一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置及方法与流程

本发明涉及围海工程水力模型试验领域，具体涉及一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置及方法。

背景技术：

围海工程即在沿海筑堤挡潮防浪，控制围区水位而割分滩涂和港湾海域成为陆地的工程，通常采用修筑海堤、水闸、船闸、潮汐电站、抽水站、鱼道等建筑物，以及采用生物措施等方式，使滩涂区域或者港湾海域满足农垦、制盐、蓄淡、水产养殖、工业用地以及发电、交通航运、海岸防护的需要。围海工程的海堤，一般可分为非堵口海堤和堵口段海堤，海堤堵口段水深一般较大，需要承受的风浪流作用大于相邻的海堤，海堤堵口段即为围海工程施工中最为困难和关键的地段。在围海工程中，海堤围海堵口的合龙工程也是围海工程施工中的关键技术问题之一。

围海堵口即指在感潮海域筑堤围海时，在非龙口段海堤修建至某一特定要求后，最后封堵龙口段海堤所进行的工作。根据围海工程施工经验，在围海堵口过程中控制龙口合龙的难度指标是以水流流速为代表的龙口合龙水力要素。在确定龙口水力参数的过程中大多采用龙口水力计算方式或采用数值模拟的方式进行求解进而确定龙口合龙过程的水力条件，在进行龙口合龙过程水力参数的计算或者模拟中，还需结合龙口合龙水力过程物理模型试验进行验证分析。在海岸工程实验课程教学中，龙口合龙过程物理模型水力条件试验作为教学实验极具代表性，可以完整地模拟龙口合龙过程中采用平堵、立堵或平立堵过程的龙口水力条件的变化过程，便于学生掌握不同龙口合龙过程中龙口合龙段实时的流速、流量等水力参数的变化特点，便于学生了解合理安排堵口程序的必要性，了解以龙口水力要素为合龙控制参数以及龙口尺度设计与龙口合龙施工顺序间的相关关系，从而进一步提升教学效果。

现已公布的技术方案中，对关注于模拟龙口合龙水力过程物理模型试验设计的技术方案还较为缺乏，现有模拟龙口合龙水力过程中物理模型试验设计也大多利用临时性构件组装而成进行试验设计，存在着试验过程专业性不足，所需仪器繁多，试验步骤复杂，实验过程中自动化程度较低等不足；同时采用龙口合龙水力过程物理模型试验作为教学实验，缺乏专业性强、演示性明显的模型试验装置，造成教学实验可视化效果较差、教学效果较差等问题。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的不足，提供了一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置及方法，尤其适用于模拟平直海岸围海工程龙口合龙水力过程的试验装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，其特征在于由试验模块、库容变化模块、数据采集模块、控制模块构成；

所述试验模块包含有蓄水池、水泵、进水管、阀门、水槽消能区、水槽感潮区、水槽试验区、海堤模型和底床；所述蓄水池位于试验用水槽外，通过水泵外接进水管连接至水槽消能区上侧的阀门处；所述水槽根据各区域功能依次划分为水槽消能区、水槽感潮区和水槽试验区，各水槽区域间水体无障碍相互连通：所述水槽消能区上部通过阀门外接至进水管，下部即连接至水槽感潮区；所述水槽感潮区为水位平稳变化区域，其内部右侧近边界区域设置有属于数据采集模块的外水位计，水槽感潮区下部连接至水槽试验区；所述水槽试验区上部架设有数据采集模块除内水位计、外水位计外的其他构件，水槽试验区底部布置有模拟近海围海工程建设区域实际海床形态的底床，在底床上布置有符合试验需求及海堤设计情况的海堤模型，另底床上近水槽试验区侧壁处布置有内水位计；所述水槽试验区即连接至库容变化模块。

所述库容变化模块由底板、预设凹槽、纵向插板、横向插板组成，作为水槽外接扩展区域存在，即为水槽库容区；所述水槽库容区一侧连接至水槽试验区,另一侧密闭完全，底部布置有带有预设凹槽的底板；所述底板布置于水槽库容区底部，上表面预留有用于安插纵向插板和横向插板的预设凹槽；所述纵向插板和横向插板为可拆卸设计，可根据试验需求选择是否需插入预设凹槽，插入时可保证插板接触处气密性良好，接触处不透水。试验中即可根据实际库容区的库容曲线确定插板插入位置及组合方式。

所述数据采集模块由水位采集部分和流速采集部分组成。水位采集部分由内水位计、外水位计完成水位的实时测量：所述外水位计设置于水槽感潮区内部右侧近边界区域，用以完成水槽感潮区水位的实时测量；所述内水位计布置于底床上近水槽试验区侧壁处，用以完成水槽试验区中水位的实时测量；流速采集部分由竖向滑轨、上滑轨、下滑轨、声学多普勒流速仪、竖向支架及束紧器组成：所述下滑轨布置于水槽试验区水槽两侧侧壁上，在下滑轨的滑轨间卡嵌有竖向支架，使竖向支架可根据试验需求在下滑轨间滑动至特定位置从而进行试验；所述竖向支架下部卡嵌于下滑轨中，上部支撑有上滑轨；所述上滑轨两侧依赖于竖向支架支撑，中间安装有竖向滑轨，使竖向滑轨与上滑轨间接触部分卡嵌于上滑轨并可根据试验需求自由滑动至指定位置并锁定位置；所述竖向滑轨一侧卡嵌于上滑轨中，另一侧通过束紧器将声学多普勒流速仪水平方向上固定，允许声学多普勒流速仪在竖直方向上沿竖向滑轨运动至预定地点并锁死固定，以便于进一步开展实验；所述声学多普勒流速仪通过束紧器与竖向滑轨连接，并可拆卸和更换；所述数据采集模块流速采集部分依靠声学多普勒流速仪测量流速，在下滑轨、竖向滑轨和上滑轨构成的滑轨系统中通过各组件在滑轨中的相互运动使声学多普勒流速仪可根据试验需求灵活运动至不同位置实现流速的测量。

所述试验模块、数据采集模块中需接受控制指令并发送信息的构件均连接至控制模块，即水泵、阀门、内水位计、外水位计、竖向滑轨、上滑轨、下滑轨、声学多普勒流速仪均连接至控制模块，控制模块通过外接计算机实现对各类构件的控制功能。

所述水槽消能区与试水槽感潮区水体自由连接，内部布置有消能结构物，在试验时根据消能效果需要另行选择布置消能构筑物；其中，水槽消能区主要起消能及平稳水流作用，使来自进水管的水体平稳流入水槽感潮区。

所述阀门均由控制模块直接控制，可在指令需求下精密启闭并调整开度；所述水泵为精密控制抽水量的精密泵机，在控制模块指令下将蓄水池中的水体经过进水管抽入或抽出水槽消能区中；阀门、水泵共同调节作用下即可达到实时改变水槽感潮区及水槽试验区内水位值的目的。

所述底床布置于水槽试验区底部，用于模拟近海围海工程建设区域实际海床形态，由砂土材料添加有机胶黏剂混合而成，可结合试验比尺设计需求及实际海床形态将砂土-有机胶黏混合物底床塑造成所需形态，在常规试验中选择典型海床形态可作为标准底床重复使用，另在需更改底床形态试验情况下可重复塑造海床形态布置使用。所述海堤模型为插板式结构，按照试验需求及海堤设计情况布置于上述底床上，在实际试验中用于模拟已建成海堤的存在。

所述声学多普勒流速仪(adv)为可选外接仪器，可根据试验需求及设备条件选用适当型号的声学多普勒流速仪；所述声学多普勒流速仪采集数据需外接专业采集软件用于获取仪器所采集到的流速信息。

所述纵向插板和横向插板均为外设橡胶层的插板结构，可与预设凹槽无缝密闭衔接。

所述蓄水池与试验水槽各区段连接成一个密闭水循环体，在试验过程中水体可循环利用。

一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置实现方法如下：

a.器材准备过程

在试验开始前于蓄水池中准备好满足试验所需数量的充足水体，预先将底床制作成为模拟近海围海工程建设区域实际海床形态的几何形态，并结合龙口布置情况及龙口大小将海堤模型安置于底床特定位置；选用并布置适宜试验工况型号的声学多普勒流速仪通过束紧器连接于竖向滑轨；结合试验设计及比尺要求确定对应库容区的库容值，根据实际库容区的库容曲线确定插板插入位置及组合方式，进而选用合适的纵向插板、横向插板组合安插于预设凹槽中，使水槽库容区中纵向插板、横向插板密闭连接并分割出特定体积水槽库容区，即封闭特定体积水槽库容区使其与水槽试验区连接为整体，作为可通过插板组合可改变库容容量的模拟围海工程近海库容区投入使用；另结合水槽试验区水面升降的平稳程度要求情况，在消能区布置消能构筑物。

b.潮位调节过程

根据试验工况确定试验所需合龙设计潮型，将设计潮型信息输入控制模块，阀门打开，水泵开始向水槽消能区抽水至设计潮位初始条件下的水位值，外水位计实时反馈感潮区的水位值以便感潮区水位变化符合预期同时起到校正效果。试验中，水泵即根据输入潮型曲线变化情况在周期内向水槽消能区内抽水、排水，以外水位计测量的水位结果为反馈，感潮区内水位变化情况即符合所输入设计潮型变化情况。

c.试验及参数记录过程：

通过包含下滑轨、竖向滑轨和上滑轨构成的滑轨系统中使声学多普勒流速仪根据试验需求运动至特定位置，其探头到达龙口合龙区域特定水深、特定横向位置处。此时外潮位已开始变化，通过启动声学多普勒流速仪即可实现一个试验周期内该龙口合龙条件下龙口处特定点位置处流速的测量。通过外水位计获取的水位信息即可获取潮位变化过程对应时刻中潮位值及其变化信息，通过内水位计反馈的水位值信息即可获取外潮位变化过程中对应时刻库容区水位值及其变化信息；通过声学多普勒流速仪即可获取龙口合龙处特定点的流速信息。

在模拟龙口合龙过程中，即以一个潮位变化周期为单位时间，在龙口处分位置分顺序地安放特制橡皮泥模型并与底床保持密闭连接，模拟龙口合龙过程中的平堵、立堵以及平立堵过程，在每一工况下均通过内水位计获取库容区水位值，通过外水位计获取并验证潮位值，通过声学多普勒流速仪获取龙口合龙处特定点流速信息。即可通过物理模型试验过程获取龙口合龙水力过程中的内港水位值、潮位值、龙口合龙处特定点流速值等水力指标。

d.试验后处理过程：

将试验记录结果实时反馈至外接计算机，即可掌握龙口合龙过程中内港水位、内外港水位差、口门处流速等水力要素的变化规律，通过比较水力要素的变化情况得到龙口水力要素最大值。根据类似工程经验，以流速为控制龙口合龙的难度指标，试验中即通过得到不同龙口底高程、不同龙口宽度下的龙口最大流速，选择龙口合龙控制流速，进而确定龙口宽度及底高程，进而为确定龙口尺寸，选择龙口合龙程序、进行龙口防护以及截流堤设计提供依据。

e.改变工况试验过程

根据试验需要设计并可结合实际试验要求重新塑造底床形态，通过横向插板、纵向插板组合根据对应库容曲线改变库容值，根据试验要求改变海堤布置位置及布置方式，重复过程a.b.c.d，即可满足不同海底形态、不同库容曲线条件以及不同围海海堤布置方式下的龙口合龙过程水力要素的确定需求，得到平堵、立堵以及平立堵不同施工方式下龙口合龙处水力要素值，便于后续详细对比分析及为数值模拟提供验证参考。

f.试验结束及器材整理

关闭水泵，待水排出试验水槽后关闭阀门，拆除各活动构件，整理试验器材，试验过程结束。

本发明的有益效果：

1、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，试验装置整体性好，结构简单，各构件连接可靠，整体试验装置实用性强；试验过程简单方便，装置构件集成化程度高，试验过程自动化程度较高，人力消耗少，试验效率高。

2、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，通过设置外接蓄水池，使水体在试验过程中可循环使用，避免了传统水槽试验中水体需大量抽入、排出的情况，避免了水体的浪费，试验装置用水量少，绿色环保，试验成本得以降低。

3、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，通过在水槽试验区底部设置砂土-有机胶黏混合物材料的底床，用以模拟近海围海工程建设区域实际海床形态；在常规试验中选择典型海床形态可作为标准底床重复使用，在需改变底床形态的试验情况下可重新塑造海床形态用以达到实验目的。可重复塑型底床设计使装置可适用工况广泛，可广泛模拟不同工程建设区域的海床形态。

4、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，海堤模型为可灵活布置的插板式结构，可根据试验需求及海堤设计情况布置于底床上，且可重复改变布置位置及轴线走向，在同一海床形态下仍可实现模拟不同海堤布置位置的多种试验工况，试验可操作性强，即可显著增加装置的模拟工况。

5、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，可根据试验所需工况根据实际库容区的库容曲线确定插板插入位置及组合方式，通过设置库容变化模块实现装置库容大小可改变设计，解决了传统试验设计中库容区试验中不可改变的情况，显著提升装置可适用工况。

6、一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，其试验过程作为教学实验，实验装置专业性强，实验过程演示性明显、可视化效果良好。

综上所述，本发明试验装置设计新颖，试验过程人力消耗少，试验装置库容大小可调节，底床形态可重复塑型，海堤布置方式可调节，具有试验过程效率高，试验成本低廉，节能环保，可适用工况范围广，试验设计显著优于传统围海工程龙口合龙水力物理模型试验设计等优点。

附图说明

图1是本发明的示意图。

图2是本发明的俯视示意图

图3是本发明试验区断面示意图

图4是插板结构示意图

1.阀门，2.进水管，3.外水位计，4.水泵，5.蓄水池，6.水槽消能区，7.水槽感潮区，8.水槽试验区，9.海堤模型，10.竖向滑轨，11.上滑轨，12.下滑轨，13.声学多普勒流速仪，14.水槽库容区，15.预设凹槽，16.纵向插板，17.底板，18.横向插板，19.竖向支架，20.束紧器，21.底床，22.橡胶层，23.内水位计

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行进一步说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施实例。

一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置，由试验模块、库容变化模块、数据采集模块、控制模块构成；如图1、图2所示，试验模块包含有蓄水池5、水泵4、进水管2、阀门1、水槽消能区6、水槽感潮区7、水槽试验区8、海堤模型9和底床21；蓄水池5位于试验用水槽外，通过水泵4外接进水管2连接至水槽消能区6上侧的阀门1处；水槽根据各区域功能划分为水槽消能区6、水槽感潮区7和水槽试验区8，各水槽区域间水体无障碍相互连通：水槽消能区6上部通过阀门1外接至进水管2，下部即连接至水槽感潮区7；水槽感潮区7为水位平稳变化区域，水槽感潮区7内部右侧近边界区域设置有外水位计3，水槽感潮区7下部连接至水槽试验区8；水槽试验区8上部架设有数据采集模块除内水位计23、外水位计3外的其他构件，水槽试验区8底部布置有模拟实际海床形态的底床21模型，在底床21上布置有海堤模型9，底床21上近水槽试验区8侧壁处布置有内水位计23；水槽试验区8连接至库容变化模块。库容变化模块由底板17、预设凹槽15、纵向插板16、横向插板18组成；水槽库容区14一侧连接至水槽试验区8,另一侧完全密闭；底板17布置于水槽库容区14底部，底板17上表面预留有用于安插纵向插板16和横向插板18的预设凹槽15；纵向插板16和横向插板18为可拆卸设计，插入预设凹槽15时可保证纵向插板16和横向插板18与底板17接触处气密性良好，试验中根据实际库容区的库容曲线确定纵向插板16和横向插板18的插入位置及组合方式；另如图4所示，纵向插板16为外设橡胶层22的插板结构，横向插板18与纵向插板16结构一致，插入端与预设凹槽15密闭衔接。数据采集模块由水位采集部分和流速采集部分组成：水位采集部分由内水位计23、外水位计3完成水位的实时测量：外水位计3设置于水槽感潮区7内部右侧近边界区域，实现水槽感潮区7水位的实时测量；内水位计23布置于底床21上近水槽试验区8侧壁处，实现水槽试验区8中水位的实时测量；如图1、图3所示，流速采集部分由竖向滑轨10、上滑轨11、下滑轨12、声学多普勒流速仪13、竖向支架19及束紧器20组成：下滑轨12布置于水槽试验区8水槽两侧侧壁上，在下滑轨12的滑轨间卡嵌有竖向支架19，竖向支架19可根据试验需求在下滑轨12间滑动至特定位置；竖向支架19下部卡嵌于下滑轨12中，上部支撑有上滑轨11；上滑轨11两侧依赖于竖向支架19支撑，中间安装有竖向滑轨10，竖向滑轨10与上滑轨11间接触部分卡嵌于上滑轨11并可根据试验需求滑动至指定位置并锁定位置；竖向滑轨10一侧卡嵌于上滑轨11中，另一侧通过束紧器20将声学多普勒流速仪13水平方向上固定，声学多普勒流速仪13在竖直方向上沿竖向滑轨10运动至预定地点并固定锁死；声学多普勒流速仪13通过束紧器20与竖向滑轨10连接；数据采集模块流速采集部分依靠声学多普勒流速仪13测量流速，在下滑轨12、竖向滑轨10和上滑轨11构成的滑轨系统中通过各组件在滑轨中的相互运动使声学多普勒流速仪13根据试验需求运动至不同位置实现流速的测量。试验模块、数据采集模块中需接受控制指令并发送信息的构件均连接至控制模块，即水泵4、阀门1、内水位计23、外水位计3、竖向滑轨10、上滑轨11、下滑轨12、声学多普勒流速仪13均连接至控制模块，控制模块通过外接计算机实现对各类构件的控制功能。

一种用于模拟龙口合龙水力过程的试验装置实现方法如下：

a.器材准备过程

在试验开始前于蓄水池5中准备好满足试验所需数量的充足水体，将底床21制作成为模拟工程建设区域实际海床形态的几何形态，并结合龙口布置情况及龙口大小将海堤模型9安置于底床21特定位置；选用并布置适宜试验工况型号的声学多普勒流速仪13通过束紧器20连接于竖向滑轨10；结合试验设计及比尺要求确定对应库容区的库容值，根据实际库容区的库容曲线选用合适的纵向插板19、横向插板18组合安插于预设凹槽15中，使水槽库容区14中纵向插板16、横向插板18密闭连接并分割出特定体积水槽库容区，即封闭特定体积水槽库容区14使其与水槽试验区8连接为整体，作为模拟围海工程近海库容区投入使用；另结合水槽试验区8水面升降的平稳程度要求情况，在水槽消能区6布置消能构筑物。

b.潮位调节过程

根据试验工况确定试验所需合龙设计潮型，将设计潮型信息输入控制模块，阀门1打开，水泵4开始向水槽消能区6抽水至设计潮位初始条件下的水位值，外水位计3实时反馈水槽感潮区7的水位值以便水槽感潮区7内水位变化符合预期同时起到校正效果。试验中，水泵4即根据输入潮型曲线变化情况在周期内向水槽消能区6内抽水、排水，以外水位计3测量的水位结果为反馈，水槽感潮区7内水位变化情况即符合所输入设计潮型变化情况。

c.试验及参数记录过程：

通过包含下滑轨12、竖向滑轨10和上滑轨11构成的滑轨系统使声学多普勒流速仪13根据试验需求运动至特定位置并锁定该位置，声学多普勒流速仪13探头到达龙口合龙区域特定水深、特定横向位置处。此时外潮位已开始变化，通过启动声学多普勒流速仪13即可实现一个试验周期内该龙口合龙条件下龙口处特定点位置处点流速的测量。通过外水位计3获取的水位信息即可获取潮位变化过程对应时刻中潮位值及其变化信息，通过内水位计23反馈的水位值信息即可获取外潮位变化过程中对应时刻库容区水位值及其变化信息；通过声学多普勒流速仪13获取龙口合龙处特定点的流速信息。

在模拟龙口合龙过程中，即以一个潮位变化周期为单位时间，在龙口处分位置分顺序地安放特制橡皮泥模型并与底床21保持密闭连接，模拟龙口合龙过程中的平堵、立堵以及平立堵过程，在每一工况下均通过内水位计23获取库容区水位值，通过外水位计3获取并验证潮位值，通过声学多普勒流速仪13获取龙口合龙处特定点流速信息。即可通过物理模型试验过程获取龙口合龙水力过程中的内港水位值、潮位值等水力指标。

d.试验后处理过程：

将试验记录结果实时反馈至外接计算机，即可掌握龙口合龙过程中内港水位、内外港水位差、口门处流速等水力要素的变化规律，通过比较水力要素的变化情况得到龙口水力要素最大值。根据类似工程经验，以流速为控制龙口合龙的难度指标，试验中即通过得到不同龙口底高程、不同龙口宽度下的龙口最大流速，选择龙口合龙控制流速，进而确定龙口宽度及底高程，进而为确定龙口尺寸，选择龙口合龙程序、进行龙口防护以及截流堤设计提供依据。

e.改变工况试验过程

根据试验需要设计并可结合实际试验要求重新塑造底床21形态，通过横向插板18、纵向插板16组合根据对应库容曲线改变库容值，根据试验要求改变海堤模型9布置位置及布置方式，重复过程a.b.c.d，即可满足不同海底形态、不同库容曲线条件以及不同围海海堤布置方式下的龙口合龙过程水力要素的确定需求，得到平堵、立堵以及平立堵不同施工方式下龙口合龙处所需水力要素值，便于后续详细对比分析及为数值模拟提供验证参考。

f.试验结束及器材整理

关闭水泵，待水排出试验水槽后关闭阀门1，拆除各活动构件，整理试验器材，试验结束。