CN113846599B - 一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置及其方法，实验装置包括码头岸坡模拟系统、造波系统、水位控制系统、海床模拟系统、总体控制系统；码头岸坡模拟系统通过人造植被、护面块体模型、引桥模型、墩模型的组合达到模拟真实墩式码头生态岸坡的目的，造波系统通过推板平移制造水波，水位控制系统通过阀门控制装置内水位高低，海床模拟系统通过地质沉积信息还原研究区域海床情况，总体控制系统调整岸坡角度和波况，各系统协同工作可以模拟海浪作用下码头生态岸坡受侵蚀的情况。

Description

一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置及 其方法

技术领域

本发明属于海洋工程地质技术领域，尤其涉及一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置及其方法。

背景技术

生态岸坡是针对传统砌石、水泥、混凝土岸坡对水体与陆地生态环境破坏较大的缺点，设计研发的一种新型护岸技术。生态岸坡在保证固坡安全性的前提下，兼顾工程的环境效应和生态效应，实现可持续发展。

目前，有关码头生态岸坡稳定性的研究主要局限于软件建模和实际现场观测两种手段，但现有建模偏于理论，无法模拟复杂真实海况且不够直观，实际现场观测耗时长且成本较高，不能满足工程设计的需求。为了能够更好模拟真实海浪条件，提升稳定性研究的效率和降低成本，急需一种模拟海浪侵蚀的码头生态岸坡稳定性实验装置，研究海浪侵蚀破坏造成的生态岸坡稳定性问题，揭示生态岸坡的结构弱点，达到提升工程安全性的目的。

发明内容

本发明的目的在于克服技术的不足，提供一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置及其方法，适用于分析海浪作用下码头生态岸坡受侵蚀的情况。

本申请实施例公开了一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置，其包括码头岸坡模拟系统、造波系统、水位控制系统、海床模拟系统、总体控制系统：

所述岸坡模拟系统包括无盖透明水槽、可旋转背板、旋转轴、护面块体模型、人造植被、第一液压杆、坡顶平台模型、引桥模型、墩模型、细缆绳，所述旋转轴穿过所述可旋转背板下部，将所述可旋转背板固定于所述无盖透明水槽底部；所述第一液压杆前部非固定抵靠在所述可旋转背板的背面，后部连接所述无盖透明水槽侧壁，可调节所述可旋转背板与所述无盖透明水槽底面的夹角大小；所述护面块体模型通过规则排列方式堆积在所述可旋转背板的正面上，表面覆盖有所述人造植被；所述坡顶平台模型水平放置于所述护面块体模型的顶端上，坡顶平台模型至少一部分为铁材质，可通过磁铁磁吸在所述无盖透明水槽侧壁上，所述引桥模型的一端与所述坡顶平台模型铰接；所述墩模型铰接于所述引桥模型的另一端上并通过细缆绳锚定于所述海床模拟材料中。

所述造波系统包括推板、第二液压杆，所述第二液压杆控制所述推板做往复平移运动，产生水波；所述第一液压杆和第二液压杆分别设置在无盖透明水槽相对的两个侧壁上；所述可旋转背板和推板分别位于无盖透明水槽内部的两侧，两者正对设置；

所述水位控制系统包括水箱、废水箱、进水管、出水管、进水阀门、出水阀门，所述水箱与所述无盖透明水槽通过所述进水管连接，所述进水管上装有所述进水阀门用于控制海水进入所述无盖透明水槽；所述废水箱与所述无盖透明水槽通过所述出水管连接，所述出水管上装有所述出水阀门用于控制海水流出所述无盖透明水槽；

所述海床模拟系统包括海床模拟材料，所述海床模拟材料铺设在所述无盖透明水槽底面上，铺设厚度与所研究海区海底地形相匹配；

所述总体控制系统包括计算机控制系统，所述第一液压杆和第二液压杆分别通过电线与所述计算机控制系统相连，计算机控制系统可分别对所述可旋转背板和所述推板的运动进行独立控制。

优选的，所述无盖透明水槽由有机玻璃制成，为长方体；无盖透明水槽的侧面绘有水平刻度线，用以检查水位高度。

优选的，所述护面块体模型为扭王字块或扭工字块，使用水泥或混凝土制成，各块体尺寸一致。

优选的，所述水箱中存贮有海水模拟溶液，用以模拟真实波浪特征。

优选的，所述海床模拟材料可选用环氧树脂。

优选的，所述坡顶平台模型可使用HDPE材料制成，其内部设置有铁材质的填充件，坡顶平台模型可通过磁铁磁吸在无盖透明水槽侧壁上，所述坡顶平台模型有钻孔，用于铰接引桥模型。

优选的，所述引桥模型和所述墩模型可使用HDPE材料制成，所述墩模型可以为一个或多个，当为多个墩模型时，各个墩模型之间呈固定角度固结。

本发明还公开了一种所述实验装置的码头生态岸坡稳定性分析实验方法，其包括如下步骤：

a、将所述无盖透明水槽平置于水平台面上，组装实验装置，并在水槽侧壁布设观测仪器；

b、打开所述计算机控制系统，输入所需要的岸坡坡度，所述第一液压杆根据设置坡度进行伸缩，控制所述可旋转背板以所述旋转轴旋转，以实现坡度变化；

c、在所述可旋转背板表面，根据研究工况使用所述护面块体模型和所述人造植被搭建模拟生态岸坡；

d、紧邻所述护面块体模型顶端，水平放置所述坡顶平台模型，并使用磁铁将所述坡顶平台模型磁吸在所述无盖透明水槽侧壁上；

e、在所述无盖透明水槽底面上根据研究海区海底地形铺设所述海床模拟材料，模拟海区地质情况；

f、在所述护面块体模型正面，根据研究码头实际，组合所述墩模型和所述引桥模型，并将所述引桥模型铰接在所述坡顶平台钻孔处，将所述墩模型通过所述细缆绳锚定于海床模拟材料中；

g、开启进水阀门，所述水箱中的海水模拟溶液通过所述进水管进入所述无盖透明水槽，水位上升至研究工况所需高度时关闭进水阀门；

h、在所述计算机控制系统中，输入所需的波高和周期，所述第二液压杆根据设置波况控制所述推板周期性水平运动，产生波浪，波浪对所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型造成冲击，；

i、利用观测仪器记录波浪冲击下码头生态岸坡的形态变化情况；并记录所述引桥模型和所述墩模型在波浪作用下的形态变化情况；

j、需降低水位或者试验结束时，开启所述出水阀门，所述无盖透明水槽中的海水模拟溶液通过所述出水管进入废水箱，待水溶液降至目标水位或完全排出时关闭出水阀门；

k、拆卸所述引桥模型和所述墩模型，分区域记录所述护面块体模型形态变化情况、所述引桥模型和所述墩模型的及所述人造植被存活情况，清除所述人造植被，并使用测量工具定量测定所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型的磨损情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明涉及一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置，其中，码头岸坡模拟系统通过人造植被和护面块体模型的组合达到模拟真实生态岸坡的目的，造波系统通过推板平移制造水波，水位控制系统通过阀门控制装置内水位高低，海床模拟系统通过地质沉积信息还原研究区域海床情况，总体控制系统调整岸坡角度和波况，各系统协同工作可以模拟海浪作用下码头生态岸坡受侵蚀的情况，对未来研究码头生态岸坡失稳机理和码头生态岸坡的设计有一定的帮助。

本发明填补了海洋工程地质领域模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性实验领域的空白，对研究码头生态岸坡失稳机理、实现码头生态岸坡的安全设计和确保岸坡工程施工安全有很强的指导作用。

附图说明

图1是本发明整体结构正视图；

图2是本发明整体结构俯视图；

图3是码头岸坡模拟系统正视图；

图4是可旋转背板、旋转轴、护面块体模型、人造植被俯视图；

图中：1-无盖透明水槽；2-可旋转背板；3-旋转轴；4-护面块体模型；5-人造植被；61-第一液压杆；62-第二液压杆；7-推板；8-水箱；9-废水箱；10-进水管；11-出水管；12-进水阀门；13-出水阀门；14-海床模拟材料；15-电线；16-计算机控制系统；17-坡顶平台模型；18-引桥模型；19-墩模型；20-细缆绳。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

本实施例具体公开了一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置，其包括码头岸坡模拟系统、造波系统、水位控制系统、海床模拟系统、总体控制系统：

如图1所示，所述岸坡模拟系统包括无盖透明水槽1、可旋转背板2、旋转轴3、护面块体模型4、人造植被5、第一液压杆61、坡顶平台模型17、引桥模型18、墩模型19、细缆绳20，所述旋转轴3穿过所述可旋转背板2下部，旋转轴3铰接在所述无盖透明水槽1的底部上，将所述可旋转背板2固定于所述无盖透明水槽1一侧的底部；所述第一液压杆61前部以非固定方式可滑动连接所述可旋转背板2的背面，后部连接所述无盖透明水槽1侧壁，可调节所述可旋转背板2与所述无盖透明水槽1底面的夹角大小；所述护面块体模型4通过规则排列方式堆积在所述可旋转背板2的正面上，表面覆盖有所述人造植被5；所述坡顶平台模型17水平放置于所述护面块体模型4的顶端之上，坡顶平台模型17至少一部分为铁材质，可通过磁铁磁吸在所述无盖透明水槽1侧壁上，所述引桥模型18的一端与所述坡顶平台模型17铰接；所述墩模型19铰接于所述引桥模型18的另一端上并通过细缆绳20锚定于所述海床模拟材料14中。

如图1所示，所述造波系统包括推板7、第二液压杆62，所述第二液压杆62通过接收总体控制系统的指令，控制所述推板7做往复平移运动，产生水波；

如图2所示，所述水位控制系统包括水箱8、废水箱9、进水管10、出水管11、进水阀门12、出水阀门13，所述水箱8与所述无盖透明水槽1通过所述进水管10连接，所述进水管10上装有所述进水阀门12用于控制海水模拟溶液进入所述无盖透明水槽1；所述废水箱9与所述无盖透明水槽1通过所述出水管11连接，所述出水管11上装有所述出水阀门13用于控制海水模拟溶液流出所述无盖透明水槽1；

如图1所示，所述海床模拟系统包括海床模拟材料14，所述海床模拟材料14铺设在所述无盖透明水槽1底面上，铺设厚度与所研究海区海底地形相匹配；其中，海床模拟材料14铺设位置位于可旋转背板和推板之间。

如图1所示，所述总体控制系统包括计算机控制系统16，所述第一液压杆61和第二液压杆62分别通过电线15与所述计算机控制系统16相连，计算机控制系统16可分别对所述可旋转背板2和所述推板7的运动进行独立控制。

如图1所示，在本发明一个具体实施例中，所述无盖透明水槽1由有机玻璃制成，为长方体；无盖透明水槽1的侧面绘有水平刻度线，用以检查水位高度。

如图3和4所示，在本发明一个具体实施例中，所述护面块体模型4为扭王字块或扭工字块，使用水泥或混凝土制成，各块体尺寸一致。

在本发明一个具体实施例中，所述无盖透明水箱由有机玻璃制成，为长方体，其长×宽×高＝5米×0.5米×1.5米；所述旋转轴长度0.55米，由不锈钢制成，穿过所述可旋转背板(长×宽＝1米×0.5米)下部；所述第一液压杆为圆柱体，分为四节，直径0.05米，伸缩长度范围为0.3米～1.2米，第一连接杆前端非固定连接所述可旋转背板(可旋转背板背面抵靠在第一连接杆的前端)，后部连接所述无盖透明水槽侧壁，布置在所述无盖透明水槽侧壁高度0.5米处，坡脚变化范围为30°～90°。

优选的，所述人造植被可选用风信子等微型植物。

优选的，所述推板长×宽＝1米×0.48米，所述第二液压杆为圆柱体，共四根，每根分为若干节，直径0.05米，伸缩长度范围为0.2～1.2米，前部固结于所述推板，后部与所述计算机控制系统相连并接收其指令；通过第二液压杆带动推板往复平移运动，并通过不同的运动周期和运动距离模拟各种参数不同的海浪；

优选的，海水模拟溶液组分应与待模拟海区实际情况相似，溶质包含NaCl、KCl、CaCl₂、MgCl₂等。

优选的，所述海床模拟材料应根据待模拟海区的实际情况选择合适的材料，如可选择环氧树脂等材料，并根据待模拟场景调节其松软度。

优选的，所述坡顶平台模型长×宽＝0.5米×0.3米，可使用HDPE材料制成，所述坡顶平台模型有直径0.02米的钻孔若干，坡顶平台模型内部设置有铁材质的填充件，坡顶平台模型可通过磁铁磁吸在无盖透明水槽1侧壁上。

优选的，所述引桥模型长×宽×高＝0.6米×0.1米×0.01米，上有钻孔可供铰接，可使用HDPE材料制成。

优选的，所述墩模型长×宽×高＝0.05米×0.05米×0.05米，上有钻孔可供铰接，可使用HDPE材料制成。

根据所述模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置，进行码头生态岸坡稳定性分析实验的具体操作步骤如下：

a、将所述无盖透明水槽平置于水平台面上，组装实验装置，并在水槽侧壁布设观测仪器，观测仪器可以是摄像机等；

b、打开所述计算机控制系统，输入所需要的岸坡坡度，所述第一液压杆根据设置坡度进行伸缩，控制所述可旋转背板以所述旋转轴旋转，以实现坡度变化；

c、在所述可旋转背板表面，根据研究工况使用所述护面块体模型和所述人造植被搭建模拟生态岸坡；首先是依托所述可旋转背板的斜坡面规则搭建护面块体模型，模拟生态岸坡的基础框架，然后在护面块体模型拼接缝隙中布置人造植被，模拟生态岸坡的绿化技术；人造植被可选用风信子等微型植物；

d、紧邻所述护面块体模型顶端，水平放置所述坡顶平台模型，并使用磁铁将所述坡顶平台模型夹于所述无盖透明水槽侧壁之间，所述坡顶平台模型上留有钻孔，以方便与所述引桥模型铰接；

e、在所述无盖透明水槽底面上根据研究海区海底地形铺设所述海床模拟材料，模拟海区地质情况；海床模拟材料应根据待模拟海区的实际情况选择合适的材料，如可选择黏土、细砂等材料，并根据待模拟场景调节其松软度；

f、在所述护面块体模型正面，根据研究码头实际组合所述墩模型和所述引桥模型，并将所述引桥模型铰接在所述坡顶平台钻孔处，将所述墩模型通过所述细缆绳锚定于所述海床模拟材料中，以模拟码头真实情况；

g、开启所述进水阀门，所述水箱中的海水模拟溶液通过所述进水管进入所述无盖透明水槽，水位上升至研究工况所需高度时关闭进水阀门；研究工况水位线应事先在所述无盖透明水槽侧壁做好标记；

h、在所述计算机控制系统中，输入所需的波高和周期，所述第二液压杆根据设置波况控制所述推板周期性水平运动，产生波浪，波浪对所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型造成冲击，

i、利用观测仪器记录波浪冲击下生态岸坡的形态变化情况，如护面块体模型的移动和脱落；并记录所述引桥模型和所述墩模型在波浪作用下的形态变化情况；所述引桥模型和所述墩模型可能在波浪作用下碰撞所述护面块体模型，造成所述护面块体模型磨损甚至失稳；

j、需降低水位或者试验结束时，开启所述出水阀门，所述无盖透明水槽中的海水模拟溶液通过所述出水管进入废水箱，待水溶液降低设定高度或完全排出时关闭出水阀门；

k、拆卸所述细缆绳、所述引桥模型和所述墩模型，分区域记录所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型的形态变化情况及所述人造植被存活情况，清除所述人造植被，并使用测量工具定量测定所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型的的磨损情况，测量工具可以为刻度尺、游标卡尺等，后续使用稳定数公式或Hudson公式量化评价块体稳定性。

j、关闭所述总体控制系统，取出所述坡顶平面模型、所述护面块体模型、所述海床模拟材料，将所述废水箱内液体妥善处理，清洗所述护面块体模型、所述人造植被、所述坡顶平面模型、所述引桥模型、所述墩模型、所述水箱、所述废水箱、所述进水管、所述出水管，擦拭所述无盖透明水槽、所述可旋转背板、所述推板，于避光通风处保存，以备下次使用。

本发明未尽事宜为公知技术。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种模拟海浪侵蚀条件下码头生态岸坡稳定性的实验装置，其特征在于,包括码头岸坡模拟系统、造波系统、水位控制系统、海床模拟系统、总体控制系统：

所述码头岸坡模拟系统包括无盖透明水槽（1）、可旋转背板（2）、旋转轴（3）、护面块体模型（4）、人造植被（5）、第一液压杆（61）、坡顶平台模型（17）、引桥模型（18）、墩模型（19）、细缆绳（20），所述旋转轴（3）穿过所述可旋转背板（2）下部，将所述可旋转背板（2）固定于所述无盖透明水槽（1）底部；所述第一液压杆（61）前部非固定抵靠在所述可旋转背板（2）的背面，后部连接所述无盖透明水槽（1）侧壁，可调节所述可旋转背板（2）与所述无盖透明水槽（1）底面的夹角大小；所述护面块体模型（4）通过规则排列方式堆积在所述可旋转背板（2）的正面上，表面覆盖有所述人造植被（5）；所述坡顶平台模型（17）水平放置于所述护面块体模型（4）的顶端上，坡顶平台模型（17）至少一部分为铁材质，可通过磁铁磁吸在所述无盖透明水槽（1）侧壁上，所述引桥模型（18）的一端与所述坡顶平台模型（17）铰接；所述墩模型（19）铰接于所述引桥模型（18）的另一端上并通过细缆绳（20）锚定于海床模拟材料（14）中；

所述造波系统包括推板（7）、第二液压杆（62），所述第二液压杆（62）用于控制所述推板（7）做往复平移运动，产生水波；所述第一液压杆（61）和第二液压杆（62）分别设置在无盖透明水槽（1）相对的两个侧壁上；

所述水位控制系统包括水箱（8）、废水箱（9）、进水管（10）、出水管（11）、进水阀门（12）、出水阀门（13），所述水箱（8）与所述无盖透明水槽（1）通过所述进水管（10）连接，所述进水管（10）上装有所述进水阀门（12）用于控制海水模拟溶液进入所述无盖透明水槽（1）；所述废水箱（9）与所述无盖透明水槽（1）通过所述出水管（11）连接，所述出水管（11）上装有所述出水阀门（13）用于控制海水模拟溶液流出所述无盖透明水槽（1）；

所述海床模拟系统包括海床模拟材料（14），所述海床模拟材料（14）铺设在所述无盖透明水槽（1）底面上，铺设厚度与所研究海区海底地形相匹配；

所述总体控制系统包括计算机控制系统（16），所述第一液压杆（61）和第二液压杆（62）分别通过电线（15）与所述计算机控制系统（16）相连，计算机控制系统（16）可分别对所述可旋转背板（2）和所述推板（7）的运动进行独立控制。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述无盖透明水槽由有机玻璃制成，为长方体；无盖透明水槽的侧面绘有水平刻度线，用以检查水位高度。

3.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述护面块体模型为扭王字块或扭工字块，使用水泥或混凝土制成，各块体尺寸一致。

4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述水箱中存贮有海水模拟溶液，用以模拟真实波浪特征。

5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述海床模拟材料选用环氧树脂。

6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述坡顶平台模型使用HDPE材料制成，其内部设置有铁材质的填充件，坡顶平台模型可通过磁铁磁吸在无盖透明水槽（1）侧壁上。

7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述引桥模型和所述墩模型使用HDPE材料制成，所述墩模型为一个或多个，当为多个墩模型时，各个墩模型之间呈固定角度固结。

8.一种权利要求1所述实验装置的码头生态岸坡稳定性分析实验方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将所述无盖透明水槽平置于水平台面上，组装实验装置，并在水槽侧壁布设观测仪器；

b、打开所述计算机控制系统，输入所需要的岸坡坡度，所述第一液压杆根据设置坡度进行伸缩，控制所述可旋转背板以所述旋转轴旋转，以实现坡度变化；

c、在所述可旋转背板表面，根据研究工况使用所述护面块体模型和所述人造植被搭建模拟生态岸坡；

d、紧邻所述护面块体模型的顶端，水平放置所述坡顶平台模型，并使用磁铁将所述坡顶平台模型磁吸在所述无盖透明水槽侧壁上；

e、在所述无盖透明水槽底面上根据研究海区海底地形铺设所述海床模拟材料，模拟海区地质情况；

f、在所述护面块体模型正面，根据研究码头实际，组合所述墩模型和所述引桥模型，并将所述引桥模型铰接在所述坡顶平台模型上，将所述墩模型通过细缆绳锚定于所述海床模拟材料中；

g、开启进水阀门，所述水箱中的海水模拟溶液通过所述进水管进入所述无盖透明水槽，水位上升至研究工况所需高度时关闭进水阀门；

h、在所述计算机控制系统中，输入所需的波高和周期，所述第二液压杆根据设置波况控制所述推板周期性水平运动，产生波浪，波浪对所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型造成冲击；

i、利用观测仪器记录波浪冲击下码头生态岸坡的形态变化情况；并记录所述引桥模型和所述墩模型在波浪作用下的形态变化情况；

j、需降低水位或者试验结束时，开启所述出水阀门，所述无盖透明水槽中的海水模拟溶液通过所述出水管进入废水箱，待海水模拟溶液降至目标水位或完全排出时关闭出水阀门；

k、拆卸所述引桥模型和所述墩模型，分区域记录所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型的形态变化情况及所述人造植被存活情况，清除所述人造植被，并使用测量工具定量测定所述护面块体模型、所述引桥模型和所述墩模型的磨损情况。

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