水工及河工模型试验.共47页文档
某水利水电工程水工模型试验报告
某水利水电工程水工模型试验报告115349763.doc目录.................................................................... ...................................................... 1 1. 概述1.1 工程简况 ..................................................................... .. (1)1.2 试验资料 ..................................................................... .. (1)1.3 试验目的及研究内容 ..................................................................... (2)2 模型试验设计和制作 ..................................................................... .. (5)2.1 模型试验主要依据 ..................................................................... . (5)2.2 模型要求 ..................................................................... .. (5)2.3 模型量测仪器及设备 ..................................................................... (6)3. 设计方案试验成果 ..................................................................... .. (7)3.1 泄流能力 ..................................................................... .. (9)3.1.1 泄洪放空洞泄流能力...................................................................... .. (9)3.1.2 溢洪道泄流能力...................................................................... .. (11)3.2 泄洪放空洞水力特性简述 ..................................................................... .. (13)3.3 溢洪道水力特性简述 ..................................................................... . (13)4. 优化方案I ...................................................................... . (14)4.1 体形优化 ..................................................................... (14)4.1.1 泄洪放空洞体形优化...................................................................... (14)4.1.2 溢洪道体形优化...................................................................... .. (21)4.2 泄流能力 ..................................................................... (24)4.2.1 泄洪放空洞泄流能力...................................................................... (24)4.2.2 溢洪道泄流能力...................................................................... .. (26)4.3 泄洪放空洞洞身水力特性 ..................................................................... .. (28)4.3.1 水流流态...................................................................... .. (28)4.3.2 水深、流速及洞顶余幅...................................................................... .. 294.3.3 压力及水流空化数...................................................................... . (32)4.3.4 掺气空腔特性...................................................................... (37)4.4 溢洪道沿程水力特性 ..................................................................... . (38)4.4.1 水流流态...................................................................... .. (38)1115349763.doc4.4.2 水深及流速...................................................................... . (39)4.4.3 压力及水流空化数...................................................................... . (48)4.5 水舌特征及下游河道水力特性 .....................................................................544.5.1 流态...................................................................... . (54)4.5.2 出口水舌特性...................................................................... (56)4.5.3 下游岸边流速...................................................................... (59)4.5.4 下游岸边水面线...................................................................... .. (63)4.5.5 下游河道冲刷...................................................................... (70)5. 初设阶段推荐方案 ................................................................ 错误～未定义书签。
第3章 河工模型试验
由此求得模型糙率为： 由此求得模型糙率为： 上游： 上游： 下游： 下游：
nm = 0.0232 ~ 0.0371 nm = 0.0107 ~ 0.0186
坝下游来说，采用水泥沙浆粉面； 坝下游来说，采用水泥沙浆粉面；坝上游采用水泥 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方， 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方，进行小 范围的梅花加糙。 范围的梅花加糙。
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3.2 变态定床河工模型
采用变态河工模型的原因
实验场地的限制 水流条件的限制 模型沙选择的限制 实验量测精度和时间的限制
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3.2 变态定床河工模型
相似条件
满足重力相似
流速比尺：λu = λ 流速比尺：
1/ 2 h
λQ = λl λ3 / 2 h 流量比尺： 流量比尺：
λ n = λ l1 2 λ h− 2 3 重力相似和阻力相似同时满足： 重力相似和阻力相似同时满足：
h uc = k d
y
γs −γ gd γ
γ s――泥沙、水的容重； , γ 泥沙 水的容重； 泥沙、
――泥沙粒径 d 泥沙粒径 得起动流速比尺
λu
c
1 λh 1 2 2 λγ s −γ λd = λu = λ d γ
y
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推移质运动的相似条件
输沙条件相似
由窦国仁推移质输沙率公式 式中： 式中：
k0 γ s u3 (u − uc′ ) gb = 2 C0 γ s − γ gω
γ
′ 止动流速 u――止动流速，一般取 止动流速， c
g b ――单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率 k――综合系数，对于全部底沙取为0.1； 综合系数， 0.1； 综合系数 对于全部底沙取为0.1 0
第3章河工模型试验
h2/3 4、按阻力重力比相似要求： n 1 2 0.96 l
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变态模型设计实例
本河段枯水期的原型糙率为0.0204~0.0329，中洪水期 的原型糙率为0.0206~ 0.0255，要求模型糙率为： 枯水期： nm 0.0212 ~ 0.0342 中洪水期： nm 0.0214 ~ 0.0266 其中较大糙率出现在深槽部分，采取分段加糙办法， 除深槽部分采用直径为25mm的卵石梅花加糙外，其余 散铺10~15mm小卵石。因模型河段断面宽深比较大，仅 考虑河床糙率相似，河岸糙率相似未作单独考虑。
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正态模型设计实例
模型设计
1、由于场地限制，取模型平面比尺为：l 100
1/ 2 10 2、按惯性力重力比相似要求： u l
3、流量比尺
Q l5/ 2 100000
10
正态模型设计实例
16 4、按阻力重力比相似要求： n l 2.15
由此求得模型糙率为：
18
变态模型设计实例
模型设计
1、由于场地限制，取模型平面比尺为： l 500 2、河段浅滩最小水深为2.6m，枯水流速为1.24m/s，为保 证水流为紊流，并消除表面张力的影响，模型必须采用 变态。综合考虑后选定变率为5，即取 h 100
1/ 2 3、按惯性力重力比相似要求： u h 10
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颗粒无间距排列加糙（密排加糙）——经验公式
16 n 0.0133 d 天科所公式：
张有龄公式： n 0.0166d
16
密排加糙后模型有效水深与实际水深的关系为：
h h (0.2 ~ 0.3)d
颗粒有间距排列加糙（梅花加糙）——须做预备试验
水工及河工模型试验
3.3 水动力现象相似准数的确定方法
一、方程分析法
微分方程式 定解条件
v v du v F Ma M dt
相似变换
相似准数
例1：牛顿相似准数推导
F t 1 m u
3 l
Ft Ft idem K Mu P Mu m
m V
相似第三定理实际上就是模型试验结果如何整理、 推广到原型的理论。
相似理论的意义 相似理论实质上是指导模型试验的理论。 按照相似理论，我们在模型试验中，必须满足 定解条件相似，必须使相似准数相等，应当采 集相似准数中所包含的各个物理量，并且将试 验成果整理成相似准数之间的函数关系式，这 样才可以将它们推广到原型中去。
运动方程(雷诺方程):
2 u u ux ux u x u x u 1 p xu y 2 x xu z ux uy uz gx ux t x y z x x y z 2 u y u y u y u y u u u u u 1 p ux uy uz gy 2u y y y z y x y t x y z y z x 2 u u u u u z u z u z u z u 1 p z y ux uy uz gz 2 u z z z x t x y z z x y z
u u zm t tm l xm ym zm p 1 pm u g g zm 2 m 2u zm l m zm l
2 u u2 u u zm u ym zm zm u xm l zm xm ym
水力学实验4.水工及河工模型试验理论基础
u 0 1
l01 t 01
u
u01 u01
l01 t01
l01 l t01 t
ut 1（相似指标） ut ut idem K（相似准数）
l
l p l m
❖ 两体系运动相似，要求相似指标等于1，或相似准数等于某 一常数。物理量比尺之间相互制约，不能全部任意指定。
4.1 相似现象及相似概念
量之间保持一定的比例，其相似指标为1或它们的各种相似准
数的数值相等。
❖ 例：牛顿相似律：
v F
Mav
M
duv
r
原型：Fp
r
Mp
r du p dt p
dt
r
模型：Fm
r
Mm
r dum dtm
F
Fr p Fm
,
m
Mp Mm
,
u
u r
p
um
,
t
tp tm
相似变换
F t （1 相似指标） mu
Ft Mu
P
第四章 水工与河工模型试验理论基础
4.1 相似现象及相似概念
一、相似的定义及含意
❖ 定义：两个物理体系的形态和某种变化过程相似，即不仅 静态相似，动态也相似；形式相似，内容也相似。
❖ 相似的含意 ➢ 相似：在几何相似的系统中，各相应点上发生着物理本 质相同的过程，并可用相同的物理方程来描述。 ➢ 模拟：两个体系的物理性质不同，但遵循同一数学规律， 通过对一种物理现象的研究去了解另一物理现象的方法。
uzm ym
uzm
uzm zm
g
g zm
p l
1
m
pm zm
u l2
m2uzm
2 u
某水利水电工程水工模型试验报告
目录1. 概述 (1)1.1工程简况 (1)1.2试验资料 (1)1.3试验目的及研究内容 (2)2 模型试验设计和制作 (5)2.1模型试验主要依据 (5)2.2模型要求 (5)2.3模型量测仪器及设备 (6)3. 设计方案试验成果 (7)3.1泄流能力 (9)3.1.1 泄洪放空洞泄流能力 (9)3.1.2 溢洪道泄流能力 (11)3.2泄洪放空洞水力特性简述 (13)3.3溢洪道水力特性简述 (13)4. 优化方案I (14)4.1体形优化 (14)4.1.1 泄洪放空洞体形优化 (14)4.1.2 溢洪道体形优化 (21)4.2泄流能力 (24)4.2.1 泄洪放空洞泄流能力 (24)4.2.2 溢洪道泄流能力 (26)4.3泄洪放空洞洞身水力特性 (28)4.3.1 水流流态 (28)4.3.2 水深、流速及洞顶余幅 (29)4.3.3 压力及水流空化数 (32)4.3.4 掺气空腔特性 (37)4.4溢洪道沿程水力特性 (38)4.4.1 水流流态 (38)4.4.2 水深及流速 (39)4.4.3 压力及水流空化数 (48)4.5水舌特征及下游河道水力特性 (54)4.5.1 流态 (54)4.5.2 出口水舌特性 (56)4.5.3 下游岸边流速 (59)4.5.4 下游岸边水面线 (63)4.5.5 下游河道冲刷 (70)5. 初设阶段推荐方案 .................................................................. 错误!未定义书签。
5.1泄流能力............................................................................ 错误!未定义书签。
5.2泄洪放空洞洞身水力特性............................................... 错误!未定义书签。
河工模型试验资料
概述
河工模型试验是利用远较原型河道为小的模型进行试验，以研究 河流在自然情况或在建筑物作用下的水流结构及河床变形，这种 模型是根据水流和泥沙运动的力学规律，通过复演与原型相似的 周界条件和动力学条件建立起来的。生产实践中，所遇到的河工 问题，大都属于三维问题，边界条件往往极端复杂，很难单凭现 有水流及泥沙运动知识，进行精确的分析计算，此时，采用模型 试验与理论分析相结合的方式，往往是解决问题的有效途径。
河工模型试验的理论基础－相似论原理
相似论原理
相似现象的相似特征
范畴：物质系统是机械运动相似
不仅是静态相似，也是动态相似 不仅是形式相似，也是内容相似
三个相似特征
(1)几何相似 (2)动态相似 (3)动力相似
河工模型试验的理论基础－相似论原理
几何相似
即模型与原型的几何形态相似。模型与原型中 的任何相应的线性长度，必须具有同一比例：
相似现象相似特征间的联系
相似现象中，相对应的各个物理量必须具有同一比尺。这些 物理量的比尺彼此之间按照一定的规律联系在一起的。
由牛顿第二定律
f m du dt
相似现象的相似指示数等于1
f t 1 m u
－－相似准则
相似现象的相似准则要相等
f ptp fmtm 常数 mpup mmum
Eu
p u 2
常数
压力/惯性力数
惯性力/粘滞力 惯性力/紊动剪力
河工模型试验的理论基础-相似论原理
推求比尺关系式的其它方法
除幂函数以外，其它方程式只要是合理的都可以推导出来 因次分析法
f(x,y,x,w)=0 没有办法时才采用
从作用力的一般表达式出发，导出比尺关系式（根据动力相 似条件）
水工建筑物实验模型
《水工建筑物》结构模型教学试验指导书李桂荣武汉大学水利水电学院混凝土重力坝断面结构模型试验1、目的要求学习应用模型试验的方法进行水工建筑物的结构分析；学习重力坝断面结构模型试验的方法；学习和掌握测试仪器的性能及使用方法。
2、试验内容大坝在设计情况下坝基面上的应力分布情况；大坝在设计情况下坝体的水平位移。
3、试验原理在水工建筑物中如拱坝、支墩坝、连拱坝等结构和边界都比较复杂的情况，数学模型不可能或者难以模拟的某些重要的物理现象，往往需要借助物理模型进行试验研究。
结构模型试验内容包括：应力、变形、稳定及承载能力等问题。
结构模型能够模拟建筑物及其地基的实际结构性态，可以同时考虑多种因素及复杂的边界条件，而且能给人以直观的结果，因此结构模型试验是结构分析的一种重要手段。
结构模型试验要解决的问题，是将原型水工建筑物上的力学现象缩小到模型上，从模型上模拟出与原型相似的力学现象中，量测应力、位移和安全度，再通过一定的相似关系推算到原型建筑物。
模型试验如果能正确地解决模拟问题，同时又采用了精确的量测方法，则其所得成果就可能较好反映原型的实际情况。
根据相似原理，按照结构模型试验相似指标设计出与原型相似的重力坝模型，从相似模型上，量测应变等，再通过一定的相似关系推算到原型建筑物。
4．原型基本资料：重力坝为混凝土实体重力坝，坝高为81米，坝顶宽12米，坝底宽60米，下游坝坡1：0.75。
坝体混凝土弹性模量E1=19200Mpa,坝基岩体弹性模量E2=19200Mpa，E3=9600Mpa，混凝土与基岩的泊松比均为μ1=μ2=0.2，坝体混凝土密度为24KN/M3，库水密度为10KN/M3，水库上游设计水位78米。
校核水位80米。
5、相似关系及相似常数的确定结构模型试验的目的是研究建筑物的应力和变形状态。
我们研究的主要对象是水利和土建工程中的混凝土建筑物及地基。
需要通过模型模拟的主要有荷载的类型及大小，建筑物的几何形状的尺寸和材料的物理力学性能。