[發明專利]一種海岸地貌演變物理模型試驗方法

有效

• 申請號: 202010869625.7
• 申請日: 2020-08-26
• 公開（公告）號: CN112033641B
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 吳浩;房克照;孫家文;王平
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪;侯明遠

本發明屬于海岸和近海工程模型試驗技術領域，提供了一種海岸地貌演變物理模型試驗方法，包括動床模型的快速制作裝置和方法，以及大范圍試驗地形的三維高精度快速測量。通過本發明所提供的方法開展海岸地貌演變試驗，相比于以往的方法，通過設計高程定位桿和等高線定位框架確定動床模型的地形高程，實現快速、準確地制作動床模型；通過動床模型底部石子墊層結合土工布的特殊處理方式，使水易于排出并防止模型沙流失；通過引入測繪領域革命性的三維激光掃描技術，大幅度提升了大尺度試驗地形模型的測量精度和工作效率。本方法經過適當的調整可應用于其他類型水動力學動床模型實驗，具有普遍的適用性。

技術領域

本發明涉及一種波浪作用下沙灘侵蝕造成海岸地貌演變的物理模型試驗方法，屬于海岸和近海工程模型試驗技術領域。

背景技術

海岸侵蝕會造成沿海土地減少、海岸構筑物破壞、海濱浴場退化、海灘生態環境惡化、海岸防護壓力增大、侵蝕下來的泥沙又搬運到港灣淤積而使航道受損，從而成為一種嚴重的環境地質災害。我國海岸線普遍存在海岸侵蝕災害，給沿海城市帶來巨大的生命和財產損失。研究海岸演變的方法主要有現場觀測、數值模擬和模型試驗。海岸演變是水流泥沙運動與地形變化的耦合作用引起的，動力與地貌之間存在相互作用與反饋，物理機理非常復雜。目前對于泥沙運動的水動力學機理仍缺乏足夠的認識，數值建模分析難度大，計算結果依賴實驗驗證。而現場觀測設備昂貴、周期長、人工成本高，缺乏極端條件的觀測資料。因此，水池三維物理模型實驗作為一種可靠的研究手段，被廣泛應用于海岸演變的物理機理研究、海岸侵蝕災害的中長期預報和沙灘養護工程的設計驗證。

海岸演變屬于動床模型實驗，即試驗地形在水動力作用下會發生動態變化。與定床模型試驗不同，動床模型實驗在每一組試驗開始前都需要重新制作動床地形模型，工作量非常大，且模型精度和制作方法直接決定試驗結果的準確性。以往試驗中，由于缺乏有效的高程定位工具，動床地形模型的制作精度普遍不高，制作效率低，試驗組次少，試驗周期長。另外，實際海岸可達數千米范圍，在試驗水池中的模型試驗范圍可達數十米。砂質海岸在波浪、水流作用下的侵蝕和演變變形非常復雜，即有較大尺度的陡坎，也有小尺度的溝槽，這需要在三維空間內實現覆蓋較大范圍且足夠精細的距離測量才能夠描述其物理特征。受傳統測量技術的限制，以往一般采用逐點測量方法，搭建平面框架用測距儀或全站儀進行高程測量，三維空間分辨率和精度低，難以描述海岸演變的小尺度細節特征；測量效率極其低下，對于三維大尺度海岸模型甚至是無法完成的。長期以來，動床地形模型的準確制作和快速測量是海岸地貌演變試驗中迫切需要解決的關鍵技術問題。

發明內容

針對現有技術中動床模型制作和測量精度不高、效率低下的問題，本發明提供了一種海岸地貌演變物理模型試驗方法，包括動床模型的快速制作裝置和方法，以及大范圍試驗地形的三維高精度快速測量技術等。

本發明的技術方案：

一種海岸地貌演變物理模型試驗方法，包括以下步驟：

S1.根據工程區域的海洋水文條件確定試驗條件，包括波浪、水位和潮流；

S2.從工程區域中選取試驗范圍，確定試驗范圍內的海底地形、沙灘平面和剖面形態；

S3.綜合考慮試驗水池10有效尺寸、造波機11性能、波能覆蓋區域、試驗地形、主要水動力驅動因素，設計模型比尺；

S4.根據泥沙運動相似條件選取模型沙，確定沙的中值粒徑；

S5.在試驗水池10中按照模型比尺制作定床模型4，等待模型凝固硬化；

S6.分別率定波浪和潮流，造波機11在試驗水池10中產生波浪，根據試驗條件率定波浪要素；水泵在試驗水池10中產生潮流，根據試驗條件率定流速和流向；

S7.在定床模型4的基礎上，采用安裝高程定位桿和定位框架的方法，快速、準確地制作動床模型5；動床模型5底部以及陸域連接帶采用石子墊層6襯底并鋪設土工布7的方式，使水易于滲出的同時阻擋模型沙流失；