一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽及其使用方法与流程

1.本发明涉及振荡水槽领域，尤其是一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽及其使用方法。


背景技术：

2.在河口海岸地带，波浪的持续作用可能导致底床内部孔隙水压力(以下简称孔压)急剧增大，底床有效应力迅速减小甚至消失，底床内部泥沙颗粒发生悬浮，表现出流体性质，即底床发生液化。液化后，底床失去承载能力，威胁区域海洋工程及近海建筑物的安全，因此准确监测底床液化并揭示其机理有着重要的实际意义。针对波浪作用下泥沙运动的实验研究，目前所采取的手段主要包括波浪水槽实验和u型振荡水槽实验：波浪水槽可通过推波板的往复运动来生成满足条件的波浪，适用于多种工程模型实验，但水槽长度较大，占地面积大；u型振荡水槽主要用来模拟波浪边界层水体的往复流动，其占地面积相对较少，两种水槽多用于床面泥沙的起动与悬扬规律研究。在波致底床液化实验研究中，上述两种水槽也有广泛应用，通过在泥沙底床内埋置点式孔隙水压力计，实时监测波浪作用下不同埋深处的孔压，以孔压的变化特征推测底床液化条件。然而底床泥沙并非均匀、各向同性的，传统点式孔压监测的手段无法获取底床孔压的整体分布情况，其侵入式测量方法亦会扰动底床结构，造成实验的不确定性较大；且泥沙颗粒不透明，无法直接监测与孔压分布密切相关的波致渗流，制约了底床液化机理的研究。因此，亟需研发新型测量装置，实时监测底床内部孔压空间分布，捕捉底床内部渗流过程，为底床液化研究提供支撑。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于，提供一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽及其使用方法，占用空间小，且各部分拆装方便，易于携带和清洗；实验材料用量较少，且方便回收多次利用，实验成本低。
4.为解决上述技术问题，本发明提供一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽，包括：动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4、法兰5、量测系统、千斤顶及活塞8和粒子图像测速系统；动力区1、实验区2和储液区3通过法兰5相连，透明土槽4安装在所述实验区下方，通过法兰5连接，量测系统安装于实验区2，千斤顶及活塞8设置在透明土槽4下部，粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，激光器11从侧面向透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于激光器11发射的平面光拍摄透明土槽4，获得图像堆栈。
5.优选的，量测系统包括取水孔9、固定支架10和流速剖面仪13；流速剖面仪13用于实时监测流体运动状态，由固定支架10固定，取水孔9为实验区2上的开孔，通过止水阀的开启和关闭可取水或止水，用于取样测量悬沙浓度。
6.优选的，动力区1上部还设置有交流变频调速电机6，通过电机活塞7的往复振动带动实验区2内溶液的振荡，动力区1下部设有排液口14。
7.优选的，实验区2是透明土和溶液接触区，其上方装有量测系统，通过流速剖面仪
13和取水口9分别监测实验区2近底流速与悬沙浓度。
8.优选的，储液区3上方与外界连通，储液区3内液面高度大于动力区1内液面高度。
9.优选的，动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4的外壁均由透明亚克力板制成。
10.相应的，一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，包括如下步骤：
11.(1)预实验：根据实验所模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d，调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6直至溶液稳定振荡，持续5分钟左右后关闭交流变频调速电机6及流速剖面仪13，由流速剖面仪13记录的数据，获得近底流速峰值u
bm
及近底流速衰减系数拆下流速剖面仪13，打开排液口14将溶液回收，将本设备各部分拆开并清洗；其中，s1为动力区1电机活塞7底面积，h0为实验区2高度，b为实验区2宽度；
12.(2)波致底床液化实验：实验开始前，首先向溶液中加入荧光剂，调整千斤顶及活塞8，使透明土槽4深度大于所需底床厚度，向透明土槽4中加入适量溶液，之后向溶液内加入透明土，直至透明土溶液饱和，振荡搅拌后静置沉降，使底床表面平整，将实验区2通过法兰5安装于透明土槽4上方，并通过法兰5将实验区2分别与动力区1和储液区3连接，推动千斤顶及活塞8，使透明土槽4的底床面与实验区2下边缘平齐，安装流速剖面仪13，将溶液从储液区3上部开口缓慢倒入至液面距底高度h处，需保证不扰动透明土槽4中的底床，架设激光器11与高速相机12并调整至合适角度，其中激光器11从侧面向所述透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于平面光拍摄透明土槽4，根据预实验结果以及需要模拟的波浪参数，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d；调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6，同时打开高速相机12开始摄像，当监测到底床出现滑动面时，表明液化已发生，当监测到底床滑动面高度开始减小时，关闭交流变频调速电机6，停止流速剖面仪13，关闭激光器11及高速相机12，实验期间可打开取水孔9，采集悬沙样本；
13.(3)实验结束：打开排液口14将溶液回收，静置后将本设备各部分拆开并清洗，回收透明土，将高速相机12拍摄的图像堆栈输入计算机，通过图形分析技术构建透明土槽4的底床内部三维图形，获取透明土槽4的底床内部泥沙颗粒位移与渗流流场信息，将流速剖面仪13采集数据进行数据质量筛查、坏点删除等处理后，通过紊动动能法反算床面切应力，将实验期间通过取水孔9采集的悬沙样本进行过滤烘干称重等步骤处理，获取实验区2的近底悬沙浓度信息，上述物理量均为同步采集，用于波致底床液化发生条件及机理的研究。
14.本发明的有益效果为：能够通过外置的高速相机非侵入式记录底床内部渗流流场，在不干扰泥沙底床的前提下，获取孔压的空间分布特征，增加监测数据的可信性，获得更高的模拟精度；透明土槽的深度可通过调节千斤顶活塞自由调节，便于对不同厚度的底床进行实验，操作简单；同时本发明占用空间小，且各部分拆装方便，易于携带和清洗；实验材料用量较少，且方便回收多次利用，实验成本低。
附图说明
15.图1为本发明的振荡水槽立面示意图。
16.图2为本发明的振荡水槽a
‑
a断面图。
17.其中，1、动力区；2、实验区；3、储液区；4、透明土槽；5、法兰；6、交流变频调速电机；
7、电机活塞；8、千斤顶及活塞；9、取水孔；10、固定支架；11、激光器；12、高速相机；13、流速剖面仪；14、排液口。
具体实施方式
18.一种非侵入式检测波致底床液化的振荡水槽，包括：动力区1、实验区2、储液区3、透明土槽4、法兰5、量测系统、千斤顶及活塞8和粒子图像测速系统；动力区1、实验区2和储液区3通过法兰5相连，透明土槽4安装在所述实验区下方，通过法兰5连接，量测系统安装于实验区2，千斤顶及活塞8设置在透明土槽4下部，粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，激光器11从侧面向透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于激光器11发射的平面光拍摄透明土槽4，获得图像堆栈。
19.动力区1顶部安装有交流电机6及电机活塞7，交流变频调速电机6的转速及电机活塞7的振幅均可以调节，从而改变往复流的频率、流速和水压力振幅。所述量测系统安装于所述实验区2，包括流速剖面仪13，固定支架10和取水孔9。所述流速剖面仪13用于实时监测实验区2内液体流体运动状态，由支架10固定；所述取水孔9用于取样测量实验区2内液体的悬沙浓度。所述透明土槽4的下部设有千斤顶及活塞8，通过调节其位置可改变透明土槽4的深度。所述储液区3用于控制初始水位的高度，上部开口与外界连通，所述储液区3内液体高度需高于所述动力区1。所述粒子图像测速系统包括激光器11和高速相机12，其布置方式如图1和图2所示，图1中，激光器11向透明土槽4发射平面光，其所在平面与主视图所在投影面平行；图2为a
‑
a断面图，高速相机12垂直于平面光拍摄。
20.一种非侵入式监测波致底床液化的振荡水槽的关键技术参数包括：(1)尺寸参数：动力区1电机活塞7底面积s1；实验区2截面面积s2及液面高度h2；储液区3的截面面积s3及液面高度h3；(2)动力类参数：电机活塞7的角频率ω和冲程d，实验区2的近底流速衰减系数c1。其中，实验区2的近底流速衰减系数c1需通过预实验确定；储液区3的静水位h3可参照以下公式：
[0021][0022][0023]
动力类参数中ω、d可参照以下公式：
[0024][0025][0026]
其中，h、t分别为实验所模拟的波浪的波高和周期。
[0027]
非侵入式监测波致底床液化的振荡水槽的使用方法，需要透明土及其溶液(溶液折射率与透明土相同)以及荧光剂。具体步骤如下：
[0028]
(1)预实验：根据实验所模拟的波浪参数(波高h、周期t)，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d，调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录
实验区2的近底流速数据，之后启动交流变频调速电机6直至溶液稳定振荡，持续5分钟左右后关闭交流变频调速电机6及流速剖面仪13。由流速剖面仪13记录的数据，获得近底流速峰值u
bm
及近底流速衰减系数拆下流速剖面仪13，打开排液口14将溶液回收，将本设备各部分拆开并清洗。
[0029]
(2)波致底床液化实验：实验开始前，首先向溶液中加入荧光剂。调整千斤顶及活塞8，使透明土槽4深度大于所需底床厚度，向透明土槽4中加入适量溶液，之后向溶液内加入透明土，直至透明土溶液饱和，振荡搅拌后静置沉降，使底床表面平整。将实验区2通过法兰5安装于透明土槽4上方，并通过法兰5将实验区2分别与动力区1和储液区3连接。推动千斤顶及活塞8，使透明土槽4的底床面与实验区2下边缘平齐。安装流速剖面仪13。将溶液从储液区3上部开口缓慢倒入至液面距底高度h处，需保证不扰动透明土槽4中的底床。架设激光器11与高速相机12并调整至合适角度，其中激光器11从侧面向所述透明土槽4发射平面光，高速相机12垂直于平面光拍摄透明土槽4。根据预实验结果以及需要模拟的波浪参数(波高h、周期t)，调整交流变频调速电机6的角频率ω与冲程d；调整流速剖面仪13距实验区2底部的距离，并开启流速剖面仪13记录实验区2的近底流速数据。之后启动交流变频调速电机6，同时打开高速相机12开始摄像。当监测到底床出现滑动面时，表明液化已发生。当监测到底床滑动面高度开始减小时(表明液化已趋于结束)，关闭交流变频调速电机6，停止流速剖面仪13，关闭激光器11及高速相机12。实验期间可打开取水孔9，采集悬沙样本。
[0030]
(3)实验结束：打开排液口14将溶液回收。静置后将本设备各部分拆开并清洗，回收透明土。将高速相机12拍摄的图像堆栈输入计算机，通过图形分析技术构建透明土槽4的底床内部三维图形，获取透明土槽4的底床内部泥沙颗粒位移与渗流流场信息。将流速剖面仪13采集数据进行数据质量筛查、坏点删除等处理后，通过紊动动能法反算床面切应力。将实验期间通过取水孔9采集的悬沙样本进行过滤烘干称重等步骤处理，获取实验区2的近底悬沙浓度信息。上述物理量均为同步采集，可用于波致底床液化发生条件及机理的研究。