一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置及其试验方法

1.本发明涉及海洋工程技术领域，特别是涉及一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置，以及一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的试验方法。


背景技术：

2.潮汐是在月球和太阳引力作用下形成的海水周期性涨落的现象，其中，海水垂直上涨称为潮；海水垂直下落称为汐。潮汐水位的周期性涨落降会使海水渗流进入滨海城市沿岸土体，进而导致滨海城市沿岸土体地下水位发生时效性变化，该土体水位变化情况相比内陆地区要复杂的多。土中水位变化及渗流过程又是地下建筑工程事故的主要诱因之一，当土体存在渗流时，渗流路径上土体的工程力学特性通常会降低或发生区域性土体沉降，进而使地下建筑产生额外的受力和变形，诱发工程事故或形成潜在威胁。因此，对于滨海城市的工程建设项目而言，有必要关注潮汐现象对滨海城市沿岸土体地下水位的影响。
3.目前，缺少能够同时考虑真实滨海城市沿岸土体特征和潮汐现象的模拟装置及方法。滨海城市沿岸土体多以滨海相淤积、三角洲相沉积形成，含砂量较高、土体透水性强，加之地下水位较浅，工程地质条件十分复杂。但由于相关模拟装置和方法的缺失，对于滨海城市沿岸土体在潮汐作用下的力学特性改变仍无足够理论依据，不利于滨海城市工程建设安全及潮汐相关理论的发展。


技术实现要素：

4.鉴于背景技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置。
5.本发明是采取如下技术方案来完成的：一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置，包括水环境系统、潮汐水位调控系统、监测分析系统和海床土样，所述水环境系统包括环境水箱，环境水箱内设模拟海床区、模拟海水区和调控区，所述海床土样置于模拟海床区，模拟海水位于模拟海水区，所述潮汐水位调控系统通过管道与调控区连接，控制模拟海水水位的上升或下降，模拟潮汐涨落周期，所述监测分析系统分别监测土体和模拟海水。
6.进一步地，所述潮汐水位调控系统包括供水箱、变频潜水泵和流量调控阀，所述供水箱通过水管与外部水源连接，所述供水箱的出水端通过进水水管连接至调控区，所述进水水管上设置流量调控阀，所述供水箱的进水端通过出水水管连接，所述出水水管设置有变频潜水泵。
7.进一步地，所述监测分析系统包括土样监测系统和海水监测系统，所述土样监测系统包括土体水位监测仪、土压力传感器和孔隙水压力传感器，所述土体水位监测仪、土压力传感器和孔隙水压力传感器分别埋设于土体内。
8.进一步地，所述海水监测系统包括水位尺和摄像机，水位尺贴设与环境水箱外侧，摄像机置于环境水箱外部前方。
9.进一步地，所述海床土样底部铺设固结砂板，海床土样顶部设有加载装置，所述海
床土样和固结砂板之间设置下土工布，海床土样和加载装置之间设置有上土工布，所述加载装置包括带孔加载板和放置于加载板上方的不同重量的加载砝码。
10.进一步地，所述环境水箱内设有可拆卸第一阻隔板和第二阻隔板，环境水箱侧壁设置有两对导槽，第一阻隔板和第二阻隔板分别插入导槽内，所述第一阻隔板和第二阻隔板将环境水箱分割成模拟海床区、模拟海水区和调控区。
11.一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的试验方法，步骤如下，
12.(1)环境水箱内插入可拆卸第一阻隔板和第二阻隔板，将环境水箱分为模拟海床区、模拟海水区和调控区三部分，将摄像机放置在环境水箱正前方；
13.(2)固结海床土样，
14.环境水箱的模拟海床区由下至上依次放置固结砂板、下土工布、土样、上土工布和加载装置，加载装置包括带孔加载板和加载砝码，加载砝码放置于加载板上，水位监测仪、土压力传感器、孔压力传感器放置于土样内部，
15.依次增加加载砝码重量，通过固结砂板和带孔加载板实现土样的双向固结排水；
16.(3)海床土样充分固结，输入模拟海水，
17.打开流量调控阀，供水箱内水源向环境水箱内输送，打开第一阻隔板和第二阻隔板，使调控区内水源流向模拟海水区，直至海水达到初始水位线，模拟海床区和模拟海水区之间的第一阻隔板呈全部打开状态，模拟海水区和调控区之间的第二阻隔板呈局部打开状态；
18.(4)模拟潮汐涨落周期，
19.开启变频潜水泵，将环境水箱内的水开始向供水箱内抽送，并调节水泵频率，使环境水箱的进水流量大于抽水流量，达到潮汐水位上涨的效果；潮汐水位涨到一定高度，调节流量调控阀和变频潜水泵，使环境水箱的进水量小于抽水量，达到潮汐水位下降的效果，
20.重复以上操作，进行下一个周期的潮汐涨落。
21.(5)试验过程中，可用水位尺记录潮汐涨落过程的水位变化，用土体水位监测仪、土压力传感器、孔隙水压力传感器分别监测土样中的地下水位、土压力、孔隙水压力数据并记录，由摄像机拍摄记录水在土样中的渗流过程和渗流路径。
22.(6)多个周期的潮汐模拟结束后，关闭变频潜水泵和流量调控阀，结束试验，进行后续的数据处理和相关研究。
23.本发明的有益效果：通过潮汐水位调控系统模拟潮汐涨落现象，模拟海床土样还原真实滨海城市沿岸土体特征，有效模拟分析滨海城市沿岸潮汐水位的周期性变化以及潮汐水位变化对沿岸土层的影响情况。监测海水渗流过程和土体特征，包括潮汐水位、土体地下水位、渗流路径、土压力、孔隙水压力等，且易于实现，方便操作。
附图说明
24.图1为本发明第一实施例提供的一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的结构示意图；
25.图2为一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的流量调控阀结构示意图；
26.图3为一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的带孔加载板的结构示意图；
27.图4为本发明第二实施例提供的一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的结构示意
图；
28.图5为图4中一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置中供水箱的结构示意图。
具体实施方式
29.为更进一步阐述本发明为实现预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。
30.参照图1-图3所示，本发明第一实施例提供一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置，包括水环境系统、潮汐水位调控系统2、监测分析系统3和海床土样4。所述水环境系统包括环境水箱1，环境水箱内设模拟海床区11、模拟海水区12和调控区13。所述海床土样4置于模拟海床区11用于模拟滨海城市沿岸土体，模拟海水5位于模拟海水区12用于模拟沿岸海水，所述潮汐水位调控系统2通过管道与调控区连接来调控海水水位变化，控制模拟海水水位的上升或下降，模拟潮汐涨落周期。所述监测分析系统分别监测土体和模拟海水，分别对海水水位、渗流过程、土体地下水位、土体力学特性进行实时监测。
31.通过潮汐水位调控系统模拟潮汐涨落现象，模拟海床土样还原真实滨海城市沿岸土体特征，有效模拟分析滨海城市沿岸潮汐水位的周期性变化以及潮汐水位变化对沿岸土层的影响情况。监测海水渗流过程和土体特征，包括潮汐水位、土体地下水位、渗流路径、土压力、孔隙水压力等，且易于实现，方便操作。
32.进一步的，为了制备海床土样，在海床土样底部铺设固结砂板6，固结砂板6用于海床土样固结过程中均匀排水。海床土样4顶部设有加载装置7，所述海床土样和固结砂板之间设置下土工布9，海床土样和加载装置之间设置有上土工布8。所述加载装置7包括带孔加载板71和放置于加载板上方的不同重量的加载砝码72，带孔加载板71上设置多个透水孔73，所述带孔加载板上方设置有提手74，方便安装。制备土样时，通过带孔加载板71上方依次增加加载砝码72重量，对土样施加荷载，土样中水分由带孔加载板71和固结砂板6两侧排出，固结得到模拟海床土样，模拟滨海城市沿岸实际土样。
33.进一步的，所述环境水箱内设有可拆卸第一阻隔板14和第二阻隔板 16，环境水箱侧壁设置有两对导槽15，第一阻隔板14和第二阻隔板16可拆卸插入导槽15内。在试验前期工作时，将阻隔板插入导槽内，所述第一阻隔板14和第二阻隔板16将环境水箱分割成模拟海床区11、模拟海水区 12和调控区13。被阻隔板分割开的模拟海床区用于制备模拟海床土样4，在模拟海床区固结土样得到模拟海床土样，防止土样在固结的过程中土样向其他区域延伸。固结海床土样完成后，打开潮汐水位调控系统2，向环境水箱内注入模拟海水5，打开第一阻隔板14和第二阻隔板16，模拟海床区和模拟海水区之间的第一阻隔板14呈全部打开状态，模拟海水区和调控区之间的第二阻隔板16呈局部打开状态。模拟海水5流入模拟海水区12，直至海水达到初始水位线。模拟海水区和调控区之间的第二阻隔板16呈局部打开状态，能够防止潮汐水位调控系统2工作时，对模拟海水区和海床土样的扰动，模拟海水区水位涨落更加平缓稳定。
34.进一步的，所述潮汐水位调控系统2包括供水箱21、变频潜水泵22 和流量调控阀23。供水箱通过支架27支撑固定设于环境水箱调控区上方，所述供水箱21通过水管24与外部水源连接，所述供水箱的出水端通过进水水管25连接至调控区13，所述进水水管上设置流量调控阀23，所述供水箱的进水端通过出水水管26连接，所述出水水管26设置有变频潜
水泵 22。通过潮汐水位调控系统2模拟潮汐涨落周期。
35.打开流量调控阀23，供水箱21内的水源通过进水水管25进入环境水箱调控区13，再流向模拟海水区12，直至模拟海水5达到初始水位线。开始模拟潮汐涨落，开启变频潜水泵22，将环境水箱内的水通过出水水管26 向供水箱21内抽送，并调节变频潜水泵22频率，使环境水箱的进水流量大于抽水流量，达到潮汐水位上涨的效果；当潮汐水位涨到一定高度，调节流量调控阀23和变频潜水泵22，使环境水箱的进水量小于抽水量，达到潮汐水位下降的效果，模拟一个周期的潮汐涨落。重复以上操作，进行下一个周期的潮汐涨落。
36.进一步的，所述监测分析系统3包括土样监测系统和海水监测系统，所述土样监测系统包括土体水位监测仪31、土压力传感器32和孔隙水压力传感器33，所述土体水位监测仪31、土压力传感器32和孔隙水压力传感器33分别埋设于土体内。用土体水位监测仪31、土压力传感器32、孔隙水压力传感器33分别监测土样中的地下水位、土压力、孔隙水压力数据并记录。
37.所述海水监测系统包括水位尺34和摄像机35，水位尺34贴设于环境水箱1外侧，摄像机35置于环境水箱1外部前方。用水位尺34记录潮汐涨落过程的水位变化，由摄像机35拍摄记录水在土样中的渗流过程和渗流路径。
38.上述一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置的试验方法，步骤如下：
39.(1)制备环境水箱1。
40.环境水箱内插入可拆卸第一阻隔板14和第二阻隔板16，将环境水箱分为模拟海床区11、模拟海水区12和调控区13三部分，将摄像机35 放置在环境水箱正前方；
41.(2)固结海床土样。
42.环境水箱1的模拟海床区由下至上依次放置固结砂板6、下土工布9、土样4、上土工布8和加载装置7。将固结砂板6铺设在需要进行土样4 固结部分的底部，根据实际工程地质情况选择土样类别，并将土样4置于固结砂板6上方，土样4上下两面需要放置上土工布8和下土工布9。水位监测仪31、土压力传感器32、孔压力传感器33埋设于土样内部。
43.加载装置7包括带孔加载板71和加载砝码72，加载砝码72放置于加载板71上。固结土样时，依次增加加载砝码72重量开始逐级加载，土样4内水分通过固结砂板和带孔加载板排出，实现土样的双向固结排水，固结得到模拟滨海城市沿岸土体。
44.土样可根据实际工程地质情况选用不同性质的土样，通过加载装置和设置于土样上下端的带孔加载板和固结砂板制备不同特点的海床土样。
45.(3)海床土样充分固结，输入模拟海水。
46.打开流量调控阀23，供水箱21内水源向环境水箱内输送，打开第一阻隔板14和第二阻隔板16，使调控区内水源流向模拟海水区12，直至海水5达到初始水位线；
47.模拟海床区和模拟海水区之间的第一阻隔板14呈全部打开状态，模拟海水区和调控区之间的第二阻隔板16呈局部打开状态。第二阻隔板沿导槽向上移动1/2或1/3，使模拟海水区和调控区之间的第二阻隔板16呈局部打开状态。调控区的水源可由第二阻隔板底部平缓进入模拟海水区。流量调控阀23工作时，附近水域流场存在扰动，通过局部打开的第二阻隔板能够避免对模拟海水区和海床土样的扰动，模拟海水区水位涨落更加平缓稳定。
48.(4)模拟潮汐涨落周期。
49.开启变频潜水泵22，将环境水箱内的水开始向供水箱内抽送，并调节变频潜水泵
22频率和调节流量调控阀23的流量，使环境水箱1的进水流量大于抽水流量，达到潮汐水位上涨的效果；潮汐水位涨到一定高度，调节流量调控阀23和变频潜水泵22，使环境水箱1的进水量小于抽水量，达到潮汐水位下降的效果。重复以上操作，进行下一个周期的潮汐涨落。
50.通过调节流量调控阀23来调控进水的流量，调节变频潜水泵22的频率控制抽水的抽水的流量。在模拟潮汐涨落过程中，第二阻隔板16呈持续局部打开状态。流量调控阀23和变频潜水泵的工作时，附近水域流场扰动比较大，第二阻隔板16呈局部打开状态。能够避免干扰到海床土样，且模拟海水区水位涨落更平缓稳定。
51.(5)监测海床土样和模拟海水。
52.试验过程中，可用水位尺34记录潮汐涨落过程的水位变化，用土体水位监测仪31、土压力传感器32、孔隙水压力传感器33分别监测土样中的地下水位、土压力、孔隙水压力数据并记录，由摄像机35拍摄记录模拟海水在土样中的渗流过程和渗流路径。
53.(6)多个周期的潮汐模拟结束后，关闭变频潜水泵22和流量调控阀 23，结束试验，进行后续的数据处理和相关研究。
54.参照图4-图5所示，本发明第一实施例提供一种滨海城市沿岸潮汐涨落模拟装置，与第一实施例基本相同，区别在于：所述供水箱21内部具有模拟海水调节腔211和模拟海水储存腔212，所述供水箱与外部水源连接的水管设置有计量泵213，水管24与模拟海水调节腔211连接。
55.所述供水箱21上设置有调节箱215，所述调节箱215内放置海水盐。所述调节箱215与供水箱21的连接处设置进料口216，进料口216设置阀门217。调配模拟海水时，海水盐通过进料口进入模拟海水调节腔，同时打开计量泵213，外接水源同时进入模拟海水调节腔内，通过计量泵213 调节外接水源的进水量。所述模拟海水调节腔内还包括有可转动的搅拌轮 218，在外接水源进入模拟海水调节腔内时，搅拌轮218启动工作，使海水盐与外接水源充分融合，提高海水调配的效率。
56.所述供水箱设置有盐水浓度监测装置，所述盐水浓度监测装置包括盐水浓度测量仪器219和与盐水浓度测量仪器连接的盐度传感器220，盐度传感器220设置于模拟海水调节腔211内。通过盐水浓度监测装置检测拟海水调节腔内的盐水浓度，所述模拟海水调节腔与模拟海水储存腔设置电磁阀221，盐水浓度监测装置控制电磁阀开启或关闭，当盐水浓度监测装置监测到模拟海水达到试验要求浓度，开启电磁阀，调配完成的模拟海水进入模拟海水储存腔。所述供水箱24的出水端位于模拟海水储存腔212 处，所述供水箱的进水端位于模拟海水调节腔211。
57.通过在模拟海水调节腔211内调节海水的浓度，可根据实际工程海水区域的浓度，调配相应浓度的模拟海水。环境水箱内的海水通过变频潜水泵抽送回供水箱内时，在海水调节腔内重新进行盐水浓度监测，确保输入环境水箱内的海水浓度与试验要求浓度相一致。研究海水浓度对海床土样的影响。
58.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施
例所作的任何简介修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。