港口航道与海岸工程

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1、港口航道与海岸工程专业实验课讲义大连理工大学工程水力学实验室2008年10月概述港口、海洋工程建筑物一般位于近海地区，经常受到波浪、水流等海岸动力因素的作用。因此，在港口建设中规划其平面布置、设计各种海洋工程建筑物、防浪建筑物时，都必须掌握海洋动力因素的变化规律，预计可能发生的对建筑物的作用力。研究解决此类问题，一般采用数学模型和物理模型两种方法。所谓数学模型是将描写原体各量的关系数学表达式，进行数学计算的一种方法，它与物理模型相比，设备简单，变换条件容易，节省人力和经费等优势；但由于有些实际工程问题，所涉及到的自然现象和边界条件比较复杂，由此带来的计算技术方面的问题是相当困难和复杂的，有

2、时甚至一时无法计算。而物理模型则不同，它是将原型有关的动力因素，根据相似原理，通过比尺的缩小，使原型有关现象在模型中复演，比较直观，以便进行研究。一、模型试验的目的港口、海洋建设工程设计时，常产生一些问题，因在理论研究时，不可能完全考虑复杂和多变的自然条件，所以在海岸建筑物的总体布置及建筑物的结构设计中，常用实验室和现场实验的方法对某些问题———————————————————————————————————————————————进行研究。通过模型试验可以解决下列问题：1.对于难以计算的问题，提供设计依据生产、设计和科研中提出的一系列问题，有许多问题现在还不能用计算分析的方法解决，而必须

3、用模型试验的方法，为设计提供依据。2.验证应用理论的正确性港口、海洋工程中的某些问题，可以用有关的理论来求解，但为了验证该理论在某问题中的应用是否合适，可以用模型试验来验证，以直观的看出是否合适。3.寻找规律，发现理论的解答通过模型试验对自然界中所发生的各种现象进行研究，将各种试验资料累积总结，人们就进一步掌握客观规律。如在防波堤等建筑物的波浪力计算中，所提供的半理论经验公式，就是通过大量的试验资料分析而得。4.配合数值计算解决问题港口、海洋工程中的问题，有些可以应用计算机通过数值计算予以解决，但计算中的某些参数，有时又难于确定，这样可通过物理模型试验确定有关参数，供数值计算时应用。另外，

4、数值计算中的边界条件，可由物理模型试验提供，如各种边坡的反射系数等。在应用物理模型与数学模型共同解决某一问题时，也可由数值计算给物理模型试验提供边界条件。总之，港口、海洋工程的模型试验为生产的发展和科学研究提供了依据，但我们也应看到模型试验也有它的局限性，如做较大海湾的———————————————————————————————————————————————整体模型--1试验，考虑到水本身的特性及比尺效应的影响，模型比尺不能取得太小，若取用合适比例则水池可能放不下，这时就要考虑与数值计算相匹配合来进行研究。因此有些问题的研究，需要物理模型、数值计算和现场观测相结合，才能使问题得到圆满解

5、决。二、模型试验的种类根据试验任务不同，可选用不同的模型来满足试验要求。1.整体、半整体模型试验当我们研究港内波浪状况时，需要把研究的港区地形、码头和防波堤等建筑物都按比例缩小，做成模型进行试验，这种模型试验叫整体模型试验。如果建筑物是对称的，我们就采用半整体进行模型试验，这种模型试验称半整体模型试验。2.断面模型试验有些问题往往不需要整体模型，例如测防波堤上的波压力或块体的稳定性，模型比尺不能取得太小，此时只要沿防波堤轴线截取一段进行试验即可，这种模型试验叫断面模型试验。3.正态、变态模型试验在一般问题的试验时，对原型的三个尺度都用相同的比例尺来缩小成模型，这样的模型试验叫正态模型试验。

6、但有些情况因受一些条件的限制，正态模型不能满足试验要求，而采用变态模型，变态模型———————————————————————————————————————————————试验在竖向和水平方向的长度缩小倍数是不同的。4.动床、定床试验另外还有根据试验模型底床的变化与否，分为动床试验和定床试验。定床试验是指在整个试验中底床始终不变，动床试验则与之相反，在研究泥沙运动时多用此方法进行试验。三、试验用的主要设备港口、海洋工程建筑物的水力模型试验，主要设备是港池、水槽、造波机及造流系统。港池主要用于整体模型试验，水槽主要用于断面模型试验，它们的面积大小和高度，取决于研究的海岸区域范围大小、问题性

7、质、选取的模型比尺以及测试要求的精度等。造流系统包括在港池的前端、后端、侧端留有水流出口，并匹配加流设备（泵、阀门、管系）使水流方向与波浪方向成任意角度，用以模拟波流共同作用试验研究。波浪水槽加流系统只在水槽的前后端设出流口，只有与波浪方向相同或相反的流向。造波机安放在港池、水槽的前端，作为人工模拟波浪，进行港口平面--2布置、泊稳和海岸工程水工建筑物等试验必须具有的实验室基本设备。造波机分为规则波造波机和不规则波造波机