一种动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统及控制方法与流程

本发明属于一种涉海工程动床浑水模型试验装置，特别涉及一种动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统及控制方法。

背景技术：

实体物理模型试验是河口海岸、近海等涉水工程设计和理论研究不可或缺的一种科学方法。近海区域是潮流、波浪综合作用的场所，且水体往往是高含沙浑水，水流泥沙环境复杂，因此在此区域修建的工程结构物受力也十分复杂，由此而引起的水下地形的冲淤变化更为复杂。

对于港口建设、航道整治、海岸开发、造岛及护岸等涉水工程，在自然条件下及工程实施后的水下地形冲淤及工程结构物的受力状况，都是工程设计时要研究的关键问题。一套能满足生潮造波，并耦合泥沙作用的大尺度动床浑水模型试验装置是研究和解决近海工程水动力泥沙问题的重要手段，同时也是河口海岸及近海水流泥沙基础理论及应用等方面研究的重要工具。

现有的动床浑水试验装置大多采用以底沙为主的动床模型，对于悬沙加沙涉及较少。而涉及悬沙加沙的试验装置，往往不能同时实现生潮造波相互耦合、与潮流同步匹配加沙量的模拟，不能模拟工程水域真实的水沙运动情况，一次试验后，水沙也不能自动分离循环利用。

另外对于以杭州湾为代表的海湾地区，受到钱塘江、南汇嘴及湾外海域等多个方向的来流来沙来浪作用，而现有的动床浑水模型试验装置的生潮设备只能产生单方向或较少方向的潮汐流，其造波设备同样只能在较少方向完成造波功能，其加沙设备也无法同时在多个加沙断面之间自由移动，使得其不能满足多向来流来浪来沙的近海涉水工程的模拟试验要求。特别的，针对南海及舟山岛屿整体开发工程，目前尤为缺少一种能完成多向生潮造波加沙，从而准确拟合岛屿整体水动力泥沙环境的动床浑水模型试验装置。

故针对多向来流来浪来沙的近海及造岛工程，需发明一种能多向生潮造波，多断面移动式加沙，循环利用试验水沙，实现潮汐、波浪和泥沙耦合功能的试验装置，以提高试验的可靠性，经济性，为潮流、波浪、泥沙和工程结构物的相互作用，以及水流泥沙基础理论研究提供重要手段。

技术实现要素：

针对现有技术的动床浑水试验装置的不足，本发明提供一种动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统及控制方法，该系统能多向生潮造波、多断面加沙，且能循环利用试验水沙，可按照给定的加沙时空过程曲线，实现与潮流波浪同步匹配加沙量的模拟，可综合模拟近海地形和水动力特征，有利于潮汐、波浪和泥沙耦合研究的开展，以及近海及造岛工程的优化设计，能够满足近海涉水工程设计和理论研究的需要。

为了实现上述目的本发明采取的技术方案是：

一种动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统，包括：波流池子系统，与所述波流池子系统配合使用的波流浑水耦合子系统，

所述的波流池子系统包括：

波流水池、设于波流水池的底部且用于将波流水池中的水体排入地下水库的排水孔、地下水库以及地下水库沉沙池；

所述的波流浑水耦合子系统包括：

与波流池子系统配合使用的多个生潮装置、多个造波装置以及多个加沙装置、用于测量所述波流水池中水属性的量测装置以及控制所述生潮装置、造波装置、加沙装置以及量测装置工作的系统工控机。

本发明中，波流水池，是涉水工程结构物布设区域，可根据需要将水池底部布置成实际地形；波流水池底部设有排水孔，用于将波流水池中的水体排入地下水库，以便下次试验循环使用。地下水库沉沙池位于地下水库下方，通过两侧的短板与地下水库隔开，试验结束后的含沙水体经重力作用沉降后，高含沙量的浑水聚集在地下水库沉沙池中。

作为优选，所述的生潮装置包括：

通过输水管道与地下水库相连的水泵；

安装于所述输水管道末端的过滤器，用于防止地下水库中泥沙进入输水管道；

设置于所述水泵出水端的消能罩，用于减弱水流的湍动能；

设置于所述消能罩出水端的导流装置，该导流装置同时位于波流水池底部，用于引导水流沿特定方向进入波流水池；

控制整个生潮装置启闭的生潮配电控制柜。

作为优选，所述的生潮装置均匀安装于所述的波流水池四周。

作为优选，所述的造波装置包括：

设置于波流水池相连接三个边壁的多个造波机；

安装于所述造波机远离波流水池一端的消能箱；

安装于未设置造波机的水池边壁一端的消能网；以及

控制整个造波装置启闭的造波配电控制柜。

在造波装置中，可根据实验需求灵活设置所述的造波机参数，从而最多实现三个方向多种波形波浪的模拟。所述的消能箱与所述的消能网混合使用，既可以保证反射率小于10％，又可以节省造价。

作为优选，所述的加沙装置包括：

浑水储备池；

加沙池；

连接地下水库沉沙池与所述浑水储备池的第一输沙管道及设于所述第一输沙管道上的第一泥浆泵；

连接所述浑水储备池与所述加沙池的第二输沙管道及设于所述第二输沙管道上的第二泥浆泵；

设置于所述浑水储备池中的第一搅拌器；

设置于所述加沙池中的第二搅拌器；

设置于所述加沙池中的含沙量仪，用于实时监测加沙池中悬沙浓度；

用于将所述加沙池中的悬沙转移至波流水池中的输送喷洒结构；以及

控制整个加沙装置启闭的加沙配电控制柜。

作为优选，所述的输送喷洒结构包括：

设置于加沙池中的循环式固定段加沙管道；所述循环式固定段加沙管道上设有第三泥浆泵；所述循环式固定段加沙管道的顶端设有多个开口，每个开口分别通过开关阀连接可移动段加沙管道；所述可移动段加沙管道末端带有加沙喷嘴；所述可移动段加沙管道上设有控制加沙喷嘴的调节阀。

在输送喷洒结构中，所述的第三泥浆泵能够实现配置好的砂浆的自动循环，防止管道的堵塞。所述的可移动段加沙管道为柔性管道，安装在波流水池上方，可进行自由移动。所述的调节阀用于调节出沙流量，悬沙由加沙喷嘴均匀投入波流水池的加沙断面。

作为优选，所述的量测装置包括：

纵横交错安装在波流水池上方的固定支架；

一端活动连接于所述固定支架，另一端置于波流水池中的移动支架；

安装于所述移动支架上的浪高仪、水位仪、流速流向仪、压力传感器、含沙量仪以及地形仪。

在所述量测装置中，通过调节移动支架，利用浪高仪、水位仪、流速流向仪、压力传感器、含沙量仪以及地形仪实现对波流水池多点的浪高、水位、流速、流向、水压力、悬沙浓度、地形水深的量测。

所述的系统工控机连接所述的生潮、造波、加沙及量测装置，用于控制生潮装置的生潮过程、造波装置的造波过程、加沙装置的加沙过程，并通过量测装置量测浪高、水位、流速、流向、水压力及悬沙浓度等数据。

所述的系统工控机实时对生潮、造波、加沙装置的参数进行调整，使整个系统按照给定的潮位时空过程曲线、波浪时空过程曲线、加沙时空过程曲线进行模拟，形成闭环控制，从而实现潮流、波浪、泥沙的同步匹配模拟。

作为优选，所述的述生潮装置、造波装置、加沙装置、量测装置以系统工控机中的各部件均通过工业以太网连接，从而通过系统工控机的控制，实现各部件既可独立运行，也可联动运行的效果。

利用上述动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统进行自动多向生潮加沙造波的方法，包括以下步骤：

步骤1：准备工作

在波流水池中修建涉水工程结构物，并将波流水池底部地形按实际地形布置；向地下水库中注入适量清水，向浑水储备池中倒入满足试验要求粒径的泥沙及清水；按照给定的生潮边界数量、生潮方向及类型、生潮过程时空曲线在系统工控机上设定好生潮装置参数；在系统工控机上输入给定的加沙时空过程曲线，设定好加沙装置参数；在系统工控机上输入给定的波浪类型、造波边界数量及造波时空过程曲线参数；

步骤2：开启生潮装置

在生潮配电控制柜上启动相应位置及数量的水泵电机，开始试验，水泵从地下水库中抽水，经过消能罩的消能处理，沿着导流装置设定的方向流出，同时水位仪和流速流向仪实时测量波流水池中生潮装置附近的水位、流速及流向数据，并将其反馈到系统工控机上，系统工控机实时修正误差，将修改后的控制参数发送给水泵及导流装置，实现生潮系统的闭环控制；

步骤3：开启造波装置

造波配电控制柜上启动相应数量及位置的造波机电机，造波机按照设定好的造波时空过程造出相应类型的波浪，同时浪高仪和压力传感器实时测量波流水池中造波机附近的波高、水体压强数据，并将其反馈到系统工控机上，系统工控机实时修正误差，将修改后的控制参数发送给造波机，实现造波系统的闭环控制；

步骤4：开启加沙装置

生潮及造波装置开启后，在加沙配电控制柜上启动加沙装置电机，待加沙池中含沙量仪读数稳定不变后，在系统工控机上打开开关阀，可移动段加沙管道根据给定的加沙时空过程曲线自动移动到加沙断面，调节阀根据给定的加沙时空过程曲线自动调整阀门开度，实现与潮流、波浪同步匹配的，在规定加沙断面进行加沙的浑水动床试验；

步骤5：开启量测装置

待生潮、造波、加沙系统稳定运行后，在系统工控机控制量测装置的移动，根据试验需求，在相应测点及断面进行水位、波高、流速、流向、水体压强、悬沙浓度、地形等数据的采集；

步骤6：试验结束

试验结束后，在生潮、造波、加沙配电控制柜上关闭相应装置的电机，打开排水孔将波流水池中的水注入地下水库，浑水中的泥沙经重力作用自动沉淀至地下水库沉沙池；

步骤7：再次试验

待地下水库中的泥沙大部分自动沉淀至地下水库沉沙池后，进行下一轮试验；在加沙配电控制柜上启动浑水储备池与地下水库沉沙池之间的泥浆泵，将高浊度的浑水抽至浑水储备池中，实现自动清沙功能；随后进行上述步骤2-6。

本发明的有益效果：

(1)本发明通过量测装置量测的浪高、水位、流速、流向、水压力及悬沙浓度等数据，可实时通过系统工控机对生潮、造波、加沙装置的参数进行调整，使整个系统按照给定的潮流、波浪、加沙时空过程曲线进行模拟，形成闭环控制，从而实现潮流、波浪、泥沙的同步耦合模拟。

(2)本发明通过控制量测装置的移动，能够实现对整个试验系统的高效监控，且集成了浪高仪、水位仪、流速流向仪、压力传感器、含沙量仪、地形仪等多种量测仪器的量测装置能够保证对试验所需数据的准确同步采集，提高了试验精度。

(3)本发明能同时产生多个方向的潮汐流及波浪，且能实现多种复杂流态潮流、多种波形波浪的耦合模拟。

(5)本发明可实现移动加沙，砂浆通过浑水储备池、加沙池的二次转运及搅拌，有效的实现了对砂浆浓度的控制，且本发明实现了试验水沙的重复利用，能对沉淀至地下水库沉沙池的砂浆进行自动清沙。

附图说明

图1是本发明动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统的平面布置示意图；

图2是图1所述系统的a-a断面剖视示意图；

图3是图1所述系统的b-b断面剖视示意图；

图4是图1所述系统的c-c断面剖视示意图；

图中：1波流水池、2量测装置、3生潮装置、4造波机、5消能箱、6消能网、7系统工控机、8生潮配电控制柜、9加沙配电控制柜、10造波配电控制柜、11浑水储备池、12加沙池、13排水孔、14地下水库、15地下水库沉沙池、16浪高仪、17水位仪、18流速流向仪、19压力传感器、20含沙量仪、21地形仪、22移动支架、23固定支架、24过滤器、25水泵、26消能罩、27导流装置、281泥浆泵、282泥浆泵、283泥浆泵、291搅拌器、292搅拌器、30循环式固定段加沙管道、31开关阀、32可移动段加沙管道、33调节阀、34加沙喷嘴、35输水管道、361输沙管道、362输沙管道。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

参见图1～4，本实施例中动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统，包括波流池子系统，与波流池子系统配合使用的波流浑水耦合子系统。其中：

波流池子系统包括波流水池1、地下水库14、地下水库沉沙池15以及排水孔13。波流水池1底部设有排水孔13，用于将波流水池1中的水体排入地下水库14，地下水库沉沙池15位于地下水库14下方，试验结束后的含沙水体经重力作用沉降后，高含沙量的浑水聚集在地下水库沉沙池15中。

波流浑水耦合子系统，包括生潮装置3、造波装置、加沙装置、量测装置2以及系统工况机7。

生潮装置3包括过滤器24、水泵25、消能罩26、导流装置27、输水管道35。水泵25通过输水管道35与地下水库14相连；过滤器24安装在位于地下水库14的输水管道35末端处，用于防止泥沙进入输水管道35；消能罩26设置在水泵25上方，用于减弱水流的湍动能；导流装置27设置在消能罩26上方，位于波流水池1底部，水流经消能罩26消能后，穿过导流装置27，沿特定方向进入波流水池1。该生潮装置3沿波流水池1四周均匀布置，安装在波流水池1下方，用于实现本发明生潮部分的功能。

造波装置包括造波机4、消能箱5、消能网6；造波机4分四组布置在波流水池1三边边壁处，可根据实验需求灵活设置造波机4参数从而最多实现三个方向多种波形波浪的模拟，消能箱5安装在造波机4后方，消能网6安装在未安装造波机4的波流水池1边壁处，两种消能装置混合使用保证反射率小于10％，同时节省造价和空间。

加沙装置包括浑水储备池11、加沙池12、泥浆泵281与282、搅拌器291与292、输沙管道361与362、含沙量仪20、循环式固定段加沙管道30、开关阀31、可移动段加沙管道32、调节阀33、加沙喷嘴34，用于实现本发明加沙部分的功能。

泥浆泵281先将地下水库沉沙池15中的高含沙浑水经输沙管道361转移到浑水储备池11，再将经搅拌器291搅拌后的浑水储备池11中的高含沙浑水利用泥浆泵282经输沙管道362转移到加沙池12，再利用搅拌器292对加沙池12中高含沙浑水进行搅拌。含沙量仪20布置在加沙池12中，实时监测加沙池12中悬沙的浓度。

循环式固定段加沙管道30底端布置在加沙池12中，顶端安装在波流水池1上方，循环式固定段加沙管道30上设有泥浆泵283，实现配置好的砂浆的自动循环，防止管道堵塞。悬沙通过开关阀31从循环式固定段加沙管道30进入可移动段加沙管道32。可移动段加沙管道32为柔性管道，安装在波流水池1上方，可进行自由移动。调节阀33设置在可移动段加沙管道32末端，用于调节出沙流量，砂浆由加沙喷嘴34均匀投入波流水池1的加沙断面。

量测装置2由浪高仪16、水位仪17、流速流向仪18、压力传感器19、含沙量仪20、地形仪21、移动支架22、固定支架23组成。固定支架23纵横交错安装在波流水池1上方，移动支架22下部置于波流水池1中，上部安装在固定支架23上，可在固定支架23上自由移动。浪高仪16、水位仪17、流速流向仪18、压力传感器19、含沙量仪20、地形仪21均安装在移动支架22上，通过移动支架22的移动对波流水池1多点的浪高、水位、流速、流向、水压力、悬沙浓度、地形水深进行量测。

生潮配电控制柜8、造波配电控制柜10、加沙配电控制柜9，分别连接控制生潮装置3、造波装置、加沙装置的电机启闭，安装在波流水池1四周；其中共布置四台生潮配电控制柜8，分别连接控制波流水池1四边上的生潮装置电机；在波流水池1的两条短边处对称布置四台造波配电控制柜10，分别连接控制四组造波机4电机；在波流水池1未安装造波机4的一侧布置两台加沙配电控制柜9，分别连接控制两组加沙装置电机。

系统工控机7连接生潮装置3、造波装置、加沙装置及量测装置2，用于控制生潮装置3的生潮过程、造波装置的造波过程、加沙装置的加沙过程，并通过量测装置2量测的浪高、水位、流速、流向、水压力及悬沙浓度等数据，实时对生潮装置3、造波装置、加沙装置的参数进行调整，使整个系统按照给定的潮位时空过程曲线、波浪时空过程曲线、加沙时空过程曲线进行模拟，形成闭环控制，从而实现潮流、波浪、泥沙的同步匹配模拟。

生潮装置3、造波装置、加沙装置、量测装置2、以及系统工控机7中的各部件均通过工业以太网连接，从而通过系统工控机7的控制，实现各部件既可独立运行，也可联动运行的效果。

利用上述动床浑水模型生潮加沙辅助造波系统实现自动多向生潮加沙造波的方法，包括以下步骤：

步骤1：准备工作

在波流水池1中修建涉水工程结构物，并将波流水池1底部地形按实际地形布置。向地下水库14中注入适量清水，向浑水储备池11中倒入满足试验要求粒径的泥沙及清水。按照给定的生潮边界数量、生潮方向及类型、生潮过程时空曲线在系统工控机7上设定好水泵25电机频率、导流装置27方向等参数。在系统工控机7上输入给定的加沙时空过程曲线。在系统工控机7上输入给定的波浪类型、造波边界数量及造波时空过程曲线参数。

步骤2：开启生潮装置

在生潮配电控制柜8上启动相应位置及数量的水泵25电机，开始试验，水泵25从地下水库14中抽水，经过消能罩26的消能处理，沿着导流装置27设定的方向流出，同时水位仪17和流速流向仪18实时测量波流水池1中生潮装置3附近的水位、流速及流向数据，并将其反馈到系统工控机7上，系统工控机7实时修正误差，将修改后的控制参数发送给水泵25及导流装置27，实现生潮系统的闭环控制。

步骤3：开启造波装置

造波配电控制柜10上启动相应数量及位置的造波机4电机，造波机4按照设定好的造波时空过程造出相应类型的波浪，同时浪高仪16和压力传感器19实时测量波流水池1中造波机4附近的波高、水体压强数据，并将其反馈到系统工控机7上，系统工控机7实时修正误差，将修改后的控制参数发送给造波机4，实现造波系统的闭环控制。

步骤4：开启加沙装置

生潮及造波装置开启后，在加沙配电控制柜9上启动连接浑水储备池11和加沙池12之间的泥浆泵28，以及循环式固定段加沙管道30上的泥浆泵28，再启动搅拌器29，根据含沙量仪20显示的数据决定是否往加沙池12中加沙或加水。待含沙量仪20读数稳定不变后，在系统工控机7上打开开关阀31，可移动段加沙管道32根据给定的加沙时空过程曲线自动移动到加沙断面，调节阀33根据给定的加沙时空过程曲线自动调整阀门开度，实现与潮流、波浪同步匹配的，在规定加沙断面进行加沙的浑水动床试验。

步骤5：开启量测装置

待生潮、造波、加沙系统稳定运行后，在系统工控机7控制量测装置2的移动，根据试验需求，在相应测点及断面进行水位、波高、流速、流向、水体压强、悬沙浓度、地形等数据的采集。

步骤6：试验结束

试验结束后，在生潮配电控制柜8上关闭生潮装置的电机，在造波配电控制柜10上关闭造波装置的电机，在加沙配电控制柜9上关闭加沙装置的电机，打开排水孔13，波流水池1中水体流入地下水库14，浑水中的泥沙经重力作用自动沉淀至地下水库沉沙池15。

步骤7：再次试验

待地下水库14中的泥沙大部分自动沉淀至地下水库沉沙池15后，进行下一轮试验。在加沙配电控制柜9上启动浑水储备池11与地下水库沉沙池15之间的泥浆泵28，将高浊度的浑水抽至浑水储备池11中，实现自动清沙功能。随后进行上述步骤2-6，此处不再复述。

本实施例中，通过可移动式量测装置量测的浪高、水位、流速、流向、水压力及悬沙浓度等数据，可实时通过系统工控机对生潮、造波、加沙装置的参数进行调整，使整个系统按照给定的潮流、波浪、加沙时空过程曲线进行模拟，形成闭环控制，从而实现潮流、波浪、泥沙的同步耦合模拟。通过控制启动水泵数量，水泵运行速度及导流装置方向，能产生多方向多流态的潮汐流；同时，本发明通过控制造波机启动数量及运行参数，能实现三向的规则波、多向不规则波以及自定义波的模拟；本发明可按照给定的加沙时空过程曲线，自动控制可移动段加沙管道的移动及调节阀的开度，实现与潮流、波流同步匹配的多断面加沙模拟试验；另外，本发明可重复利用试验水沙，有效的降低了试验成本，经济环保。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。