hai'an gongcheng shuili moxing

　　海岸工程水力模型

　　coastal engineering hydraulic model

　　為進(jìn)行海岸工程研究，根據(jù)相似原理，采用物理模型復(fù)演，或按流體力學(xué)理論運(yùn)用數(shù)學(xué)手段模擬天然海洋環(huán)境中波浪、水流等海岸動(dòng)力因素的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的水力模型。水力模型主要用于研究海岸動(dòng)力因素同岸灘、海工建筑物相互作用的規(guī)律，預(yù)測(cè)海岸工程設(shè)施的實(shí)際效果和影響，論證工程方案的技術(shù)合理性和實(shí)施可能性。它是研究海岸工程的一種重要方法。

　　海岸工程物理模型　建立物理模型應(yīng)按一定的相似條件，確定原型與模型各個(gè)物理量的比值(又稱模型的比尺)。水力模型相似條件，主要包括模型與原型的幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似、動(dòng)力相似等 3個(gè)方面。常用的海岸工程水力模型，有河口、港灣潮汐水流模型和港口、海岸波浪模型。

　　河口、港灣潮汐水流模型　在模型中復(fù)演天然潮汐水流運(yùn)動(dòng)，用以研究河口、港灣的水位變化、水流流場(chǎng)分布和泥沙沖淤等問(wèn)題。1885年，O.雷諾首先運(yùn)用潮汐水流模型研究英國(guó)默爾西河口、利物浦海灣的潮汐水流運(yùn)動(dòng)。

　　河口、港灣水下地形一般寬而淺，設(shè)計(jì)水流模型時(shí)，若完全按幾何相似,模型中的水深太小,難以達(dá)到水流運(yùn)動(dòng)相似的要求，因此常采用不同的水平與垂直比尺(其比值稱為變率),這種模型稱為變態(tài)模型(變率等于1時(shí)為正態(tài)模型)。河口、港灣水流模型一般按動(dòng)力相似設(shè)計(jì)，其模型與原型水流相似的必要條件是重力相似和阻力相似。在研究泥沙沖淤變化時(shí)，還要考慮泥沙運(yùn)動(dòng)相似，其必要條件是原型與模型中泥沙起動(dòng)流速、沉降速度和含沙量等物理量的相似。根據(jù)模型中床面組成的不同，可分為定床與動(dòng)床兩類。模型床面在水流作用下不發(fā)生變形的稱為定床模型，用于研究水流流場(chǎng)分布和水位變化等。有時(shí)，在定床模型基礎(chǔ)上進(jìn)行泥沙淤積的試驗(yàn)，稱為定床渾水模型。模型床面在水流作用下可發(fā)生變形，則稱為動(dòng)床模型，用于研究河口、港灣泥沙沖淤變化。根據(jù)模型所包括范圍的大小，還可分為整體模型和局部模型。整體模型一般比尺較小，而局部模型可用較大比尺對(duì)某個(gè)小范圍進(jìn)行詳細(xì)研究，但模型邊界問(wèn)題較復(fù)雜。

　　潮汐水流模型主要采用潮汐發(fā)生裝置，有潮汐箱或活動(dòng)尾門兩種形式，發(fā)生裝置和潮汐控制儀組成潮汐發(fā)生系統(tǒng)。近年來(lái)電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使潮汐控制、試驗(yàn)量測(cè)、數(shù)據(jù)處理都連成一體，達(dá)到更高的自動(dòng)化程度。(見(jiàn)彩圖[長(zhǎng)江口河道水流模型試驗(yàn)]

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　　港口、海岸波浪模型　在模型中復(fù)演天然波浪運(yùn)動(dòng)，用以研究港口防浪掩護(hù)、港口淤積、海岸演變、波浪與海岸工程建筑物的相互作用、水流波浪作用下浮體系泊系統(tǒng)問(wèn)題等。1838年，英國(guó)J.S.拉塞爾曾通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了孤立波運(yùn)動(dòng);1936年荷蘭建造了專門的波浪水槽進(jìn)行波浪爬高、越頂?shù)仍囼?yàn);中國(guó)于1952年試制了第一臺(tái)沖擊式生波機(jī)。但都限于規(guī)則波試驗(yàn)。1962年，荷蘭特爾夫脫水工試驗(yàn)所試制了不規(guī)則波的生波設(shè)備。

　　港口防浪掩護(hù)試驗(yàn)，一般采用正態(tài)定床的整體模型，模型按重力相似設(shè)計(jì)。研究?jī)?nèi)容包括：搞清防波堤等建筑物的平面布置和結(jié)構(gòu)形式，航道軸線走向及其尺度等對(duì)港內(nèi)波高分布的綜合影響，確定滿足船舶泊穩(wěn)條件下港口的合理平面布置。

　　港口淤積和海岸演變模型，除保證波浪運(yùn)動(dòng)相似條件外，還需考慮泥沙運(yùn)動(dòng)的相似。它被用來(lái)研究港口在波浪、水流作用下的淤積規(guī)律性和可能采取的防淤措施;預(yù)測(cè)港口或其他海岸工程建筑物建成后，可能使鄰近海岸發(fā)生的沖淤變化;天然海岸岸灘在波浪、水流作用下的沖淤變化等。

　　波浪與海岸工程建筑物相互作用的試驗(yàn)一般采用斷面模型，應(yīng)按重力相似設(shè)計(jì)。通過(guò)試驗(yàn)，研究波浪對(duì)斜坡式、直墻式、透空式、浮式等建筑物的作用。如確定建筑物上的波浪荷載，建筑物整體或局部的穩(wěn)定性，建筑物周圍水位變化和消浪特性等。

　　水流、波浪作用下浮體系泊系統(tǒng)問(wèn)題的試驗(yàn)，一般需用空間模型。除波浪運(yùn)動(dòng)相似外，還需考慮船舶的質(zhì)量相似和慣性相似，碼頭建筑物自身的重力相似(重量相似)，自振頻率相似，碼頭防沖系統(tǒng)相似，錨鏈系統(tǒng)彈性模量相似等。

波浪模型試驗(yàn)的主要設(shè)備有波浪槽或試驗(yàn)港池，也有能同時(shí)進(jìn)行水流、波浪試驗(yàn)的綜合港池。這些設(shè)備中都需要裝生波機(jī)，通常采用機(jī)械、氣壓、風(fēng)吹方式產(chǎn)生波浪，也有用機(jī)械與風(fēng)吹相結(jié)合的方式生波。現(xiàn)在已有采用電子計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制并模擬天然波浪系列，反映出其統(tǒng)計(jì)特征的不規(guī)則生波機(jī)。(見(jiàn)彩圖[港口波浪模型試驗(yàn)] )

　　海岸工程數(shù)學(xué)模型　根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，按一定數(shù)學(xué)物理方程描述水體運(yùn)動(dòng)。在給定的邊界條件和初始條件下，采用數(shù)值計(jì)算方法求解其水力要素的一種手段。

　　河口、港灣的水流運(yùn)動(dòng)基本方程是圣維南方程組，其一維的一般形式為

[215-01] (1) [216-01] (2)式中V為斷面平均流速;C為謝才系數(shù);R為水力半徑; 為水深;F為過(guò)水?dāng)嗝婷娣e;X為沿河口、港灣縱向坐標(biāo);Q為流量; 為時(shí)間; 為重力加速度。數(shù)值計(jì)算的方法有差分法、特征線法和有限元法等。對(duì)于寬廣的水域平面，流速可分解為 、 兩個(gè)方向的分量，則方程可寫成二維形式。合理選擇阻力系數(shù)，對(duì)上述水流數(shù)學(xué)模型的計(jì)算結(jié)果有較大的影響。

　　河口、港灣波浪數(shù)學(xué)模型是采用勢(shì)波理論或長(zhǎng)波理論公式，通過(guò)格林函數(shù)的積分方程，或通過(guò)改造的圣維南方程，結(jié)合邊界條件與初始條件，用近似積分法、差分法或有限元法求其數(shù)值解。電子計(jì)算機(jī)廣泛應(yīng)用以來(lái)，港口波浪的折射、繞射、反射，淺水波變形，波壓力計(jì)算以及波浪爬高等，均可采用數(shù)學(xué)模型推算。目前尚缺少合理的描述泥沙運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)物理方程，數(shù)學(xué)模型只能計(jì)算水力要素和鹽水入侵等，還難以進(jìn)行泥沙運(yùn)動(dòng)和河床演變的計(jì)算。數(shù)學(xué)模型具有速度快、節(jié)省人力物力等優(yōu)點(diǎn)，但仍不能完全取代物理模型。用物理模型與數(shù)學(xué)模型相結(jié)合的復(fù)合模型進(jìn)行海岸工程研究，是今后的發(fā)展趨勢(shì)。

　　參考書(shū)目

　　M.S.Yalin，Theory of Hydraulic Models， TheMacmillon Press，London，1971.