[發明專利]一種波浪作用下沙質海岸岸灘演變物理模型試驗方法

有效

• 申請號: 202211006619.4
• 申請日: 2022-08-22
• 公開（公告）號: CN115346427B
• 公開（公告）日: 2023-06-13
• 發明（設計）人: 孫波;王寧舸;唐磊;厲澤逸;鄭金海;戴鵬;陳大可;劉均衛;張弛;孫林云;肖凱;錢龍;郭天潤;吳炳良
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G09B23/40
• 分類號: G09B23/40
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 韓紅莉

1.一種波浪作用下沙質海岸岸灘演變物理模型試驗方法，其特征在于，包括：

(1)確定模型的試驗范圍、定床邊界位置和動床邊界位置；

(2)確定原型海岸的代表波向、代表波高、代表波周期、泥沙中值粒徑、粒徑級配、泥沙顆粒密度、泥沙表觀干密度以及總質量沿岸輸沙率；

(3)確定模型的平面比尺、垂直比尺、波長比尺、波高比尺、波周期比尺、泥沙起動波高比尺和沉速比尺；

(4)根據泥沙的起動波高比尺和沉速比尺，選擇模型沙并確定模型沙的中值粒徑、模型沙的級配、模型沙的顆粒密度和模型沙的表觀干密度；

(5)計算模型預估總質量沿岸輸沙率；

(6)在試驗水池中，制作定床地形和動床地形，并在動床地形和定床地形交接處設置過渡帶；

若定床地形或動床地形上有涉水建筑物和人為地形，則在試驗水池中相應地制作涉水建筑物地形和人為地形；

在動床地形的上游邊界處設置加沙裝置，在動床地形的下游邊界處設置收沙裝置，并按試驗要求的波浪方向在外海邊界處設置造波機；

在造波機兩側設置與造波機垂直的導波板；

(7)開展波浪率定工作：首先將試驗水池加水到試驗水位；

待試驗水池的水面穩定后，根據代表波要素設置波浪參數，開啟造波機造波，調試造波機使試驗水池中波浪要素滿足試驗要求；

(8)開展模型驗證試驗；

(9)根據模型驗證試驗中最后實測的模型沿岸輸沙率，計算岸灘沖淤時間比尺；

(10)開展試驗要求的岸灘演變試驗組次；

確定平面比尺、垂直比尺、波長比尺、波高比尺和波周期比尺，通過以下步驟實現：

基于試驗場地尺寸、研究區域范圍和造波機造波能力，確定平面比尺λ_l和垂直比尺λ_h；

若試驗要求的波浪繞射相似強于波浪折射相似，則平面比尺λ_l等于垂直比尺λ_h，波長比尺λ_L和波高比尺λ_H均等于垂直比尺λ_h；

按下式計算波周期比尺λ_T：

λ_T＝λ_h^1/2?(5)

泥沙的起動波高比尺等于模型的垂直比尺；

確定泥沙的沉速比尺，通過以下步驟實現：

基于懸沙對流輸運相似和懸浮相似，確定泥沙的沉速比尺；

懸沙對流輸運相似對應的沉速比尺為：

λ_ω＝λ_h^3/2/λ_l?(6)

式中：λ_ω為沉速比尺；λ_h為垂直比尺；λ_l為平面比尺；

懸浮相似對應的沉速比尺為：

λ_ω＝λ_h/λ_l^1/2?(7)

若模型為正態模型，則同時滿足懸沙對流輸運相似和懸浮相似；

若模型為變態物理模型且試驗要求的懸浮相似強于淤積部位相似，則采用公式(6)確定泥沙的沉速比尺；

若模型為變態物理模型且要求淤積部位相似，則采用公式(7)確定泥沙的沉速比尺；

根據泥沙的起動波高比尺和沉速比尺，選擇模型沙并確定模型沙的中值粒徑、模型沙的級配、模型沙的顆粒密度和模型沙的表觀干密度，通過以下步驟實現：

步驟5.1：選取劉家駒提出的波浪作用下的泥沙起動公式作為泥沙起動波高計算依據，得到模型沙的中值粒徑、相對浮密度與垂直比尺的關系：

式中：Δ為相對浮密度，Δ＝(ρ_s/ρ)-1，其中ρ_s為泥沙顆粒密度，ρ為水的密度；g為重力加速度，λ_d為泥沙粒徑比尺，d為中值粒徑；λ_h為垂直比尺；為在原型沙中的值和在模型沙中Δgd+0.486×10^-6/d的值之比；

步驟5.2：選取武漢水利電力學院提出的泥沙沉速公式作為泥沙沉速計算依據，得到模型的中值粒徑、相對浮密度與垂直比尺的關系：

式中：為在原型海岸中的值和模型海岸中的值之比，其中υ為水的運動粘滯系數，λ_ω為沉速比尺；

步驟5.3：若要求淤積部位相似，則分別根據公式(6)、(8)和(9)計算粒徑比尺，確定模型沙的中值粒徑和模型沙的顆粒密度；

若要求懸浮相似，則分別根據公式(7)、(8)和(9)計算粒徑比尺，確定模型沙的中值粒徑和模型沙的顆粒密度；

步驟5.4：根據下式確定模型沙的級配：

式中：d_i表示粒徑累計頻率等于i時對應的粒徑；為在原型沙d_i/d的值和模型沙中d_i/d的值之比；

模型沙的表觀干密度由模型沙干燥后使用環刀稱重法測得。