第五章海港与近海工程模型试验

第五章海港与近海工程模型试验

第五章海港与近海工程模型试验

主要讨论海港与海岸工程中的水利模型试验。

研究问题：

1 、港口冲淤试验——复演港区流态、波态和泥沙运动，研究岸滩泥沙冲淤演变与港口平面布置的相互影响，预报港口和航道回淤量，提出减淤措施。

2 、港口整体试验——研究防波堤、码头和进港航道的最佳布局方案和结构型式。

3 、泊稳试验——开敞式码头前的泊稳状态试验。这对码头平面合理布局和结构设计以及保证正常使用具有重要的意义。 4 、港工结构水力断面试验。如研究防波堤、护岸等结构，在波流作用下，护面结构的型式和块体的稳定重量，合理的断面形状和高程，作用在堤上的动力及堤的稳定性等，以验证和修改设计和施工方案，保证这类结构的安全可靠和经济合理。 5 、桩上波流力试验。

复演港区流态、波态和泥沙运动，研究岸滩泥沙冲淤演变与港口平面布置的相互影响，预报港口和航道回淤量，提出减淤措施。

第一节港口冲淤试验一、概述

关于恒定流和泥沙运动的相似律及比尺问题，已在第一章和第三章中详细讨论。现就有关确定港口冲淤模型试验在相似律及比尺方面的某些特点补充如下：

1 、潮流运动相似要使模型中潮汐水流与原体相似，必须满足水流运动相

似。由潮汐河道不稳定流运动方程式：

﹝5-1 ﹞

01

2

RC

vv

x

v

g

v

t

v

gx

z

第一节港口冲淤试验二、相似率及比尺


根据模型水流与原型相似原理，必须满足下列等式：

hc

v

L

v

t

v

L

h

2

22

1

因而可导得：重力相似 ﹝ 5-2﹞

惯性力相似 ﹝ 5-3﹞

阻力相似 ﹝ 5-4﹞

21

hv

v

Lt

1

21

h

Lc



t

hLQ

2

21

322

1

61

L

h

h

Lhn

如利用曼宁公式确定谢才系数，即，式中 n 为曼宁糙率系数，则糙率系数比尺为 ﹝5-5﹞

如河口上游有迳流，还需满足迳流量的相似： ﹝5-6﹞

611

Dn

C

上两式中： —— 流速比尺； —— 垂直比尺； —— 水平比尺； —— 河床糙率比尺； —— 水流时间比尺； —— 流量比尺。

v

h

L

n

t

Q


2 、模型比尺设计中，应根据水流运动相似条件和模型要求的试验条件，试验室可利用场地的面积，供水条件以及海床或河床宽浅的特点等，确定模型水平比尺和垂直比尺。

为了保证模型能同时满足重力和阻力相似，使模型处于阻力平方区，在选择垂直比尺时，必须使模型水深不致过小。按照紊动水流的基本规律，可求得确定水深比尺的判据：


﹝5-7﹞

式中：

—— 原型中水流平均速度； —— 原型中谢才系数； —— 原型中床面糙率度凸起高度； —— 水的运动粘滞系数， v=0.01 。

10

75

1

60 Lmp

sppk vC

Kv

scm /2

pv

pC

SPK

mv


另外，库立根（ Keulegan）按底部粘滞影响应为最小的条件，求得模型垂直比尺的限值为：

﹝5-8﹞ 式中： —— 原型水深； —— 原型中潮波周期，对半日潮 =44700s；式

（ 5-8 ）中未计及流速、糙率及阻力系数的影响，故实际取用值还应更大些。

32

34

5.3

p

p vTh

ph

pT


关于垂直比尺，美国陆军工程兵水道试验站的经验认为：河口定床水工模型最适当的垂直比尺为 100 ，小于 150 的比尺很少采用，很浅的河床则用 60～ 80 。德国方修士研究所也认为垂直比尺取 100较适当，此时，模型中的流速与潮位的测量精度，大致与原体的测量误差一致，而且也能保证大部分潮汐周期中水流呈紊流状态。

一般先选定垂直比尺，再根据试验场地、设备及允许变率确定水平比尺，常用的变率为 3 、 5 、 10 ，个别情况下也达 20 。如果定床试验后要做局部动床试验，则变率以选 3～5 为宜；


对于动床潮汐模型，当变率小于 5 时，可以按费汝德相似准则计算，即：

（ 5-9 ）

21

H

Lt



但有时，由于模拟区域的范围很大，常需采用较大的变率。当变率大于 5 时，一般不可能通过修改床面糙率来达到摩阻损失的相似。这样，和模型糙率相应的流速将大于从费汝德模型准则所得到的流速。为了解决这个问题，一般的做法就是采用“延长时间”，即在模型中适当延长潮周期的时间，以降低潮汐的速度，使其近似地满足费汝德相似准则。延长时间系数可由验证试验来确定。

通常，确定模型边界的原则为：

1. 被研究对象的上下两端应有足够的长度，以保证在涨落潮时水流相似；

2. 被研究对象对流态的影响应在模型边界处完全消失。

按照这样的标准，如海工建筑物的宽度为 B时，则四周模型的过流宽度应大于 2B～ 3B，如图 5-1所示。另外，在模型边界与潮汐箱、回水廊道之间应有足够的过度段，以保证模型段的流态达到稳定和正确模拟。

第一节港口冲淤试验三、模型边界及布置

注意对模型边界范围要求：大于 2～ 3倍建筑物宽度。


注意对工程潮流流向



港口泥沙模型

模型设计和布置验证试验方案试验

第一节港口冲淤试验四、验证试验

第一节港口冲淤试验 -实例



潮位、水流平面分布、流量过程线、含沙量过程线验证


第二节港口整体模型试验

研究防波堤、码头和进港航道的最佳布局方案和结构型式。通过了解港内、航道和口门附近的波况，并依据港内船舶的泊稳条件和进出港船舶的航行条件，论证：

（ 1）论证开敞式或防波掩护式建港方案的可行性；（ 2）确定防波堤、航道和口门的最佳布置型式；（ 3）根据泊稳要求，确定港池水域和码头平面、高程布置；（ 4）比较和选择防波堤、码头等海工建筑物的结构型式；（ 5）对港口规划或扩建工程方案进行试验比较，选择技行和经济、合理的最佳方案。


模型设计中，除根据试验目的和设备合理选择模型比尺外，还应注意边界条件的相似性：

一般认为，当Re≥2000 时，模型进入自动模拟区，就可忽略粘滞力的影响。满足这一条件的最小波高为 1.0cm，而在实际试验中应尽量使波高不小于 1.5～ 2.0cm。如果Re＜ 2000 时，为了忽略粘滞性的影响，可考虑采用变态模型。

实践表明，利用变态模型研究港区和外港水域的波动时，如变率小于 1.5～ 2.0 ，也可获得与正态模型相近的结果，特别是当建筑物为斜坡和透孔结构，反射不明显时更是如此。


经验表明，采用变态的小模型，可以显著简化试验工作。特别是对于定性试验，如此较外堤口门和港内建筑物布置的方案，更显示其优越性。此外，也可以在变态模型试验基础上，再作深入的局部正态试验，以获得更精确的定量结果。但应注意，波浪变态模型应审慎采用。

在模型设计中，除根据试验目的和试验设备，按上述原则选择合适的模型比尺，还必须注意边界条件的尽可能相似，为此，在模型布置中应注意下列几点：


1 、生波机的位置离依据波或口门的距离不应小于 6～ 7倍波长，以使波浪得到充分的稳定。依据波所在位置的水深，按理应保证不小于 L/2 ，但试验条件下，可以用较小的数值来代替，即允许不小于 L/ 3 。试验发现，波浪在 h≥5H的水域内传播时，其波高几乎不变。由此，模型中可以减少波浪的传播长度。

2 、当生波机长度等于港池的边宽时，可不设专门的导波墙。在某种情况下当生波机的宽度较小，特别是采用移动式生波机时，为了不使生波机产生的波浪在传播过程中向二侧扩散，或者当防波堤的外坡边界的反射波对生波机产生干扰反射，导致生波机产生的波浪不稳定，可以设置导波墙，以减少横向扩散，或减小干扰。此时，对于双突堤，导波墙间距离即生波机的宽度，应大于 2～ 3倍口门宽度，如图 5-14所示。如为单堤，见图 5-15 ，一侧导波墙距堤头需有 1～ 2倍波长，另一侧，应保证有不少于 5倍波长的水域宽度。


某核电站港口波浪绕射整体模型试验实例

第三节船舶泊稳试验一、概述

研究码头平面布置、结构设计以及保证正常使用系泊方式——艏、艉、横缆及倒缆将船舶系在码头上。减小靠泊船只的运动。船舶在波浪、水流和风力作用下产生六个自由度的运动——升沉、横移、纵移、纵摇、横摇和艏艉摇。对码头产生撞击力和系缆力。影响稳泊条件三因素——水文动力、船舶特性和系泊条件。

第三节船舶泊稳试验

泊稳试验（橡胶护舷系泊）一般包括以下三方面内容： 1 、测定船舶的泊稳条件，包括船舶的升沉、横移、横摇

或纵摇等； 2 、测定船舶的系缆力以及对码头的撞击能； 3 、测定码头前或港内有关水域处的波高比值。


波浪动力荷载与弹性结构系统相互作用，一方面要遵守重力相似准则，另一方面还要满足结构的动力相似。

对护舷结构而言，要求满足： 1 、受压方向尺度的几何相似； 2 、护舷的弹性曲线，即压力变形曲线 T～ S 相似； 3 、护舷能量变形 E～ S曲线相似。

船舶对码头的撞击力的相似模拟是相当困难的，一般不直接测量，仅测量船舶传给护舷的有效撞击力，然后，根据选用的护舷的弹性曲线，查得相应的撞击力，以此作为护舷和码头结构设计的依据。



友谊港万吨级干货轮系泊码头在波浪作用下的泊稳试验实例试验内容： ⑴ 在给定的波浪条件下，不同装载时，测录船舶的升沉、横摇、横移和纵移，以确定最大设计波浪时船舶艏沉引起的附加吃水和在使用期间波浪作用下船舶的横摇、横移和纵移值；

⑵ 在给定的条件下，测试船舶的系缆力和撞击能，并分析确定其设计值。


2. 模型设计和试验设备码头布置平面图如图 5-20所示。

试验船模选用的比尺为 100 。船模按设计船型进行模拟，保证重量和几何相似。测点时取用半载和满载两种装载情况。采用陀螺仪测录横摇角和纵摇角，该陀螺仪重约 2.5kg 。供调正船舶动力相似的移动重量满载时为 8kg ，半载时仅有 1.5kg 。试验船模各特性如表 5-4所示。



第四节防波堤断面试验

研究防波堤、护岸等结构，在波流作用下，护面结构的型式和块体的稳定重量，合理的断面形状和高程，作用在堤上的动力及堤的稳定性等，以验证和修改设计和施工方案，保证这类结构的安全可靠和经济合理。波浪对堤的作用性质随堤的类型而有明显差别。

直墙堤——发生反射；顶部无胸墙的斜坡堤——能量在爬坡过程中被吸收或消散；胸墙式或高基床混合式堤——性质介于二者之间，既有反射，又有在爬坡过程中的波能消耗，之后波能又会在胸墙前集中，对上部结构产生很大的打击作用。

直墙式或混合式防波堤： 1 、研究堤前波态、测量直墙上和底板上的总波压力及其分布； 2 、堤的整体稳定性； 3 、堤前底速、冲刷形状、基肩和护坦的结构及其稳定性； 4 、堤顶高程、越波量及其对港内波动的影响； 5 、堤的结构型式。

试验内容：


斜坡堤：1 、堤前波浪的浅水变形及波态；2 、检验防波堤各部分的稳定性，其中包括基床、平台、护面层、倒滤层、堤顶及后坡的稳定性；3 、上部结构，包括胸墙结构和断面的合理尺寸，胸墙上波压力、浮托力，稳定性等；4 、堤顶标高、爬高及过水量的测量。


当堤轴线垂直于入射波向时，对防波堤主要断面型式和结构的研究多半采用断面试验。当堤受到斜向波作用时，特别是对于堤头段和弯曲段，或者是当堤前地形等高线很不规则时，防波堤试验应在港池中进行。










第五节桩柱上波流力试验

桩柱上波力试验主要内容： 1 、探讨波、流与桩柱间相互干扰的机理； 2 、测试作用在桩柱上的波流力； 3 、拟定合理的桩柱上波流力计算模式； 4 、运用不同方法统计水动力系数，包括速度力系数、惯性力系数、升力系数等。

DC MC LC

思考练习题

1 、什么是原型观测？ 2 、动床模型的含义？ 3 、什么是相似第二定理（或称相似逆定

理）？包括哪些的具体相似条件？ 4 、推移质动床模型设计需要满足的相似条

件是什么？

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第五章 海港与近海工程模型试验

第五章海港与近海工程模型试验