海岸工程水力模型

在模型中復演天然潮汐水流運動，用以研究河口、港灣的水位變化、水流流場分布和泥沙沖淤等問題。1885年，O.雷諾首先運用潮汐水流模型研究英國默爾西河口、利物浦海灣的潮汐水流運動。

基本介紹

• 中文名：海岸工程水力模型
• 進行：海岸工程研究
• 運用：潮汐水流模型研究
• 採用：物理模型復演

簡介

為進行海岸工程研究，根據相似原理，採用物理模型復演，或按流體力學理論運用數學手段模擬天然海洋環境中波浪、水流等海岸動力因素的運動狀態的水力模型。水力模型主要用於研究海岸動力因素同岸灘、海工建築物相互作用的規律，預測海岸工程設施的實際效果和影響，論證工程方案的技術合理性和實施可能性。它是研究海岸工程的一種重要方法。

海岸工程物理模型

建立物理模型應按一定的相似條件，確定原型與模型各個物理量的比值（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、運動相似、動力相似等 3個方面。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

河口、港灣水下地形一般寬而淺，設計水流模型時，若完全按幾何相似,模型中的水深太小,難以達到水流運動相似的要求，因此常採用不同的水平與垂直比尺（其比值稱為變率）,這種模型稱為變態模型（變率等於1時為正態模型）。河口、港灣水流模型一般按動力相似設計，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，還要考慮泥沙運動相似，其必要條件是原型與模型中泥沙起動流速、沉降速度和含沙量等物理量的相似。根據模型中床面組成的不同，可分為定床與動床兩類。模型床面在水流作用下不發生變形的稱為定床模型，用於研究水流流場分布和水位變化等。有時，在定床模型基礎上進行泥沙淤積的試驗，稱為定床渾水模型。模型床面在水流作用下可發生變形，則稱為動床模型，用於研究河口、港灣泥沙沖淤變化。根據模型所包括範圍的大小，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某個小範圍進行詳細研究，但模型邊界問題較複雜。

潮汐水流模型主要採用潮汐發生裝置，有潮汐箱或活動尾門兩種形式，發生裝置和潮汐控制儀組成潮汐發生系統。近年來電子計算機的套用，使潮汐控制、試驗量測、數據處理都連成一體，達到更高的自動化程度。（見彩圖[長江口河道水流模型試驗]）

港口、海岸波浪模型

概況

在模型中復演天然波浪運動，用以研究港口防浪掩護、港口淤積、海岸演變、波浪與海岸工程建築物的相互作用、水流波浪作用下浮體系泊系統問題等。1838年，英國J.S.拉塞爾曾通過實驗研究了孤立波運動；1936年荷蘭建造了專門的波浪水槽進行波浪爬高、越頂等試驗；中國於1952年試製了第一台衝擊式生波機。但都限於規則波試驗。1962年，荷蘭特爾夫脫水工試驗所試製了不規則波的生波設備。

研究內容

港口防浪掩護試驗，一般採用正態定床的整體模型，模型按重力相似設計。研究內容包括：搞清防波堤等建築物的平面布置和結構形式，航道軸線走向及其尺度等對港內波高分布的綜合影響，確定滿足船舶泊穩條件下港口的合理平面布置。

港口淤積和海岸演變模型，除保證波浪運動相似條件外，還需考慮泥沙運動的相似。它被用來研究港口在波浪、水流作用下的淤積規律性和可能採取的防淤措施；預測港口或其他海岸工程建築物建成後，可能使鄰近海岸發生的沖淤變化；天然海岸岸灘在波浪、水流作用下的沖淤變化等。

波浪與海岸工程建築物相互作用的試驗一般採用斷面模型，應按重力相似設計。通過試驗，研究波浪對斜坡式、直牆式、透空式、浮式等建築物的作用。如確定建築物上的波浪荷載，建築物整體或局部的穩定性，建築物周圍水位變化和消浪特性等。

實驗方式

水流、波浪作用下浮體系泊系統問題的試驗，一般需用空間模型。除波浪運動相似外，還需考慮船舶的質量相似和慣性相似，碼頭建築物自身的重力相似（重量相似），自振頻率相似，碼頭防沖系統相似，錨鏈系統彈性模量相似等。

波浪模型試驗的主要設備有波浪槽或試驗港池，也有能同時進行水流、波浪試驗的綜合港池。這些設備中都需要裝生波機，通常採用機械、氣壓、風吹方式產生波浪，也有用機械與風吹相結合的方式生波。現今已有採用電子計算機進行控制並模擬天然波浪系列，反映出其統計特徵的不規則生波機。（見彩圖[港口波浪模型試驗]）

海岸工程數學模型

根據流體動力學理論，按一定數學物理方程描述水體運動。在給定的邊界條件和初始條件下，採用數值計算方法求解其水力要素的一種手段。

河口、港灣的水流運動基本方程是聖維南方程組，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為謝才係數；R為水力半徑；為水深；F為過水斷面面積；X為沿河口、港灣縱向坐標；Q為流量;為時間；為重力加速度。數值計算的方法有差分法、特徵線法和有限元法等。對於寬廣的水域平面，流速可分解為、兩個方向的分量，則方程可寫成二維形式。合理選擇阻力係數，對上述水流數學模型的計算結果有較大的影響。

河口、港灣波浪數學模型是採用勢波理論或長波理論公式，通過格林函式的積分方程，或通過改造的聖維南方程，結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值解。電子計算機廣泛套用以來，港口波浪的折射、繞射、反射，淺水波變形，波壓力計算以及波浪爬高等，均可採用數學模型推算。目前尚缺少合理的描述泥沙運動的數學物理方程，數學模型只能計算水力要素和鹽水入侵等，還難以進行泥沙運動和河床演變的計算。數學模型具有速度快、節省人力物力等優點，但仍不能完全取代物理模型。用物理模型與數學模型相結合的複合模型進行海岸工程研究，是今後的發展趨勢。