海岸動力學(xué)實驗指示書

1、高等學(xué)校實驗教材海岸動力學(xué)實驗指示書重慶交通大學(xué)河海學(xué)院1二00六年十二月目錄、八、-丄前 言 .1.實驗一 波浪三要素測試實驗 .2.實驗二 波浪傳質(zhì)速度實驗 .7.實驗三 波浪傳播淺水變形實驗. 1.0實驗四 波浪作用下的泥沙運動實驗. 1.4實驗五 不規(guī)則波譜分析實驗. 1.8實驗六 岸灘演變演示實驗. 2.1實驗七 波浪與水流相互作用特性實驗. 2.4參考文獻. 2.8.1本海岸動力學(xué)實驗教材適用于港口、航道及海岸工程專業(yè)本科生、研 究生使用，也可供相關(guān)專業(yè)科研試驗參考。所列實驗項目基本上概括了海岸動 力學(xué)的主要內(nèi)容。本教材著重介紹了波浪要素、波浪的傳質(zhì)速度、波浪傳播淺 水變形和不規(guī)則

2、波產(chǎn)生的過程、現(xiàn)象和量測方法，以及波浪斜向入射破碎后引 起沙質(zhì)岸灘演變、波浪作用下泥沙運動規(guī)律、波浪與水流相互作用特性等，同 時，對儀器設(shè)備使用和測量技術(shù)以及成果整理分析也作了較詳細的敘述，力求 通過上述實驗鍛煉學(xué)生的實驗技能 ,使學(xué)生掌握實驗內(nèi)容、實驗的基本方法、量 測技術(shù)以及實驗資料整理和分析問題的能力，提高學(xué)生的動手能力，培養(yǎng)學(xué)生 的綜合實驗?zāi)芰?，為學(xué)生從事本學(xué)科試驗研究工作奠定基礎(chǔ)。重慶交通大學(xué)河海學(xué)院二 00 六年十二月2實驗一 波浪三要素測試實驗1. 實驗?zāi)康闹芷凇⒉ǜ?、波長是波浪的三要素。 本實驗是要求學(xué)生知道在實驗室如何 來測定這三要素以及影響波高、波長的其它因素采用彌散方程計

3、算其理論值 并與實驗值相比較。波要素測量是一切波浪實驗的基礎(chǔ)，必須要求學(xué)生切實學(xué) 會這些測量。2. 實驗內(nèi)容(1) 波高儀的使用和率定(2) 記錄儀的使用(3) 波周期 T(秒)的測定(4) 波高(米)的測量(5) 波長(米)的測量3. 設(shè)備(1) 秒表一只(2) 記錄儀一臺(3) 波高儀二套(4) 米尺一根(5) 記錄紙若干(6) 計算器4. 實驗準(zhǔn)備工作(1) 初次進行波浪實驗 ,主意聽取實驗教師的課堂講解；(2) 細心熟悉各種不同類型實驗儀器的使用方法；(3) 將水槽充水，水深約 4050 厘米左右；(4) 調(diào)整造波機，使造出的波浪穩(wěn)定，有光滑的波面。35.注意事項(1) 注意用電安全和

4、保護自己；(2) 各種儀器、設(shè)備的電源開關(guān)不能反復(fù)開關(guān)或按壓，以免造成損壞；(3) 波浪周期應(yīng)從大到小，調(diào)整臂應(yīng)從小到大。以免損壞調(diào)速電機和造波 機；(4) 調(diào)整臂調(diào)整時應(yīng)停機進行；(5) 調(diào)整臂為旋轉(zhuǎn)部件，請學(xué)生注意安全。6試驗步驟6.1 波周期 T 的測定(1) .秒表測量調(diào)整造波機的推板往復(fù)運動的周期。測量連續(xù)數(shù)十個波所用的時間，求出 每一個波的平均周期= T/(N-1)。(2) .記錄儀測量首先確定記錄紙走紙速度 V，例如確定為每秒鐘記錄紙前進 10 毫米，然后 開動造波機，待波浪穩(wěn)定后(一般十個波峰過后)，開動記錄紙走紙馬達，至少記 錄十個波。例如可在記錄紙上測量出 N 個波形所走的

5、距離 M,便可算出相應(yīng)的波 周期 T。表 1-1 波浪周期記錄表走紙速度 V(米 /秒)波峰數(shù) N(個)距離 M (米)波周期 T=M/(V - (N-1)(秒)6.2 波高 H 的測定波高儀的標(biāo)定要測波高，必須先對浪高儀進行標(biāo)定，即求出比例系數(shù)K。一般電阻式波4高儀受溫度影響較大因此每次使用前都要標(biāo)定。標(biāo)定是在靜水中進行的。先 將浪高儀測針放入水中大約 1/2.記錄紙前進一點，作為零水位線，然后依次 下降測針 2cm，每次都前進一下記錄紙，下降 810cm 后，再返回零水位處。 依上法再每次上提 2cm，每次都前進記錄紙， 直到上升 810cm然后在記錄 紙上讀出最高線與最低線之差， 例如為

6、 Ncm,則比例系數(shù) K 為：K=8cm / N 或 K=10cm /N。表 1-2 波高儀標(biāo)定記錄表波峰波谷Ki=8cm / N入水深記錄點偏移出水深記錄點偏移OO22446688注：線性系統(tǒng)的 K 為常數(shù)，且每支傳感器(或通道)均需標(biāo)定，不可互換。波高的測定有了標(biāo)定系數(shù) K，測波高就容易了。開動生波機等待波浪穩(wěn)定后記錄波浪,然后在記錄紙上量出波峰與波谷的和 h,則可算得波高：H=Kh(cm)表 1-3 波高標(biāo)定記錄表EFh=E+FH=K-h注：E波峰高，F(xiàn)波谷高.5(3) 波長的測定假定在波浪槽中放二臺浪高儀的傳感器，它們之間的距離是 L。波浪向前推進時,同一個波峰經(jīng)過前后兩支傳感器的時間

7、差為 to在記錄紙上畫有二條波浪的過程線，波浪過程線上兩波峰的時間跨度即為 to如圖所示：兩條波浪過程線中兩個波峰之差是 t,則 L=C tC 是波速、C=L/T. T 是周期、L 是波長，所以 L=（L /T） t.L= L T/ t表 1-4 波長記錄表 L（米） t（秒）T(秒)L= L / t（米）67. 結(jié)果整理與分析填好上述各表，求出波長的實測值與理論值(通過彌散方程迭代求出波數(shù)k)8. 實驗報告(1) 整理數(shù)據(jù)，填好上面的表格；(2) 將波長的實測值與理論值進行比較，兩者的差別有多大() ,為什么 ?7實驗二 波浪傳質(zhì)速度實驗1. 實驗內(nèi)容、要求本實驗的主要內(nèi)容是測量線性波和非線

8、性波的傳質(zhì)速度，使學(xué)生了解線性 波沒有質(zhì)量輸移，而非線性波存在有質(zhì)量輸移，而且主要發(fā)生在近表面處；這 種輸移在近岸裂流和泥沙橫向輸移中有重要意義。2. 實驗?zāi)康囊饬x波浪傳質(zhì)速度即是波浪質(zhì)量輸移速度，是波浪非線性性質(zhì)的重要特性。但 對線性波而言 ,從理論上講，質(zhì)點軌跡是封閉的，故傳質(zhì)速度為零。本實驗就是 證明，在深水情況下，線性波沒有質(zhì)量輸移，而在淺水中非線性波存在質(zhì)量輸 移，并證明波浪的傳質(zhì)速度沿水深是變化的，且仍滿足流量平衡原理。由于波 浪的非線性性質(zhì)主要集中在表面，所以本實驗只測表面?zhèn)髻|(zhì)速度。如果要測量 整個斷兩上傳質(zhì)速度沿水深的分布，必須采用其他方法。因為這些方法過于困 難，這里不在贅述

9、。3. 儀器設(shè)備(1) .規(guī)則波造波機；(2) .秒表，米尺；(3) .記錄儀一臺；(4) .波高儀二套；(5) .塑料泡沫小球若干。4. 實驗準(zhǔn)備工作(1) 將水槽充水，水深約 4050 厘米左右；(2) 調(diào)整造波機，使造出的波浪為線性波記下周期和調(diào)整臂的位置；(3) 再調(diào)整造波機 ,使造出的波浪為非線性波，記下相應(yīng)的周期和調(diào)整臂的位置；8(4) 做好塑料泡沫小球，用鐵絲適當(dāng)增加小球重量，以防小球太輕。5. 實驗步驟(一)調(diào)整造波機的振幅，使之產(chǎn)生較小的波浪 (線性波 )；(1) 選用一個適當(dāng)大小的塑料小球放入水中；(2) 造波機造波；(3) 待波浪穩(wěn)定后，記下小球在波峰時的位置，同時記下起

10、始時間；(4) 待過 N 個波后再記下小球在波峰 (第 N 個波峰 )處的位置和時間(5) 測量兩個位置之間的距離 L 和歷時 t；(6) 重復(fù)進行步驟(3)(5)。(二)調(diào)整造波機，使之產(chǎn)生較大的波浪 (非線性波 )，并重復(fù) (一)組中的步驟(1) (6)。6. 注意事項在調(diào)整造波機時應(yīng)遵守如下原則：(1).即波周期應(yīng)從大到小，調(diào)整臂應(yīng)從小到大。以免損壞調(diào)速電機和造波 機。(2) .調(diào)整臂調(diào)整時應(yīng)停機進行。(3) .調(diào)整臂為旋轉(zhuǎn)部件，請學(xué)生注意安全。七.結(jié)果整理與分析僅測量自由表面?zhèn)髻|(zhì)速度。這種方法簡單易行， 是用目測加秒表進行。 選用一塊適當(dāng)大小的塑料泡沫 小球放入水中。然后造波機造波，待

11、波浪穩(wěn)定后。立即記下小球所在波峰時的 位置，同時記下其起始時間，待過 N 個波后又記下小球在波峰處的位置，并記 下其終止時間，測量兩個位置之間的距離 L 和歷時則波浪傳質(zhì)速度為：V= L / ( t N)N 要大于 5，最好 5 10 個波9記錄格式為（1）線性波：波周期 T=_ 秒， 波長 L=_ 厘米,波高 H=_ 厘米。表 2-1 線性波實驗記錄表次數(shù)12345平均傳質(zhì) 速度（厘米/秒） t（秒） L（厘米）傳質(zhì)速度（厘米/秒）（2）非線性波：波周期 T=_ 秒，波長 L=_ 厘米,波高 H=_ 厘米。表 2-2 非線性波實驗記錄表次數(shù)12345平均傳質(zhì) 速度（厘米/秒） t（秒） L（

12、厘米）傳質(zhì)速度（厘米/秒）8.實驗報告（1） 填好上面的表格；（2） 比較線性波和非線性波表面質(zhì)量輸移的差別，為什么?10實驗三 波浪傳播淺水變形實驗1. 實驗內(nèi)容、要求波浪傳播淺水變形包括：波浪折射、繞射和破碎等較多內(nèi)容。折射、繞射 需要在較大的港泄中進行波浪破碎可在水槽中進行。本次實驗只在水槽中進 行波浪在人造斜坡上的增水、破碎、減水、爬高等試驗，并將測量的結(jié)果與理 論值進行比較(1) 測量入射波浪周期、波高、波長；(2) 測量破波前的水深，斜坡坡度；(3) 測量破波水深，破波高；(4) 測量破波后的水深及波高；(5) 測量爬高；(6) 記錄入射波、坡波帶、坡波后波浪的過程線；(7) 求出

13、其增、減水值及平均水位分布圖。2. 實驗?zāi)康囊饬x本實驗是一個綜合性實驗。該實驗綜合了波浪行進到岸邊時形態(tài)的變化， 是岸灘演變、泥沙運動，港口、航道淤積的主要原因。要求學(xué)生了解波浪在水 深變淺過程中出現(xiàn)的增水、減水、破碎、爬高等現(xiàn)象以及出現(xiàn)這些現(xiàn)象的原因 及其物理機制。并測量出：(1) 破波高與破波水深的關(guān)系；(2) 波浪破碎后的波高、波長與水深的關(guān)系；(3) 波浪爬高。加強學(xué)生對波浪及其變形的物理意義與作用機制的認識和理解。3. 儀器設(shè)備(1) 30 米水槽及規(guī)則波造波機；(2) 人造斜坡 (可變坡度 )；(3) 浪高儀 (三臺)；11(4) 直尺；(5) 波形記錄儀等。4. 實驗準(zhǔn)備工作(1

14、) 該實驗用的人造斜坡長度至少 3 米，才能觀察到波浪傳播在水深變淺 過程中的變化的全過程；(2) 斜坡坡度要可調(diào)節(jié)，以適應(yīng)不同水深和不同周期的波浪；(3) 實驗人員要預(yù)先做好預(yù)備實驗 ,調(diào)整水深，波周期、波高和斜坡坡度。 使斜坡上的波浪能產(chǎn)生明顯的增水、減水、破碎和爬高，且容易測量；(4) 調(diào)整好波形記錄儀；(5) 標(biāo)定好傳感器及波高儀；(6) 調(diào)節(jié)好適當(dāng)?shù)膶嶒炈睢?. 實驗步驟(1) 根據(jù)預(yù)備實驗，再次調(diào)整好水深、波周期、波高和斜坡坡度；(2) 記下斜坡與靜水位交點 A(在斜坡水邊上);(3) 記錄儀走紙，記下靜水位位置；(4) 開動造波機造渡，待波浪穩(wěn)定后，測出入射波浪的波要素(T、

15、H、C);(5) 在斜坡上找出破波位置，做好標(biāo)記，測出該點到水邊線 (A 點)的距離Xb、波高 Hb，水深 hb,并記錄下該處的波浪過程線；(6) 在破波帶以內(nèi)選取一適當(dāng)?shù)狞c做好標(biāo)記， 測出該點到水邊線 (A 點)的距 離 Xx、波高 Hx、水深 hx，并記錄下該處的波浪過程線；(7) 找出波浪在斜坡上的最大爬高位置，做好標(biāo)記并測出最大爬高nmax(8) 根據(jù)各測點的波浪過程線求出其增、減水值和破波指標(biāo)丫；(9) 畫出平均水位分布圖。126.記錄表格波高儀及傳感器標(biāo)定系數(shù)：K1=_ ,K2=_K3=_ ,斜坡坡度B=_ 度，坡前水深 h=_ 米。表 3-1 實驗記錄表測量次數(shù)123備注波周期

16、T （秒）波高 H （厘米）破波帶破波高 Hb（厘米）破波水探 hb （厘米）距 A 點距離 Xb （厘米）破 波后波高 Hx（厘米）相應(yīng)水深 hx （厘米）距 A 點距離 Xx （厘米）7.結(jié)果整理與分析（1）.破波指標(biāo)實驗（2）破波帶上的減水值n（a）在記錄紙上找出靜水位位置；（b）在記錄紙上找出破波帶的平均水位（見圖 3-1）;Y=Hb/hb,理論值Y=(1.406.85tg3,)Y=1.09,將以上結(jié)果加以比較（取三次平均值）當(dāng) tg 0.0713（c）由（a）、（b）求得n。（3）.最大爬高實測值:Rmax=(厘米)；理論值：Rmax=(K hb”(1-K) +n(厘米)；式中：K=

17、1/(1+8/32)=0.194Y=0.801比較以上結(jié)果。.利用第步的方法，找出破波后的增水值n；(5) .破波后的波高實測 Hx=(厘米);理論值 HX=Y(h+n)(厘米);比較以上結(jié)果。8.實驗報告(1) 整理試驗成果；(2) 描述波浪傳播在水深變淺過程中的形態(tài)變化14實驗四 波浪作用下的泥沙運動實驗1. 實驗內(nèi)容、要求(1) 觀察泥沙在波浪作用下的運動形式。同河流一樣，泥沙在波浪作用下 形成的沙紋是推移質(zhì)運動的一種方式。沙紋的存在對泥沙運動有極大的影響， 在波浪的作用下尤其如此。河流中的沙紋是不對稱的。在波浪作用下泥沙形成 的沙紋是接近對稱的，隨著波浪水流呈現(xiàn)不對稱性，形成的沙紋也呈

18、現(xiàn)不對稱 性。(2) 觀察并描述在波浪作用下沙紋上泥沙的搬運和輸移方式。沙紋的存在 使波浪作用下的泥沙運動具有非常復(fù)雜的性質(zhì)。當(dāng)水流強度不大，沙紋背后形 成的旋渦強度不大，不足以使泥沙懸移時泥沙僅沿著沙紋床面作往復(fù)推移。 由于非線性波浪的不對稱性，正向波浪作用時推移距離大于反向波浪作用時的 推移距離，這時泥沙將沿波浪傳播方向產(chǎn)生凈輸移。但當(dāng)水流強度較大，沙紋 背后形成較強的旋渦時，情況就變得十分復(fù)雜。在一定的條件下泥沙可能逆 著波浪傳播方向而輸移。(3) 觀察并描述在波浪作用下沙紋上泥沙運動的四個階段。2. 實驗?zāi)康囊饬x通過本實驗，使學(xué)生認識泥沙在波浪作用下的運動與河流中的泥沙運動不 同。建立

19、凈向位移、凈輸沙率、 泥沙沙紋尺度與波浪要素和泥沙粒徑的關(guān)系 增 強近岸泥沙運動對港口、航道和岸灘演變的影響，加強工程意識。3. 實驗儀器和設(shè)備(1)30 米水槽及規(guī)則波造波機；(2)波高儀 2 支；(3)模型沙，米尺；(4)記錄儀等。4. 實驗準(zhǔn)備在上課前由實驗人員在水槽底部鋪設(shè)厚約 5 厘米、至少 5 米長的模型沙并 攤平。調(diào)整造波機，選擇好波要素及適當(dāng)水深。使該泥沙在波浪作用下運動形 成的泥沙沙紋易于觀測。155. 實驗步驟(1) 恢復(fù)地形；將水槽中模型沙鋪平，測量水深；(2) 啟動造波機， 仔細觀察泥沙運動和沙紋形成的過程， 泥沙云的運動形 態(tài)和波峰、波谷的關(guān)系；(3) 測量波要素；(

20、4) 停止造波機，測量沙紋的波長，波高；(5) 重復(fù)步。6. 注意事項模型沙如采用天然沙，必須預(yù)先將沙洗凈，去掉懸移質(zhì)，以免水槽中的水變得太渾濁而不易觀察。7. 結(jié)果整理與分析(1) 仔細描述沙紋上泥沙云的運動和波浪運動的關(guān)系，分四個階段：(a) 波峰到來階段；(b) 波浪由波峰過渡到波谷轉(zhuǎn)向階段；(c) 波谷階段；(d) 波浪由波谷過渡到波峰轉(zhuǎn)向階段。 以上階段要求用圖形加以說明。(2) 判定輸沙方向 計算：(a) 水流強度系數(shù)1(sh (kh )H 12 sh(kh)式中：?s泥沙比重；匸一水的比重；k 波數(shù) k =2 二/L ；g 重力加速度；D 泥沙中值粒徑；16(b) 厄塞爾參數(shù)U

21、=HL2/h3式中：H 波高；L 波長；h 水深；T 周期；(c)比較當(dāng) F0.28U1/4時，泥沙凈離岸輸沙;當(dāng) F11HlIIII口libIIIIPI:消：IIilinliiihin11ilI11l!IIVIHIll坡II|l坡!I!lifeIl 1rti imilIId：iIihmll11lIIPIiliIIhiIIIItmll1Nili|life11Ml!IIII11H|41liill|ihIIll11l11PIW|i|iIIliIIIIIIiN11ililhi11ill!liHi im41IIli|ihnill11l11州IIhiil iItnikl11ll41iii|J|I|Iii

22、ftlilliiiiit24實驗七 波浪與水流相互作用特性實驗1. 實驗內(nèi)容、要求本實驗的主要內(nèi)容為水流對波浪外形尺寸的影響。 考慮到實驗的難度， 只 研究規(guī)則波浪和水流同向的情況。至于波浪對流場的影響，由于一般流速儀不 能測往復(fù)流速，本實驗不作研究通過這個實驗，要求學(xué)生增強由于水流的存在， 波浪的外形尺寸會有變化， 學(xué)會測量和計算波浪的這種改變。2. 實驗?zāi)康囊饬x通常在海上波浪與水流同時存在，在水流較強的區(qū)域，它的影響將不容忽 視。它不僅改變了波浪的尺度及傳播方向，而且由于流場的改變也將影響近、 離岸工程結(jié)構(gòu)的受力狀況。這一點對于在波流共存條件下，如何應(yīng)用 Morison 方程具有重要意義。

23、3. 實驗儀器設(shè)備(1) 能加水流的水槽及規(guī)則波造波機；(2) 波高儀 2 支；(3) 波形記錄儀；(4) 流速儀或電磁流量計。4. 實驗準(zhǔn)備工作由于該實驗難度較大，實驗人員應(yīng)做好預(yù)備試驗。調(diào)整好水深、流量及相 應(yīng)的波要素，固定波要素及水深不變，至少應(yīng)有三種流量的實驗數(shù)據(jù)。5. 實驗步驟(1) 調(diào)整水深到預(yù)定水深 h；(2) 按預(yù)先調(diào)整好的波周期、波高造波；(3)測量出沒有水流條件下的波高 Hs,波長 Ls,波周期 Ts 后停止造波；(4) 加水流，先放一小流量 QI，并保持原來水深；25(5) 用流速儀或電磁流量汁測出斷面平均流速u;(6) 造波機造波(保持原定波要素)，測量出波周期 T，波高 H 波長 L 后, 停止造波；(7) 加大流量，并保持原來水深；(8) 重復(fù)步驟;(9) 再加大流量，重夏步驟 (6)。記錄格式：u=0 時：Ts=_秒； Cs=_