[发明专利]一种海岸地貌演变物理模型试验方法

说明书

本发明属于海岸和近海工程模型试验技术领域，提供了一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括动床模型的快速制作装置和方法，以及大范围试验地形的三维高精度快速测量。通过本发明所提供的方法开展海岸地貌演变试验，相比于以往的方法，通过设计高程定位杆和等高线定位框架确定动床模型的地形高程，实现快速、准确地制作动床模型；通过动床模型底部石子垫层结合土工布的特殊处理方式，使水易于排出并防止模型沙流失；通过引入测绘领域革命性的三维激光扫描技术，大幅度提升了大尺度试验地形模型的测量精度和工作效率。本方法经过适当的调整可应用于其他类型水动力学动床模型实验，具有普遍的适用性。

技术领域

本发明涉及一种波浪作用下沙滩侵蚀造成海岸地貌演变的物理模型试验方法，属于海岸和近海工程模型试验技术领域。

背景技术

海岸侵蚀会造成沿海土地减少、海岸构筑物破坏、海滨浴场退化、海滩生态环境恶化、海岸防护压力增大、侵蚀下来的泥沙又搬运到港湾淤积而使航道受损，从而成为一种严重的环境地质灾害。我国海岸线普遍存在海岸侵蚀灾害，给沿海城市带来巨大的生命和财产损失。研究海岸演变的方法主要有现场观测、数值模拟和模型试验。海岸演变是水流泥沙运动与地形变化的耦合作用引起的，动力与地貌之间存在相互作用与反馈，物理机理非常复杂。目前对于泥沙运动的水动力学机理仍缺乏足够的认识，数值建模分析难度大，计算结果依赖实验验证。而现场观测设备昂贵、周期长、人工成本高，缺乏极端条件的观测资料。因此，水池三维物理模型实验作为一种可靠的研究手段，被广泛应用于海岸演变的物理机理研究、海岸侵蚀灾害的中长期预报和沙滩养护工程的设计验证。

海岸演变属于动床模型实验，即试验地形在水动力作用下会发生动态变化。与定床模型试验不同，动床模型实验在每一组试验开始前都需要重新制作动床地形模型，工作量非常大，且模型精度和制作方法直接决定试验结果的准确性。以往试验中，由于缺乏有效的高程定位工具，动床地形模型的制作精度普遍不高，制作效率低，试验组次少，试验周期长。另外，实际海岸可达数千米范围，在试验水池中的模型试验范围可达数十米。砂质海岸在波浪、水流作用下的侵蚀和演变变形非常复杂，即有较大尺度的陡坎，也有小尺度的沟槽，这需要在三维空间内实现覆盖较大范围且足够精细的距离测量才能够描述其物理特征。受传统测量技术的限制，以往一般采用逐点测量方法，搭建平面框架用测距仪或全站仪进行高程测量，三维空间分辨率和精度低，难以描述海岸演变的小尺度细节特征；测量效率极其低下，对于三维大尺度海岸模型甚至是无法完成的。长期以来，动床地形模型的准确制作和快速测量是海岸地貌演变试验中迫切需要解决的关键技术问题。

发明内容

针对现有技术中动床模型制作和测量精度不高、效率低下的问题，本发明提供了一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括动床模型的快速制作装置和方法，以及大范围试验地形的三维高精度快速测量技术等。

本发明的技术方案：

一种海岸地貌演变物理模型试验方法，包括以下步骤：

S1.根据工程区域的海洋水文条件确定试验条件，包括波浪、水位和潮流；

S2.从工程区域中选取试验范围，确定试验范围内的海底地形、沙滩平面和剖面形态；

S3.综合考虑试验水池10有效尺寸、造波机11性能、波能覆盖区域、试验地形、主要水动力驱动因素，设计模型比尺；

S4.根据泥沙运动相似条件选取模型沙，确定沙的中值粒径；

S5.在试验水池10中按照模型比尺制作定床模型4，等待模型凝固硬化；

S6.分别率定波浪和潮流，造波机11在试验水池10中产生波浪，根据试验条件率定波浪要素；水泵在试验水池10中产生潮流，根据试验条件率定流速和流向；

S7.在定床模型4的基础上，采用安装高程定位杆和定位框架的方法，快速、准确地制作动床模型5；动床模型5底部以及陆域连接带采用石子垫层6衬底并铺设土工布7的方式，使水易于渗出的同时阻挡模型沙流失；