第七节全沙模型一、全沙模型的概念

第七节全沙模型一、全沙模型的概念 在天然河道中，泥沙的颗粒分布很广。其粒径从0.005mm以下直至100mm以上，即从粘土细颗粒到卵石同时存在。在水流作用下运动并参与河床演变。运动形式——细颗粒悬浮输移（异重流运动）和沙质推移质运动（甚至卵石推移）。泥沙运动整体概念——在模型中只试验某一部分粒径的泥沙或单独复演某一种运动形式不可能很好地解决港航工程和水利工程中极复杂的泥沙问题。全沙模型——在一个模型上同时复演各种粒径、各种形式的泥沙运动进行试验。

第七节全沙模型二、全沙模型的相似条件 全沙模型与原型相似的条件，由四个方面组成：水流运动相似推移质运动相似悬移质运动相似挟沙异重流运动相似具体的条件已在讨论过

第七节全沙模型二、全沙模型的相似条件 现在的问题：在全沙模型中必须选择同一重度的材料来配制模型沙，而且在此条件下，推移质、悬移质和异重流三种形式的泥沙运动的冲淤时间比尺必须一致（能用同一表达式描述）。南京水利水电科学研究院窦国仁等人在这方面进行了探讨，并提出一套设计办法（可参考有关文献），尚未圆满解决。

第七节全沙模型二、全沙模型的相似条件 相似条件全沙模型水流运动相似条件——重力相似、阻力相似以及模型流态与原型同属于紊流阻力平方区。在研究大范围泥沙运动时，应保证水流在平面上的相似，主流和回流的形态相似。

推移质、悬移质和异重流三运动的统一 因为要在同一个模型中复演以上三种泥沙的运动，关键是使三个冲淤时间t1、 t2 、 t3比尺一致，获得一个统一的冲淤时间比尺：（3－162）

第七节全沙模型三、全沙模型的设计方法 全沙模型的设计——根据已经确立的各项相似条件，确定有关的各项比尺。关键：确定同一重度γs的单一材料来配制模型沙，并选择合适的模型变串和几何比尺。具体步骤如下； 1、确定几何比尺、选择模型沙（1）按照试验目充分收集和掌握原型水流和泥沙运动资料以及地形、水文和泥沙运动的各项要素，对模型沙进行选择。（2）根据场地，供水设备等条件拟定平面比尺λl。

第七节全沙模型三、全沙模型的设计方法 （3）再由水深限制性条件确定水深比尺λh和模型的变率η（一般小于5）。（4）由选定的模型沙和几何比尺，校核阻力相似条件，即模型糙率系数能否满足要求。一般而言，应要求模型沙糙率小于或等于模型床面要求的糙率，否则难于保证阻力相似（原因——模型制好后，动床上加糙容易，减糙困难）。（5）对起动流速相似条件进行校核。如经校核，阻力相似和起动相似不合乎要求，应重新选择模型沙或几何比尺。

第七节全沙模型三、全沙模型的设计方法 2、确定各水流要素比尺λν、λc0（阻力）、λn、λQ、λi等。 3、确定各模型沙与重率有关的比尺 λγs、 λγs-γ0。 4、确定与悬移质有关的比尺，如沉速比尺λw、粒径比尺λd、含沙量比尺λs，最后求悬移质冲淤时间比尺 λt2。

第七节全沙模型三、全沙模型的设计方法 5、确定与推移质有关的比尺，如沉速比尺λw、粒径比尺λd、起动流速比尺、单宽推移质输沙率比尺。等，最后求得推移质冲淤时间比尺。由于卵石推移质与沙质推移质运动特性差异较大，故应分别求出上述有关比尺。 6、对所得各项比尺进行分析，调整，确定统一的冲淤时间比尺，设计即告完成。窦国仁利用上述理论设计了某低水头大型水利枢纽工程全沙模型，制成后通过放水验证，表明上述设汁方法是可行的。 λvc λgb λt1

第八节 河工模型试验的其它问题一、河工模型试验所需的资料为了设计、制作、验证模型，并对模型进行工程方案试验，应收集详尽的原始资料，要有：（一）试验河段大比例尺地形图制作模型的主要依据——早期和近期具有足够精度的地形图、河势图，航道图也应尽可能收集。对于动床模型，为对河床变形进行模型验证，应有与某一水文周期或河床演变周期(如一个水文年等)相对应的系列地形图。地形图水下地形应保证足够的精度，系列地形图要有相同的平面坐标系统。

第八节 河工模型试验的其它问题一、河工模型试验所需的资料（二）试验河段巳建和拟建的各种水工建筑物(水利枢纽、整治建筑物等)的设计图，特别是平面、立面和剖面图（三）试验河段的水文、泥沙资料（1）特征流量及相应的水位，有关控制水文站的H～Q关系，用于模型的设计和实验时的流量选择和控制。（2）不同频率的洪水、中水、枯水等几组与流量的同步水面线资料，用于模型的水面线验正（对于航道整治来说，如有实测的设计水位、整治水位的同步水面线的资料更好。

第八节 河工模型试验的其它问题一、河工模型试验所需的资料（3）不同频率的洪水、中水、枯水等几组与流量同步的河道浮标流速、流向资料；纵、横断面及垂线上的流速分布图，用于流速分布验证。（4）河段内不同流量、水位的流态资料，如泡漩、回流、漫滩及滑梁水等及位置，用于流态验证。（5）有记录的异重流资料。

第八节 河工模型试验的其它问题一、河工模型试验所需的资料（6）原型泥沙资料，包括悬移质，推移质和床沙的粒经、级配、物理化学特性以及输沙率的有关资料，用于模型沙的选配和试验中加沙量的控制。（7）河床局部冲淤资料，以了解河床的局部变形，用于泥沙冲淤验证。（8）有关典型年的水文泥沙过程资料(如Q～H过程线、含沙量过程线等)，感潮河段还应有潮位过程线。（9）拟交付试验的各工程方案的有关资料，用于方案比较试验。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择动床试验——模型沙选择得是否恰当是试验成功与否的关键之一。选沙的基本依据：推移质试验主要考虑起动相似，悬移质试验主要考虑悬浮相似(包括沉降相似和扬动相似)，并同时满足阻力相似。对于不同的模型沙，当粒径不同时，其物理化学特性和力学性能各不相同——泥沙预备试验——为选沙提供依据和校核。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择（一）模型沙基本试验（1）重度和淤积干重度的测定一般使用比重瓶法测定比重瓶容积V，注满后称得清水净重gw，取烘干的模型沙g用少许水和均后倒入比重瓶，并加清水注满。此时称出浑水净重gs，则：（3-163）

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择淤积干重度，一股用量筒测量。将烘干的g克泥沙倒入量筒里的清水中并搅拌均匀。待全部落淤后测出淤积体积V0，则（3-164）由于泥沙淤积机制复杂，上述测得的仅为近似值，但对一般试验已有足够的精度。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择（2）粒径及沉速试验对粗沙粒径可用筛分法确定。沉速可由沉降筒中直接测算，或者由沉速表中查得。细沙(d<0.1mm)粒径用粒径计法，比重计法或光电法测得群体沉速，然后计算其沉降粒径。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择（3）模型沙起动流速试验起动流速试验——玻璃水槽。方法：在水槽中段的试验段均匀地铺设模型沙，然后放水，逐步加大流速并观察泥沙起动情况。试验时使用尾门控制水深，并保持稳定的流量。如某级流量泥沙不起动，再逐级增大流量，直至槽底模型沙由静止逐步进入运动状态。。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择 • 泥沙起动现象： • 先是个别起动，然后少量起动，再而普遍运动，最后出现扬动，应详细记录各状态发生时的流量Q和水深h，并计算相应的断面平均流速。起动流速一般可采用泥沙少量起动时相应的平均流速

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择（4）模型沙糙率试验在水槽底部(一般应有足够的长度)均匀铺设一层模型沙，沿程设置水位测针量测水面坡降J，由所施放的稳定流量和水深，可计算出水槽的总糙率n0，再据河底和河岸阻力划分原则，求得槽底即模型沙的糙率nb：（3-165）式中，B为槽宽；总湿周χ0=B+2h，边壁湿周χw=2h ； nw为边壁糙率，对玻璃可取值0.010。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择（二）模型沙的材料及性能模型沙的材料是多种多样的，只要符合试验要求，并无什么限制。一般根据原型沙的粒径、级配和模型的几何比尺等相似条件来选择。在通常情况下，如原型沙很粗，模型沙可使用重率相同的天然细沙，经济适用。但当原型沙较细时，选择极细的天然沙就可能不能满足相似条件。例如过细的沙起动特性属于粘性颗粒的起动，与原型的细沙起动特性完全不同。在这种情况下只能选用重率小的人工沙。下面介绍几种常用的模型沙材料。

第八节 河工模型试验的其它问题二、模型沙的性能和选择 (1) 木屑。来源丰富，价格低廉，易于级配，在水中将会浸透水分，其γs应取其湿重度。其主要缺点是物理化学性能不稳定，易于腐烂。使用时一般应用生石灰水浸泡脱脂，制成脱脂木屑：或用沥青炒制成沥青木屑。由于其质轻易扬，故主要用于悬移质模型。 (2) 煤粉。来源丰富，种类众多，重率变化范围广，可适用不同模型。其物理化学特性优于木屑，但由于硬度小，易于磨损破碎，致使级配不能保持稳定。视其重率不同。既可用于悬移质模型，也可用于推移质模型。

其它常用的模型沙材料还有煤灰，电水粉、核桃壳粉、滑石粉等，其特性见表3-2。其它常用的模型沙材料还有煤灰，电水粉、核桃壳粉、滑石粉等，其特性见表3-2。各种模型沙一览表表3-2

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验感潮河段——注入海洋的河流，河口以上一定长度的河流段，水流泥沙运动和河床演变除受河流上游来水来沙的影响外，还受海域来水来沙影响。试验时应同时模拟迳流和潮流以及相关的泥沙运动，这种模型称为河口潮汐模型。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验潮汐模型主要特点：在模型河段的一端或两瑞，水流具有周期性的不恒定的涨落运动，而且河口区水域一般宽广，宽深比巨大，且有盐淡水的交替作用。试验关键：在于充分考虑上述水流泥沙运动及边界条件的差异，特别是充分考虑海域来潮来沙的情况。由于河口及海洋地区一般经济比较发达，国内外在潮汐模型方面已积累了相当多的经验。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验潮汐模型可以分为两类，一种模拟上起潮区界，下迄口外海滨全部河口河段，称整体模型，另一种仅模拟小段河流，甚至某一局部近岸部分的模型，称局部模型，如图3-9所示。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验潮汐模型设计，一般原理与普通河工模型相同，主要区别是在水流和水位的变化要考虑潮汐的影响。几何相似方面——河口区河道一般水面广阔，宽深比极大，多采用变态模型，且变率较大，多在5～15左右（由于河口、海岸的河床地形起伏不大，故可作为二维水流处理，变率即使较大也不至造成过大的误差）。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验在基本相似条件：潮汐模型一般仍按佛汝德相似律设计，同时尽可能兼顾阻力相似。由于模型变率较大，从而要求模型糙率也大，往往不易做到，或者仅可保证水位过程相似，至于水流结构相似则有相当程度的偏离，这是应该注意的。此外，模型雷诺数、水深方面的限制性条件仍应满足。但对潮汐模型，尚应注意如下几个问题：

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验（1）由于潮汐模型耍模拟潮波运动，因此其一个重要的特点是要严格遵守水流时间比尺( )，以保证潮波运动的相似。（2）对于河口区盐淡水的交汇混合，一般情况下不必也很难进行模拟。但如研究与盐度有关的问题(如盐水楔)，则应考虑这一因素。无论是否考虑这一问题，在进行动床试验时，均必须考虑原型小水流含盐度对原型沙沉降速度的影响。这时，一般不宜用公式计算，而应在相同水质水体中进行预备试验，从而确定实际的沉速比尺。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验（3）潮汐模型较大变态会使动床试验中泥沙悬移相似所要求的沉降相似条件和悬浮相似条件存在矛盾。实践证明，按前者设计，结果比较符合实际。因此，可采用下述保证悬移相似的比尺关系式：（3-166）

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验（4）由于潮汐模型应该遵守水流运动相似时间比尺λt，而对动床试验，又不能放弃河床变形时间比尺λ’t。目前，为解决这一矛盾采用的方法是，按水流相似时间比尺施放潮波量，而按河床变形时间比尺施放河水量并控制河床变形历时的长短。由于λt恒小于λ’t，故时间变率恒大于1，即施放一个潮汐所引起的河床变形相当于θ个潮波的作用。

第八节 河工模型试验的其它问题三、潮汐模型试验潮汐模型试验中还应正确选择试验潮型。实践中一般选用天然潮型中有代表性的连续潮型，时间为半个月或四分之一个月。为简便计，也可视问题的性质和要求选择一个或几个典型潮别代替连续潮型。潮汐模型与一般河工模型相比，增加了控制海域来水的设备，其详细情况将在后文有关章节中介绍。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证河工模型制作完成后，为了检验其与原型的相似性，必须进行验证试验。模型的验证包括几何相似的验证和水流运动相似的验证，对动床模型还应有泥沙运动(河床变形)相似的验证。（一）几何相似的验证即对模型的平面位置、高程等几何形态进行严格的复校。一般要求平面误差在1～2cm以内，高程误差在l~2mm以内。对于重要的模型，还应预埋一些控制监测点，以便在试验过程中随时校验模型是否有沉降和位移。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证（二）水流运动的验证即在模型中先复演在原型中实刷的水力要素资料。将在模型上测得的相应值与原型资料进行对比分析，找出其误差，然后对模型进行调整，再行验证，直到满足精度要求。水流运动相似的验证内容有：

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证（1）水面流态的验证对比模型与原型的回流部位、回流范围、水面流向及特殊水流现象（剪刀水，泡漩等）是否相似。如有不符，应分析原因并予校正。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证（2）水面线的验证，实际是阻力相似的验证。应利用原型洪、中、枯各级水面线资料，在模型中进行复演。如模型水面线偏低，说明糙率偏小，应对模型逐段进行加糙，直至满足要求；如模型水面线偏高，说明糙率过大，应采取减糙措施。在一般情况下，水面线换算为原型，其高程误差应在10mm左右。应当指出的是，在验证试验中往往难于使各级流量的水面线都与原型十分符合，此时应视所研究的问题，优先满足某一流量级的水面线相似。如在航道整治工程模型试验中，接近整治水位和设计水位的中水或者枯水的相似更为重要。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证（3）流速及其分布的相似验证。在模型上布置若干测流断面，并在断面上测出各点的流速大小和方向，绘制流速分布图，与原型进行比较，即可得出相应的结论。一般情况下，要几何相似得到保证，流速分布就会相似。但对于变态模型，特别是在变率较大时，在弯曲段流速分布会有较明显偏离。如果该段应保证流速分布相似，可用不均匀局部加糙的方法将流速分布调整到与原型基本相符。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证（三）泥沙运动的验证对于动床模型，必须进行泥沙运动和河床变形的验证。即利用原型观测某一水文周期（例如一次洪水过程）前后至少两次地形测图，对模型进行冲淤地形变化的对比。根据共变化过程、冲淤部位、冲淤数量和平面上的分布变化情况是否相符来做出判断。如果两者相符合，说明动床模型中的水流运动和泥沙运动均与原型相似，在此基础上的工程方案试验结果才是可靠的。否则，说明模型有问题，应分析原因，予以校正。

第八节 河工模型试验的其它问题四、河工模型的验证在进行冲淤变化验证的同时应对动床模型的一些重要比尺，如冲淤时间比尺、含沙量比尺和输沙率比尺进行验证。动床模型验证由于内容复杂，工作量较大，一般需经反复验证方能成功。当前述三方面的验证都完成后，模型与原型的相似即已得到保证，随后即可进行正式的工程方案试验。

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析（一）河工试验程序 1、试验前准备 (1) 量测仪器的制备、检查、安装和校正。各种辅助设备如电源、照明、摄影、通讯、测桥应预先安装完备。 (2) 供水系绕(包括抽水系绕、机电设备、回水渠道等)的安装检查。 (3) 检查模型是否有漏水现象，如有应采取措施排除。 (4) 对动床模型，应制备模型沙，并根据试验要求保证足够的数量；安装加沙和回收设备。 (5) 进行必要的预备试验。 (6) 作好试验计划及人员安排，准备记录表格或电子文档。

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析 2、模型验证试验根据试验要求确定验证试验的内容，收集并整理用于验证的原型资料，验证试验的具体作法如前文所述。 3、正式工程方案试验不同的模型视其研究目的，试验内容很不一样，应事先计划好。

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析（二）资料的整理与分析在进行验证试验和正式试验时，应特别注意资料的收集、整理与分析。并将结果经过处理绘制成必要的图表，以便进行分析研究，找出规律，得出试验结论。有关试验数据采集与分析处理将在第九章中详细论述，

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析在资料整理和分析时，应注意几个问题： 1、应边试验边整理，同时计算和绘制图表。这有利于发现问题，指导下步试验工作的进行。

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析 2、对观测资料，要注意其真实性、准确性。要在充分论证的情况下确定资料的取舍，不能以自己的主观愿望去筛选资料，否则会导致错误的结论。 3、方案试验中，应棍据生产实际的耍求评价已经试验的方案，并据此提出新的方案或改进后的方案进行试验，直至找出最佳的工程方案，试验方告结束。

第八节 河工模型试验的其它问题五、河工试验程序和资料分析 4、试验结束后，应编写试验报告书。其内容一般应有（1）河道和工程概况；（2）试验任务的来源；（3）试验的目的、任务和要求：（4）提供试验的工程方案及其简要说明；（5）模型设计；（6）模型制造；（7）验证试验结果及对模型的评价；（8）正式试验的过程和成果；（9）对原工程方案、修改方案或新提方案的评价与成果分析；（10）结论和建议。

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