一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取装置的制作方法

本实用新型属于物理模型试验领域，特别涉及该领域中的一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取装置。

背景技术：

物理模型试验是一种在实验室内对难以直接实施观测的各种实际工况现象实施模拟的实验手段，具有很强的适用性。它以相似理论作为基础，是在几何、运动、动力等基本相似条件予以满足的情况下，基于物理模型所展开的试验，获取一些物理量之间的客观规律，然后再回推原型，最终获取对原型规律更加深入的了解和认识。在现在的项目建设或是科学实验研究过程中，物理模型试验都是不可或缺的一部分，因此科学的设计模型试验、掌握精确的试验数据采集方法十分重要。

海洋环境或河流环境中，波浪、水流作用到基础周围地基时会发生冲刷。采用物理模型试验的方法可有效获取波浪、水流、基础尺寸、土质参数等与地基冲刷深度的关系，明确冲刷的客观规律。在地基冲刷模型试验中需快速、有效获取地基的冲刷过程及冲刷形态，现有的地基冲刷测量中多采用激光测距仪或声学多普勒流速仪，其原理是利用光线或声波的反射，根据接收返回光线或声波的时间长短，计算获得仪器与基床之间的距离。但是，在冲刷试验进行过程中，波浪和水流共同作用于基床时，表层的泥砂颗粒很容易会被带动起来，波浪、水流较大时这种现象尤其明显。悬浮在基床上方水体中的泥砂颗粒干扰了光线的传播过程，使得光线提前发生反射。这种现象的存在也导致在冲刷试验过程中难以有效快速获取地形的冲刷发展过程。而为了获取整个或局部地形的冲刷发展过程往往需停止波浪或水流的作用，待测距仪或流速仪工作完毕后再启动造波或造流设备，这种获取地形冲刷发展过程的方法是在中断波流作用过程的前提下完成的，往往会引起较大的试验误差。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题就是提供一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速、有效、准确、智能获取装置。

本实用新型采用如下技术方案：

一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取装置，其改进之处在于：所述的装置包括试验水槽和安装于试验水槽内的建筑物基础，在试验水槽的不透明底板上环绕建筑物基础嵌入两个以上的弹性膜，在每一弹性膜的底面上均安装两个彼此对称的小型激光发射器；所述的装置还包括设置于试验水槽下方的测量平台，在测量平台上安装与上述弹性膜数量相等的反光球，每一反光球分别与一弹性膜相对应，并且反光球的球心在其对应之弹性膜中心的正下方，在每一反光球的两侧分别安装一块刻度光屏，各刻度光屏均通过采集仪与计算机相连接。

进一步的，所述的弹性膜为圆形小变形硬塑橡胶弹性膜，其直径为2cm，厚度为2mm，两个小型激光发射器分别安装在距离弹性膜边缘0.5cm的位置。

进一步的，所述的建筑物基础为直径50cm的圆柱体基础，各弹性膜之间的布置间距为1cm。

进一步的，反光球的直径为2cm，在弹性膜未变形时，其下底面圆心与其底部相对应之反光球球心的距离为10cm。

进一步的，反光球两侧的刻度光屏与反光球球心的距离为1cm。

一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取方法，使用上述的装置，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)得到刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线；

(11)调整刻度光屏，使弹性膜上的泥砂厚度为零时，其底面小型激光发射器发出的光经其对应反光球反射至刻度光屏的零刻度；

(12)随着弹性膜上泥砂厚度的增加，弹性膜受力变形，其底面小型激光发射器的发光光路发生细微偏移，经其对应反光球反射至刻度光屏的相应刻度；

(13)保持水位30cm不变，泥砂厚度由1cm按1cm增量逐渐增至20cm，记录不同泥砂深度时刻度光屏的相应刻度，得到刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线；

对于直径为2cm，厚度为2mm的圆形小变形硬塑橡胶弹性膜，其刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线为y＝-0.00023x⁴+0.014x³-0.33x²+4.7x+0.17，其中y表示刻度光屏刻度的拟合值，x表示泥砂深度。

(2)在冲刷过程中，计算机通过采集仪每隔一小时记录一次各刻度光屏的刻度值，并根据拟合曲线换算出各弹性膜上的泥砂厚度，从而自动绘制地基冲刷的三维地形图。

进一步的，将沿建筑物基础周向等间隔布置的8个弹性膜作为特征监测点，各特征监测点距建筑物基础的距离均为4cm，当这8个特征监测点连续三次测量的泥砂厚度变化在3mm以内时，可以判断冲刷已经达到平衡状态，模型试验终止。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型所公开的装置，结构简单、操作方便快捷、适用性强，可广泛应用于地基冲刷的模型试验中。借助小变形弹性膜、小型激光发射器、反光球和对激光敏感的刻度光屏，实时快速的获取冲刷地形特征，测量过程的智能化程度更高，测量结果的精度更高、可靠性也更强。在反光球的两侧分别安装一块刻度光屏，利用反光球的反射将小变形弹性膜的微小形变放大后呈现在刻度光屏上，并记录同一弹性膜上的两处变形；从而提高对试验数据测量的准确性。

本实用新型所公开的方法，不受悬浮泥砂颗粒的影响，消除了现有方法的误差，测量过程简单快捷，测量结果准确有效。

附图说明

图1是本实用新型实施例1所公开装置的结构示意图；

图2a是本实用新型实施例1所公开装置中弹性膜的仰视结构示意图；

图2b是本实用新型实施例1所公开装置中弹性膜的侧视结构示意图；

图3是本实用新型实施例1所公开装置中弹性膜的布置图；

图4是本实用新型实施例1所公开方法中反光球放大弹性膜微小形变的示意图；

图5是本实用新型实施例1所公开方法中试验水槽及测量平台的侧面剖视图；

图6是本实用新型实施例1所公开方法中刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线图；

图7是本实用新型实施例1所公开方法中8个特征监测点的布置图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1，如图1所示，本实施例公开了一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取装置，所述的装置包括试验水槽和安装于试验水槽内的建筑物基础3，如图3所示，在试验水槽的不透明底板1上环绕建筑物基础嵌入两个以上的弹性膜4，如图2a、2b所示，在每一弹性膜的底面上均安装两个彼此对称的小型激光发射器6；所述的装置还包括设置于试验水槽下方的测量平台2，在测量平台上安装与上述弹性膜数量相等的反光球5，每一反光球分别与一弹性膜相对应，并且反光球的球心在其对应之弹性膜中心的正下方，在每一反光球的两侧分别安装一块刻度光屏7(对激光敏感，可精确记录激光照射位置)，各刻度光屏均通过采集仪10与计算机11相连接。

将小变形弹性膜布置在冲刷试验模型周围水槽底板上，利用弹性膜形变量与压力值成正相关的特性，其压力由泥砂颗粒和水体共同产生，表示如下：

p0＝ρwghw+ρsghs

p＝ρwghw+ρsgh′s

其中，p0、p分别为冲刷开始前后测量点的压力，ρw为水的密度，ρs为泥砂浮密度，hs、h′s分别为冲刷开始前后测量点泥砂厚度，hw为测量点的水位深度(在波流作用下水位波动频率很快，试验每0.2s记录一次水位深度，hw取1分钟内水位深度的平均值)。基床泥砂受波浪、水流作用产生冲淤，泥砂深度由初始hs变为h′s，导致弹性膜所受垂向压力改变，从而产生形变，安装在弹性膜上的小型激光发射器的光路也发生细微偏移，利用反光球的反射将微小形变放大后呈现在刻度光屏上，以提高试验数据测量的准确性。

弹性膜规格的选取，基于试验不同有所差别，在本实施例中，所述的弹性膜为圆形小变形硬塑橡胶弹性膜，其直径为2cm，厚度为2mm，两个小型激光发射器分别安装在距离弹性膜边缘0.5cm的位置。所述的建筑物基础为直径50cm的圆柱体基础，各弹性膜之间的布置间距为1cm。反光球的直径为2cm，在弹性膜未变形时，其下底面圆心与其底部相对应之反光球球心的距离为10cm。反光球两侧的刻度光屏与反光球球心的距离为1cm。

本实施例还公开了一种应用于模型试验的地基冲刷过程监测及地形快速获取方法，使用上述的装置，包括如下步骤：

(1)得到刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线；

(11)调整刻度光屏，使弹性膜上的泥砂厚度为零时，其底面小型激光发射器发出的光经其对应反光球反射至刻度光屏的零刻度；

(12)如图4所示，随着弹性膜上泥砂厚度的增加，弹性膜受力变形，其底面小型激光发射器的发光光路发生细微偏移，经其对应反光球反射至刻度光屏的相应刻度；

(13)如图5所示，保持水位(9)30cm不变，泥砂8厚度由1cm按1cm增量逐渐增至20cm，记录不同泥砂深度时刻度光屏的相应刻度，使用matlab得到刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线；

如图6所示，对于直径为2cm，厚度为2mm的圆形小变形硬塑橡胶弹性膜，其刻度光屏刻度与泥砂厚度之间的拟合曲线为y＝-0.00023x⁴+0.014x³-0.33x²+4.7x+0.17，其中y表示刻度光屏刻度的拟合值，拟合值y与实测值l之间存在允许误差，x表示泥砂深度。不同泥砂厚度x下的实测值l与拟合值y如下表所示：

因此，可通过测量刻度光屏刻度的改变，反推出泥砂厚度的变化，获得基础冲淤情况。

(2)在冲刷过程中，计算机通过采集仪每隔一小时记录一次各刻度光屏的刻度值，并根据拟合曲线换算出各弹性膜上的泥砂厚度，从而自动每隔一小时绘制地基冲刷的三维地形图，记录地基的冲刷过程。

如图7所示，将沿建筑物基础周向等间隔布置的8个弹性膜作为特征监测点，各特征监测点距建筑物基础的距离均为4cm，当这8个特征监测点连续三次测量的泥砂厚度变化在3mm以内时，可以判断冲刷已经达到平衡状态，模型试验终止，通过计算机绘制最终的冲刷地形图。