潮流模型试验,潮流模型设计实例,以上海洋山深水港为例,费晓昕,张金林,0、概况,上海洋山港深水港区位于南汇嘴东南海域的大、小洋山处，距上海市中心约86 km。大、小洋山为崎岖列岛的两个主要岛屿，两岛之间的潮汐通道水深流急，岛屿岸坡陡峻，深水区紧临岸边；东部嵊泗列岛大衢山之间的开阔海域有利于大型船只进出，港区地理位置优越、自然条件良好，具备了建设深水大港得天独厚的条件。,1、模型设计,a、模型必须满足重力相似、阻力相似以及水流流态相似； b 、模型的四边界应为开边界，以充分考虑海域流场的变化； c、模型的边界距工程区的距离应有足够长度，以消除边界对工程方案的影响； d、模型应尽可能包括航道，以考虑航道开挖后水流流速的变化； e、应根据试验场地大小，考虑试验设备供给能力，并保证测量精度。,1.1 模型设计的原则,1.2 模型范围和模型比尺的选择,由于研究海域为开敞水域，为保证在各种工程方案主要研究区域内水流条件不受边界的影响，必须保证边界与研究范围之问有足够的距离。 根据数学模型计算的结果，以流速变化不超过5cm/s为限，远期方案下，北边界影响范围到小洋山以北12 km，南边界影响范围距大洋山以南10 km，西边界影响范围距小洋山以西12km。因此，在充分考虑上述条件的基础上，确定模型范围为东西向43km，南北向28km。,上海洋山深水港模型平面布置图,根据上述模型范围以及现有的场地和设备条件，综合分析对比，最后确定模型平面比尺为850，垂直比尺为135，模型变率为6.30.模型各项比尺见下表：,1.3、模型布置及模型设备,根据1996年10月、1997年9月和1999年12月洋山港区的三次大规模水文测验资料，东边界W2、W1两个测点涨落最大流速的流向平均值分别为281 和108 ，故模型的主生潮方向取向为285 105 . 根据本海区水流及地形的特点，模型采用四周开边界进行模拟，主生潮方向（东西向）采用翻板尾门设备进行控制，其中东向采用潮位控制，西向采用流量控制，侧向（南北向）采用可逆泵水进行流量的控制。 模型中的翻版尾门、可逆泵水及水位的控制和数据采集均由计算机控制。模型采用自动跟踪水位仪测量水位。采用旋浆流速仪对具体站位进行流速流向采集；用照相和录像方法进行流态的观察和记录；模型流场采用图像摄取系统及图像处理方法，进行图像实时处理。,2 模型验证,2.1潮流模型验证资料的选取 为正确的反映模型的阻力相似，模型中至少有两个测站的同步验潮资料，本模型选取小忂山和小羊山两站作为验证站。为了使选取的潮型更具有代表性，按小洋山码头19971998年全年潮差累计频率统计，模型选取了1996年10月中潮，1997年9月大、中潮作为代表潮行分别进行验证。流速、流向和通道潮量分别采用与潮位同步的实测资料作为模型验证资料。,2.2侧向开边界验证,侧向（南北向）开边界采用可逆泵浆系统进行流量调节。其原理是把数学模型提供的边界流量数据通过可逆的转数与流量关系曲线转换成电信号提供给调速电机，控制可逆转数，从而达到调节逐时水量的目的。,2.3 潮位验证,验证结果表明，本模型潮位过程线与原型基本吻合，模型的最高潮位、最低潮位、涨落潮历时和高低潮相位均与原型基本一致，潮位平均差7cm，约占实测潮行平均潮差的2%。最大瞬时潮位偏差为0.18cm，也只相当于该潮差的4%。由此可见，模型潮位相似性较好，满足水流阻力条件相似。,2.4 潮流验证,流速，转流时间基本吻合，验证结果表明：除个别测站垂线的部分潮段外(特别是平均流速较小时，其相对误差较大)，各测站的涨落潮潮段平均流速的偏差一般在10以内，潮段平均流向的偏差一般在10 左右。,2.5潮量验证,通过对19990131 02 01(大潮)、1999一O12527(小潮)，6个测流断面的水文观测资料进行验证计算，由计算结果得出，除个别断面的个别潮段外，涨落潮潮量一般误差在10左右。 综上所述。通过验证试验，模型潮位、流速、流向、断面潮量与原型相比两者有较好吻台性。因此可以认为模型潮流与原型基本相似。可进行工程布置方案试验。,3、一期工程方案试验简介,洋山港一期工程港区布置有两个方案。在方案一中：港区位于小洋山至去盖塘潮流通道范围内，建导流堤封堵去盖塘至大岩礁潮流通道。在方案二中：港区位于小洋山南岸，建导流堤封堵小洋山至去盖塘潮流通道。,3.1 试验潮型,考虑到工程对海区流场影响最显著的是大潮型，因此本次选用1997年9月实测大潮作为模型方案试验的典型潮型。该潮第一次涨落潮潮差分别为4.18m和4.11m，第二次分别为4.28m和4.35m，两次的涨落潮潮差基本接近，而且是现场四次测流中潮差最大的潮型。据统计，该潮差累计频率约为2%。,3.2试验结果简介,通过对一期工程两大方案的试验，按潮流强度、水流流态、潮量、最大流速和泥沙淤积估算等五个方面，对各个工程方案进行评价。 方案一与方案二比较，虽然从潮流强度、水流流态和港区淤积强度方面看，方案一优于方案二，但在潮量变化（即保持现有大小、小羊山通道潮量）、从港口循序渐进逐步发展的总原则，工程施工及投资等方面，方案二优于方案一。总体来讲，方案一和方案二均为工程可方案，方案二可做为初步工程方案。 方案二中的堵口方案，港池水域流速虽有增强优势，但也存在两个问题：一是洋山以西，距码头沿线650米水域，涨落潮流速分别降低约20%和30%，水深将有明显於浅，对港池水域水流将有可能产生不利影响；二是颗珠山至蒋公柱通道平均水深约达22m，筑路堤工程量巨大，造价亦高，实现有一定的难度，为此说明堵口方案不宜采用。 方案二中的不堵口方案和半堵口方案，港区水流变化基本相同，主要差别在于半堵口方案对去盖塘附近水域回流范围有一定的扩大，但可通过封堵去盖塘至将军帽通道加以解决。 总体来讲，方案二中的堵口方案、不堵口方案和半堵口方案三者对港池水流无原则差异。基于上述分析，建议取方案二中的不堵口方案和半堵口方案。,