模型试验与量测技术

1. 模型试验与量测技术 重庆交通大学河海学院 胡江（副教授） TEL：13594137760；62649862 E-mail: 378922494@qq.com

2. 第四章 通航枢纽水工模型试验 • 第一节 通航枢纽整体模型试验 • 第二节 船闸水工整体模型试验

3. 第一节 通航枢纽整体模型试验 —、通航枢纽水工模型试验的基本任务 水利枢纽——如水电工程（三峡）：往往具有防洪、发电、航运、农田水利等综合效益和功能。 枢纽的布置——确定通航枢纽中各主要建筑物间的相互位置。 枢纽布置影响的因素多、复杂；地形、地质、水文、主要建筑物的型式与需要尺寸等； 寻找一个最佳的工程方案——整体模型试验，最合理的布置方案。

4. 二、通航枢纽水工模型试验的相似条件 枢纽工程有挡水、泄水、输水、取水等建筑物，河岸弯曲和河床内洲滩起伏等地形条件，保证几何相似和重力相似十分重要。 枢纽模型设计除满足第三章的相似条件外，还必须保证模型是正态。 平面上的二维非恒定流的运动方程及连续方程出发进行分析。为简便计，以水深h代替水力半径。这一简化对于绝大多数通航枢纽所在的河床断面情况（宽浅式）是足够近似的。

5. y向 x向 设x、y为水流平面纵、横坐标，t为时间，V为平面上各点垂线平均流速，vx、vy为v沿x、y向分量，Ix、Iy为沿x、y向水面比降，C为谢才系数，g为重力加速度(可视为常量)，则水流运动方程和连续方程可写为: （4-1） （4-2）

6. 如第一章所述，模型水流与原型水流必须为同一微分方程描写的相似水流，据相似理论的方程分析法，由式（4-1）可导出下列比尺关系： （4-3）

7. 由式（4-3）可归结为4个独立相似条件： （4-4） （4-5） （4-6） （4-7）

8. 如以z表示水面高程，则曲率半径为r的弯道水流方程为:如以z表示水面高程，则曲率半径为r的弯道水流方程为: （4-8） 将（4-6）写成比尺关系式即 ，说明严格保证重力相似后，就能保证弯道水流的相似。 对于通航枢纽模型来讲，保证水流运动（重力）相似是主要的，阻力相似条件（4-7）可以稍次。原因是，谢才比尺也可视为阻力比尺，通过曼宁公式还可得到糙率比尺，可用以控制模型糙率。

9. 满足重力相似条件式（4-6）和阻力相似条件式（4-7）仅仅是保证从平均水力要素（如垂线平均流速）意义上说的水流运动相似，而要实现通航枢纽上下游附近流态的真正相似， 还必须做到垂线流速分布相似，这就要求模型与原型的阻力系数或谢才系数同量，亦即 ，从而得： 此式表明模型必须是正态。 (4-9)

10. 三、枢纽整体模型设计步骤： • 1、根据试验任务，主要研究问题及性质，拟定模型拟范围，选择试验场地。 • 2、选择模型比尺，要选择尽可能大的模型尺寸。 • 3、根据原型建筑物表面粗糙度（据原型建筑物材料及工艺）和原始水文测量所提供的糙率系数，用阻力相似条件估算模型各部份应有的糙率系数，选择相应的模型材料。 阻力相似条件通常表示 • 4、编制详细的模型施工（加工）计划，绘制施工图，并统筹布置模型上下游、左右岸的平面控制系统和高程控制系统及观测设备。 • 5、验证试验，主要验证瞬时水位、流速分布，局部流态等与天然河流是否相似，若不一致则应进一步修正模型河床和粗糙度。 • 验证满足要求后，便可以进行具体试验。

11. 四、通航枢纽水工模型试验设计实例 葛洲坝枢纽模型——坝轴线上游约2km处，即为宽度仅为300m左右的峡谷河段。坝轴线处河身宽达2600m，河中心有两心洲，将河流一分为三股，从轴线下游河道又逐渐缩窄至800m左右，河道特性也随之由山区河道逐渐转变为平原河道。

12. 为保证峡谷段出口的水流相似，模型进口选在峡谷段出口以上2km处，模型出口选在坝（轴线）下游约6km处，模型范围总长约9km。为保证峡谷段出口的水流相似，模型进口选在峡谷段出口以上2km处，模型出口选在坝（轴线）下游约6km处，模型范围总长约9km。 所研究的问题又是有关水流结构的问题，再加上建筑物的干扰，为了保证水流相似，采用正态模型。 图3-8 试验河段平面图

13. 模型试验目的： • 1、上下游引航道口门区通航条件 • （1）纵、横向流速，满足规范允许值。 • （2）避免泡漩、斜流、局部跌水等，结合泥沙模型研究引航道减淤措施，优选口门的布置形式。 • 2、研究峡谷河段出口流态，船舶航行条件。这里主要是下行船舶安全进入引航道问题。必要时采取工程措施，如挖槽，切嘴等。 • 3、研究上下游流速、流态，配合泥沙模型，研究泥沙输移规律并制定防淤工程措施。 • 4、进行有关水工建筑的水力学研究，如泄洪能力，坝下消能防冲等。

14. 考虑到场地的限制和试验精度的要求，将模型长度比尺定为 。 遵守重力相似准则，据此，取 。 根据对天然资料的分析，坝上游糙率系数n的变幅为0.050～0.080，局部阻力较大，具有明显的山区河流特性。坝下游n的变幅为0.023～0.040，较小。根据阻力相似： 由此求得模型糙率应为：坝上游nm＝0.0232～0.0371，坝下游nm=0.0107～0.0186。故对坝下游，采用水泥沙浆粉面；对坝上游，由于局部地形起伏较大，采用水泥沙浆粉面，再适当打毛。 据泥沙采样调查，河床糙率在各段分布不均匀，如坝上游左、右岸均局部有基岩出露，其余床面多为卵石组成。坝下游主要为沙质及卵石河床，局部也有基岩出露。 进一步的验证试验表明，在这些基岩出露处，进行小范围的梅花加糙，不仅可使总的糙率相似得到满足，而且在—定程度上可调整主流位置，使模型与原型符合更好。

15. 水文分析表明，本河段流量充沛，水深较大，年平均流量达到14000m3/s，而且所研究的问题主要是洪水期间的流速流态问题，没有最小雷诺数和最小水深的限制。例如，水文分析表明，本河段流量充沛，水深较大，年平均流量达到14000m3/s，而且所研究的问题主要是洪水期间的流速流态问题，没有最小雷诺数和最小水深的限制。例如， 原型实测枯水流量9150m3/s时，平均水深9.7m，平均流速1.15m/s。由此算得，模型水深 模型雷诺数：

16. 模型设计时，布置9个水尺，3个流速（垂线）分布观测断面，如图中坝上17＃、坝上5＃；及坝下水文断面，这些水文站及断面均有原型实际观测资料可资比较。另外，还在原型上投放浮标并测有表面流速、流向和流态。模型设计时，布置9个水尺，3个流速（垂线）分布观测断面，如图中坝上17＃、坝上5＃；及坝下水文断面，这些水文站及断面均有原型实际观测资料可资比较。另外，还在原型上投放浮标并测有表面流速、流向和流态。 模型制成后，经过验证试验表明，模型的水面线、垂线平均流速沿河宽的分布、点流速的垂线分布、水面流态即与等原型比较符合。各级水位时的模型值与原型值相差一般不超过5cm(原型)，流速偏离一般在5％以内。

17. 第二节 船闸水工整体模型试验 一、概 述 船闸水力模型试验的试验项目主要有以下几项： 1、闸室灌、泄水时的水力特性曲线 H=f(t) Q=f(t) μt=f(t) n=f(t) E=f(t) dQ/dt=f(t)

18. 2、测定闸室及引航道内过闸船舶的系缆力 闸室及引航道内船舶停泊条件： 主要以单船或船队在不同停泊位置时的纵向和横向系缆力来衡量，以不同的阀门开启时间得出不同的输水时间，视其系缆力能否满足停泊条件要求，即测出的系缆力应小于容许系缆力。 3、观测流速分布和流态（局部水流现象） 流速分布——上、下引航道、闸室（头部输水） 流态观测——输水廊道进、出口附近、闸室、下引航道流态（水流扩散消能情况）。作为判定消能工消能效果，并确定闸室底部及引航道的护底措施。

19. 以上都是非恒定流试验内容，须恒定流试验观测内容如下：以上都是非恒定流试验内容，须恒定流试验观测内容如下： 4.测定输水廓道各段阻力系数； 5.测定输水廓道（阀门后）局部压力及分布，空化和气蚀现象分析。 6.对于高水头船闸应观测输水阀门的启门力、阀门的振动等。

20. 二、船闸水力模型试验的设计与量测设备 （1）模型比尺 船闸输水系统的整体模型试验一般按重力相似准则设计，模型比尺通常25～40。 对于局部构件的试验，如输水阀门的水力试验、输水廊道内的压力分布试验，则在更大比尺的模型(如10～20)上进行。 （2）模型材料 有机玻璃板，聚緑乙烯塑料板——输水廊道； 钢板、玻璃板——闸室； 闸首——木料框架，钢框架； 消能工部分——有机玻璃板，聚緑乙烯塑料板，木料； 骨架——槽钢、角钢等等； 引航道——砖砌，水泥抹面；

21. 二、船闸水力模型试验的设计与量测设备 试验设备： （1）平水槽 （2）阀门启闭机 （3）量水堰 （4）流速仪 （5）钢环电阻式缆绳应力仪 （6）波高仪 （7）水位仪 （8）压力传感器

22. 三、船闸水力模型设计实例 接受任务以后——水力计算（重要）！注意船闸水工模型与河工模型区别。 某试验室有实验场地36×8=240m2，水泵供水能力为0.15m3/s。今接受某水利枢纽通航船闸的模型试验，原始资料如下： 船型：2×5000吨级硬绑船队； 最大 水头差：29.3m； 引航道试验段长度：要求上、下游各141.5m，最大水面宽度140m；