《港工专业综合实验》试验指导书

东堤断面2：泥面高程为+1.5m，采用斜坡堤结构型式，堤顶设反弧型挡浪墙，堤顶高程为+7.2m。后方陆域高程为+6.0m；护面采用厚度为400mm的B型栅栏板和C型栅栏板，垫层为400mm厚干砌块石，栅栏板坡度为1:2；在高程+3.3m及+6.0m处设消浪平台。护底为200-300kg块石，坡度为1:3；堤心采用充填砂袋。
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5-1~图5-3。图5-4为某工程断面模型试验中胸墙的制作模具。
2)模型比尺的确定：
波浪与斜坡式、直墙式建筑物相互作用的建筑物模型设计，应满足几何相似。与稳定性试验有关的建筑物构件的模型设计，除应满足几何相似外，尚应满足质量、重心位置相似。
模型按重力相似准则设计，结构断面尺寸满足几何相似，根据试验场地和试验要求，模型选用几何比尺不能大于40，例如 =20，即水深比尺、波高比尺、波长比尺均为20，周期比尺为 4.472，力比尺为 =8000。依据《波浪模型试验规程》（JTJ/T234-2001）要求，断面模型栅栏板和挡浪墙采用水泥加铁粉预制，重量偏差与几何尺寸误差均要满足试验规程的要求；断面模型中各种块石按重力比尺挑选，质量偏差控制在±5%以内。
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%。
1.14
4.94
北堤断面3
极端高
2.42
2.10
2.04
1.76
1.17
5.01
设计高
1.79
1.56
1.52
1.31
0.88
5.01
3.3试验断面
3个试验断面由设计院提供，断面代表位置见图3.1。
图3.1断面位置图
东堤断面1：泥面高程为+1.5m，采用斜坡堤结构型式，堤顶设反弧型挡浪墙，堤顶高程为+7.2m。后方陆域高程为+6.0m；护面采用厚度为400mm的A型栅栏板，垫层为400mm厚干砌块石，栅栏板坡度为1:2.5；在高程+4.2m处设消浪平台。护底为10-100kg块石，坡度为1:3；堤心采用充填砂袋。
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）。
图3.7北防潮堤断面3（高程单位：m，长度单位：mm）
三、试验内容及要求
1.实验设备
1）试验水槽及造波机
2）波高仪
3）压力传感器
4）越浪测量装置
2.测量仪器的率定
1）在水槽或率定池内安装好波高仪，检查仪器连线，确保所有信号正常。
2）控制水位由浸没波高仪30cm处逐步降低到浸没5cm处，每次降低水位3-4cm，降水位前将此时的电压值与此时浸没波高仪的水位同时记录，依照仪器说明至少记录7次，寻找电压值与水位值的线性关系，作为仪器的率定系数。
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。
3)本次试验简化要求:
(1)因本次试验经费及设备使用时间不足的原因,采用统一的挡浪墙及沉箱模型,因此比尺统一定为 =16,重量有偏差,在实验报告中说明。
(2)为了区分，取东堤断面1和东堤断面2波浪条件与扭王字块、栅栏板、四角空心块等排列组合分成六组方案，学生自选组合。
分组
波浪条件
块体
1
东堤断面1
扭王字块
2
东堤断面1
栅栏板
3
东堤断面1
四角空心块
4
东堤断面2
扭王字块
5
东堤断面2
栅栏板
6
东堤断面2
四角空心块
(3)直立式建筑物不提供参考断面图，沉箱模型考虑经费的因素，使用实验室已有电木模型。需要学生依据现有沉箱模型在斜坡堤试验基础上改造，采用相同波浪条件，并依据改造后方案绘制断面图，完成试验。
(4)综合试验允许学生依据提供的试验资料对选题进行修改,制定适于自己的试验方案,但要求具备:
北堤断面3：泥面高程为+0.5m，采用斜坡堤结构型式，堤顶设反弧型挡浪墙，堤顶高程为+7.5m。后方陆域高程为+6.0m；护面采用厚度为450mm的D型栅栏板和E型栅栏板，垫层为400mm厚干砌块石，栅栏板坡度为1:2；在高程+3.3m及+6.0m处设消浪平台。护底为200-300kg块石宽肩台，坡度为1:3；堤心采用充填砂袋。
以下是几种常用块体模型的制作模具。
（2）模型试验原理
模型制作必须满足几何相似和重力相似原则。依据波制作必须满足佛罗德相似准则和雷诺相似准则。
a）弗劳德（Froude）准则
b）雷诺（Reynolds）准则
模型试验中常用的比尺：
（1）
（2）
（3）
（4）
（5）
（6）
式中： —模型长度比尺； —原型长度； —模型长度； —时间比尺；λH—波高比尺，λT—波周期比尺，λF—力比尺，λq—单宽流量比尺。
各断面挡浪墙详见图3.2-图3.4。3个断面见图3.5-图3.7。
4试验依据及应遵守的规程
《波浪模型试验规程》JTJ/T234-2001；
《海港水文规范》JTS145-2-2013；
《防波堤设计与施工规范》JTS154-1-2011。
5研究内容与要求
（1）测定重现期50年波浪作用下防潮堤挡浪墙越浪量，为防波堤堤顶高程的合理确定提供依据；
通过本实验课程，学生应能掌握物理模型实验基本的流程、内容、方法和解决问题的能力，熟悉使用实验室内仪器设备，能结合规范要求与先修课程所学内容串联知识，确定实验方案并组织实施，增强对港航工程的总体认识，掌握实验报告撰写的内容与要点，培养独立思考和解决问题的能力，为今后从事设计或科研工作中完成物理模型实验打下坚实基础。
c.直墙式建筑物水平波压力测量；
d.直墙式建筑物浮托力测量；
e.直墙式建筑物上水试验（包括越浪量、越浪距离、水舌高端等）；
f.直墙式建筑物反射系数测定。
4.依据波试验
为了提高模拟精度和造波工作效率，在模型摆放之前，首先率定原始波要素，以达到试验波要素满足目标值的要求。
模型的原始人射波，规则波波高不应小于2cm，波周期不应小于0.5s;不规则波有效波高不应小于2才m,谱峰值周期不应小于0.8s。
2.07
2.01
1.75
1.19
4.94
设计高
2.14
1.94
1.90
1.71
1.26
4.94
设计低
1.75
1.61
1.58
1.45
1.12
4.94东堤断面2极端高2.402.11
2.05
1.79
1.22
4.94
设计高
2.18
1.98
1.94
1.75
1.29
4.94
设计低
1.77
1.63
1.59
1.47
（2）验证挡浪墙、护面块体、护底块石的稳定性，如不稳定，提出优化方案；
（3）测定挡浪墙波压力。
图3.2东防潮堤断面1挡浪墙详图（单位：mm）
图3.3东防潮堤断面2挡浪墙详图（单位：mm）
图3.4北防潮堤断面3挡浪墙详图（单位：mm）
图3.5东防潮堤断面1（高程单位：m，长度单位：mm）
图3.6东防潮堤断面2（高程单位：m，长度单位：mm）
二、试验资料
1概述
为保障后方库区使用安全，需建设防潮堤工程，拟采用II级堤防重现期50年一遇的防洪（潮）标准，防潮堤允许越浪。为了对防潮堤各部位稳定性进行验证，确定合理的防潮堤顶高程，需进行波浪断面模型试验，为工程设计提供科学依据。
2研究目的
测定防潮堤在不同设计水位重现期50年波浪作用下，护面及挡浪墙等各位置的稳定性、挡浪墙波浪力和越浪量，在此基础上确定合理的防潮堤顶高程。
3）压力传感器的率定与波高仪的率定过程相同。
3.实验设计
1)主要理论依据
（1）试验波谱
不同的波谱有不同的适用范围，具体根据试验海区的波浪情况确定，我国常用规范谱，因本实验所用造波机仅支持J谱、PM谱、ITTC谱等少量海浪谱，因此采用另一常用且与规范谱相近的JONSWAP谱，以下是J谱的表达式：