海岸工程水利模型

　　hai'an gongcheng shuili moxing

　　海岸工程水力模型

　　coastal engineering hydraulic model

　　为进行海岸工程研究，根据相似原理，采用物理模型复演，或按流体力学理论运用数学手段模拟天然海洋环境中波浪、水流等海岸动力因素的运动状态的水力模型。水力模型主要用于研究海岸动力因素同岸滩、海工建筑物相互作用的规律，预测海岸工程设施的实际效果和影响，论证工程方案的技术合理性和实施可能性。它是研究海岸工程的一种重要方法。

　　海岸工程物理模型　建立物理模型应按一定的相似条件，确定原型与模型各个物理量的比值(又称模型的比尺)。水力模型相似条件，主要包括模型与原型的几何相似、运动相似、动力相似等 3个方面。常用的海岸工程水力模型，有河口、港湾潮汐水流模型和港口、海岸波浪模型。

　　河口、港湾潮汐水流模型　在模型中复演天然潮汐水流运动，用以研究河口、港湾的水位变化、水流流场分布和泥沙冲淤等问题。1885年，O.雷诺首先运用潮汐水流模型研究英国默尔西河口、利物浦海湾的潮汐水流运动。

　　河口、港湾水下地形一般宽而浅，设计水流模型时，若完全按几何相似,模型中的水深太小,难以达到水流运动相似的要求，因此常采用不同的水平与垂直比尺(其比值称为变率),这种模型称为变态模型(变率等于1时为正态模型)。河口、港湾水流模型一般按动力相似设计，其模型与原型水流相似的必要条件是重力相似和阻力相似。在研究泥沙冲淤变化时，还要考虑泥沙运动相似，其必要条件是原型与模型中泥沙起动流速、沉降速度和含沙量等物理量的相似。根据模型中床面组成的不同，可分为定床与动床两类。模型床面在水流作用下不发生变形的称为定床模型，用于研究水流流场分布和水位变化等。有时，在定床模型基础上进行泥沙淤积的试验，称为定床浑水模型。模型床面在水流作用下可发生变形，则称为动床模型，用于研究河口、港湾泥沙冲淤变化。根据模型所包括范围的大小，还可分为整体模型和局部模型。整体模型一般比尺较小，而局部模型可用较大比尺对某个小范围进行详细研究，但模型边界问题较复杂。

　　潮汐水流模型主要采用潮汐发生装置，有潮汐箱或活动尾门两种形式，发生装置和潮汐控制仪组成潮汐发生系统。近年来电子计算机的应用，使潮汐控制、试验量测、数据处理都连成一体，达到更高的自动化程度。(见彩图[长江口河道水流模型试验]

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　　港口、海岸波浪模型　在模型中复演天然波浪运动，用以研究港口防浪掩护、港口淤积、海岸演变、波浪与海岸工程建筑物的相互作用、水流波浪作用下浮体系泊系统问题等。1838年，英国J.S.拉塞尔曾通过实验研究了孤立波运动;1936年荷兰建造了专门的波浪水槽进行波浪爬高、越顶等试验;中国于1952年试制了第一台冲击式生波机。但都限于规则波试验。1962年，荷兰特尔夫脱水工试验所试制了不规则波的生波设备。

　　港口防浪掩护试验，一般采用正态定床的整体模型，模型按重力相似设计。研究内容包括：搞清防波堤等建筑物的平面布置和结构形式，航道轴线走向及其尺度等对港内波高分布的综合影响，确定满足船舶泊稳条件下港口的合理平面布置。

　　港口淤积和海岸演变模型，除保证波浪运动相似条件外，还需考虑泥沙运动的相似。它被用来研究港口在波浪、水流作用下的淤积规律性和可能采取的防淤措施;预测港口或其他海岸工程建筑物建成后，可能使邻近海岸发生的冲淤变化;天然海岸岸滩在波浪、水流作用下的冲淤变化等。

　　波浪与海岸工程建筑物相互作用的试验一般采用断面模型，应按重力相似设计。通过试验，研究波浪对斜坡式、直墙式、透空式、浮式等建筑物的作用。如确定建筑物上的波浪荷载，建筑物整体或局部的稳定性，建筑物周围水位变化和消浪特性等。

　　水流、波浪作用下浮体系泊系统问题的试验，一般需用空间模型。除波浪运动相似外，还需考虑船舶的质量相似和惯性相似，码头建筑物自身的重力相似(重量相似)，自振频率相似，码头防冲系统相似，锚链系统弹性模量相似等。

波浪模型试验的主要设备有波浪槽或试验港池，也有能同时进行水流、波浪试验的综合港池。这些设备中都需要装生波机，通常采用机械、气压、风吹方式产生波浪，也有用机械与风吹相结合的方式生波。现在已有采用电子计算机进行控制并模拟天然波浪系列，反映出其统计特征的不规则生波机。(见彩图[港口波浪模型试验] )

　　海岸工程数学模型　根据流体动力学理论，按一定数学物理方程描述水体运动。在给定的边界条件和初始条件下，采用数值计算方法求解其水力要素的一种手段。

　　河口、港湾的水流运动基本方程是圣维南方程组，其一维的一般形式为

[215-01] (1) [216-01] (2)式中V为断面平均流速;C为谢才系数;R为水力半径; 为水深;F为过水断面面积;X为沿河口、港湾纵向坐标;Q为流量; 为时间; 为重力加速度。数值计算的方法有差分法、特征线法和有限元法等。对于宽广的水域平面，流速可分解为 、 两个方向的分量，则方程可写成二维形式。合理选择阻力系数，对上述水流数学模型的计算结果有较大的影响。

　　河口、港湾波浪数学模型是采用势波理论或长波理论公式，通过格林函数的积分方程，或通过改造的圣维南方程，结合边界条件与初始条件，用近似积分法、差分法或有限元法求其数值解。电子计算机广泛应用以来，港口波浪的折射、绕射、反射，浅水波变形，波压力计算以及波浪爬高等，均可采用数学模型推算。目前尚缺少合理的描述泥沙运动的数学物理方程，数学模型只能计算水力要素和盐水入侵等，还难以进行泥沙运动和河床演变的计算。数学模型具有速度快、节省人力物力等优点，但仍不能完全取代物理模型。用物理模型与数学模型相结合的复合模型进行海岸工程研究，是今后的发展趋势。

　　参考书目

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