水工建筑物教学模型实验指导书2016

水工建筑物

教学模型试验指导书

雷川华

武汉大学水利水电学院

2017年3月

水工建筑物教学模型试验

一．试验目的

运用水工水力学模型试验方法，不仅可以论证设计中水工建筑物的安全性和合理性，而且还可以预见原型可能发生的现象，同时，对设计时所依据的理论和技术前提进行论证，从而获得科学理论上的进步。

通过水工水力学模型试验，达到如下目的：

1、巩固所学泄水建筑物泄流方面的有关理论知识并加深理解，强化学生在课堂上学习的基础理论和专业知识；

2、学习水工水力学模型试验方法、操作技能、试验资料的整理与分析，锻炼和提高编写试验报告能力；

3、培养学生运用所学知识综合分析和独立解决工程问题的能力；培养科学试验、实事求是、精益求精的工作作风。

二．试验原理

水工模型试验遵循重力相似准则，即按佛汝德模型定律（重力相似定律）进行设计。原型与模型主要作用力为重力，略去次要影响力。

1、几何相似

根据试验场地、供水能力，结合试验任务和要求选定模型长度比尺r L 。

p m

L r L L =

式中，p L 为原型长度，m L 模型长度。

2、运动相似

一般取1=r g ；时间比尺：1

L r r T =；流速比尺：2

1L r r v =；流量比尺：5.2L r r Q =

3、动力相似

力的比尺：3L r r F =

r F 是表示水流特性的参数（佛汝徳数） 糙率比尺：1L r r n

三．试验模型、测试仪器设备

1、试验模型资料

本枢纽工程拦河坝为混凝土重力坝，最大坝高51.0m 。泄水建筑物体型为大孔口溢流坝，共五孔，单孔净宽6.0m ，孔高11.0m ，闸墩厚2.0m ，边墩厚1.5m ，溢流堰顶高程40.0m 。挑流鼻坎高程18.73m ，挑角θ=30°，反弧半径13.0m 。溢流坝剖面见图1，平面布置见图2，特征洪水频率下水位流量关系见表1。

表1 设计洪水频率及过坝流量

图1 溢流坝剖面图

图2 溢流坝平面图

2、测试仪器设备

电磁流量计，流速仪，测压排、卷尺，钢尺，水准仪等。

四．试验内容

（1）观察并描述泄水建筑物进口前缘、溢流面及下游流态；

（2）测量泄水建筑物泄流能力并计算流量系数；

（3）测量溢流面流速分布；

（4）测量溢流面水面线；

（5）测量水舌外缘最大挑距及挑高（以下游水面为基准面）；

（7）综合分析评价溢流面设计的合理性；

（8）综合分析评价泄水建筑物布置的合理性。

五．试验步骤

1、准备工作

（1）试验课前必须预习试验指导书，了解试验目的和要求，并参阅水力学及水工建筑物教材有关内容；

（2）自备记录、计算或绘图用具（泄流能力曲线可用CAD作）。

2、试验步骤

（1）观察水流流态

观察在不同水位及相应下泄流量时，枢纽上游、溢流坝进口前缘、溢流面及下游水流流态。

（2）泄流能力试验

①关闭2#和4#闸门，全开1#、3#、5#闸门；

②慢开蝶阀至溢流面有一定水流时停止，待稳定合适时间后同时记录电磁流量计读数（单位：升/秒）即为三孔下泄流量Q m和上游水位测针读数（表1）；

③依照②步骤继续开启阀门至合适位置，记录电磁流量计读数和上游水位测针读数，以此类推，共记录下五组数据；

换算原型五孔流量及上游水位，溢流面通过从小到大（或从大到小）的泄流，量测并计算泄流量及上游水位，现场绘制水位流量关系曲线（亦可采用CAD作图），以便及时发现和解决问题，然后计算各水头下的流量系数，并将试验曲线与理论曲线进行比较，供设计单位参考。

（3）水面线及流速测量

选定试验工况为设计水位（洪水频率0.2%，上游水位46.00m）及相应下泄流量和下游水位。试验时，按设计断面图1和平面布置图2进行。

①水面线测量

依据图3指定1-1~6-6断面，用钢尺沿测点所在溢流面法向测量各点水深；

测量水舌外缘最大挑距及挑高，并与计算挑距理论公式（参阅有关教材）进行比较。

②流速测量

依据图3指定1-1~6-6断面，测量各点流速V i，每个测点流速（单位m/s）读数三次。

（注意：流速仪已设置好相应旋浆率定K、C值，实验时不应随意拨动；水深超过5cm应测量表面、中间及底部流速，水深在1.5~5cm之间测量表面和底部流速，水深小于1.5cm时只测量底部流速即可）。

1

4

456

56

1

2

2

3

3

图3 溢流坝流速及水面线测量断面图

③压力测量

压力测点布置见图4，记录试验工况（设计洪水位46.00m）下测压牌上各测压管数据。

1

6

78

2

3

4

5

图4 溢流坝压力测点布置图

④测量水舌外缘最大挑距及挑高，并与计算挑距理论公式（参阅有关教材）进行比较。

⑤测量河道流速分布（本次不作要求）

测量河道指定各断面（一般指测点所在溢流面法线方向）的水流流速，并绘出流速平面分布图，手持旋浆应尽量保持正对迎水面、放好后稳定才能记录数据。

六．数据处理及成果分析

1、泄流能力及流量系数

根据试验场地、供水能力并结合试验任务要求选定模型长度比尺为1：100， 按表1计算泄流能力及流量系数。

（1）库水位Z u （m ）

上游测针零点高程上游测针读数

+⨯=

r u L Z 100

（21.18m ）

（2）堰流流量系数m

5

.12H

g B Q m =

其中：H ——堰顶水头（m ） H =Z -Z 0；

B ——溢流孔净宽（m ）； Q ——过坝流量（m 3/s ）； Z 0——堰顶高程。

说明： 本实验为三孔泄流，计算时应将三孔流量换算成五孔流量，计算泄流能力及流量系数。

表1 泄流能力及流量系数