一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置及试验方法

1.本发明属于涌浪对海床的影响研究装置技术领域，特别涉及一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置及试验方法。


背景技术：

2.海堤地处海洋和陆地的交界带，是海岸线防护的有力屏障。海堤常年经受短峰波浪的作用。目前对大多数堤前短峰波的观察和研究还只限于其运动和动力特性，例如海洋结构上的波浪压力和作用力，由此来为工程设计提供依据。当波浪在海洋中传播时，其诱导产生的应力会引起海底压力的动态波动，这些波动使海床土体内部产生了超静孔隙水压力、降低了土体的有效应力，从而导致海床变得不稳定。因此，在进行海洋工程设施设计和建设时，必须分析波浪荷载作用下邻礁海床地基土的地形演变。
3.检索发现，申请号为cn202110635795.3《一种造浪装置》提供了制造波浪的新型设计装置，但是这种装置仅是一种通过摆动推浪板制造波浪的装置，没有研究局部涌浪击打邻礁海床诱发海床地形变化的影响作用。
4.检索发现，《波浪作用下堤前海床动力反应分析》论文中研究了堤前海床的动力学特性，但是该篇论文中对波浪只是理想化数值模拟，且没有对位移变化做进一步地探索和展开研究。因此，现有技术往往仅是通过电机造浪研究设计，没有涉及到手动转轮造浪对局部海床淘蚀作用和远场地层渗流力变化的研究。
5.近年来邻礁海床物理模拟研究快速发展，然而这些研究在反映实际涌浪荷载变化的真实性方面尚存在缺陷和不足。因此亟需研发造浪的试验装备，研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决现有技术存在的不足和缺陷，提供了一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置及试验方法，通过转轮造浪，模拟涌浪击打海岸，确定局部涌浪周期循环对邻礁海床的影响，从而为研究研究海床孔隙水压力的发展与扩散过程，进而以此为基础对孔隙水压力所引起的海床压渗迁移进行评价。
7.一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置，包括土箱1、土层2、转轮3、手柄4、支架5、固定环6、软管7、调节管8、水箱9、孔压计10、位移计11、隔板12；
8.所述转轮3的转轴固定于支架5上，通过手柄4驱动转轮3转动，支架5可以保证转轮稳定转动；
9.所述土箱1为有机玻璃材质，长2m左右，高1m左右，内部设置水平土层2，模拟邻礁海床，土箱内部土层以上部分装满水，土层2被水浸润趋于饱和；
10.所述隔板12竖直放置在距土箱1右面0.15m处，可以将压力变化限制在隔板12右侧
的土层2中，形成邻礁局部涌浪，改变隔板12入土深度可以调节压力突增点位置；
11.所述软管7内部装满水，其左端插入土箱1，与土箱1中水相通，右端管口通过固定环6固定于转轮3上，且能跟随转轮3一起转动；
12.所述孔压计10和位移计11每隔0.2m～0.3m均匀布置在土层2中，深度方向每隔0.2m布置一层，用于监测各位置孔压变化和位移情况；
13.所述调节管8为软质管，左端保持一定高度，以控制左侧水头，模拟远场水压，左端口与水箱9连接，右端口与土箱1连接。
14.一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验方法，采用上述的一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置连接，具体步骤如下：
15.①
制备含水率为10％～30％的黏性土，放置于土箱1中，分层压实，形成土层2，土箱1内装满水，土层2被水浸润趋于饱和；
16.②
将左侧水孔连接调节管8，固定调节管8高度，造成水位差，土箱1内水可以自由流动；
17.③
将软管7插入土箱1，转轮3的转轴固定于支架5上，支架5固定于地面上；
18.④
在软管7中装满水，然后将右侧管口通过固定环固定于转轮3上；
19.⑤
通过手柄4驱动转轮3转动，带动软管7口水头循环上升下降，在隔板右侧土层2上产生局部涌浪压力；
20.⑥
观察孔压计10和位移计11的数据，得出局部涌浪作用下土体的压渗迁移情况，观察冲蚀作用引起的地表形态变化。
21.⑦
改变转轮3转动速度、高低、直径大小以及改变插板12的入土深度，重复步骤
①
～
⑥
，确定不同频率、压力范围的局部涌浪荷载对土层2局部淘蚀和远场压渗迁移的影响情况，确定压力突增点位置改变的影响规律。
22.进一步地，通过一端设定恒定压力水头模拟远场水压，另一端固定于转轮上的软管周期上升下降，在隔板右侧土层中形成周期性涌浪压力，模拟局部涌浪对邻礁海床局部淘蚀和远场压渗迁移作用。通过孔压计测定地层孔压变化来分析邻礁海床局部淘蚀力和远场地层渗流力变化，通过位移计测定地层位移分析邻礁海床局部淘蚀变形和远场压渗迁移规律。研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。
23.有益效果
24.本发明提供了一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置及试验方法，该装置包括土箱、土层、转轮、手柄、支架、固定环、软管、调节管、孔压计、位移计、隔板。通过一端设定恒定压力水头模拟远场水压，另一端固定于转轮上的软管周期上升下降，在隔板右侧土层中形成周期性涌浪压力，模拟局部涌浪对邻礁海床局部淘蚀和远场压渗迁移作用。通过孔压计测定地层孔压变化来分析邻礁海床局部淘蚀力和远场地层渗流力变化，通过位移计测定地层位移分析邻礁海床局部淘蚀变形和远场压渗迁移规律。研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。
25.本发明的优点如下：
26.①
采用转轮造涌浪的试验装置，模拟了邻礁局部涌浪对礁石附近的地层产生淘蚀
作用，引起邻礁局部海床的淘蚀变形；
27.②
使用孔压计和位移计，最终确定海床的孔隙压力和水平位移大小，模拟分析局部涌浪对邻礁海床局部淘蚀变形和远场压渗迁移规律；
28.③
改变转轮转动速度、高低、直径大小以及改变插板的入土深度，重复试验，研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。
附图说明
29.图1为本发明所述的装置结构示意图；
30.图2为本发明所述的土箱俯视图；
31.标号说明：土箱1、土层2、转轮3、手柄4、支架5、固定环6、软管7、调节管8、水箱9、孔压计10、位移计11、隔板12。
具体实施方式
32.下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。
33.如图1所示，一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置，包括土箱1、土层2、转轮3、手柄4、支架5、固定环6、软管7、调节管8、水箱9、孔压计10、位移计11、隔板12；
34.所述转轮3的转轴固定于支架5上，通过手柄4驱动转轮3转动，支架5可以保证转轮稳定转动；
35.所述土箱1为有机玻璃材质，长2m左右，高1m左右，内部设置水平土层2，模拟邻礁海床，土箱内部土层以上部分装满水，土层2被水浸润趋于饱和；
36.所述隔板12竖直放置在距土箱1右面0.15m处，可以将压力变化限制在隔板12右侧的土层2中，形成邻礁局部涌浪，改变隔板12入土深度可以调节压力突增点位置；
37.所述软管7内部装满水，其左端插入土箱1，与土箱1中水相通，右端管口通过固定环6固定于转轮3上，且能跟随转轮3一起转动；
38.所述孔压计10和位移计11每隔0.2m～0.3m均匀布置在土层2中，深度方向每隔0.2m布置一层，用于监测各位置孔压变化和位移情况；
39.所述调节管8为软质管，左端保持一定高度，以控制左侧水头，模拟远场水压，左端口与水箱9连接，右端口与土箱1连接。
40.一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验方法，采用上述的一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置连接，具体步骤如下：
41.①
制备含水率为10％～30％的黏性土，放置于土箱1中，分层压实，形成土层2，土箱1内装满水，土层2被水浸润趋于饱和；
42.②
将左侧水孔连接调节管8，固定调节管8高度，造成水位差，土箱1内水可以自由流动；
43.③
将软管7插入土箱1，转轮3的转轴固定于支架5上，支架5固定于地面上；
44.④
在软管7中装满水，然后将右侧管口通过固定环固定于转轮3上；
45.⑤
通过手柄4驱动转轮3转动，带动软管7口水头循环上升下降，在隔板右侧土层2上产生局部涌浪压力；
46.⑥
观察孔压计10和位移计11的数据，得出局部涌浪作用下土体的压渗迁移情况，观察冲蚀作用引起的地表形态变化。
47.⑦
改变转轮3转动速度、高低、直径大小以及改变插板12的入土深度，重复步骤
①
～
⑥
，确定不同频率、压力范围的局部涌浪荷载对土层2局部淘蚀和远场压渗迁移的影响情况，确定压力突增点位置改变的影响规律。
48.以上所述仅是本发明技术的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置，其特征在于，包括土箱(1)、土层(2)、转轮(3)、手柄(4)、支架(5)、固定环(6)、软管(7)、调节管(8)、水箱(9)、孔压计(10)、位移计(11)、隔板(12)；所述转轮(3)的转轴固定于支架(5)上，通过手柄(4)驱动转轮(3)转动；所述土箱(1)为有机玻璃材质，长2m左右，高1m左右，内部设置水平土层(2)，模拟邻礁海床，土箱内部土层以上部分装满水，土层(2)被水浸润趋于饱和；所述隔板(12)竖直放置在距土箱(1)右面约0.15m处，可以将压力变化限制在隔板(12)右侧的土层(2)中，形成邻礁局部涌浪，改变插板入土深度可以调节压力突增点位置；所述软管(7)内部装满水，其左端插入土箱(1)，与土箱(1)中水相通，右端管口通过固定环(6)固定于转轮(3)上，且能跟随转轮(3)一起转动；所述孔压计(10)和位移计(11)每隔0.2m～0.3m均匀布置在土层(2)中，深度方向每隔0.2m布置一层，用于监测各位置孔压变化和位移情况；所述调节管(8)为软质管，左端保持一定高度，以控制左侧水头，模拟远场水压，左端口与水箱(9)连接，右端口与土箱(1)连接。2.一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验方法，其特征在于，采用权利要求1所述的一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置连接，具体步骤如下：
①
制备含水率为10％～30％的黏性土，放置于土箱(1)中，分层压实，形成土层(2)，土箱(1)内装满水，土层(2)被水浸润趋于饱和；
②
将左侧水孔连接调节管(8)，固定调节管(8)高度，造成水位差，土箱(1)内水可以自由流动；
③
将软管(7)插入土箱(1)，转轮(3)的转轴固定于支架(5)上，支架(5)固定于地面上；
④
在软管(7)中装满水，然后将右侧管口通过固定环固定于转轮(3)上；
⑤
通过手柄(4)驱动转轮(3)转动，带动软管(7)口水头循环上升下降，在隔板右侧土层(2)上产生局部涌浪压力；
⑥
观察孔压计(10)和位移计(11)的数据，得出局部涌浪作用下土体的压渗迁移情况，观察冲蚀作用引起的地表形态变化。
⑦
改变转轮(3)转动速度、高低、直径大小以及改变插板(12)的入土深度，重复步骤
①
～
⑥
，确定不同频率、压力范围的局部涌浪荷载对土层(2)局部淘蚀和远场压渗迁移的影响情况，确定压力突增点位置改变的影响规律。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模型试验装置通过一端设定恒定压力水头模拟远场水压，另一端固定于转轮上的软管周期上升下降，在隔板右侧土层中形成周期性涌浪压力，模拟局部涌浪对邻礁海床局部淘蚀和远场压渗迁移作用。可以研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。

技术总结
本发明提供了一种局部涌浪诱发邻礁海床地形演变模型试验装置及试验方法，该装置包括土箱、土层、转轮、手柄、支架、固定环、软管、调节管、孔压计、位移计、隔板。通过一端设定恒定压力水头模拟远场水压，另一端固定于转轮上的软管周期上升下降，在隔板右侧土层中形成周期性涌浪压力，模拟局部涌浪对邻礁海床局部淘蚀和远场压渗迁移作用。通过孔压计测定地层孔压变化来分析邻礁海床局部淘蚀力和远场地层渗流力变化，通过位移计测定地层位移分析邻礁海床局部淘蚀变形和远场压渗迁移规律。研究局部涌浪周期、幅值及压力突增点位置对邻礁海床表面形态的影响，为邻礁海床地形演变、远海岛礁建设与侵蚀防护提供分析依据。设与侵蚀防护提供分析依据。设与侵蚀防护提供分析依据。


技术研发人员：刘成 邹小平 陈舒阳 李陈 刘广俊
受保护的技术使用者：南京林业大学
技术研发日：2023.05.26
技术公布日：2023/8/13