一種海岸工程泥沙物理模型試驗(yàn)底床動(dòng)態(tài)綜合觀測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及港口、海岸工程領(lǐng)域物理模型試驗(yàn)，尤其涉及二維水槽波浪作用下底 床剖面動(dòng)態(tài)調(diào)整的觀測方法，具體說是一種海岸工程泥沙物理模型試驗(yàn)底床動(dòng)態(tài)綜合觀測 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在海岸工程物理模型試驗(yàn)領(lǐng)域，特別是包含泥沙運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)中，地形作為影響波 浪運(yùn)動(dòng)的重要因素，一直處于動(dòng)態(tài)變化的過程，因此，動(dòng)態(tài)地形數(shù)據(jù)的獲取對于研宄試驗(yàn)的 作用機(jī)理至關(guān)重要。傳統(tǒng)的地形測量方法主要借助于全站儀，超聲測距儀等工具，它們雖然 具有精度高的優(yōu)點(diǎn)，但由于無法在有水體的情況下使用，因此，有很大的局限性，已無法滿 足現(xiàn)代港工試驗(yàn)的要求。新型的試驗(yàn)測量方法如LIDAR，Profiler等方法，雖然能夠?qū)崿F(xiàn) 對地形的動(dòng)態(tài)監(jiān)測，但無法實(shí)現(xiàn)同步觀測，操作復(fù)雜且造價(jià)太高，并不適合在水槽試驗(yàn)中使 用。因此，伴隨著實(shí)驗(yàn)研宄的不斷深入，一種造價(jià)低且可行性強(qiáng)的物理模型試驗(yàn)(特別是泥 沙運(yùn)動(dòng)試驗(yàn)）觀測方法亟待發(fā)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種海岸工程泥沙物理模型試驗(yàn)底床動(dòng)態(tài)綜 合觀測方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中無法實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中對底床的動(dòng)態(tài)觀測、新型的試驗(yàn)測量 方法造價(jià)高且操作復(fù)雜的缺陷，適合在水槽試驗(yàn)中使用，實(shí)現(xiàn)對整個(gè)物理模型試驗(yàn)底床動(dòng) 態(tài)演變的同步實(shí)時(shí)觀測，且操作方便、造價(jià)較低。
[0004] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案是，本發(fā)明提供的一種海岸工程泥沙物理模型試驗(yàn)底床動(dòng) 態(tài)綜合觀測方法，其特征在于，包括布設(shè)觀測系統(tǒng)和采用觀測系統(tǒng)進(jìn)行的綜合觀測方法；所 述觀測系統(tǒng)包括在泥沙物理模型試驗(yàn)水槽外設(shè)置的全站儀、高速攝像機(jī)、設(shè)置在泥沙物理 模型試驗(yàn)水槽中底床內(nèi)的微型土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器，所述觀測系統(tǒng)進(jìn)行的綜 合觀測方法包括CCTV (Closed Circuit Television)高速攝像法、雙傳感器同步探點(diǎn)法、 全站儀剖面測量法，其中，所述CCTV高速攝像法采用高速攝像機(jī)從泥沙物理模型試驗(yàn)水槽 的玻璃邊壁拍攝底床動(dòng)態(tài)演變及波浪時(shí)程變化，并通過建立圖像尺度與實(shí)際尺度之間的關(guān) 系獲得圖像校正參數(shù)，從而得到空間上的實(shí)際尺度，所述雙傳感器同步探點(diǎn)法是將微型土 壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器固定在一起并埋于所述底床下一定深度(保證不被侵蝕)， 通過孔隙水壓力傳感器分離出由波浪產(chǎn)生的動(dòng)壓從而獲得底床高程的實(shí)際變化，所述全站 儀剖面測量法是在造波完成將水緩慢排出后用全站儀對剖面進(jìn)行散點(diǎn)掃描進(jìn)而得到最終 地形，全站儀所得數(shù)據(jù)用于對高速攝像法和雙傳感器同步探點(diǎn)法的最終地形進(jìn)行校正。
[0005] 如上所述的CCTV高速攝像法，為了提高水體與底床界面、空氣與水體界面的可識 別度，應(yīng)在泥沙物理模型試驗(yàn)水槽上方布置均勻強(qiáng)光(如探照燈）或者激光器設(shè)備，以減少 在界面識別過程中懸移質(zhì)對底床高程的干擾。
[0006] 如上所述的CCTV高速攝像法，為了提高測量精度，所述高速攝像機(jī)應(yīng)根據(jù)像素大 小及精度要求覆蓋相應(yīng)大小的目標(biāo)范圍，所述高速攝像機(jī)拍攝有效區(qū)域?yàn)?-4 m，則其精度 (實(shí)際長度/像素點(diǎn)數(shù))為〇. 1-0. 3 cm，（如：水平像素點(diǎn)1920,拍攝有效區(qū)域?yàn)? m，則其精 度約為 300/1920=0. 156 cm)。
[0007] 如上所述的CCTV高速攝像法，為了獲取時(shí)程的地形資料，通常取每半分鐘的圖片 信息，但為了使結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以取每一時(shí)刻前一個(gè)及后一個(gè)波浪周期內(nèi)高程的最小值 作為底床的實(shí)際高程，以減少波浪作用下懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)可能造成的誤差。此外為獲取波高資 料，根據(jù)波浪周期，一般設(shè)定高速攝像機(jī)拍攝速度為8-12幀/秒，否則頻率太高會(huì)導(dǎo)致后期 數(shù)據(jù)量太大不易處理，頻率太低會(huì)導(dǎo)致波高測量誤差增加。
[0008] 如上所述的CCTV高速攝像法，通過視頻可捕捉到覆蓋區(qū)域內(nèi)所有像素點(diǎn)的信息， 從而不僅可以計(jì)算底床及水體自由表面的高程變化，獲得地形和波高的時(shí)程演變過程，還 可以根據(jù)圖像色差區(qū)分推移質(zhì)、懸移質(zhì)運(yùn)動(dòng)，信息量十分豐富，并且儀器布置相對于波高儀 來講空間上沒有局限性。
[0009] 如上所述的雙傳感器同步探點(diǎn)法，為記錄岸線侵蝕和沙壩運(yùn)動(dòng)的全過程，探點(diǎn)沿 底床整體坡度方向布置，波浪破碎點(diǎn)附近以及波浪上爬帶需布置較為密集，布置間隔取 0. 4-0. 6m，而在起坡點(diǎn)至破碎點(diǎn)間，探點(diǎn)布置較為稀疏，布置間隔取I. 4-1. 6m。
[0010] 如上所述的雙傳感器同步探點(diǎn)法，為保證記錄整個(gè)剖面變化過程的同時(shí)，減少沙 層下動(dòng)壓影響，微型土壓力傳感器及孔隙水壓力傳感器布置深度需在所述底床的床面以下 1-3倍波高深度之間，由于最大爬高處往往是受侵蝕最嚴(yán)重區(qū)域，探頭布置深度不宜過淺， 約在床面以下2-3倍波高深度范圍。
[0011] 如上所述的雙傳感器同步探點(diǎn)法，為保證微型土壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器 的兩探頭采樣點(diǎn)相同，并防止在試驗(yàn)過程中位置的滑移或下陷，同一探點(diǎn)上的所述微型土 壓力傳感器及孔隙水壓力傳感器的兩個(gè)探頭需固定在一塊有機(jī)玻璃或光滑瓷磚上，且保證 所固定的塊體密度是水密度2倍以上。
[0012] 如上所述的雙傳感器同步探點(diǎn)法，為詳細(xì)解釋波浪運(yùn)動(dòng)對泥沙運(yùn)動(dòng)的作用規(guī)律， 所用微型土壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器設(shè)定相同采樣頻率，以保證研宄區(qū)域的波形能 完整描述。 如上所述的雙傳感器同步探點(diǎn)法，為在后處理分析中，建立微型土壓力傳感器與孔隙 水壓力傳感器之間的電信號關(guān)系，準(zhǔn)確測量微型土壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器的率定 系數(shù)。 如上所述的全站儀剖面測量法，使用測量精度為± Imm的賓得R-202NE全站儀對視頻 拍攝安置一側(cè)玻璃邊壁附近(也在壓力傳感器安置點(diǎn)附近）的底床縱向地形進(jìn)行高程測量， 測量步長根據(jù)實(shí)際地形的變化特點(diǎn)和實(shí)驗(yàn)要求確定。通常對較規(guī)則的簡單剖面實(shí)驗(yàn)，在波 浪影響不到的底床較高區(qū)域，測量間隔較大一些(實(shí)例取14-16cm);波浪能夠影響但變化平 緩、形態(tài)簡單的剖面，測量間隔適當(dāng)減小(實(shí)例中取9-llcm);地形變化較復(fù)雜的區(qū)域，測量 間隔較小(實(shí)例中取5~8cm)。各段測量間隔都考慮地形特征及具體變化，保證地形剖面的 特點(diǎn)得到反映。
[0013] 如上所述的全站儀剖面測量法，在測量細(xì)節(jié)方面，由于全站儀利用激光反射來確 定目標(biāo)位置，光的軌跡為直線，在光線被遮擋或異常反射會(huì)造成凹陷等地形無法直接測量， 結(jié)合運(yùn)用水準(zhǔn)尺獲得這些數(shù)據(jù)；另外，激光發(fā)射的光線與待測目標(biāo)點(diǎn)角度較小時(shí)會(huì)導(dǎo)致照 射在目標(biāo)點(diǎn)的光斑較大，引起測量誤差或測量困難，故全站儀的架設(shè)選擇盡量高的位置，全 站儀在測量時(shí)，激光光線與水平方向最小夾角超過3°。
[0014] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：本發(fā)明提供的海岸工程泥沙物 理模型試驗(yàn)底床動(dòng)態(tài)綜合觀測方法，解決現(xiàn)有技術(shù)中無法實(shí)現(xiàn)在試驗(yàn)過程中對底床的動(dòng)態(tài) 觀測、新型的試驗(yàn)測量方法造價(jià)高且操作復(fù)雜的缺陷。本發(fā)明適合在水槽試驗(yàn)中使用，實(shí)現(xiàn) 對整個(gè)物理模型試驗(yàn)底床動(dòng)態(tài)演變的同步實(shí)時(shí)觀測。具有操作簡單、精度高、結(jié)構(gòu)合理、造 價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明中泥沙物理模型試驗(yàn)水槽內(nèi)布置雙傳感器的示意圖； 圖2為本發(fā)明中泥沙物理模型試驗(yàn)水槽一側(cè)設(shè)置高速攝像機(jī)的俯視圖； 圖3為本發(fā)明實(shí)例中視頻校正網(wǎng)格示意圖； 圖4為本發(fā)明實(shí)例中將微型土壓力傳感器與孔隙水壓力傳感器安裝在一塊有機(jī)玻璃 上的