一种波流强耦合模拟试验水池的制作方法

本实用新型涉及水利及海洋工程水动力模拟试验技术领域，具体是一种波流强耦合模拟试验水池。

背景技术：

在河口、海岸及近海地区，波浪是引起海岸变化的主要因素，波浪对沿岸设施的破坏是毁灭性的，在台风浪期间海浪携带的大量泥沙会使港口、航道淤塞严重；潮流则直接影响海岸带波浪强度及作用范围，影响海岸地貌类型的发育，造成近岸地区海床冲淤变化，在淤泥质海岸尤其明显。

波浪、潮流的相互作用效应显著、机理复杂，近岸区的许多自然现象，如波浪减水及增水、裂流及近岸水流系统等都受波流相互作用影响。我国海岸线曲折绵长，沿海地区在台风影响期间将正面遭遇大浪的侵袭，在大潮差区域相应的潮流流速往往也较大。在波流耦合试验水池中模拟波浪、潮流对海工建筑物的共同作用，开展跨海桥梁、海中塔基等建筑物的局部冲刷及波流冲击力研究，向来都是海岸工程的重、难点课题，具有重要的科学意义和工程应用价值。

多年来，海岸工程研究常用的传统试验水池只能单一模拟波浪或潮流水动力条件，水池控制既麻烦，控制精度也不高。如传统意义上的波浪港池，主要用于开展纯波浪动力下海工建筑物的波浪力、块体稳定性、波浪爬高及越浪量等方面的研究；再如传统意义上的潮流水池，主要用于开展往复潮流作用下的水动力、河/海床冲淤等方面的研究，其模拟潮汐流的同时难以叠加波浪动力。考虑到实际海况中波浪、潮汐流是同时存在的，两者的耦合作用机制较为复杂，尤其是波向、流向较为接近时，模拟试验的水动力条件必须考虑两者的相互耦合作用。虽然国内部分高校及科研院所相继建成波流水池，但与波浪相互作用的水流大多以恒定流为主，且波流耦合只能进行弱浪强流或强浪弱流等弱非线性水动力条件模拟，很难进行风暴潮等极端气象条件下强浪强流的强非线性耦合水动力条件试验模拟。

技术实现要素：

本实用新型的目的正是针对上述背景中现有的波浪、潮流耦合试验技术中所存在的缺陷和不足，提供一种波流强耦合模拟试验水池。该试验水池系统结构简单，操作方便；可同步模拟波浪和潮汐流两种海洋现象，较好地实现波浪和潮流耦合水动力条件；通过该水池系统弥补了传统试验中波流耦合模拟的单一性和不确定性，成功地实现了强浪强流强非线性耦合试验模拟，提高了对海工结构物分析与研究的可靠性和准确性。

本实用新型提供的技术方案是：一种波流强耦合模拟试验水池，包括：水池主体结构、地下环形水库、造波机、生潮系统、消浪材料；所述水池主体结构包括水池边墙、波流耦合试验地形、进出水口；所述水池边墙位于水池四周，所述波流耦合试验地形包括依次相连的波流前池段、波流过渡段、波流试验段，所述波流前池段高程低于所述波流试验段；所述波流前池段和波流试验段上均开有进出水口，所述进出水口上布置多孔消能板；所述地下环形水库位于波流耦合试验地形下方，地下环形水库与所述进出水口相连通，所述地下环形水库内进出水口处均设置有生潮系统，所述生潮系统包括若干双向泵、流量计，所述双向泵的一端和进出水口相连通，双向泵的另一端安装流量计；所述造波机位于波流前池段且位于进出水口的外端；所述造波机的外端和波流试验段的进出水口外端均设置消浪材料；所述波流试验段上还设置有流速仪和波高仪。

进一步的，所述地下环形水库顶部布置有通气管。

进一步的，所述造波机包括造波机基座、驱动机构、伺服电机、摇摆式造波板，所述伺服电机安装在所述造波机基座的顶部，所述摇摆式造波板布置在所述造波机基座的前端，所述伺服电机的动力通过驱动机构传递给摇摆式造波板。

进一步的，所述消浪材料包括首端消浪材料和末端消浪材料，首端消浪材料位于造波机的外端，末端消浪材料位于波流试验段的进出水口外端，所述首端消浪材料由塑料盲沟组成，紧贴造波机外端的水池边墙且垂直安装在水池边墙内侧；所述末端消浪材料由塑料盲沟和笼装大块石组成，所述塑料盲沟绑于支架的斜面上，所述支架紧邻波流试验段的进出水口外端的水池边墙；所述笼装大块石由镀锌铁丝作为网笼材料将大块石笼装于其中制成，所述笼装大块石放置于所述支架的下方。

进一步的，所述水池边墙采用防渗混凝土结构，墙面采用防渗光滑涂料涂抹。

进一步的，所述波流过渡段由1:6～1:10坡和水平段组成，水平段高程和所述波流试验段高程相等。

进一步的，所述摇摆式造波板运动最前端与波流前池段的进出水口的距离为1～3m。

根据实际试验需要，生潮系统通过双向泵生成对应流量的水流，再通过流量计校核调整。生潮系统生成的水流通过进出水口进出水池，进出水口布置的多孔效能板使得水流平顺，减少对水池水体的扰动。造波机在波流前池段生成波浪要素。波流耦合水池因造波需要，一般不采用垂向消能结构，目前波流耦合水池一般采用底部出水方式生潮，会产生“顶部流速过大、底部流速过小”现象。本试验水池波流过渡段采用1:6～1:10的坡度，可以通过斜坡增加底部流速，减小顶部流速；同时也可以利用地形对波浪浅水变形作用，增加波高而不破坏波形，提升水池的造波能力。波流过渡段上游水深大，则浪弱流弱，有利于波流弱耦合，下游水深相对较小，则浪强流强，易产生波流强耦合水动力条件，斜坡设计可以加速波浪和水流的耦合过程，使得弱浪弱流平顺过渡到强浪强流。水池首端消波结构消耗反向波能，减少对正向波的扰动，水池末端消波结构消耗波浪和水流能量，减少反射波对试验区域的影响。波流耦合过程中，由于波浪对水位影响，传统的水位监测控制已不能满足要求，需要利用波高仪监测波浪要素，利用流量计配合流速仪一同监测水流条件。

本实用新型有益效果如下：

1、功能性：本实用新型提供了一种波流强耦合模拟的试验水池及试验方法，可研究强浪强流流对海工结构物的联合影响，对海岸工程设计及海洋防灾减灾意义重大。

2、实用性：本实用新型提供的试验水池及试验方法操作简单，只要按上文的步骤操作无误便可实现强浪强流强非线性的高精度模拟，缩短了同类试验在前期调试环节的工作周期。

3、经济性：本实用新型提供的试验水池较宽，各类海工建筑物的局部模型试验不会受边壁效应的影响；试验水池造波、造流能力强劲，能适应不同尺度波、流动力要素的实验室模拟。今后开展试验时，水池不需要额外改造场地及造波造流设施，可立即投入试验，节省了同类试验的前期成本。

附图说明

图1是本实用新型的波流强耦合模拟试验水池在地面以上的平面布置图；

图2是本实用新型的波流强耦合模拟试验水池的剖面图；

图3是本实用新型的波流强耦合模拟试验水池的左半部分剖面放大图；

图4是本实用新型的波流强耦合模拟试验水池的右半部分剖面放大图；

图5是本实用新型的消浪材料的剖面图；

图中：1：水池主体结构；1-1：水池边墙；1-2：波流耦合试验地形；1-2-1：波流前池段；1-2-2：波流过渡段；1-2-3：波流试验段；1-3：进出水口；2：地下环形水库；2-1：通气管；3：造波机；3-1：造波机基座；3-2：驱动机构；3-3：伺服电机；3-4：摇摆式造波板；4：生潮系统；4-1：双向泵；4-2：流量计；5：消浪材料；5-1：首端消浪材料；5-1-1：塑料盲沟；5-2：末端消浪材料；5-2-1：笼装大块石；5-2-2：支架；6-1：流速仪；6-2：波高仪。

具体实施方式

为能进一步了解本实用新型的实用新型内容、特点及功效，特例举以下实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1-5所示，本实用新型提供一种波流强耦合模拟试验水池，包括：水池主体结构1、地下环形水库2、造波机3、生潮系统4、消浪材料5；所述水池主体结构1包括水池边墙1-1、波流耦合试验地形1-2、进出水口1-3；所述水池边墙1-1位于水池四周，所述波流耦合试验地形1-2包括依次相连的波流前池段1-2-1、波流过渡段1-2-2、波流试验段1-2-3，所述波流前池段1-2-1高程低于所述波流试验段1-2-3；所述波流前池段1-2-1和波流试验段1-2-3上均开有进出水口1-3，所述进出水口1-3上布置多孔消能板1-3-1；所述地下环形水库2位于波流耦合试验地形1-2下方，地下环形水库2与所述进出水口1-3相连通，所述地下环形水库2内进出水口1-3处均设置有生潮系统4，所述地下环形水库2除满足水池蓄水的主要功能外，还兼作造流水体循环运作的需要。所述生潮系统包括若干双向泵4-1、流量计4-2，所述双向泵4-1的一端和进出水口1-3相连通，双向泵4-1的另一端安装流量计4-2；所述造波机3位于波流前池段1-2-1且位于进出水口1-3的外端；所述造波机3的外端和波流试验段1-2-3的进出水口1-3外端均设置消浪材料5；所述波流试验段1-2-3上还设置有流速仪6-1和波高仪6-2。

所述造波机3包括造波机基座3-1、驱动机构3-2、伺服电机3-3、摇摆式造波板3-4，所述伺服电机3-3安装在所述造波机基座3-1的顶部，所述摇摆式造波板3-4布置在所述造波机基座3-1的前端，所述伺服电机3-3的动力通过驱动机构3-2传递给摇摆式造波板3-4，驱动机构3-2实际上是有若干连杆连接而成的结构，起到动力的传递作用。

所述消浪材料5包括首端消浪材料5-1和末端消浪材料5-2，首端消浪材料5-1位于造波机3的外端，末端消浪材料5-2位于波流试验段1-2-3的进出水口1-3外端，所述首端消浪材料5-1由塑料盲沟5-1-1组成，紧贴造波机3外端的水池边墙1-1且垂直安装在水池边墙1-1内侧；所述末端消浪材料5-2由塑料盲沟5-1-1和笼装大块石5-2-1组成，所述塑料盲沟5-1-1绑于支架5-2-2的斜面上，所述支架5-1-1紧邻波流试验段1-2-3的进出水口1-3外端的水池边墙1-1；所述笼装大块石5-2-1由镀锌铁丝作为网笼材料将大块石笼装于其中制成，所述笼装大块石5-2-1放置于所述支架5-2-2的下方。

所述水池边墙1-1位于水池四周，所述水池边墙1-1采用防渗混凝土结构，墙面采用防渗光滑涂料涂抹。

所述波流过渡段1-2-2由1:6～1:10坡和水平段组成，水平段高程和所述波流试验段1-2-3高程相等。

所述摇摆式造波板3-4运动最前端与波流前池段1-2-1的进出水口1-3的距离为1～3m。

所述地下环形水库2顶部布置有通气管2-1，用于释放所述环形水库中多余的气体。

波流强耦合模拟试验水池的使用方法如下：

a.试验人员首先根据模拟试验的水文工况，预测试验过程中可能需要的最大用水量，确定环形水库2中双向泵4-1开启的数量及位置；

b.向试验水池中注水；

c.左侧、右侧的双向泵4-1的工作流量分别为正流量及负流量，正流量端水体从地下环形水库2涌上含多孔消能板1-3-1的进出水口1-3后流向负流量端，并由负流量端的进出水口1-3经多孔消能板1-3-1进入地下环形水库2进行水体循环；左侧、右侧的双向泵4-1不停实现对拉，从而生成潮汐流，在波流试验段1-2-3根据流速仪6-1实时采集的流速数据，统计模拟的各时刻潮汐流流速与目标值误差是否在±5％以内，经反复调试边界的造流过程曲线，直到试验段的潮汐流满足误差要求为止，确定各双向泵最终控制频率；

d.待水池中的潮汐流平稳一段时间后，预热造波机3；

e.启动造波机3，设置水深、造波个数、采样间隔及波要素大小等造波参数，以模拟正式试验需要的波浪动力；波浪可以是规则波，也可以是不规则波，规则波波列需输入的特征波要素为平均波高、平均波周期，不规则波波列需输入的特征波要素为有效波高、谱峰周期。造波机3一旦运行后，造波板将产生前后摇摆形成的波浪序列，波浪序列流经前池段1-2-1和波流过渡段1-2-2，波形平稳传至水池中部，在波流试验段1-2-3根据波高仪6-2实时采集的波浪数据，统计模拟的波浪要素(波高、波周期等)与目标值误差是否在±5％以内。一个波列作用后，待水面的波动幅度几乎减小为0后，改变入射边界的波要素，反复调试直到波流试验段1-2-3的波浪满足误差要求为止，确定各项造波控制参数(规则波参数为平均波高、平均波周期；不规则波参数为有效波高、谱峰周期、随机因子)；

f.通过塑料盲沟5-1-1和笼装大块石5-2-1的有机组合，通过改变塑料盲沟5-1-1和笼装大块石5-2-1的数量(增加或减少)，和/或改变塑料盲沟5-1-1的层数、铺设角度，和/或改变笼装大块石5-2-1的粒径，达到调整消浪材料的消浪效果。当遇到波高较大、波长较长的特殊情形，可适当增加塑料盲沟5-1-1及笼装大块石5-2-1的数量；

g.待模拟的潮汐流、波浪都达到目标值后，放入海工建筑物的模型，开始波流耦合条件下的方案模拟试验。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型后续还会有进一步的优化和改进，这些优化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。