一种移动式水下分层吹填施工室内模拟智能试验系统的制作方法

本发明属于吹填施工室内模拟试验领域。

背景技术：

1、随着疏浚吹填工程的快速发展，对疏浚吹填工程建设条件的需求和限制不断增大，目前国内常用的直接吹填施工方法因不考虑吹填土质差异、且较为粗犷地自定点吹填再逐步推进会导致回填平整度差、后续地基处理困难的缺陷，无法满足对吹填施工精细化控制、高效率以及环保疏浚的要求。分层吹填施工方法针对上述缺陷，按照工程吹填要求和砂源特性，设计每层摊铺厚度，并利用配置的分层吹填装置进行精确控制，以达到将吹填材料逐层精确铺设到水底预定施工位置的目标。但该方法因施工工艺复杂目前仅限于应用在具备良好施工条件的工程中，对于大水深、受风浪影响等水文气象环境条件复杂的开敞海域，现有吹填施工经验和技术不足以满足此条件下分层吹填施工精细化控制的要求。如何控制并实现高精度分层吹填施工仍需要进一步地系统性研究。本发明专利提供的一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置及试验方法，能够准确模拟实际移动式分层吹填施工方式及效果，可操作性强，且具有多元化调整，为深入研究高精度分层吹填技术、提升施工效率和管理质量提供有效手段。

2、通过对现有室内模拟吹填技术的检索发现，针对受风浪流等水文气象环境影响的开敞海域水下移动式吹填施工工艺研究需求，现有的吹填施工模拟试验装置和试验方法普遍具有定向定点吹填、无法模拟风浪流施工环境、输送泥浆混合均匀性无法得到有效保障等缺陷，不能满足对于移动式分层吹填精细化控制模拟的要求。

技术实现思路

1、本发明目的，公开了移动式水下分层吹填施工室内模拟装置包括泥浆存储系统、分层吹填装置、施工环境模拟系统的设计技术方案，以分别配套构建一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置。

2、进一步的，本发明目的，提出一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置，能够充分模拟实际移动式分层吹填施工方式。

3、进一步的，本发明目的，提出一种移动式水下分层吹填施工室内智能模拟试验系统。

4、进一步的，本发明目的，提出一种移动式水下分层吹填施工室内智能模拟试验方法。本发明能够充分模拟实际移动式分层吹填施工方式，可以对风浪、流、水深等施工环境因素以及吹填装置移动速度、距离底床间距、输送泥浆流量、输送泥浆浓度、泥沙种类等关键施工参数进行多元化调整，为深入研究高精度分层吹填技术、提升施工效率和管理质量提供有效手段。

5、为实现上述目的，本发明技术方案如下：

6、一种移动式水下分层吹填施工室内模拟智能试验系统，其特征在于：包括控制系统、测量系统，

7、所述控制系统包括输入模块、控制模块和执行模块；所述执行模块用于模拟开敞海域进行水下移动式吹填施工方式，设计为一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置，包括泥浆存储系统、分层吹填装置、施工环境模拟系统；

8、所述测量系统用于获得试验输送泥浆浓度、输送流量、水深、吹填机具距离底床高度、外界水流流速、波高波周期、吹填机具移动速度关键试验参数。

9、模拟智能试验系统，其特征在于：

10、其中，所述输入模块包括泥浆混合参数、施工环境模拟参数和分层吹填模拟参数三部分，在试验前需要设定各参数初始值，是试验过程中的目标数据。

11、所述泥浆混合参数所述泥浆混合参数包括水质量mw0、泥沙质量ms0；

12、所述施工环境模拟参数包括水槽水深h0、水流流速v0、波高hw0和波周期tw0；

13、所述分层吹填模拟参数包括输入泥浆浓度cm0、输入泥浆流量q0、分层吹填机具初始位置(x0，y0，z0)、分层吹填机具移动方向(dx0，dy0，dz0)、分层吹填机具移动速度(vx0，vy0，vz0)、分层吹填机具移动距离(sx0，sy0，sz0)、分层吹填机具距离床底距离hb0。

14、模拟智能试验系统，其特征在于：所述控制模块分为计算模块和管理模块；

15、所述计算模块包括泥浆混合参数和分层吹填机具位置参数的计算，用于提供给管理模块；其中泥浆混合参数是指水和泥沙混合而成的泥浆参数，用泥浆浓度cm表示，计算公式为

16、cm＝ms/(ms+mw)

17、式中，cm表示泥浆浓度，ms表示泥沙质量，mw表示水质量；

18、所述管理模块包括泥浆混合管理模块、施工环境模拟模块、分层吹填模拟模块以及关键参数测量模块四部分的管理模块，分别负责对泥浆存储系统、施工环境模拟、分层吹填模拟装置的管理，以及对测量系统的关键试验参数进行分析并实验数据图表以及科研成果整理输出。

19、模拟智能试验系统，其特征在于：所述泥浆混合管理模块，对泥浆存储系统中水和泥沙的浓度和混合均匀程度进行管理，按照输入模块初始泥浆浓度目标值cm0，ms0表示初始泥沙质量，mw0表示初始水质量，将水和泥沙按照比例进行混合均匀，从泥浆取样口获取特定体积v的泥浆，并测量取样泥浆质量m，则泥浆浓度cm换算公式为

20、

21、式中，cm表示泥浆浓度，ρs表示泥沙密度，ρw表示水密度，m表示取样泥浆质量，v表示泥浆体积。

22、如果cm与cm0误差不超过5％，则认为达到了设计目标，如果需要改变泥浆浓度为cm’，则需要适当增加水和泥沙进一步混合，增加的泥沙质量计算公式为

23、

24、式中，δms表示为了达到泥浆浓度变化目标cm’所新增的泥沙质量，cm’表示改变后的泥浆浓度，ms0表示初始泥沙质量，mw0表示初始水质量，δmw表示为了达到泥浆浓度变化目标所新增的水质量。

25、所述施工环境模拟模块，对管理和调节水槽循环水泵p3、电磁阀状态、造波机的工作状态以符合试验环境的设定要求。

26、具体的，所述分层吹填模拟管理模块，根据输入泥浆流量和分层吹填机具位置、移动速度、方向和距离设定，对三维动力体系中的动力模组进行控制管理。

27、具体的，所述分层吹填模拟管理模块，通过调控泥浆输入单向阀f4的开度来调整流量大小，通过安装在泥浆输入管道的流量测量仪器监测数据来判断是否达到设定的输入泥浆流量q0。如果监测流量q小于q0，则需要增加泥浆输入单向阀f4开度n，如果监测流量q大于q0，则需要减小泥浆输入单向阀f4开度n。两者换算关系如下：

28、

29、式中，q0表示初始输入泥浆流量，n0表示初始输入泥浆流量q0对应的开度(n0变化范围是0～1,0表示无流量，1表示最大流量)；q表示试验过程中监测到的泥浆流量，n表示输入泥浆流量q对应的电磁阀开度。

30、对分层吹填机具的移动控制，可通过输入模块以及计算模块实时得到三维动力体系分层吹填机具的移动速度(vx，vy，vz)、距离(sx，sy，sz)和方向(dx，dy，dz)来调控分层吹填机具在不同速度、距离和方向的移动，从而达到目标位置(x1，y1，z1)：

31、

32、式中，x1、y1、z1分别表示分层吹填机具的目标位置，x0、y0、z0分别表示分层吹填机具初始位置，sx0、sy0、sz0分别表示分层吹填机具移动距离。

33、所述关键参数测量管理模块，包括泥浆流量、水流测点流速和吹填泥沙不同特点厚度、吹填范围等关键吹填特征参数三个方面的管理。对于泥浆流量，通过流量测量仪器对输入泥浆的流量进行实时测量。对于水流测点流速，通过控制流速测量仪器在不同测点不同水深处进行测量实现。对于吹填特征参数，通过控制第一相机、第二相机和探针来测量。

34、所述测量系统，结合现场测量设备以及利用控制系统的输入模块、计算模块，用于获得试验输送泥浆浓度、输送流量、水深、吹填机具距离底床高度、外界水流流速、波高波周期、吹填机具移动速度等关键试验参数。

35、所述现场测量设备包括流量测量仪器、流速测量仪器、第一相机、第二相机和探针。

36、其中，流量测量仪器用于实时显示输送泥浆流量信息。

37、其中，流速测量仪器通过三维动力体系进行移动来实现测量不同测点流速。

38、其中，第一相机通过相机支架固定在水槽试验段一侧，其正对水槽侧壁，保证拍摄范围是整个试验段(包括水槽试验段贴尺r2、沉积泥沙正视图)，用来拍摄吹填试验后沉积泥沙沿水槽长度方向和沿水槽高度方向的正视图照片；

39、其中，第二相机固定在吹填机具的上方，相机正对水槽底部，用来拍摄吹填试验后沉积泥沙沿水槽宽度和水槽长度方向的俯视图照片，拍摄过程中保持拍摄位置和范围不变，像素大小设置为统一大小，这样后期就可以利用(如get data软件等)图片处理软件对每个工况的沉积泥沙正视图和俯视图照片进行处理分析，通过对比图片的水槽试验段贴尺r2和沉积泥沙范围、高度的比例，来精准读取沉积泥沙的扩散范围、沉积泥沙最大和最小厚度等吹填特征参数。

40、其中，探针通过三维动力体系固定在水槽试验段，用于试验结束后测量不同测点的沉积泥沙厚度。

41、实施例4技术方案

42、一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置，其特征是，包括泥浆存储系统、分层吹填装置、施工环境模拟系统、测量系统。

43、所述泥浆存储系统包括存储箱、固体集料箱、输送管道，其中所述输送管道包括水源管道、水沙混合管道、泥浆输入管道；在水沙混合管道上设置水沙混合离心泵p1，在所述泥浆输入管道上设置泥浆输入离心泵p2；其中，所述存储箱用来存放和混合泥沙及水；所述存储箱：通过其上方设置固体集料箱为其投放泥沙，所述固体集料箱用来存放泥沙原料；通过水源管道向箱内供水；通过水沙混合管道、水沙混合离心泵p1形成循环通道，所述存储箱、水沙混合管道、水沙混合离心泵p1构成自循环系统，用于将水和泥沙混合均匀；通过泥浆输入管道与所述分层吹填装置连通。

44、所述施工环境模拟系统，通过水槽模拟海洋，用来实现开敞海域的风浪流环境条件模拟。所述水槽用于模拟施工环境，其内安装有造波机、循环水泵p3；所述水槽为循环开放水槽，上层为试验区，下层为水体循环区，上下两层隔离，所述水体循环区用于支持和保障试验区，保证流动水体的可循环。在上层的试验区：分为过渡段、试验段和尾水段，其中：在过渡段前端安装所述造波机，用于模拟沿水槽长度方向的波浪条件；过渡段为试验段提供均匀稳定的水流条件，试验段为试验主功能区域；过渡段、尾水段与下层的水体循环区接通。所述循环水泵p3，设置于水槽下层的水体循环区内，用于形成可持续的，可循环的，能模拟出带有流速的海洋水流。

45、所述分层吹填装置包括吹填机具、三维动力体系，所述吹填机具在水槽中的定位和移动受控于所述三维动力体系。所述吹填机具包括横向过渡段管道、竖向管筒、横向管筒；所述吹填机具通过所述横向过渡段管道与所述泥浆存储系统连接从而获得泥浆；所述吹填机具通过竖向管筒与三维动力体系连接；所述横向管筒为吹填机具的终端，与水槽宽度平行，具有多个出流口的管段；所述吹填机具通过其横向管筒的多个出流口输送泥浆到水槽底床进行吹填模拟试验。

46、所述三维动力体系，设计为三维移动模组，分别为：纵向第一移动模组、横向第二移动模组、垂向第三移动模组；其中，所述垂向第三移动模组携带吹填机具实现在水槽中垂向高度调节，所述横向第二移动模组携带垂向第三移动模组实现在水槽中横向宽度调节，纵向第一移动模组携带横向第二移动模组实现在水槽中长度方向的位移调节。

47、所述测量系统包括现场测量设备；所述现场测量设备包括流量测量仪器、流速测量仪器、第一相机、第二相机和探针；其中，流量测量仪器用于实时显示输送泥浆流量信息；其中，流速测量仪器通过三维动力体系进行移动来实现测量不同测点流速；其中，探针通过三维动力体系固定在水槽试验段，用于试验结束后测量不同测点的沉积泥沙厚度。

48、所述第一相机通过相机支架固定在水槽试验段一侧，其正对水槽侧壁，保证拍摄范围是整个试验段(包括水槽试验段贴尺r2、沉积泥沙正视图)，用来拍摄吹填试验后沉积泥沙沿水槽长度方向和沿水槽高度方向的正视图照片。

49、所述第二相机固定在吹填机具的上方，相机正对水槽底部，用来拍摄吹填试验后沉积泥沙沿水槽宽度和水槽长度方向的俯视图照片，拍摄过程中保持拍摄位置和范围不变，像素大小设置为统一大小，这样后期就可以利用图片处理软件对每个工况的沉积泥沙正视图和俯视图照片进行处理分析，通过对比图片的水槽试验段贴尺r2和沉积泥沙范围、高度的比例，来精准读取沉积泥沙的扩散范围、沉积泥沙最大和最小厚度等吹填特征参数。

50、作为实施例，所述存储箱的一侧设置有存储箱贴尺r1，用来标记液面高度。

51、作为实施例，在试验段的出入两端处设置格栅，防止试验泥沙污染下层的水体循环区。

52、作为实施例，所述循环水泵作为水流动力设备，可通过电磁阀来控制外界水流流速大小。

53、基于相同的结构设计，所述纵向第一移动模组、横向第二移动模组、包括轨杆、带有轮子的滑动块、动力模组，轨杆沿水槽长度方向布设在水槽上部，带有轮子的滑动块与轨杆咬合，动力模组安装于滑动块上用于驱动整体在水槽在长度方向的位移；横向第二移动模组安装于所述滑动块上随同纵向第一移动模组在水槽在长度方向的同步位移。

54、基于相同的结构设计，其中，横向第二移动模组包括轨杆、带有轮子的滑动块、动力模组，轨杆沿水槽宽度方向布设在水槽上部，带有轮子的滑动块与轨杆咬合，动力模组安装于滑动块上用于驱动整体在水槽在宽度方向的位移；垂向第三移动模组安装于所述滑动块上随同横向第二移动模组在水槽在宽度方向的同步位移。

55、基于相同的结构设计，其中，垂向第三移动模组包括轨杆、带有轮子的滑动块、动力模组，轨杆沿水槽垂直方向布设在水槽上部，带有轮子的滑动块与轨杆咬合，动力模组安装于滑动块上用于驱动整体在水槽在垂直方向上的位移；吹填机具安装于所述滑动块上随同垂向第三移动模组在水槽在垂直方向的同步位移。

56、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、本发明一种移动式水下分层吹填施工室内模拟装置，通过集成多个特制的子系统，能够充分模拟开敞海域进行水下移动式吹填施工方式。

58、进一步的，本发明系统和方法可以进行对风浪、流、水深等施工环境影响以及吹填装置移动速度、距离底床间距、输送泥浆流量、输送泥浆浓度、泥沙种类等关键施工参数进行多元化调整，实现多层反复移动式施工模拟技术，为深入研究高精度分层吹填技术、提升施工效率和管理质量提供有效手段。