一种海底输沙模拟方法 【技术领域】
本发明涉及一种浅水海域波状底床泥沙输移的模拟方法。
背景技术
现场观测表明，浅水海域底床是存在着各种不同尺度的波状沙体，它们大多以非对称形式呈现。在潮流、波浪等水动力作用下，这些非对称的波状沙体是不稳定的，以一定的速率移动，底床附近流速、底床形状以及泥沙性质等等决定着泥沙输移率和输移方向。由此带来一系列问题。比如，通过沙波区的管线可能会裸露，甚至被悬空。航道会由于附近沙波移动而堵塞。从安全和经济利益的角度考虑，管线安全与管线埋深的优化，航道运营与清淤费用盈亏等等都是投资商最为关心的。因此研究非对称波状底床下的泥沙输移显得尤为重要。
【发明内容】
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种海底输沙模拟方法。
为实现上述目的，本发明一种海底输沙模拟方法包括如下步骤：
1)在一设置有波状海床模型的水槽底部均匀铺上一层适当厚度地经过烘干的沙粒；
2)向水槽中注水，注水过程中尽可能减少水流对沙面扰动，以保证沙粒均匀停留在海床模型表面；
3)驱动水体振荡，以保证水流形成的漩涡能够掀起、带动沙粒运动；
4)采用激光片光源，并将光束照射在海床表面沙层的中间部位，以反映某一断面上海床模型表面沙粒的流动状况和抛起的沙粒在水体中的运动状况，并通过一摄像机采集该过程的图像信息；
5)经过充分的振荡时间，待海床模型面上的沙粒完全被输移到水槽两侧附近后，停止振荡。
进一步地，还包括如下步骤：
6)释放出水槽中的水，分别完全收集水槽两侧附近的沙粒；
7)将收集到的沙粒充分烘干，分别记录其质量。
进一步地，所述波状海床模型表面形状为对称波状、余弦非对称波状或指数非对称波状。
进一步地，所述波状海床表面粘接一层沙粒层，该层沙粒仅其与海床本体相对的一侧表面与模型本体相粘接，沙粒的其他表面均以其自然形态裸露在外。
本发明通过对浅水海域波状底床泥沙的输移状况的研究，为在各种表面形状海床上的管线铺设和工程建设提供理论依据，避免设计上的盲目性。
【附图说明】
图1为本发明所采用的模拟装置工作状态局部剖视示意图；
图2为图1中A向局部示意图；
图3为图1中B-B剖面图；
图4为图1中C向局部示意图；
图5为另一种海床模型断面示意图；
【具体实施方式】
本发明所采用的设置有波状海床的水槽结构如图1至图4所示，U形管8开口垂直向上设置，其右端呈开放状态，与大气连通，在适当高度处设置有一压力传感器9，U形管8左端通过管道2与一风机1相接，管道2与U形管8之间设置有一控制阀3，U形管8底段中部设置有海床模型安装段20，海床模型14安装在该安装段20内，海床模型安装段20上方设置有一激光片光源7，海床模型安装段20的一侧设置有一摄像机16(见图3)。
控制阀3的壳体18与U形管8一体制成，其内腔通过转轴4安装有一阀板6，控制阀3壳体一侧外表面设置有一步进式伺服电机17(见图4)，该伺服电机17的输出轴与转轴4相连，控制阀3的壳体18上设置有两个开放口5，该两个开放口5的位置分别与阀板6的两个工作位置相对应，即：阀板6在图示位置时，上方开放口5使管道2与大气连通，右侧开放口5使U形管8左端与大气连通；阀板6旋转90度左右处于其第2个工作位置时，两个开放口5均被阀板6封闭，管道2与U形管8左端相连通。
U形管8由透明材料制成，其断面为矩形(见图3)，其底段底壁上设置有一排水阀21，U形管8底段中部的海床模型安装段20一侧设置有一可拆卸的封板10，摄像机16位于封板10一侧，海床模型安装段20中与封板10相对的另一侧壁上设置有一遮光层13，海床模型安装段20顶壁上同样设置有一遮光层13，该遮光层13中部开有一与激光片光源7的下射光束形状相匹配的条状透光窗口11。
模拟装置工作时，按照如下步骤进行：
1)在波状海床模型14的表面均匀铺上一层适当厚度的经过烘干的沙粒15；
2)向U形管8中放入适量的水，注水过程中尽可能减少水流对沙面扰动，以保证沙粒均匀停留在海床模型14表面；
3)通过控制装置(图中未示出)设定控制阀3中阀板6的摆动频率，启动风机1向外抽风，随着阀板6在其两个工作位置的循环切换，U形管8中的水在风机1和大气的作用下在管内往复振荡，位于海床模型14处的水流由此形成往复流动的波浪流对沙粒15进行冲刷，并将沙粒15向模型两侧或一侧输移；
4)采用激光片光源7，并将光束照射在海床模型14表面沙层的中间部位，以反映某一断面上海床模型表面沙粒的流动状况和抛起的沙粒在水体中的运动状况，并通过摄像机16采集该过程的图像信息。由于U形管8内的水流开始振荡的初期振幅不稳定，为了摄取有效的海流输沙形态，必须待水流稳定振荡后进行，这时通过压力传感器9可以对水流是否稳定振荡进行检测，待水流稳定振荡后，压力传感器9将检测信号发送给控制装置，控制装置控制激光片光源7及摄像机16开始工作。采用激光片光源，并将光束照射在海床模型14表面沙层的中间部位，同时在摄像机对面的U形管8侧壁上设置遮光层13，可以保证摄像机16仅摄取沙层中间部位在水流作用下的输移图像，有助于消除沙层边界部位的影响，从而获取与实际情况更接近的图像信息；
5)经过充分的振荡时间，待海床模型14面上的沙粒完全被输移到水槽两侧附近后，停止振荡；
6)通过排水阀21将U形管8中的水释放，分别收集被冲刷到海床模型14两侧附近的沙粒；
7)将收集到的沙粒充分烘干，分别记录其质量。
为了保证U形管8内的水流产生稳定的振荡，阀板6的切换频率最好与U形管8的自振频率相同。
如图5所示，针对不同形态海床在海流作用下的输沙状况，可以通过更换具有不同表面形状的海床模型来加以研究。为了使海床模型14的表面形态更接近实际情况，模型表面需粘接一层沙粒层，该层沙粒仅其与模型本体相对的一侧表面与模型本体相粘接，沙粒的其他表面均以其自然形态裸露在外(图中未示出)。
表1为不同表面形状的海床模型输沙对比表 底床形状沙总重(g)平缓侧沙重(g)陡峭侧沙重(g)比例近似 对称 160 68 72 0.94指数非对称 160 121 12 10.08余弦非对称 160 90 38 2.37