什么是港工模型试验和现场测验?

[拼音]：ganggong moxing shiyan he xianchan ceyan

[外文]：harbour engineering model test and field test

用仪器设备量测和探讨模型或原型中，港口工程与环境因素相互作用的关系，研究港口工程建设中的技术难题，为论证港口工程建设方案提供科学依据的重要途径和方法。它也常为理论研究成果提供重要的验证依据。在海岸及河流上设置港口，开挖人工航道，建造防波堤、码头等工程设施时，经常受到波浪、潮汐、水流、泥沙等动力因素的作用。由于这些动力因素极其复杂，致使很多工程问题还不能得到满意的理论解答，经常需借助模型试验和现场测验等手段来解决。

根据水力学相似原理，将港口工程建筑物按比例缩小成模型进行试验研究。模型和原型必须在几何形态上相似；模型与原型能用同一数学物理方程式来描述其运动状态；模型与原型各相应质点之运动速率比及相应部位各作用力之比相等；模型与原型具有相同的边界条件和初始条件。

港工模型按其所取的工程范围大小，可分为整体模型和断面模型。按试验中所模拟的动力因素不同，则可分为波浪模型、潮汐水流模型、波浪水流综合模型。按其底部床面组成不同，可分为定床模型和动床模型。模型的水平比尺和垂直比尺采用同一比例者称为正态模型；水平比尺和垂直比尺不同者称为变态模型。

常见的港工模型试验类型有三种。其一为港内泊稳条件及适航性能的整体模型试验。主要研究港口防波堤长度、平面布置、结构形式、口门位置及方向、口门宽度、港内外航道走向、航道宽度、码头平面布置和结构形式等因素对港内泊稳条件和进出港船舶航行安全的影响。其二为港口淤积及岸滩演变的整体模型试验。主要研究建港地区在波浪、 水流、 潮汐等动力因素作用下，港口布置对附近岸滩冲淤变化的影响，以及对港内水域可能引起的淤积量和回淤强度，研究减轻回淤的措施。其三为波浪与建筑物相互作用的模型试验。其中包括：

（1）波浪对斜坡式建筑物的作用。主要研究波浪在各种斜坡上的波态、波动幅度、反射程度、对斜坡坡面的作用力以及对护面块体稳定重量的影响。

（2）波浪对直墙式建筑物的作用。主要研究波浪对各种直墙式建筑物的作用力及其在墙前的波动形态特征。

（3）波浪对透空式建筑物的作用。主要研究波浪对离岸式高桩深水码头、墩式码头、透空式防波堤等上部结构的上托力，桩群或孤立墩柱上的总水平波浪力和动力特征，透空式防波堤的消波效果等。

（4）波浪对浮式建筑物的作用。主要研究浮式防波堤的消波效果，浮体前后波态及波浪作用力，浮式防波堤的锚链力。对开敞水域的离岸式深水码头还需研究船舶在风、浪、流作用下对码头的撞击力、挤靠力和系缆力。大型油轮采用单点系泊时，需进行在风、浪、流综合作用下船舶的运动特征(升沉、纵摇、横摇)值、系泊浮筒锚链拉力的研究等。

港工模型试验设备主要包括进行整体模型试验的港池和进行断面模型试验的波浪槽。按其所能产生的海岸动力因素能力的不同，可分为单波浪港池、风浪流综合港池、单波浪水槽、风浪流综合水槽。生波机是一项主要试验装置，按其产生波浪性能的不同，可分为规则波生波机和不规则波生波机。潮汐发生器是另一项重要装置。随着小型电子计算机的广泛应用，生波机和潮汐发生器均可直接用计算机控制，不仅可提高模型试验的质量和精度，而且能加快模型试验的数据处理速度、提高试验效率。

由于模型试验中改变模型边界条件是一项耗资较大、费时较多的工作，因此限制了模型试验的研究广度和深度，影响了对具有复杂变化的水动力因素与工程措施相互作用的规律性的认识。随着电子计算机的广泛应用，使高速度、高精度地解析复杂的数学物理方程的能力大大提高。港工模型试验也发展了同应用计算机的数字模拟方法密切联系的复合模型试验。用模型试验给数字模拟方法提供各变化因素之间的关系和计算模式，而用数字模拟方法为模型试验控制与改变边界条件，展示与扩大模型试验研究成果。

港口工程现场测验一般分为两种。

（1）建港前期现场测验：在拟建港口地区根据动力因素的种类，结合当地地形特征，设置观测控制边界线，在边界上配设一定数量的固定长期测验站及移动短期测验站，各站定时定量同步连续观测风、浪、水流、含沙量分布及潮位变化等，并统计分析各动力因素单独作用时及相互综合作用时的特征及变化规律。如单一风作用时的风浪谱特性及其传播变化；风、浪、流综合作用时的风浪谱特征及其传播变化；观测控制区内单一全潮期间的泥沙输入量和输出量，及输沙量与潮流流速和流向的关系；风浪对观测区单一全潮期间输沙量的影响等。

（2）在已建港口进行现场测验：为验证河流动力学及海岸动力学理论分析的正确性，以及弄清模型试验结果和现场实际的差别，经常在新建港口设置现场测验站，进行直墙式防波堤波浪荷载作用下的现场测验，深水离岸式码头系泊船舶受波浪作用时对码头建筑物的撞击力和系缆力的现场测验，为检验防波堤的平面布置和口门宽度对港内泊稳条件影响的现场测验，防波堤或突堤式码头对沿岸输沙量影响的现场测验，新型防波堤消波特性及新型护面块体的耐波稳定性现场测验等。

现场测验仪器主要有波高波向仪、流速流向仪、含沙量测定仪、波压力仪、潮位仪等。对仪器的技术要求是定时定量自动记录，并根据观测地区的动力因素选择仪器种类。如在开敞式海岸潮流较弱地区可选用浮球式测波仪，但在有径流作用的河口地区则须选用底压式自记波高波向仪。研制各种新仪器是现场测验工作的一个重要组成部分。随着仪器的革新和现代化可使现场测验研究工作开拓更宽广的领域。

由于港口建设、海上采油业及现代量测技术的迅速发展，港口工程的现场测验研究工作也广泛开展。目前在欧洲北海沿岸、美国东西海岸、苏联黑海、日本沿海等地均建有单项性或综合性的港口工程现场测验站。对近海浅水区风浪谱、沿岸破波带水流与泥沙运动规律、波浪对直墙式防波堤和透空式建筑物作用力等方面进行了大量的测验研究。中国在天津塘沽新港、青岛沙井子、山东胶南港等地先后建立了波浪对建筑物作用的现场测验站，在浙江慈溪海王山建立了风浪、水流、含沙量及岸滩冲淤等因素的综合性现场测验站。

参考书目

华东水利学院薛鸿超等编:《海岸动力学》，人民交通出版社，北京，1980。