專利名稱：一種海底輸沙模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種淺水海域波狀底床泥沙輸移的模擬方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)場觀測(cè)表明，淺水海域底床是存在著各種不同尺度的波狀沙體，它們大多以非對(duì)稱形式呈現(xiàn)。在潮流、波浪等水動(dòng)力作用下，這些非對(duì)稱的波狀沙體是不穩(wěn)定的，以一定的速率移動(dòng)，底床附近流速、底床形狀以及泥沙性質(zhì)等等決定著泥沙輸移率和輸移方向。由此帶來一系列問題。比如，通過沙波區(qū)的管線可能會(huì)裸露，甚至被懸空。航道會(huì)由于附近沙波移動(dòng)而堵塞。從安全和經(jīng)濟(jì)利益的角度考慮，管線安全與管線埋深的優(yōu)化，航道運(yùn)營與清淤費(fèi)用盈虧等等都是投資商最為關(guān)心的。因此研究非對(duì)稱波狀底床下的泥沙輸移顯得尤為重要。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種海底輸沙模擬方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種海底輸沙模擬方法包括如下步驟1)在一設(shè)置有波狀海床模型的水槽底部均勻鋪上一層適當(dāng)厚度的經(jīng)過烘干的沙粒；2)向水槽中注水，注水過程中盡可能減少水流對(duì)沙面擾動(dòng)，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動(dòng)水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動(dòng)沙粒運(yùn)動(dòng)；4)采用激光片光源，并將光束照射在海床表面沙層的中間部位，以反映某一斷面上海床模型表面沙粒的流動(dòng)狀況和拋起的沙粒在水體中的運(yùn)動(dòng)狀況，并通過一攝像機(jī)采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時(shí)間，待海床模型面上的沙粒完全被輸移到水槽兩側(cè)附近后，停止振蕩。
進(jìn)一步地，還包括如下步驟6)釋放出水槽中的水，分別完全收集水槽兩側(cè)附近的沙粒；7)將收集到的沙粒充分烘干，分別記錄其質(zhì)量。
進(jìn)一步地，所述波狀海床模型表面形狀為對(duì)稱波狀、余弦非對(duì)稱波狀或指數(shù)非對(duì)稱波狀。
進(jìn)一步地，所述波狀海床表面粘接一層沙粒層，該層沙粒僅其與海床本體相對(duì)的一側(cè)表面與模型本體相粘接，沙粒的其他表面均以其自然形態(tài)裸露在外。
本發(fā)明通過對(duì)淺水海域波狀底床泥沙的輸移狀況的研究，為在各種表面形狀海床上的管線鋪設(shè)和工程建設(shè)提供理論依據(jù)，避免設(shè)計(jì)上的盲目性。


圖1為本發(fā)明所采用的模擬裝置工作狀態(tài)局部剖視示意圖；圖2為圖1中A向局部示意圖；圖3為圖1中B-B剖面圖；圖4為圖1中C向局部示意圖；圖5為另一種海床模型斷面示意圖；具體實(shí)施方式
本發(fā)明所采用的設(shè)置有波狀海床的水槽結(jié)構(gòu)如圖1至圖4所示，U形管8開口垂直向上設(shè)置，其右端呈開放狀態(tài)，與大氣連通，在適當(dāng)高度處設(shè)置有一壓力傳感器9，U形管8左端通過管道2與一風(fēng)機(jī)1相接，管道2與U形管8之間設(shè)置有一控制閥3，U形管8底段中部設(shè)置有海床模型安裝段20，海床模型14安裝在該安裝段20內(nèi)，海床模型安裝段20上方設(shè)置有一激光片光源7，海床模型安裝段20的一側(cè)設(shè)置有一攝像機(jī)16(見圖3)。
控制閥3的殼體18與U形管8一體制成，其內(nèi)腔通過轉(zhuǎn)軸4安裝有一閥板6，控制閥3殼體一側(cè)外表面設(shè)置有一步進(jìn)式伺服電機(jī)17(見圖4)，該伺服電機(jī)17的輸出軸與轉(zhuǎn)軸4相連，控制閥3的殼體18上設(shè)置有兩個(gè)開放口5，該兩個(gè)開放口5的位置分別與閥板6的兩個(gè)工作位置相對(duì)應(yīng)，即閥板6在圖示位置時(shí)，上方開放口5使管道2與大氣連通，右側(cè)開放口5使U形管8左端與大氣連通；閥板6旋轉(zhuǎn)90度左右處于其第2個(gè)工作位置時(shí)，兩個(gè)開放口5均被閥板6封閉，管道2與U形管8左端相連通。
U形管8由透明材料制成，其斷面為矩形(見圖3)，其底段底壁上設(shè)置有一排水閥21，U形管8底段中部的海床模型安裝段20一側(cè)設(shè)置有一可拆卸的封板10，攝像機(jī)16位于封板10一側(cè)，海床模型安裝段20中與封板10相對(duì)的另一側(cè)壁上設(shè)置有一遮光層13，海床模型安裝段20頂壁上同樣設(shè)置有一遮光層13，該遮光層13中部開有一與激光片光源7的下射光束形狀相匹配的條狀透光窗口11。
模擬裝置工作時(shí)，按照如下步驟進(jìn)行1)在波狀海床模型14的表面均勻鋪上一層適當(dāng)厚度的經(jīng)過烘干的沙粒15；2)向U形管8中放入適量的水，注水過程中盡可能減少水流對(duì)沙面擾動(dòng)，以保證沙粒均勻停留在海床模型14表面；3)通過控制裝置(圖中未示出)設(shè)定控制閥3中閥板6的擺動(dòng)頻率，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)1向外抽風(fēng)，隨著閥板6在其兩個(gè)工作位置的循環(huán)切換，U形管8中的水在風(fēng)機(jī)1和大氣的作用下在管內(nèi)往復(fù)振蕩，位于海床模型14處的水流由此形成往復(fù)流動(dòng)的波浪流對(duì)沙粒15進(jìn)行沖刷，并將沙粒15向模型兩側(cè)或一側(cè)輸移；4)采用激光片光源7，并將光束照射在海床模型14表面沙層的中間部位，以反映某一斷面上海床模型表面沙粒的流動(dòng)狀況和拋起的沙粒在水體中的運(yùn)動(dòng)狀況，并通過攝像機(jī)16采集該過程的圖像信息。由于U形管8內(nèi)的水流開始振蕩的初期振幅不穩(wěn)定，為了攝取有效的海流輸沙形態(tài)，必須待水流穩(wěn)定振蕩后進(jìn)行，這時(shí)通過壓力傳感器9可以對(duì)水流是否穩(wěn)定振蕩進(jìn)行檢測(cè)，待水流穩(wěn)定振蕩后，壓力傳感器9將檢測(cè)信號(hào)發(fā)送給控制裝置，控制裝置控制激光片光源7及攝像機(jī)16開始工作。采用激光片光源，并將光束照射在海床模型14表面沙層的中間部位，同時(shí)在攝像機(jī)對(duì)面的U形管8側(cè)壁上設(shè)置遮光層13，可以保證攝像機(jī)16僅攝取沙層中間部位在水流作用下的輸移圖像，有助于消除沙層邊界部位的影響，從而獲取與實(shí)際情況更接近的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時(shí)間，待海床模型14面上的沙粒完全被輸移到水槽兩側(cè)附近后，停止振蕩；6)通過排水閥21將U形管8中的水釋放，分別收集被沖刷到海床模型14兩側(cè)附近的沙粒；7)將收集到的沙粒充分烘干，分別記錄其質(zhì)量。
為了保證U形管8內(nèi)的水流產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩，閥板6的切換頻率最好與U形管8的自振頻率相同。
如圖5所示，針對(duì)不同形態(tài)海床在海流作用下的輸沙狀況，可以通過更換具有不同表面形狀的海床模型來加以研究。為了使海床模型14的表面形態(tài)更接近實(shí)際情況，模型表面需粘接一層沙粒層，該層沙粒僅其與模型本體相對(duì)的一側(cè)表面與模型本體相粘接，沙粒的其他表面均以其自然形態(tài)裸露在外(圖中未示出)。
表1為不同表面形狀的海床模型輸沙對(duì)比表

權(quán)利要求
1.一種海底輸沙模擬方法，其特征在于，包括如下步驟1)在一設(shè)置有波狀海床模型的水槽底部均勻鋪上一層適當(dāng)厚度的經(jīng)過烘干的沙粒；2)向水槽中注水，注水過程中盡可能減少水流對(duì)沙面擾動(dòng)，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動(dòng)水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動(dòng)沙粒運(yùn)動(dòng)；4)采用激光片光源，并將光束照射在海床表面沙層的中間部位，以反映某一斷面上海床模型表面沙粒的流動(dòng)狀況和拋起的沙粒在水體中的運(yùn)動(dòng)狀況，并通過一攝像機(jī)采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時(shí)間，待海床模型面上的沙粒完全被輸移到水槽兩側(cè)附近后，停止振蕩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種海底輸沙模擬方法，其特征在于，還包括如下步驟6)釋放出水槽中的水，分別完全收集水槽兩側(cè)附近的沙粒；7)將收集到的沙粒充分烘干，分別記錄其質(zhì)量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種海底輸沙模擬方法，其特征在于，所述波狀海床模型表面形狀為對(duì)稱波狀、余弦非對(duì)稱波狀或指數(shù)非對(duì)稱波狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種海底輸沙模擬方法，所述波狀海床表面粘接一層沙粒層，該層沙粒僅其與海床本體相對(duì)的一側(cè)表面與模型本體相粘接，沙粒的其他表面均以其自然形態(tài)裸露在外。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種海底輸沙模擬方法，包括如下步驟1)在一設(shè)置有波狀海床模型的水槽底部均勻鋪上一層適當(dāng)厚度的沙粒；2)向水槽中注水，注水過程中盡可能減少水流對(duì)沙面擾動(dòng)，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動(dòng)水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動(dòng)沙粒運(yùn)動(dòng)；4)采用激光片光源，并將光束照射在海床表面沙層的中間部位，并通過一攝像機(jī)采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時(shí)間，待海床模型面上的沙粒完全被輸移到水槽兩側(cè)附近后，停止振蕩。本發(fā)明通過對(duì)淺水海域波狀底床泥沙的輸移狀況的研究，為在各種表面形狀海床上的管線鋪設(shè)和工程建設(shè)提供理論依據(jù)，避免設(shè)計(jì)上的盲目性。
文檔編號(hào)E02D33/00GK1664252SQ20051006612
公開日2005年9月7日 申請(qǐng)日期2005年4月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月21日
發(fā)明者林緬, 袁志達(dá) 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院力學(xué)研究所