港海专业实验讲义 大连理工大学土木水利实验教学中心 港口航道与海岸工程实验室 2010年9月 1-
- 1 - 港海专业实验讲义 大连理工大学土木水利实验教学中心 港口航道与海岸工程实验室 2010 年 9 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，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。 2
- 2 - 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，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。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、海洋工程结构物的水力模型试验，其基础设施和设备是造波系统、造 流系统、波浪水槽和水池等。 1.造波机 按照波浪生成方法，目前，机械式造波机是较常采用的一种造波系统。机械 式造波机采用机械传动机构，扰动水体产生波浪，能较好地模拟规则波和不规则 波。机械式造波机可分为三种：变速电机与偏心轮驱动方式、液压式驱动方式和 电机驱动方式。 变速电机与偏心轮驱动方式为：电机变速后带动偏心轮和连杆机构，推动造 -3-
- 3 - 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。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、海洋工程结构物的水力模型试验，其基础设施和设备是造波系统、造 流系统、波浪水槽和水池等。 1.造波机 按照波浪生成方法，目前，机械式造波机是较常采用的一种造波系统。机械 式造波机采用机械传动机构，扰动水体产生波浪，能较好地模拟规则波和不规则 波。机械式造波机可分为三种：变速电机与偏心轮驱动方式、液压式驱动方式和 电机驱动方式。 变速电机与偏心轮驱动方式为：电机变速后带动偏心轮和连杆机构，推动造
波板，产生波浪。一般通过改变电机转速来实现改变周期，改变波高通过调整偏 心距来实现。 液压式驱动方式为：液压式造波机将高压油通过液压缸，控制液压缸的推动 冲程和频率推动造波板产生波浪。液压式造波机一般利用电信号，通过改变一个 或若干个阀门的开启过程，来改变液流的流量、流向、总量等，达到改变周期和 波高的目的。 2.波浪水槽和水池 波浪水槽一般由造波机、消浪设备、造流系统和水库组成，主要用于断面模 型试验，可以同时模拟波浪、流。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。水槽的首尾两端设有消能设备，尾部消能设 备能防止波流产生的反射波，并应采取措施消除或减小造波机的二次反射的影 响。水槽宽度为0.5~3m,水槽长度为30~70m或更长，水槽中的水深一般为0.3 1.2m。图1为港口航道与海岸工程实验室波浪水槽。 图1波浪水槽 波浪水池一般由造波机、消浪设备、造流设备组成，主要用于整体模型试验 研究。它们的面积大小和高度，取决于研究的海岸区域范围大小、问题性质、选 取的模型比尺以及测试要求的精度等。波浪水池长度应大于10倍波长，一般为 30~60m,水池宽度为15~40m。水池首尾应设消浪装置，有斜向波反射时，水 池的两侧应设消浪装置。图2为港口航道与海岸工程实验室波浪水池。 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。在港池、水槽的 尾部还设有沉沙池，以拦截泥沙冲刷试验波流带来的泥沙。 .4
- 4 - 波板，产生波浪。一般通过改变电机转速来实现改变周期，改变波高通过调整偏 心距来实现。 液压式驱动方式为：液压式造波机将高压油通过液压缸，控制液压缸的推动 冲程和频率推动造波板产生波浪。液压式造波机一般利用电信号，通过改变一个 或若干个阀门的开启过程，来改变液流的流量、流向、总量等，达到改变周期和 波高的目的。 2.波浪水槽和水池 波浪水槽一般由造波机、消浪设备、造流系统和水库组成，主要用于断面模 型试验，可以同时模拟波浪、流。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。水槽的首尾两端设有消能设备，尾部消能设 备能防止波流产生的反射波，并应采取措施消除或减小造波机的二次反射的影 响。水槽宽度为 0.5～3m，水槽长度为 30～70m或更长，水槽中的水深一般为 0.3～ 1.2m。图 1 为港口航道与海岸工程实验室波浪水槽。 图 1 波浪水槽 波浪水池一般由造波机、消浪设备、造流设备组成，主要用于整体模型试验 研究。它们的面积大小和高度，取决于研究的海岸区域范围大小、问题性质、选 取的模型比尺以及测试要求的精度等。波浪水池长度应大于 10 倍波长，一般为 30～60m，水池宽度为 15～40m。水池首尾应设消浪装置，有斜向波反射时，水 池的两侧应设消浪装置。图 2 为港口航道与海岸工程实验室波浪水池。 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。在港池、水槽的 尾部还设有沉沙池，以拦截泥沙冲刷试验波流带来的泥沙
图2波浪水池 四、试验用的主要仪器 1.水面波动的测量 在海岸工程试验中，进行水面波动即波高测量是必不可少的。一般使用变参 数式传感器来测量，测量波高的传感器主要有电阻式和电容式浪高仪两种。电阻 式传感器由于传感器的两个电极，在水中易于极化，测试时间较长时，率定系数 发生变化，所测波高参数就不稳定。因此目前多使用电容式浪高仪。 《CBY-Ⅱ型波高测量控制系统》（图3）是采用先进的电子技术、传感技术和 计算机硬、软件技术最新研制成功的计算机多点同步测量系统，系统可实时同步 采集处理30点波高，测量精度高，并设计有先进的硬件调零功能和放大倍数调 节功能。 图3CBY-Ⅱ型波高测量控制系统 测量系统软件界面（图4）设计为按钮控制的主菜单模式，具有常系数建立 传感器自检、零点测量、浪高测量、浪高处理、流速测量等功能，系统功能丰言， 使用简单方便，界面美观新额，具有很强的可视性和交互性。侧量系统具有丰富 的自检自诊断功能，可以静态地检测每路传感器的输出信号，还可以动态地检测 和显示每路测量数据和跟踪曲线。 -5-
- 5 - 图 2 波浪水池 四、试验用的主要仪器 1.水面波动的测量 在海岸工程试验中，进行水面波动即波高测量是必不可少的。一般使用变参 数式传感器来测量，测量波高的传感器主要有电阻式和电容式浪高仪两种。电阻 式传感器由于传感器的两个电极，在水中易于极化，测试时间较长时，率定系数 发生变化，所测波高参数就不稳定。因此目前多使用电容式浪高仪。 《CBY-Ⅱ型波高测量控制系统》（图 3）是采用先进的电子技术、传感技术和 计算机硬、软件技术最新研制成功的计算机多点同步测量系统，系统可实时同步 采集处理 30 点波高，测量精度高，并设计有先进的硬件调零功能和放大倍数调 节功能。 图 3 CBY-Ⅱ型波高测量控制系统 测量系统软件界面（图 4）设计为按钮控制的主菜单模式，具有常系数建立、 传感器自检、零点测量、浪高测量、浪高处理、流速测量等功能，系统功能丰富， 使用简单方便，界面美观新颖，具有很强的可视性和交互性。测量系统具有丰富 的自检自诊断功能，可以静态地检测每路传感器的输出信号，还可以动态地检测 和显示每路测量数据和跟踪曲线