1、河工及水工模型试验河工及水工模型试验第五章第五章 水工模型试验水工模型试验5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 一、水利枢纽整体模型试验的基本任务一、水利枢纽整体模型试验的基本任务1、水利枢纽的概念、水利枢纽的概念2、基本任务、基本任务 v 工程前枢纽河段的水力特性试验研究。工程前枢纽河段的水力特性试验研究。v 枢纽泄流能力及优化泄流宽度试验研究。枢纽泄流能力及优化泄流宽度试验研究。v 枢纽总体布置方案试验研究。枢纽总体布置方案试验研究。v 通航建筑物平面布置形式及通航水流条件试验研究。通航建筑物平面布置形式及通航水流条件试验研究。v 对施工导流方案、施工期防洪渡汛方案及施工期河床
2、冲淤对施工导流方案、施工期防洪渡汛方案及施工期河床冲淤进行试验研究。进行试验研究。v 枢纽运行期优化调度方案试验研究。枢纽运行期优化调度方案试验研究。v 枢纽河段局部动床模型试验研究。枢纽河段局部动床模型试验研究。v 其它有关问题的试验研究。其它有关问题的试验研究。三峡工程双线五级船闸三峡工程双线五级船闸三峡工程导流明渠三峡工程导流明渠三峡工程二期围堰三峡工程二期围堰5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 二、相似条件二、相似条件5.1 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验220 yxxxxxxyxyyyyxyyuuxygu uuuuuugJxytC huuugu uuu
3、gJxytC h连续方程：二维非恒定流方程运动方程2222yxxxxxyyyyuuuuuuhlltlChuuuuuuhlltlCh 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 xyuuuxyllltuuu1 2xyuuuh1 2()lChv时间比尺时间比尺:（斯特鲁哈准则）（斯特鲁哈准则）v佛汝德准则：佛汝德准则：v阻力相似条件：阻力相似条件：v 流速比尺：流速比尺：v水利枢纽整体定床模型必须为正态水利枢纽整体定床模型必须为正态 要实现水利枢纽上下游附近流态的真正相似，要实现水利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，这就要求模型还必须做到垂线流速分布相似，这就要求模型
4、与原型的阻力系数或谢才系数同量；与原型的阻力系数或谢才系数同量；水流经水工建筑物及其消能设备下泄时，水头水流经水工建筑物及其消能设备下泄时，水头损失绝大部分消耗于建筑物及河床几何形态决损失绝大部分消耗于建筑物及河床几何形态决定的局部阻力，在几何变态的情况下将造成下定的局部阻力，在几何变态的情况下将造成下泄水流某些基本特性的改变。泄水流某些基本特性的改变。5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 1 2()1lChlh三、模型设计步骤三、模型设计步骤v拟定拟定枢纽上、下游和左、右岸的枢纽上、下游和左、右岸的模拟范围模拟范围，并确，并确定有哪些放水运行情况。定有哪些放水运行情况。v结合试验
5、室场地条件和供水能力，以正态几何相结合试验室场地条件和供水能力，以正态几何相似为前提选择可能的最小似为前提选择可能的最小l ，计算在各种放水流，计算在各种放水流量下模型河床中的水深和水流雷诺数，并校核其量下模型河床中的水深和水流雷诺数，并校核其数值是否足够。数值是否足够。v用阻力相似条件估算模型各部位应采取的模型材用阻力相似条件估算模型各部位应采取的模型材料。料。v进行未建枢纽前的天然河床模型阻力验证。进行未建枢纽前的天然河床模型阻力验证。v绘制详细的模型施工图，并统筹布置模型上下游、绘制详细的模型施工图，并统筹布置模型上下游、左右岸的各项控制和观测设备。左右岸的各项控制和观测设备。5.1 水
6、利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验四、模型设计及试验实例四、模型设计及试验实例 株洲航电枢纽坝址河势图株洲航电枢纽坝址河势图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型试验研究的主要任务模型试验研究的主要任务 枢纽河段水力特性研究枢纽河段水力特性研究 枢纽泄流能力及泄流宽度确定枢纽泄流能力及泄流宽度确定 枢纽平面布置及优化研究枢纽平面布置及优化研究 船闸上、下引航道口门区通航水流条件研究船闸上、下引航道口门区通航水流条件研究 施工导流期间上下游水位变化、流场变化以及施工导流期间上下游水位变化、流场变化以及导流能力等研究导流能力等
7、研究 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型设计模型设计 几何比尺：几何比尺：110l流速比尺：流速比尺：1 210.49ul 阻力系数比尺阻力系数比尺:1 62.19nl 流量比尺流量比尺:5 2126905.9Ql 时间比尺：时间比尺：1 210.49tl 限制性条件验证：限制性条件验证：模型糙率制作：模型糙率制作：5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v模型验证模型验证 洪、中、枯水面线验证洪、中、枯水面线验证 流速分布验证流速分布验证 汊道分流比验证汊道分流比验证v模型试验过程简介模型试验过程简介 R1016150第一类方案枢纽总体布置平面图第一类方案枢纽总体
8、布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸临时船闸临时船闸永久船闸永久船闸第二类方案枢纽总体布置平面图第二类方案枢纽总体布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸永久船闸永久船闸R1015016第三类方案枢纽总体布置平面图第三类方案枢纽总体布置平面图 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验左汊泄水闸左汊泄水闸右汊泄水闸右汊泄水闸永久船闸永久船闸5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v试验结论及推荐方案试验结论及推荐方案 泄流能力：第一、三类布置方案泄流能力优于
9、第二方泄流能力：第一、三类布置方案泄流能力优于第二方案。案。船闸通航水流条件：三大类方案下引航道口门区横向船闸通航水流条件：三大类方案下引航道口门区横向流速较大。第一类布置方案的临时船闸通航水流条件流速较大。第一类布置方案的临时船闸通航水流条件较差，使用条件受限较差，使用条件受限。水力特性分析比较：第二类布置方案中枯水时主流由水力特性分析比较：第二类布置方案中枯水时主流由右汊电站泄流，即主流在右汊，与天然河道情况相反，右汊电站泄流，即主流在右汊，与天然河道情况相反，洪水时两汊分流比与天然河道分流比差别较大，因此洪水时两汊分流比与天然河道分流比差别较大，因此对河势的影响较大。对河势的影响较大。枢
10、纽总体布置推荐类方案：第三类布置方案枢纽总体布置推荐类方案：第三类布置方案 5.1 水利枢纽整体模型试验水利枢纽整体模型试验v推荐类布置方案的详细优化试验研究推荐类布置方案的详细优化试验研究 90m 株洲航电枢纽推荐方案平面布置株洲航电枢纽推荐方案平面布置 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 v泄水建筑物的作用及重要性泄水建筑物的作用及重要性一、泄水建筑物的主要出流类型一、泄水建筑物的主要出流类型 v泄水建筑物种类泄水建筑物种类 溢流坝溢流坝 大孔口式、开敞式大孔口式、开敞式 坝体泄水孔坝体泄水孔 水工隧洞水工隧洞 岸边溢洪道岸边溢洪道 水闸水闸v出流类型出流类型 堰
11、流堰流、闸孔出流（孔流）、闸孔出流（孔流）5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 三峡泄水建筑物三峡泄水建筑物二滩拱坝泄洪二滩拱坝泄洪二、消能工主要形式二、消能工主要形式 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 底流消能底流消能 挑流消能挑流消能 面流消能面流消能 消力戽消能消力戽消能 洞内突扩消能洞内突扩消能 辅助消能工辅助消能工 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 三、模型相似准则及限制条件三、模型相似准则及限制条件1、相似准则：几何相似、重力相似准则、相似准则：几何相似、重力相似准则2、限制条件：、限制条件：v雷诺数限
12、制雷诺数限制 v阻力相似限制阻力相似限制 v水力基本要素限制水力基本要素限制:流速、水深流速、水深 v模型变态限制模型变态限制：不得采用变态模型：不得采用变态模型v模型范围限制模型范围限制v模型制作精度限制模型制作精度限制 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 四、试验内容和方法四、试验内容和方法1、泄流能力、泄流能力v堰流堰流 3/202sQm BgH 3/23/2022QmBgHmBg ZZ3/23/2022QQmBgHBg ZZ 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 堰流泄流能力
13、试验步骤堰流泄流能力试验步骤 =0.25=0.5=0.75相对开度=120Z(m)30405060708090100150200250Q(m/s)350Q =146.5校校Z =30.940QZm=0.3814-0.00282(Z-24)m3Q(m/s)16012080400.50.40.332313029282726Z(m)25 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 孔流：孔流：22dQgHg ZZ22dQQgHg ZZ=0.25=0.5=0.75相对开度=120Z(m)30405060708090100150200250Q(m/s)350Q =146.5校校Z =3
14、0.940QZm=0.3814-0.00282(Z-24)m3Q(m/s)16012080400.50.40.332313029282726Z(m)252 2 水面及水面线水面及水面线v水面线施测的目的水面线施测的目的v测读方法测读方法 侧面直读法：标尺、水准仪侧面直读法：标尺、水准仪 活动测针架法活动测针架法 自动跟踪水位计法自动跟踪水位计法 联合法联合法3 3 流速流向流速流向v断面布置、垂线布设、流态观测断面布置、垂线布设、流态观测 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 4 4 动水压强动水压强v 测压管布设、压强测读、数据整理测压管布设、压强测读、数据整理 5.
15、2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 测压管布置测点压强沿程分布线测压管布置测点溢洪道底坡线消力池5 5 脉动压强脉动压强 v脉动压力的危害：增大瞬时荷载、共振脉动压力的危害：增大瞬时荷载、共振 v脉动压强的测量：专门的压力传感器脉动压强的测量：专门的压力传感器6 6 局部冲刷局部冲刷 v模型沙的选择：抗冲流速、起动相似模型沙的选择：抗冲流速、起动相似v模型河床的铺设：范围、分层模型河床的铺设：范围、分层v冲刷时间：采用极限冲刷平衡时间冲刷时间：采用极限冲刷平衡时间 v试验成果整理试验成果整理 量测冲淤地形量测冲淤地形 分析冲刷坑的长度、宽度、深度、坡度、中心分析冲刷坑的长
16、度、宽度、深度、坡度、中心位置等位置等 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 7 7 折冲水流折冲水流8 8 冲击波冲击波9 9 通气通风通气通风10 10 体形优化体形优化11 11 洞塞消能洞塞消能12 12 底流消能底流消能 13 13 挑流消能挑流消能 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验 5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验v底流消能试验的步骤底流消能试验的步骤 按照相似理论制作水工模型按照相似理论制作水工模型 确定工况确定工况 确定收缩断面弗汝德数确定收缩断面弗汝德数 确定水跃位置及衔接方式确定水跃位置及衔接方
17、式 消力池深度优化消力池深度优化 消力池长度优化消力池长度优化 闸门调度方案闸门调度方案 辅助消能工辅助消能工v挑流消能试验的步骤挑流消能试验的步骤 设计模型设计模型 水舌参数的测定水舌参数的测定 冲刷坑测定冲刷坑测定 优化试验优化试验 改变冲刷位置改变冲刷位置 增强河床抗冲能力：护底、二道坝、齿墙增强河床抗冲能力：护底、二道坝、齿墙 挑流偏角挑流偏角5.2 泄水建筑物及消能工模型试验泄水建筑物及消能工模型试验5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 一、概述一、概述v空化空蚀的概念及危害空化空蚀的概念及危害v减少空蚀的措施减少空蚀的措施 优化过流的体型优化过流的体型 控制
18、过流面的不平整度控制过流面的不平整度 增加工程材料的抗蚀性能增加工程材料的抗蚀性能 掺气减蚀措施掺气减蚀措施5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验二、相似准则和模型设计二、相似准则和模型设计v 空化问题相似可以分为空化问题相似可以分为空化水流相似空化水流相似和和空蚀相似空蚀相似v 空化的特点空化的特点 分空化水流的产生、发展、溃灭三个阶段分空化水流的产生、发展、溃灭三个阶段 水体不连续，不能看做不可压缩的水体不连续，不能看做不可压缩的 比尺效应明显：几何比尺、水体品质比尺效应明显：几何比尺、水体品质 研究初生空化具有重要工程意义研究初生空化具有重要工程意义v 空化数、初生
19、空化数空化数、初生空化数22avgPPPKu00KKKK：不发生空化 ：发生空化 v相似准则相似准则 满足几何相似、水流的运动相似和动力相似满足几何相似、水流的运动相似和动力相似 遵循佛汝德相似准则遵循佛汝德相似准则 模型与原型的水流空化数应相等模型与原型的水流空化数应相等v 空化水流模型相似比尺空化水流模型相似比尺5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 1 2ul25lQ21lt61ln22()()22avavmpmpPPPPPPKKugugv掺气减蚀模型相似条件掺气减蚀模型相似条件 模型掺气设施处水流速度宜大于模型掺气设施处水流速度宜大于6m/s6m/sv模型设计模型
20、设计 使模型与原型的空化数相同的办法使模型与原型的空化数相同的办法 尽可能选择尽可能选择较大较大的模型比尺（缩尺效应）的模型比尺（缩尺效应）过流边壁糙率应尽量满足相似要求过流边壁糙率应尽量满足相似要求 对模型材料必须做强度校核，连接牢靠平整对模型材料必须做强度校核，连接牢靠平整 应使模型掺气设施处水流速度大于应使模型掺气设施处水流速度大于6m/s6m/s（通气量相似）（通气量相似）5.3 水流空化及掺气减蚀模型试验水流空化及掺气减蚀模型试验 1 2ul25lQ21ltn相似比尺：相似比尺：5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验 一、概述一、概述v有压引水系
21、统设计中需要解决的问题有压引水系统设计中需要解决的问题流量变化流量变化 压力变化压力变化 水锤水锤 5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验v有压引水系统非恒定流模型试验的特点有压引水系统非恒定流模型试验的特点 时间因素在模型设计和试验观测中必须严格对待；时间因素在模型设计和试验观测中必须严格对待；最小允许雷诺数控制没有太大意义，唯有用尽可能大最小允许雷诺数控制没有太大意义，唯有用尽可能大的模型尺寸并适当控制模型边壁糙率，以求阻力相似的模型尺寸并适当控制模型边壁糙率，以求阻力相似偏离较小。偏离较小。水锤传播速度与固体边壁的弹性变形有关，模型材料水锤传播速度与
22、固体边壁的弹性变形有关，模型材料的选择需要满足相似条件。的选择需要满足相似条件。5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验二、相似条件二、相似条件v调压室涌浪的基本方程调压室涌浪的基本方程 221 11114 31222221134444l n ul duzg dtDdzD uD uDdt111tzlu 11124 31tunD 2211221DuDu113221tDuDz v压力管道水锤方程压力管道水锤方程 5.4 5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验2222224 32222110410uun uHlgatDuugH
23、taat21au222431lnD 21auH 21atl v有压引水系统的模型应该设计成正态模型有压引水系统的模型应该设计成正态模型 5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验11223llDlDDzH121 2uuul1 2ltlu121 6nnnl1 2aul相似条件相似条件5.4 水电站有压引水系统非恒定流模型试验水电站有压引水系统非恒定流模型试验水锤波速的计算公式水锤波速的计算公式1KaD KE11mpmmapmppD KaED KaEa可根据可根据 选择模型材料及管壁厚度选择模型材料及管壁厚度 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物
24、水流脉动和流激振动模型试验 一、概述一、概述1 1、水流脉动和流激振动对水工建筑物的影响、水流脉动和流激振动对水工建筑物的影响2 2、水流压力脉动和流激振动模型试验的内容、水流压力脉动和流激振动模型试验的内容二、相似准则和模型设计二、相似准则和模型设计1 1、水流压力脉动模型、水流压力脉动模型v相似条件相似条件 几何相似几何相似 水流运动相似水流运动相似 动力相似动力相似 佛汝德模型定律佛汝德模型定律 阻力相似阻力相似 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验 v相似比尺相似比尺 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模
25、型试验 流速脉动比尺：流速脉动比尺：1 2ul紊动强度比尺：紊动强度比尺：1 2ul时间比尺：时间比尺：21lt压力脉动幅值比尺：压力脉动幅值比尺：pl脉动频率比尺：脉动频率比尺：21lf相关函数比尺：相关函数比尺：2lR谱密度比尺：谱密度比尺：25lS5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验2 2、水工建筑物流激振动模型、水工建筑物流激振动模型v 相似条件相似条件 水力条件相似：水流运动相似、阻力相似水力条件相似：水流运动相似、阻力相似 结构动力相似结构动力相似 结构物的几何条件相似结构物的几何条件相似物理力学特性相似物理力学特性相似运动条件相似运动条
26、件相似边界条件相似边界条件相似 v几何条件相似：尺寸、位置相似几何条件相似：尺寸、位置相似v物理力学条件相似物理力学条件相似 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验线变位比尺：线变位比尺：ll线应变比尺：线应变比尺：1泊桑系数比尺：泊桑系数比尺：1E正应力比尺正应力比尺:G切应力比尺切应力比尺:GEv运动条件相似运动条件相似 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验结构运动微分方程：结构运动微分方程：()MCKF t质量矩阵质量矩阵加速度列阵加速度列阵阻尼矩阵阻尼矩阵速度列阵速度列阵刚度矩阵刚度矩阵位移列阵位移列
27、阵动水脉动荷载列阵动水脉动荷载列阵 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验 eTeVBDBK单元刚度矩阵：单元刚度矩阵：0)1(221000000)1(221000000)1(221000000111000111000111)21)(1()1(ED ()MCKF t212MtCtKpl lEtlstMK23222tlsE1131tlstMC21pKlEl 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验v边界条件相似边界条件相似 边界约束条件相似：地基模拟范围的选取边界约束条件相似：地基模拟范围的选取 受力条件相似：模型
28、材料的选择、荷载的施加受力条件相似：模型材料的选择、荷载的施加 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验3 水流与弹性体流激耦合振动模型水流与弹性体流激耦合振动模型v满足水流与弹性体两者各参数的相似比尺一致满足水流与弹性体两者各参数的相似比尺一致 5.5 水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验水工建筑物水流脉动和流激振动模型试验l21lt1ws1lpE5.2lC1 2Vutl21lf5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 v施工截流、导流的重要性施工截流、导流的重要性v施工截流、导流模型试验的意义施工截流、导流模型试验的意义一、施工导截流基本
29、方法一、施工导截流基本方法v导流基本方法导流基本方法 分段围堰法导流分段围堰法导流 全段围堰法导流全段围堰法导流5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 v截流基本方法截流基本方法 基本过程：戗堤（进占），形成龙口，裹头，基本过程：戗堤（进占），形成龙口，裹头，合龙，闭气，加高围堰合龙，闭气，加高围堰 基本方法：立堵法截流、平堵法截流基本方法：立堵法截流、平堵法截流二、试验研究的主要内容二、试验研究的主要内容v截流模型试验研究的主要内容截流模型试验研究的主要内容v导流模型试验研究的主要内容导流模型试验研究的主要内容 三、模型试验范围的选择三、模型试验范围的选择v包含可能影响流场、水
30、位、冲淤变化的范围在内，包含可能影响流场、水位、冲淤变化的范围在内，保证河道及分流建筑物附近的主流位置、流速分保证河道及分流建筑物附近的主流位置、流速分布、特殊流态等相似。布、特殊流态等相似。5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 四、模型相似比尺四、模型相似比尺v截流模型包括：河道模型、导流模型和截流模型截流模型包括：河道模型、导流模型和截流模型v常规相似比尺常规相似比尺v截流材料抗冲相似截流材料抗冲相似 5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 C.B.C.B.伊兹巴斯抗冲流速公式：伊兹巴斯抗冲流速公式：02suKgd12(0.40.60.650.35hKddhK
31、dd平堵法）立堵法）1/21/21/21/2osulKgd 抗冲流速相似比尺：抗冲流速相似比尺：02suKgd采用原型材料时：采用原型材料时：dlv进占强度相似进占强度相似 主要考虑堤体整体稳定，而整体稳定与重量有关。主要考虑堤体整体稳定，而整体稳定与重量有关。进占强度一般保证单个材料进占强度一般保证单个材料重量重量、几何相似几何相似和堤体和堤体总体重量相似。总体重量相似。31/2,Gltl5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 v河床质运行相似河床质运行相似 根据河床的特性选择定床或动床模型试验根据河床的特性选择定床或动床模型试验 动床模型选用轻质沙动床模型选用轻质沙 同时存在
32、粘性沙与非粘性沙时，根据起动流速同时存在粘性沙与非粘性沙时，根据起动流速相等，将粘性沙的粒径换算为非粘性沙的粒径，相等，将粘性沙的粒径换算为非粘性沙的粒径，采用非粘性沙进行模型试验。采用非粘性沙进行模型试验。v龙口、导流建筑物分流相似龙口、导流建筑物分流相似 导流模型的泄流能力与永久泄水建筑物有差异导流模型的泄流能力与永久泄水建筑物有差异v流量过程相似流量过程相似 分段恒定流法：选用多级流量分段恒定流法：选用多级流量 非恒定流法：严格模拟原型流量过程非恒定流法：严格模拟原型流量过程 5.6 施工截流和导流模型试验施工截流和导流模型试验 5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验 v 我国溃坝失事统计我国
33、溃坝失事统计5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验 5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验 v大坝失事实例大坝失事实例沟后水库（沟后水库（1993.08）5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验 5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验 v溃坝模型试验的意义溃坝模型试验的意义 对溃坝过程进行研究和模拟，预测溃坝参数，为洪水对溃坝过程进行研究和模拟，预测溃坝参数，为洪水的演进，事故早期预警和人员疏散等提供重要信息，的演进，事故早期预警和人员疏散等提供重要信息，将对防灾减灾和保护人民的生命财产安全具有非常重将对防灾减灾和保护人民的生命财产安全具有非常重要的意义。要的意义。模型试验参数是工程设计和施工的主要依据模型试验参数是工
34、程设计和施工的主要依据 验证数值计算方法的可行性验证数值计算方法的可行性一、溃坝原因一、溃坝原因v事故溃堤事故溃堤v自溃坝：破副坝保主坝自溃坝：破副坝保主坝 5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验二、溃坝模型试验研究的主要内容二、溃坝模型试验研究的主要内容v观测坝址及其上、下游河段各观测坝址及其上、下游河段各特征断面特征断面的的水位及水位及流量流量变化过程。变化过程。v观测下游河段各观测下游河段各特征点特征点处的处的水位及流速水位及流速变化过程。变化过程。v拍摄或摄像溃坝洪水拍摄或摄像溃坝洪水演进流态演进流态和和淹没范围变化淹没范围变化过过程。程。v拍摄自溃坝溃决自引冲槽过水、冲开、溃决口门拍摄自溃
35、坝溃决自引冲槽过水、冲开、溃决口门渐扩到溃坝的全过程。渐扩到溃坝的全过程。5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验三、溃坝模型及其试验方法三、溃坝模型及其试验方法v逐渐溃坝模型逐渐溃坝模型 自溃坝方法（自溃坝模型）自溃坝方法（自溃坝模型）人工缓降坝方法（人工缓降坝模型）人工缓降坝方法（人工缓降坝模型）v瞬间溃坝模型瞬间溃坝模型四、溃坝模型试验范围的选择四、溃坝模型试验范围的选择v整体模型整体模型v局部模型局部模型v概化模型概化模型 5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验六、溃坝模型设计六、溃坝模型设计v包括河道模型、坝体模型两部分包括河道模型、坝体模型两部分v相似条件：几何相似、水流运动相似、阻力相似，相似
36、条件：几何相似、水流运动相似、阻力相似，遵循重力相似准则遵循重力相似准则v瞬间溃坝、人工缓降坝的相似条件瞬间溃坝、人工缓降坝的相似条件 不考虑溃坝材料的起动、输移、冲刷相似不考虑溃坝材料的起动、输移、冲刷相似v自溃坝的相似条件自溃坝的相似条件 考虑溃坝材料的起动、冲刷、溃坝过程相似考虑溃坝材料的起动、冲刷、溃坝过程相似5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验1 1、常规相似条件、常规相似条件2 2、溃坝材料抗冲性能相似条件、溃坝材料抗冲性能相似条件满足坝体材料的起动条件相似：满足坝体材料的起动条件相似：cuu5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验3 3、口门冲刷率相似条件、口门冲刷率相似条件冲刷率相似比尺不
37、能套用天然河道的输沙率比尺冲刷率相似比尺不能套用天然河道的输沙率比尺 42cdsuuqKd口门冲刷率：口门冲刷率：42cdsu uqKd4222dsuhqKKdd5.7 溃坝模型试验溃坝模型试验4 4、口门冲刷过程相似条件、口门冲刷过程相似条件实际上是确定冲刷时间比尺实际上是确定冲刷时间比尺 1sdshltq 推移质冲淤时间比尺：推移质冲淤时间比尺：42cdsu uqKd124schltdKu u 142224ssccdhutdKKu uu u 5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验 一、概述一、概述v船闸工作特点及研究船闸工作特点及研究重点重点 闸室灌、泄水设施的闸室灌、泄水设施的水流情况
38、水流情况 输水系统、消能系统输水系统、消能系统的布设的布设 过闸船舶的受力过闸船舶的受力 闸门、输水阀门的工闸门、输水阀门的工作条件作条件5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验 三峡船闸南线第二闸三峡船闸南线第二闸首人字闸门，被誉为首人字闸门，被誉为天下第一门天下第一门：每扇人：每扇人字门高字门高38.5米米,宽宽2 20.2米米,重达重达804吨，吨，1个半个半篮球场大。篮球场大。v船闸水力模型试验的主要内容船闸水力模型试验的主要内容 测绘闸室灌、泄水时的测绘闸室灌、泄水时的水力特性曲线水力特性曲线 测定闸室及引航道内过闸船舶的测定闸室及引航道内过闸船舶的系缆力系缆力 观测闸室内输水廊道出
39、口处附近及引航道内的观测闸室内输水廊道出口处附近及引航道内的流速分布流速分布及观测引航道内的及观测引航道内的流态流态 测定输水廊道和其它构件的压力分布测定输水廊道和其它构件的压力分布 观测输水系统进出口附近及闸室内的局部水力观测输水系统进出口附近及闸室内的局部水力现象现象 闸门和阀门的水力模型试验研究闸门和阀门的水力模型试验研究 5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验 5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验二、相似准则和模型设计二、相似准则和模型设计1 1、相似准则、相似准则 v船闸输水系统模型船闸输水系统模型 应满足几何相似、水流的运动相似和动力相似，应满足几何相似、水流的运动相似和动力
40、相似，遵循佛汝德相似准则，模型中水流应处于阻力遵循佛汝德相似准则，模型中水流应处于阻力平方区，如达不到则必须满足紊流流态。平方区，如达不到则必须满足紊流流态。相似比尺相似比尺 1 2ul25lQ21lt61lnv闸阀门水力模型试验闸阀门水力模型试验 应满足水力条件相似，即几何相似、水流运动应满足水力条件相似，即几何相似、水流运动相似和动力相似，遵循重力相似准则。相似和动力相似，遵循重力相似准则。人字门动水阻力矩试验模型，还要求门体重量人字门动水阻力矩试验模型，还要求门体重量相似。相似。相似比尺相似比尺 5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验3lF4lMlP4lW27lN3Gl力的比尺：力的比
41、尺：力矩比尺：力矩比尺：压强比尺：压强比尺：功的比尺：功的比尺：功率比尺：功率比尺：重量比尺：重量比尺：5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验v闸门启闭力的模型试验闸门启闭力的模型试验 采用计算与试验相结合的方法采用计算与试验相结合的方法ITPWGFts1ITPWGFts2启门力：启门力：闭门力：闭门力：水柱重量水柱重量 上托力（下拖力）上托力（下拖力）摩擦力摩擦力 惯性力惯性力 门体自重门体自重 5.8 船闸水力模型试验船闸水力模型试验2 2、模型设计、模型设计 v船闸水力试验模型：按佛汝德模型定律设计船闸水力试验模型：按佛汝德模型定律设计v输水系统水力学试验：整体模型输水系统水力学试验：
42、整体模型 v输水阀门水流空化试验和人字门动水阻力矩试验输水阀门水流空化试验和人字门动水阻力矩试验宜采用局部模型宜采用局部模型 v 制作材料：有机玻璃、塑料板制作材料：有机玻璃、塑料板v闸门启闭装置闸门启闭装置v模型安装精度模型安装精度v闸门、阀门模型要布置必要的测压孔闸门、阀门模型要布置必要的测压孔v需观察水流流态部位，选用透明的材料制模需观察水流流态部位，选用透明的材料制模 本章小结本章小结v水利枢纽整体模型试验的基本相似条件水利枢纽整体模型试验的基本相似条件v水利枢纽整体模型试验的步骤水利枢纽整体模型试验的步骤v泄水建筑物消能工的主要形式泄水建筑物消能工的主要形式v泄水建筑物模型的相似准则及限制条件泄水建筑物模型的相似准则及限制条件v描述空蚀的参数：空化数描述空蚀的参数：空化数v有压引水系统非恒定流模型试验的特点有压引水系统非恒定流模型试验的特点v施工导流的方法、截流的方法施工导流的方法、截流的方法v截流材料的相似条件截流材料的相似条件 v导截流模型试验的相似条件有哪些？导截流模型试验的相似条件有哪些？v溃坝模型试验主要有哪些方法溃坝模型试验主要有哪些方法v溃坝模型试验的基本相似条件溃坝模型试验的基本相似条件
