1.沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置,其特征在于,该装置包括:动力环境模拟系统,用于模拟风、浪、流的对沉井的单独作用模拟与联合作用的模拟;沉井模型,用于模拟嵌入式钢沉井;锚泊缆系模型,用于将沉井模型安装在动力环境模拟系统内;试验辅助支架机构,用于辅助该试验装置安装检测设备;物理参量测量系统,用于监测和采集试验装置的数据和试验情况;其中,沉井模型包括:主体壁板、模型壁板、模型壁面、沉井模型壁板间水平肋条、沉井模型壁板间竖向肋条和连通孔;主体壁板、模型壁板、模型壁面、沉井模型壁板间水平肋条、沉井模型壁板间竖向肋条之间相互固定连接;沉井模型顶部和侧面设置均有系缆平台;沉井模型外壁面设置有铅垂刻度线及水平环线;其中,通过往沉井模型的壁板间形成的中空壁舱加注高浓度盐水,实现沉井不同沉放深度下的配重,解决因模型与原型壁面厚度不严格满足几何相似所带来的在相似注水高度下重量及质量分布不相似的问题;加注盐水的浓度通过沉井模型内外的壁面总厚与壁板厚度的比值计算得出,计算过程为:d m,void =d m,board -2d m,w3D (4)d m,board =λd p,board (5)以上等式中,L、W、H、D分别代表沉井的长度尺寸、宽度尺寸、高度尺寸及壁板厚度尺寸(单位均为m),而下标m、p分别用于区分模型值与原型值;λ为几何比尺(无量纲);m p,Area 为沉井原型某一位置一定面积的壁面总质量(单位:kg);A p 为沉井原型相应位置上的壁面面积(单位:m 2 );ρ m,Area 为模型的壁面密度(单位:kg/m 2 );ρ p,Area 为原型的壁面密度(单位:kg/m 2 );d m,w3D 为模型壁面厚度(单位:m);ρ 3D 为3D打印模型时所用材料的密度(单位:kg/m 3 );d m,void 为模型壁板除去壁厚后的中空厚度(单位:m);d m,board 为模型壁板厚度(单位:m);d p,board 为原型壁板厚度(单位:m);ρ m,S 为模型中用于加注的盐水的密度(单位:kg/m 3 );d p,wCaisson 为沉井原型壁面厚度;d m,wCaisson 为采用沉井原型壁面同类材料(通常为钢铁)制作模型壁面所对应的壁面厚度(单位:m);ρ p,Caisson 为沉井原型壁面制作材料的密度(单位:kg/m 3 );为ρ 0 淡水的密度(单位:kg/m 3 );ρ m,S 为配重用盐水的密度(单位:kg/m 3 );S为配重用盐水的盐度(单位:‰)。
2.根据权利要求1所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置,其特征在于,动力环境模拟系统包括:试验水池,其主体结构为边墙与池底,平面形状为矩形;试验水池划分为非试验区与试验区;试验区的池底地形根据实际地形进行缩尺构建;非试验区用于浪、流动力的生成、过渡或消除;非试验区内布设有入流口、出流口、造波板、消波设施;入流口位于试验水池两对边的一侧边墙处;出流口位于试验水池另一侧边墙处;其中,出流口与入流口之间由回流管道和/或廊道连接;回流管道和廊道上均设有水泵;其中,水泵通过电机驱动;造流设施,其用于构建流场,其由造流水泵组、回流廊道或管道、消能整流装置及流控模块构成;消能整流装置位于在入流口处,用于实现水流的快速平稳过渡;造浪设施包括造波机与消波装置,用于模拟波浪场;造波机由造波面板、伺服驱动电机、造波模块组成;造波面板布置于其中的一侧边墙,消波装置位于与造波面板对应的边墙处,造波面板及消波装置布置于入流口及出流口的上方;造波模块控制伺服驱动电机带动造波面板实现水池内各类型波浪的模拟;造风设施由多台独立的风机及变频器联合构成,用于模拟风场;风机可自由移动进行任意排列组合,通过支架架设于试验水池试验区内的预设平面位置与竖向高度处,实现风场高度与风向的控制;通过变频器调节风机转速实现风速大小的调控。
3.根据权利要求1所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置,其特征在于,锚泊缆系模型包括:系列模型缆绳和锁线器;其中,系列模型缆绳包括用于模拟缆绳变形的单段弹簧和/或多段串并联弹簧组,及纤维绳。
4.根据权利要求1所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置,其特征在于,试验辅助支架机构包括:仪器设备支架,用于放置测量、采集沉井运动及缆绳张力等物理参量的仪器设备;其中,支架为框架结构,包括支撑立柱与框架平台;定位支架,用于固定沉井模型,以便于给定位缆系的系列缆绳高效率精确地施加上预设的初张力;其中,沉井模型固接于定位支架,定位支架固接于仪器设备支架的支撑立柱,实现沉井模型的固定;连通栈桥为通往试验辅助支架的栈桥,用于行人、观测、走线的功能。
5.根据权利要求1所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置,其特征在于,物理参量测量系统包括用于缆绳张力测量的拉力传感器、用于沉井刚体六自由度运动测量的运动量测设备、用于沉井运动与水面状态观测的摄像机,以及用于水位测量的水位仪、用于波高测量的波高仪、用于流速测量的流速仪及其用于风速测量的风速仪。
6.沉井下沉水动力响应精细模拟试验方法,其特征在于,该方法应用于权利要求1-5任意一项所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验装置中。
7.根据权利要求6所述的沉井下沉水动力响应精细模拟试验方法,其特征在于,该方法包括:S1、基于系泊物理模型试验应遵循的相似准则,综合考虑试验要求、动力条件、场地条件等因素,确定模型试验几何比尺,为保证试验精度,几何比尺不应小于1:80;推算力、位移、速度等相关物理参量的模型比尺;S2、按设计试验比尺制作试验场地,严格控制试验场地地形的高程误差,试验区范围应满足试验基本要求;搭建造风、造流、造波设备,所提供的动力条件应满足试验基本要求;搭设仪器设备支架、连通栈桥;锚点位置安装锁线器;S3、按设计试验比尺通过3D打印技术与传统工艺的结合制作沉井模型,配置满足密度要求的配重用盐水;根据原型缆绳规格参数,计算模型缆绳参数,制作定位缆系模型,模型缆绳满足试验相似准则要求;S4、布设用于风、浪、流、水位量测等仪器设备,检查、校验仪器设备,确保仪器设备正常工作;开展环境动力条件的率定,确保环境动力的模拟精度满足试验要求;S5、在沉井模型系缆点上安装锁线器,然后运移至试验点位,连接上串联了拉力计与弹簧的模型缆绳;往壁舱中加注盐水,使得沉井模型入水深度达到预定深度,通过沉井模型外表面的竖向刻度线及水平环线确定其处于正浮状态,否则进行调整;S6、布设用于沉井运动测量的仪器设备,开启缆绳张力与沉井运动测量的仪器设备;S7、通过采用定位支架固定沉井模型,对所有模型缆绳施加上预设水平的初张力;初张力施加完毕后,撤除固定支架;S8、通过操控电脑开启环境模拟系统开始试验,试验时长及组次满足试验要求;保存试验数据供进一步分析;S9、结束一个工况的试验后,重复S1-S8改变试验动力条件或沉井模型入水深度开展其他工况下试验。