《港工专业综合实验》试验指导书

港航工程综合实验课程实验指导书开课院系工程学院海洋工程系课程编号课程中文名称港航工程综合实验课程的英文名称COMPREHENSIVEEXPERIMENTOFHARBOR不规则波有效波高不应小于2才M,谱峰值周期不应小于08S。对于规则波,将波高、周期转化为造波机输入参数模拟波浪，采集不少于10个完整波形，取平均值为平均波高、平均周期代表值，若代表值均在允许偏差5范围内，则需再重现两次以消除偶然性，保证率波的可靠性。对于不规则波采用频谱模拟，将给定的有效波高及周期送入计算机进行波谱模拟，经过修正后，使峰频附近谱密度、峰频、谱能量、有效波高等满足试验规程要求。即A波能谱总能量的允许偏差为10；B峰频模拟值的允许偏差为5；C在谱密度大于或等于05倍谱密度的范围内，谱密度分布的允许偏差为15；D有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为5；E模拟的波列中1累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为15。每组波要素的波列都保持波个数在100以上，根据试验要求，针对不同断面，在各个水位依据给定的波浪要素进行率定，将最后得到的造波参数存储在计算机中。试验时，依据对应率定好的造波信号进行造波。当水深条件限制，建筑物模型处不能产生要求的波浪要素时，可在建筑物模型前加大地形底坡坡度，加大后的坡度不应陡于115。本次综合试验因前述因素统一比尺为16。不规则波因资料未提供原始谱型，并为节省率波时间，要求控制、在允许偏差内即可，规则波考虑采用；组合。135模型制作1）斜坡式防波堤断面物理模型试验模型制作遵循几何相似和重力相似的原则，斜坡堤结构一般为顶部为混凝土胸墙、堤心为10100KG或800KG以下混合级配的块石开山石3、坡面采用人工块体或大块石护面、护面层下部为一定重量的垫层石、临海侧坡脚为抛石棱体镇压层。（1）构件的模拟制作斜坡式建筑物模型的制作主要是组成斜坡堤的各种构件的模拟制作。在进行模型制作时，对于上述结构中的护面大块石、垫层石、抛石棱体通常采用挑拣的方式选取，具体方法是先用天平称出各类块石上限和下限的块石模型重量，然后参照该范围的块石尺寸在碎石堆中挑选，挑选时注意应挑选近乎圆形的块石，片石的含量应严格控制，选出后逐个称重，误差范围控制在5之内，剔除不合格者。胸墙和护面块体模型用模具制作。模具一般为木质和有机玻璃，前者较为常用，原因是木材易于切割，且制作出的混凝土模型气泡较少。制作前试验人员先用CAD画出构造图，并详细标明各部位尺寸，然后交由模具制作人员并详细说明制作要求。制作模具时要保证两点一是尺寸的准确，二是易于脱模。常见的块体，如扭王字块、扭工字块，形状较为复杂，应将模具分为几部分，然后进行拼装。部分常用块体的制作模具见图51图53。图54为某工程断面模型试验中胸墙的制作模具。制作构件的材料一般为快硬水泥或腻子，这两种材料凝结速度快，且易于脱模。一般情况下，全部采用上述材料制作出的模型，其重量较根据构件原型换算成的模型重量轻，因此在制作时应掺入适量铁砂。铁砂的掺入量需要在制作过程中逐渐摸索，例如，在制作人工块体模型时，可以先制作一个，然后烘干、称重，根据实际重量和块体模型标准重量的差值确定铁砂的掺入量，其后制作模型时掺入等量的铁砂即可。构件制成后，应进行尺寸和重量的校核。对于一些大型的构件，如斜坡堤的胸墙等，其几何尺度允许偏差为1，且应控制在5MM之内。有重心和质量相似要求的建筑物构件，其重心位置允许偏差为2MM，质量允许偏差为3。对于单个护面块体，如扭王字块体、扭工字块体等，其重量的允许偏差为5。斜坡式建筑物护面块体的模拟，当需要检验其强度时，应模拟护面块体的抗弯强度，其允许误差为10。斜坡堤胸墙一般为现浇混凝土结构，其底部与堤心石间的摩擦系数较大，因此，为保持模型与原型结构的相似性，在制作斜坡堤胸墙模型时，应在其底部进行加糙处理，并测量其摩擦系数。加糙的方法是采用倒置的方法制作胸墙模型，即制作模型时将胸墙底面朝上，浇筑完混凝土后在其表面插入一定长度的碎石（碎石露在表面的长度示摩擦系数而定，一般1CM左右即可）。以下是几种常用块体模型的制作模具。51扭工字块体制作模具图52扭王字块体制作模具模具分解图组合后图53四脚空心方块制作模具制成的胸墙模型胸墙制作模具图54制作中的胸墙模型（2）斜坡堤模型的制作斜坡堤模型的制作过程实际是组成斜坡堤的构件的组合过程。在水槽中制作斜坡堤模型的过程是1按1的比例打印出结构设计断面图；2将设计图贴于水槽模型制作区外面，并利用激光水平仪使设计图中水平线保持水平、水槽底与海底面齐平；3在图纸所示范围内填充堤心石并适当密实，要求堤心石表面与图纸堤心石轮廓线齐平；4将胸墙放入水槽，按贴图中的胸墙位置安放，要求胸墙顶部水平，高程准确；5依次放入坡脚棱体块石和垫层石，要求填石表面与图纸中轮廓线齐平；6摆放护面块体，要求相邻块体相互勾连，但摆向不宜相同，块体数量一般为规范计算值的9095，不宜过密和过疏；7将摆放块体时踩踏的地方重新整理，并清理模型周围的碎石。如果要求观测棱体块石的稳定性，应将棱体块石顶面和坡脚处的少量块石按一定规律（如沿水槽中心线及距离水槽壁一定距离摆放成一条直线）换成染色的标准块石，以便在试验中观测其稳定性。图55斜坡堤模型制作实例2）直立式建筑物模型的制作直立式建筑物包括两种型式，一种是整体式，如沉箱结构和浆砌石结构；一种是组合式，如方块结构主要指沉箱结构和方块结构。整体结构的模型制作方法有两种如果为薄壁结构，如沉箱，圆筒，在设计模具时需要内外支模，这时制作模具较为复杂；如果为实体结构，如浆砌块石或混凝土结构，只制作外模即可。（1）直立堤构件的模拟制作薄壁结构构件的模型制作因薄壁结构的外壁较薄，换算成模型值后仅有数毫米厚，因此无论制模、填充混凝土还是拆模均有较大难度，即使模型制作成功，在往水槽内吊装、填充碎石时也很难保证其不受损坏。所以，如果模型尺寸较大，应采用其它材料，如钢板、有机玻璃等材料制作外壳，通过一定的技术手段使其达到混凝土模型的效果。具体方法是将薄壳结构的底板和外壁围成一个凹槽，在凹槽内的底板上通过焊接或绞丝的方法固定一定长度和数量的铁钉，并将一定长度的铁丝焊接在铁钉上，形成铁丝网，然后将结构倒置在地面上浇筑混凝土并抹平，这样可保证底板的摩擦系数与混凝土模型一致。在制作结构模型、向结构内填充碎石并配重时，适当提高配重铁砂的位置，确保结构中心与混凝土模型一致。方块结构构件的模型制作方块结构由不同尺寸的方块组成，制作结构模型前，应先制作模具，然后用快硬水泥制作方块模型，如果方块结构带有胸墙，也需要通过制作模具的方式制作胸墙模型。直立堤结构的模型总重量在配重后，其尺度允许偏差为1，且应控制在5MM之内，其重心位置允许偏差为2MM，质量允许偏差为3。（2）直立堤模型的制作直立堤模型的制作步骤同斜坡堤模型一致，但制作方法有所不同。方块结构的直立堤因组成直立堤的方块、胸墙模型严格按几何相似准则和重力相似准则制作，因此方块结构模型制作时按设计图摆放方块和胸墙即可。图59是某断面模型试验中试验模型在水槽内制作完成后的情形。图59某直立堤模型在水槽内制作完成后情况沉箱结构直立堤模型的制作稍微复杂。首先，沉箱结构需要配重，一般情况下，沉箱及其内部填料的总重量较模型设计重量轻，因此需要将部分填料换成铁块或铁砂，该工作需要在沉箱模型摆放前完成，此时应注意结构重心的改变，应将铁砂均匀摆放在仓格内，不能简单放入仓底或仓顶部。如果测量结果偏大或偏小，需要通过改变基床块石的粒径进行调整。四、模型试验1）斜坡式防波堤断面物理模型试验斜坡堤断面试验应采用正态模型，模型比尺不应大于40。造波板与建筑物模型间的距离不应小于6倍波长。建筑物模型与水槽尾部消波器间的距离应大于2倍平均波长。模型波浪作用的累计时间，应根据暴风浪的持续时间确定，但模拟的原型波作用时间不宜少于2H。规则波的模型试验应采用间断造波的方法，当二次反射波到达建筑物前应立即停止测试，待水面平稳后，再进行造波，对无缓启动和缓停机功能的造波机，应注意排除启动和停机产生的个别大波的影响。护面块体和块块的整体稳定试验，应先用小波连续作用一段时间，待其自然稳定后，再加大到设计波高进行正式试验。波浪累积作用时间应根据当地大浪持续时间（一般为23小时）按时间比尺换算确定。护面块体单位面积抛放数应符合设计要求，抛放条件应尽量于现场相符。在波浪作用下，护面块体的累积位移达到块体的最大尺度时，即为失稳。护面块体的失稳率，一般按静水位上，下一个波高范围内的失稳块数占该范围护面块体总数的百分比计算。失稳率超过规定的容许失稳率时，即认为护面已破坏。测定挡浪墙墙面波压力和底面浮托力分布，其测点数应根据挡浪墙尺度确定。也可根据试验要求，只测其总压力和总浮托力。2）直墙式建筑物断面物理模型试验直立堤的模型设计、制作和尺度误差以及波浪作用时间，均可按斜坡堤断面模型试验要求进行。直墙式建筑物，当观测到堤身发生明显滑动或倾斜时应判定为失稳。建筑物的基床和护底块石表面明显变形时应判定为失稳。直墙式建筑物的墙面波压力和底部上托力试验的测点布置应符合下列规定。1测量墙面波压力分布时，应在静水位处和墙脚各布置1个测点。静水位至墙顶及静水位至墙脚之间各布置测点不应少于2个。2测量墙底部上托力分布时，应在墙底的前、后趾各布置1个测点，前、后趾间布置测点不应少于2个。3测量开孔沉箱、大圆筒和半圆形防波堤的波压力分布时，应根据要求加密测点。开孔沉箱箱室、大圆筒防波堤连接处、半圆形防波堤拱圈的内外壁及底板上、下均应布置测点。4测量墙面波压力和墙底部上托力时，根据要求可分别计算下列压力分布A总水平力最大时的同步压力分布B总垂直力最大时的同步压力分布C各测点的最大压力分布。压力传感器布置示意图3）断面块体稳定性判断进行断面稳定性试验时，每个水位条件下模拟原体波浪作用时间取3H（原体值，下同），以便观察断面在波浪累积作用下的变化情况。护面块体的稳定性试验，根据波浪试验规程规定，每组至少重复3次。当3次试验现象差别较大时，增加重复次数。每次试验护面块体均重新摆放。（1）护底块石稳定性判断在波浪累积作用下观察护底形状改变情况，依据其表面是否发生明显变形、是否失去护底功能判断其稳定性。（2）护面块体稳定性判断在波浪作用下，单层铺砌的护面块体，其累积位移超过单层块体的厚度时即失稳。（3）挡浪墙稳定性判断胸墙的失稳形式为滑移与倾斜，试验通过测针或可刻度标记判断其稳定，用刻度尺测量其位移变化。有明显位移或在波浪累积作用下继续加大的判断为失稳。有微小位移（一般取模型值1MM2MM）但在波浪累积作用下不再发展的判断为临界稳定。4）越浪量测定对于越浪量的测定是在堤顶胸墙上方用接水装置接取越浪水体，通过测量重量或体积得到模型的越浪量。不规则波接取一个完整波列的总越浪水体作为相应历时的总越浪量，然后计算单宽平均越浪量。按相似准则，将模型越浪量换算成原体越浪量。单宽平均越浪量按下式计算BTVQ式中单宽平均越浪量（M3/（MS）；V1个波列作用下的总越浪水量（M3）；B收集越浪量的接水宽度（M）；T1个波列作用的持续时间（S）。5）波浪力测定依据试验规程和技术要求，重新制作木质挡浪墙，在挡浪墙迎浪面、底面和顶部（由于越浪产生的波压力）布置点压力传感器测定波浪力，不规则波作用下，连续采集100个以上波作用的波压力过程，模型采样的时间间隔为002S。试验时在静水条件下，对所有测点标零，在静水面以下的测点以此时的静水压强作为对应测点的零点，在静水面以上的测点以此时的大气压强作为零点。试验采集到的压强值为测点实际压强与标零时测点对应压强的差值，亦即所受到的波浪动水压强。测点布置示意图下图。圆弧处测点根据其所在位置分解为水平力和垂直力，并与其他测点求和，得到水平总力和垂直总力。单位长度波浪力按下式计算IISTPTF其中所受到的波浪力（单位KN/M）；IP各测点实测压强（KPA）；IS测点所代表的面积（M2）。东堤断面1波压力测点布置示意图依据波浪模型试验规程JTJ/T2342001和试验技术要求，在沉箱的底部、迎浪面布置点压力传感器来进行测定，数据通过DS30型数据采集系统采集、分析。对于规则波作用，连续采集10个以上波作用的波压力过程；对于不规则波作用，连续采集100个以上波作用的波压力过程，模型采样的时间间隔为002S。试验时在静水条件下，对所有测点标零，在静水面以下的测点以此时的静水压强作为对应测点的零点，在静水面以上的测点以此时的大气压强作为零点。试验采集到的压强值为测点实际压强与标零时测点对应压强的差值，亦即所受到的波浪动水压强（试验所给浮托力结果不包含静水浮力）。6）反射系数测量方法反射波的测量，采用DS30型动态水位测量系统同步测量模型前的波形，然后采用合田良实提出的两点法进行分析即布置两个或两个以上相隔适当距离，同时测得波面过程，利用傅里叶级数方法对资料进行分析，可得入射波与反射波不同频率组成的分量、合成量与相应的反射系数。测点间距L满足小于1倍波长但不等于05倍的波长，其理由为两点距离为半波长或其倍数时，两点的波面过程线将相同而相位差180，这样就无法将入反射波分离；两点法不能应用的条件可表述为下式波长LL2式中N为正数，一般N取0及1即可。实际上在N0及1的附近，两点法分析结果的误差相当大。合田认为当取N0，1时，两点法的应用范围N应限制为0109。即两点相距的最小值005L，最大值045L。将整个波列进行入反射分离后，分别得到入射波高和反射波高，反