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，它們大多以非對稱形式呈現(xiàn)。在潮流、波浪等水動力作用下，這些非對稱的波狀沙體是不穩(wěn)定的，以一定的速率移動，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)的管線可能會裸露，甚至被懸空。航道會由于附近沙波移動而堵塞。從安全和經(jīng)濟利益的角度考慮，管線安全與管線埋深的優(yōu)化，航道運營與清淤費用盈虧等等都是投資商最為關(guān)心的。因此研究非對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沙面擾動，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動沙粒運動；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狀況和拋起的沙粒在水體中的運動狀況，并通過一攝像機采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時間，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。
進一步地，所述波狀海床模型表面形狀為對稱波狀、余弦非對稱波狀或指數(shù)非對稱波狀。
進一步地，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與一風機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)置有一步進式伺服電機17(見圖4)，該伺服電機17的輸出軸與轉(zhuǎn)軸4相連，控制閥3的殼體18上設(shè)置有兩個開放口5，該兩個開放口5的位置分別與閥板6的兩個工作位置相對應(yīng)，即閥板6在圖示位置時，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個工作位置時，兩個開放口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16位于封板10一側(cè)，海床模型安裝段20中與封板10相對的另一側(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，按照如下步驟進行1)在波狀海床模型14的表面均勻鋪上一層適當厚度的經(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沙面擾動，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的擺動頻率，啟動風機1向外抽風，隨著閥板6在其兩個工作位置的循環(huán)切換，U形管8中的水在風機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)流動的波浪流對沙粒15進行沖刷，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狀況和拋起的沙粒在水體中的運動狀況，并通過攝像機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)定振蕩后進行，這時通過壓力傳感器9可以對水流是否穩(wěn)定振蕩進行檢測，待水流穩(wěn)定振蕩后，壓力傳感器9將檢測信號發(fā)送給控制裝置，控制裝置控制激光片光源7及攝像機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，同時在攝像機對面的U形管8側(cè)壁上設(shè)置遮光層13，可以保證攝像機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，從而獲取與實際情況更接近的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時間，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沙面擾動，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動沙粒運動；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狀況和拋起的沙粒在水體中的運動狀況，并通過一攝像機采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時間，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稱波狀、余弦非對稱波狀或指數(shù)非對稱波狀。
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沙面擾動，以保證沙粒均勻停留在海床模型表面；3)驅(qū)動水體振蕩，以保證水流形成的漩渦能夠掀起、帶動沙粒運動；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，并通過一攝像機采集該過程的圖像信息；5)經(jīng)過充分的振蕩時間，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)計上的盲目性。
文檔編號E02D33/00GK1664252SQ20051006612
公開日2005年9月7日 申請日期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 申請人:中國科學院力學研究所