港工模型試驗和現場測驗
正文
用儀器設備量測和探討模型或原型中，港口工程與環境因素相互作用的關係，研究港口工程建設中的技術難題，為論證港口工程建設方案提供科學依據的重要途徑和方法。它也常為理論研究成果提供重要的驗證依據。在海岸及河流上設定港口，開挖人工航道，建造防波堤、碼頭等工程設施時，經常受到波浪、潮汐、水流、泥沙等動力因素的作用。由於這些動力因素極其複雜，致使很多工程問題還不能得到滿意的理論解答，經常需藉助模型試驗和現場測驗等手段來解決。港工模型試驗 根據水力學相似原理，將港口工程建築物按比例縮小成模型進行試驗研究。模型和原型必須在幾何形態上相似；模型與原型能用同一數學物理方程式來描述其運動狀態；模型與原型各相應質點之運動速率比及相應部位各作用力之比相等；模型與原型具有相同的邊界條件和初始條件。
港工模型按其所取的工程範圍大小，可分為整體模型和斷面模型。按試驗中所模擬的動力因素不同，則可分為波浪模型、潮汐水流模型、波浪水流綜合模型。按其底部床面組成不同，可分為定床模型和動床模型。模型的水平比尺和垂直比尺採用同一比例者稱為正態模型；水平比尺和垂直比尺不同者稱為變態模型。
常見的港工模型試驗類型有三種。其一為港內泊穩條件及適航性能的整體模型試驗。主要研究港口防波堤長度、平面布置、結構形式、口門位置及方向、口門寬度、港內外航道走向、航道寬度、碼頭平面布置和結構形式等因素對港內泊穩條件和進出港船舶航行安全的影響。其二為港口淤積及岸灘演變的整體模型試驗。主要研究建港地區在波浪、 水流、 潮汐等動力因素作用下，港口布置對附近岸灘沖淤變化的影響，以及對港內水域可能引起的淤積量和回淤強度，研究減輕回淤的措施。其三為波浪與建築物相互作用的模型試驗。其中包括：①波浪對斜坡式建築物的作用。主要研究波浪在各種斜坡上的波態、波動幅度、反射程度、對斜坡坡面的作用力以及對護面塊體穩定重量的影響。②波浪對直牆式建築物的作用。主要研究波浪對各種直牆式建築物的作用力及其在牆前的波動形態特徵。③波浪對透空式建築物的作用。主要研究波浪對離岸式高樁深水碼頭、墩式碼頭、透空式防波堤等上部結構的上托力，樁群或孤立墩柱上的總水平波浪力和動力特徵，透空式防波堤的消波效果等。④波浪對浮式建築物的作用。主要研究浮式防波堤的消波效果，浮體前後波態及波浪作用力，浮式防波堤的錨鏈力。對開敞水域的離岸式深水碼頭還需研究船舶在風、浪、流作用下對碼頭的撞擊力、擠靠力和系纜力。大型油輪採用單點系泊時，需進行在風、浪、流綜合作用下船舶的運動特徵(升沉、縱搖、橫搖)值、系泊浮筒錨鏈拉力的研究等。
港工模型試驗設備主要包括進行整體模型試驗的港池和進行斷面模型試驗的波浪槽。按其所能產生的海岸動力因素能力的不同，可分為單波浪港池、風浪流綜合港池、單波浪水槽、風浪流綜合水槽。生波機是一項主要試驗裝置，按其產生波浪性能的不同，可分為規則波生波機和不規則波生波機。潮汐發生器是另一項重要裝置。隨著小型電子計算機的廣泛套用，生波機和潮汐發生器均可直接用計算機控制，不僅可提高模型試驗的質量和精度，而且能加快模型試驗的數據處理速度、提高試驗效率。
由於模型試驗中改變模型邊界條件是一項耗資較大、費時較多的工作，因此限制了模型試驗的研究廣度和深度，影響了對具有複雜變化的水動力因素與工程措施相互作用的規律性的認識。隨著電子計算機的廣泛套用，使高速度、高精度地解析複雜的數學物理方程的能力大大提高。港工模型試驗也發展了同套用計算機的數字模擬方法密切聯繫的複合模型試驗。用模型試驗給數字模擬方法提供各變化因素之間的關係和計算模式，而用數字模擬方法為模型試驗控制與改變邊界條件，展示與擴大模型試驗研究成果。
現場測驗 港口工程現場測驗一般分為兩種。①建港前期現場測驗：在擬建港口地區根據動力因素的種類，結合當地地形特徵，設定觀測控制邊界線，在邊界上配設一定數量的固定長期測驗站及移動短期測驗站，各站定時定量同步連續觀測風、浪、水流、含沙量分布及潮位變化等，並統計分析各動力因素單獨作用時及相互綜合作用時的特徵及變化規律。如單一風作用時的風浪譜特性及其傳播變化；風、浪、流綜合作用時的風浪譜特徵及其傳播變化；觀測控制區內單一全潮期間的泥沙輸入量和輸出量，及輸沙量與潮流流速和流向的關係；風浪對觀測區單一全潮期間輸沙量的影響等。②在已建港口進行現場測驗：為驗證河流動力學及海岸動力學理論分析的正確性，以及弄清模型試驗結果和現場實際的差別，經常在新建港口設定現場測驗站，進行直牆式防波堤波浪荷載作用下的現場測驗，深水離岸式碼頭系泊船舶受波浪作用時對碼頭建築物的撞擊力和系纜力的現場測驗，為檢驗防波堤的平面布置和口門寬度對港內泊穩條件影響的現場測驗，防波堤或突堤式碼頭對沿岸輸沙量影響的現場測驗，新型防波堤消波特性及新型護面塊體的耐波穩定性現場測驗等。
現場測驗儀器主要有波高波向儀、流速流向儀、含沙量測定儀、波壓力儀、潮位儀等。對儀器的技術要求是定時定量自動記錄，並根據觀測地區的動力因素選擇儀器種類。如在開敞式海岸潮流較弱地區可選用浮球式測波儀，但在有徑流作用的河口地區則須選用底壓式自記波高波向儀。研製各種新儀器是現場測驗工作的一個重要組成部分。隨著儀器的革新和現代化可使現場測驗研究工作開拓更寬廣的領域。
由於港口建設、海上採油業及現代量測技術的迅速發展，港口工程的現場測驗研究工作也廣泛開展。目前在歐洲北海沿岸、美國東西海岸、蘇聯黑海、日本沿海等地均建有單項性或綜合性的港口工程現場測驗站。對近海淺水區風浪譜、沿岸破波帶水流與泥沙運動規律、波浪對直牆式防波堤和透空式建築物作用力等方面進行了大量的測驗研究。中國在天津塘沽新港、青島沙井子、山東膠南港等地先後建立了波浪對建築物作用的現場測驗站，在浙江慈谿海王山建立了風浪、水流、含沙量及岸灘沖淤等因素的綜合性現場測驗站。
參考書目
華東水利學院薛鴻超等編:《海岸動力學》,人民交通出版社，北京，1980。
