前言

物理模型是研究和解决河流、河口、海岸工程水流泥沙问题的重要手段。我国几乎所有的大型水利、水运、水电工程的泥沙问题都采用物理模型进行研究，如长江葛洲坝工程、三峡工程、黄河小浪底工程、长江口深水航道工程、黄骅港、杭州湾跨海大桥等。

物理模型在空间上有正态和变态之分，正态模型的水平比尺与垂直比尺相等，变态模型的水平比尺与垂直比尺不等。一般根据所研究的问题来选择正态模型或变态模型。然而由于研究水域的平面尺寸（X、Y）和垂直尺寸（Z）相比往往相差较大，受试验条件和模型沙选择所限，进行正态（即几何变率等于1）或小变率的泥沙模型试验几乎是不现实的，河口海岸地区尤其如此。目前国内外已建的河口模型水平比尺一般在600～2000，垂直比尺为60～150，几何变率（水平比尺与垂直比尺之比，简称变率）为6～15。从理论上讲，几何变态模型并不完全满足相似理论的要求，这是由于模型水平比尺与垂直比尺的不同，导致水流运动的垂线分布和河床底坡的变化，从而引起泥沙运动特性与原型的偏差。同时几何变态模型还可能造成水流的流速比尺加大、与泥沙运动有关的底摩阻流速不相似，给模型的可靠性带来影响。

物理模型在时间上也存在变态问题，为了满足相似理论要求，需采用轻质模型沙进行试验，因此泥沙冲淤时间比尺往往是水流时间比尺的数倍甚至是数十倍，如用泥沙冲淤时间比尺控制试验时间，则会带来水流运动过程的不相似，时间变态对长河段非恒定流泥沙物理模型的影响更大。

物理模型几何变态和时间变态的影响问题一直为物理模型理论和试验研究所关注。近20年来，作者所在团队在国家重点研发项目、国家自然科学基金、交通运输部重大专项的资助下，在长江口航道管理局的支持下，针对水沙物理模型变态问题开展了较为系统的研究工作。本书共11章，分为两篇。第1篇是物理模型几何变率影响研究，根据窦国仁河口海岸物理模型相似理论，参照长江口北槽航道的具体条件，设计了几何变率分别为2.5、4、6、8.33和12.8的五个概化模型，模型中的潮流、波浪和地形等边界条件均模拟同一原型情况；在这五个模型中分别进行了无丁坝和有丁坝情况下潮流波浪作用时定床试验、动床试验和浑水动床试验，研究各模型的潮流速变化、波高变化、航道及其边坡冲淤变化以及丁坝头局部冲刷过程等，得到模型变率的影响程度；对流速、含沙量、泥沙起动流速和推移质输沙能力公式进行了理论分析，研究了模型变率对水流和泥沙运动的影响程度；采用数学模拟的方法对模型变率影响进行了研究，分别建立变率2.5、6和12.8的三个概化数学模型，得到了无丁坝和有丁坝情况下模型变率对潮流和泥沙冲淤的影响。第2篇是物理模型时间变态影响研究，从力的作用效果和水流总流量相似性出发，阐述了河床冲淤时间比尺与水流时间比尺的关系，在泥沙物理模型试验时，为满足泥沙冲淤时间比尺，需要将每一级流量的作用时间按比例减少，而所模拟的水流过程并不按冲淤时间比尺进行压缩；进行了模型边界恒定流量级（水位级）之间过渡段不同控制时间和方式的试验研究，提出可以有效减小水流波动影响的分段处理方法；进行了不同过渡段处理方式、不同河道槽蓄量、不同河道长度对水位、流速影响的试验研究，建立了河段综合因子与非恒定流影响时间的相关关系，可以通过调整流量级和河段长度来减小流量级过渡段的影响时间；分别按照流量过程线概化、输沙量过程线概化、逐日平均流量和输沙量过程线概化进行动床泥沙冲淤试验，比较了三种控制概化方式对河床冲淤试验结果的影响。

本书第1章由李禔来撰写；第2～5章由窦希萍、王向明、娄斌撰写；第6.1～6.4节和第10章由陈黎明撰写；第6.5节由张新周撰写；第7～9章和第11章由高祥宇撰写。

希望此书能对读者研究水沙物理模型有所裨益，不足之处，敬请指正。

窦希萍

2018年9月