河工模型试验的几个问题

模型设计


河工模型试验的几个问题

1.
资料
2.
3.
4.
对河段进行现场查勘，河床、河岸组成、河势及 河床演变情况进行详细了解 系列的水文、泥沙资料，进、出口水位流量、含 沙量及泥沙级配资料、河床泥沙粒径及级配资料 制模地形图，动床时的验证河床冲淤量及分布的 相应年份的水道地形图。水工建筑物布置及设计 图等 验证模型的水面线、流速（流向）分布、汊道分 流比资料，至少应有与地形图相匹配的洪、中、 枯三个流量级的（特别要注重位于试验河段的） 有关资料。
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河工模型试验的几个问题

试验河段的范围 模型设计 资料 模型制作 试验准备工作 模型验证 正式试验 加糙问题 模型沙选择
河工模型试验的几个问题

试验河段的范围

根据试验项目内容、河段具体情况、试验场地大小、供水能 力等综合考虑，一般应该包括进口段、试验段、出口段，足 够的试验段长度及大小是必须保证的。 根据试验项目内容决定做定床、动床（悬沙、推移质）（水 流、温排），正态、变态，全江、半江。 包括：模型的比尺（平面λl 、垂直比尺λh）、相应的λn、λu、 λt、λd、λs、λgb、λω、λuc、λt’、λt” 。模型hmin、Redmin,模型沙 （dm,ρsm 、级配、nm、ωm）
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梅花加糙：

梅花加糙情况下有效水深h与实际水深h’(水面至 未加糙床面深度)之间的关系可取为
h h
天津水运工程研究所建议式(8-76)中的Δ值， 按以下公式确定：


V L2
1 V d 3 d 2 12 d 2 2 6 12
n 0.0138d
－式中符号同前。上式适用于d＝4.3~26.4mm。
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密实加糙：



试验表明，除颗粒直径会影响糙率之外，颗粒形状及排列对糙率 也有很大影响。上面两式的差异，可能既与颗粒形状不同有关， 也与颗粒排列状况不同有关。式(8-74)可能属于排列不是十分紧 密的情况。 以上两公式可作为密实加糙情况下估算颗粒直径的参考，在计算 所得颗粒的起动流速远较模型流速为大的情况下，可在制模时预 留2倍左右颗粒直径的深度，将这些颗粒散铺在河床上即可。如 颗粒的起动流速接近或小于模型流速，则应在制模时预留1倍左 右颗粒直径的深度，并将这些颗粒粘牢在河床上。 密实加糙情况下的有效水深与实际水深(水面至加糙颗粒底部深 度)之间的关系可取为
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模型沙选择

在动床模型试验中，模型沙的选择：


一方面要满足水流运动相似要求中的床面糙率相 似； 另一方面又要满足泥沙运动相似要求中的悬移相 似(卵石推移质动床模型除外)及起动相似。
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模型沙选择

动床模型要做到床面糙率相似是十分不易的，原型和模型的床面糙率与沙波 运动关系极大。而实际资料表明，沙波的发生、发展和消亡过程，模型和原 型往往是不相对应的。对于以床面糙率为主的原型河流，通常是枯水时较大， 变幅也大，随流量的增大糙率逐渐减小；而以床面糙率为主的模型小河，在 某些情况下，由于沙波逐渐发展壮大，糙率往往随流量的增大而增大。这样， 就使得各级流量下都做到阻力重力比相似非常困难。为了解决这个困难，一 个办法是寻找不产生沙波的模型沙。某些实践资料表明，对于粒径较大，密 度不是太小的模型沙，在模型水流条件下是有可能不出现沙波的。但这样的 模型沙显然只能模拟推移质，且不一定能满足起动相似的要求。另一个办法 是，各级流量采用不同的糙率比尺，相应地也采用不同的流速比尺。这样做， 不但惯性力重力比相似各级流量不能同时满足，起动相似也不能同时满足。 还有一个办法是，采用较小的模型沙糙率，通过在水流中不同水深处加障碍 物(如铅丝、竹片之类)的办法来调整糙率，这样有可能做到各级流量下的阻 力相似，但将破坏水流的紊动结构，影响泥沙运动。比较现实可行的办法是， 对于所研究的问题至关紧要的流量级，力求做到糙率相似，其它流量级则允 许一定程度的偏离。模型沙在各级流量下的糙率应通过水槽预备试验加以确 定。水槽试验的综合糙率甚易求得，边壁玻璃糙率己知，床面糙率可根据部 分糙率与综合糙率的关系式求出。模型沙的糙率对决定水流阻力重力比相似 关系甚大，应结合模型比尺大小、是否变态及模型沙的其它相似要求，统一 考虑。
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模型沙选择

有关泥沙运动的两个相似要求，如果可以只满足其中的一个 (悬移相似或起动相似)，模型沙是不难选择的。例如盲肠河段 的回流淤积及异重流淤积问题，淤积是累积性的，基本上不 发生冲刷，因而只须满足悬移相似即可。这种泥沙模型，虽 然所要模拟的原型泥沙是较细的悬移质(包括其中极细的冲泻 质)，为满足悬移相似，模型沙必须很细。但这样的模型沙并 不难选，无论是密度与天然沙接近的滑石粉、白土粉或者较 天然沙为小的煤灰、半焦、电木粉、煤粉等，都可以选用。 它们之中有些本来就是很细的(如滑石粉、白土粉、煤灰)；有 些虽然原来较粗(如半焦、电木粉，煤粉等)，但也可以通过球 磨加工到很细。总之，它们都可以磨细到满足悬移相似的要 求，并选出各种粒径，配制成与原型沙相似的粒配曲线。

模型验证


对制作好的模型的高程、平面控制进行复核（应符 合规范要求） 水面线验证（加糙、减糙调试） 流速分布验证 分流比验证 河床冲淤变形验证（冲淤量及分布）
பைடு நூலகம்
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正式试验
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加糙问题

通常采用的加糙方法有两种：

密实加糙 梅花加糙
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梅花加糙：


梅花加糙虽然比相同颗粒的密实加糙更能增加糙率(前者最大可 达到后者的1.3倍)，但将改变河床的糙率分布状况。特别是当颗 粒较粗时，这种改变可能是十分严重的，以致影响到紊动结构和 流速分布的相似性。因此，这种梅花加糙的办法，用于研究一维 流和平面二维流的问题应该是可以的。对于研究三维流问题则存 在一些问题，如果要在模型中使用泥沙指示剂，存在的问题就更 大了。在每一颗沙粒后面的绕流影响区内都将发生淤积，妨碍泥 沙指示剂的运行。使用梅花加糙，颗粒不宜过大，粒径与水深的 比值以控制在5％以内为宜，最大不应超过10％。 梅花加糙由于受到一些限制，不可能达到很高的糙率，当要求较 高的模型糙率时，只能采取前面曾经提到的在模型表面塑制凹槽 等其他办法。武汉水利电力学院在进行荆江分洪工程模型试验时， 根据设计要求模型糙率nm为0.045，当时趁水泥沙浆未干的时机， 在河床上刮制小槽，小槽宽深各10mm，间距20~30mm，方向 垂直于水流。放水试验结果，模型糙率nm已达到0.0447，满足 了阻力相似要求
h h 0.2 ~ 0.3 d
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梅花加糙：

系将选用来加糙的沙或砾、或卵石按梅花形均匀粘牢在河床上。 如图8-4所示。该图取自天津水运工程研究所研究报告，图中纵 坐标为L/d，其中L为梅花形四周颗粒的间距，d为颗粒直径；横 坐标为K，K＝n/d1/6。由图可见，与密实加糙K为定值(0.0166或 0.0133)不同，梅花加糙K为变值。对于常用的卵石颗粒来说，其 变化趋势为：随着L/d的增加，K值迅速增加。至L/d＝2．5左右 时，K达到最大值，以后又迅速减小。适当的梅花加糙可以获得 较密实加糙(L/d＝1)更大的K值，亦即更大的糙率，这一点正是 梅花加糙相对密实加糙来说的一个优点。由图还可见，K值的大 小主要与比值L/d有关，与d值的绝对值关系不大；但与颗粒形状 关系甚大，在相同比值L/d条件下，Δ形颗粒和半球形颗粒K值显 著减小。在颗粒形状一经选定之后，即可根据必须达到的模型糙 率n，利用图中曲线试选加糙颗粒直径d及间距L。
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模型沙选择


对于只须满足起动相似的泥沙模型，例如卵石推移质动床模型，模 型沙的选择就更容易了。原则上应该是尽可能用天然沙，迫不得已 时，也可用轻质沙。后者存在的问题主要是推移质输沙率比尺关系 式的选择问题．在上一节中已经讨论过，这里就不重复了。 悬移相似和起动相似必须同时满足的泥沙模型，选择模型沙比较团 难。例如一般悬移质动床模型，为满足悬移相似，要求采用很细的 模型沙。模型沙的密度愈大，粒径就要求愈细，而很细的模型沙， 由于粘结力产生作用，却难以起动。为了解决这个问题，除采用轻 质沙做模型沙外，别无良法。轻质沙由于密度较小，满足悬移相似 的粒径可以粗一些，有可能不出现粘结力，或粘结力甚小，不至严 重影响起动流速，因而能做到起动相似。一般来说，对于悬移质中 的床沙质，由于粒径较祖，满足这个条件要容易一些；而冲泻质则 由于粒径甚细，满足这个条件要困难得多。
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1.
模型制作
注意高程及平面系统的统一（珠江基面、黄海基 面、国家85高程基面、广州城建高程基面等）， 地形图拼接 切制横断面，反映地形变化，注意微地形的制作 断面绘裁 导线放样 模型断面安装（定床、动床）
2. 3. 4. 5. 6.
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试验准备工作

根据试验要求，编制好试验放水过程要素表

密实加糙：

将选用来加糙的沙、或砾、或卵石彼此紧密排列，基本上 不留空隙。所选用的粒径大小可按张有龄公式估算：
n 0.0166d 1/ 6
－式中 d为颗粒直径，mm；n为模型糙率系数，可根据糙

率比尺从原型糙率推求。上式适用于d＝0.13~8mm。 天津水运工程研究所曾研究较粗颗粒的糙率，所得关系式 1/ 6 为
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梅花加糙：
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梅花加糙：

由前图可见，在L2面积内，共有两颗沙粒，每颗沙粒及绕 流影响所及之处所占的体积应等于半球体的体积0.5(πd3/6) 再加上底面积为πd3/4，高为12d(绕流影响长度)的锥体体 积[0.5(πd3/6)十(π/12)d2(12d)]。Δ的物理涵义应为将两 颗沙粒所占有的体积V平铺在L2面积上的高度。前图中横 坐标K所包含的n值，即系根据水槽试验资料将有效水深h 按式(8-76)取值得来的。当间距L小于绕流影响长度12d时， 上下游圆锥体相互重合部分应予扣除。
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模型沙选择

采用极细颗粒的模型沙，就满足悬移相似来说，存在的主要问题是模型沙的絮凝现象问题。絮凝使粒 径变粗、沉速加大，但仅仅这一点并不影响模型试验进行，只要在模型设计中如实地考虑到这一点即 可。模型沙的设计粒径不应该是它真正的粒径，而应该是絮凝后的粒径。因此，在对模型沙做粒配分 析时，所用的水不应该是蒸馏水或去离子水，而应该是模型试验用水，这样求得的粒径就不是真正粒 径，而是絮凝后的粒径了。另外，由于含沙量的大小也会影响到泥沙的沉速和据以算出的粒径，粒配 分析用水的含沙量也应该接近模型试验的含沙量。絮凝所带来的主要问题是粒径不稳定，模型试验在 其它条件相同时，如果絮凝程度不一致，模型沙的有效粒径就不一致，模型的冲淤变化也就不会一致， 模型试验的成果就不稳定了。为了保持试验成果的稳定，不是要求不出现絮凝现象，而是要求这一现 象比较稳定。根据我们的研究，当使用极细的泥沙作模型沙时，要使絮凝程度不变，关键问题在于保 持试验用水的水质不变，特别是一般河水中严重影响絮凝程度的高阶阳离子(主要是钙、镁离子)的含量 不变。为此，就应严格监视水质。通过水质化学分析，选定一种经常出现但偏大的钙镁离子含量作为 控制值，如果钙、镁离子含量减少，就投放氯化钙，人为增加钙镁离子含量，使稳定在控制值附近。 实践表明，只要严格控制试验用水的水质，用极细沙作模型沙是可以做到保持试验成果稳定的[6，7]。 附带指出，水质对泥沙絮凝的影响也可以作为调控细颗粒粒径的一种手段。如粒径偏粗，可以加偏磷 酸钠之类的反凝剂使其变细；如粒径偏细，可以加氯化钙促进絮凝的发展。当然，如果这种手段可以 不采取的话，还是以不采取为宜，因为它毕竟会带来一些控制上的麻烦。最后还须说明的是，絮凝现 象还与模型沙的化学性质有关，如白土粉的紫凝现象就较电木粉强烈，同属白土粉，但产地不同，化 学性质不完全一样，絮凝现象也有差异。因此，对每一种具体的模型沙，都应事先进行分析研究。