能法反算床面切应力。将实验期间通过取水孔9采集的悬沙样本进行过滤烘干称重等步骤处理，获取实验区2的近底悬沙浓度信息。上述物理量均为同步采集，可用于波致底床液化发生条件及机理的研究。
Claims (4)
1.非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，其特征在于，包括：动力区(1)、实验区(2)、储液区(3)、透明土槽(4)、法兰(5)、量测系统、千斤顶及活塞(8)和粒子图像测速系统；动力区(1)、实验区(2)和储液区(3)通过法兰(5)相连，透明土槽(4)安装在实验区下方，通过法兰(5)连接，量测系统安装于实验区(2)，千斤顶及活塞(8)设置在透明土槽(4)下部，粒子图像测速系统包括激光器(11)和高速相机(12)，激光器(11)从侧面向透明土槽(4)发射平面光，高速相机(12)垂直于激光器(11)发射的平面光拍摄透明土槽(4)，获得图像堆栈；
动力区(1)上部还设置有交流变频调速电机(6)，通过电机活塞(7)的往复振动带动实验区(2)内溶液的振荡，动力区(1)下部设有排液口(14)；
量测系统包括取水孔(9)、固定支架(10)和流速剖面仪(13)；流速剖面仪(13)用于实时监测流体运动状态，由固定支架(10)固定；取水孔(9)为实验区(2)上的开孔，通过止水阀的开启和关闭取水或止水，用于取样测量悬沙浓度；
振荡水槽的使用包括如下步骤：
步骤1、预实验：根据实验所模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机(6)的角频率ω与冲程d，调整流速剖面仪(13)距实验区(2)底部的距离，并开启流速剖面仪(13)记录实验区(2)的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机(6)直至溶液稳定振荡，持续5分钟左右后关闭交流变频调速电机(6)及流速剖面仪(13)，由流速剖面仪(13)记录的数据，获得近底流速峰值ubm及近底流速衰减系数
拆下流速剖面仪(13)，打开排液口(14)将溶液回收，将本设备各部分拆开并清洗；其中，S1为动力区(1)电机活塞(7)底面积，h0为实验区(2)高度，b为实验区(2)宽度；
步骤2、波致底床液化实验：实验开始前，首先向溶液中加入荧光剂，调整千斤顶及活塞(8)，使透明土槽(4)深度大于所需底床厚度，向透明土槽(4)中加入适量溶液，之后向溶液内加入透明土，直至透明土溶液饱和，振荡搅拌后静置沉降，使底床表面平整，将实验区(2)通过法兰(5)安装于透明土槽(4)上方，并通过法兰(5)将实验区(2)分别与动力区(1)和储液区(3)连接，推动千斤顶及活塞(8)，使透明土槽(4)的底床面与实验区(2)下边缘平齐，安装流速剖面仪(13)，将溶液从储液区(3)上部开口缓慢倒入至液面距底高度h处，需保证不扰动透明土槽(4)中的底床，架设激光器(11)与高速相机(12)并调整至合适角度，其中激光器(11)从侧面向所述透明土槽(4)发射平面光，高速相机(12)垂直于平面光拍摄透明土槽(4)，根据预实验结果以及需要模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机(6)的角频率ω与冲程d；调整流速剖面仪(13)距实验区(2)底部的距离，并开启流速剖面仪(13)记录实验区(2)的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机(6)，同时打开高速相机(12)开始摄像，当监测到底床出现滑动面时，表明液化已发生，当监测到底床滑动面高度开始减小时，关闭交流变频调速电机(6)，停止流速剖面仪(13)，关闭激光器(11)及高速相机(12)，实验期间打开取水孔(9)，采集悬沙样本；
步骤3、实验结束：打开排液口(14)将溶液回收，静置后将本设备各部分拆开并清洗，回收透明土，将高速相机(12)拍摄的图像堆栈输入计算机，通过图形分析技术构建透明土槽(4)的底床内部三维图形，获取透明土槽(4)的底床内部泥沙颗粒位移与渗流流场信息，将流速剖面仪(13)采集数据进行数据质量筛查、坏点删除处理后，通过紊动动能法反算床面切应力，将实验期间通过取水孔(9)采集的悬沙样本进行过滤烘干称重步骤处理，获取实验区(2)的近底悬沙浓度信息，上述物理量均为同步采集，用于波致底床液化发生条件及机理的研究。
2.如权利要求1所述的非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，其特征在于，实验区(2)是透明土和溶液接触区，其上方装有量测系统，通过流速剖面仪(13)和取水孔(9)分别监测实验区(2)近底流速与悬沙浓度。
3.如权利要求1所述的非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，其特征在于，储液区(3)上方与外界连通，储液区(3)内液面高度大于动力区(1)内液面高度。
4.如权利要求1所述的非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，其特征在于，动力区(1)、实验区(2)、储液区(3)、透明土槽(4)的外壁均由透明亚克力板制成。
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