流態(tài)觀測

觀測范圍從建筑物起向上、下游各至水流正常處。觀測內(nèi)容：泄水建筑物上、下游的水流流向、平面回流流態(tài)，局部旋渦、折沖水流、水花翻涌，沖擊波（由于邊界變化而產(chǎn)生的一種波，常常發(fā)生在流速較高的泄水道或明渠彎道上）及水流分布等。觀測方法有目測法、攝影法、工程測量法。在目測時(shí)，要預(yù)先繪制觀測范圍內(nèi)的建筑物和上、下游的河道平面圖，將所觀測到的平面形態(tài)隨時(shí)描繪在平面圖上，并加必要的文字說明。在攝影或錄像時(shí)，要選擇水流表面有代表性的部位，并應(yīng)將設(shè)置在建筑物上的標(biāo)志一起攝入。對于一些大型工程，目測及攝影都不能滿足要求時(shí)，可采用工程測量方法觀測 。

觀測范圍與水流平面形態(tài)觀測相同。水面線觀測的目的是及時(shí)分析研究建筑物上、下游邊墻的高度是否恰當(dāng)，水面波動的大小是否影響發(fā)電或通航等。觀測的方法有水尺法、活動測錘法及波高儀電測法。

①水尺法是在觀測范圍內(nèi)，沿水流方向設(shè)一系列水尺，經(jīng)觀測繪制成完整的水面線。

②活動測錘法用于水面較寬或側(cè)墻上無法繪制水尺的建筑物。在要測取的水面線范圍內(nèi)設(shè)置橫跨水面的鋼梁或繩索，使用測錘進(jìn)行觀測。

③波高儀（又稱液面儀）電測法是在要觀測的水面處設(shè)立金屬桿，在桿上固定電容式或電阻式感應(yīng)器，用儀器自動記錄水面變化，這種方法最為準(zhǔn)確。

流態(tài)觀測包括水流平面形態(tài)觀測、水面線觀測、水躍觀測、挑射水流觀測、水流對下游河道影響觀測等。

流態(tài)觀測是指對泄水建筑物過水時(shí)水流形態(tài)的觀測。流態(tài)觀測的目的是掌握泄水建筑物上下游水流情況及消能設(shè)施的工作狀態(tài)，以便正確地運(yùn)用泄水建筑物，避免發(fā)生不利的水流情況，保證建筑物的安全運(yùn)行;同時(shí)也為工程的改建加固、設(shè)計(jì)和科研提供資料 。

對挑流鼻坎消能工后發(fā)生的水流的觀測。觀測的內(nèi)容包括挑射水流形態(tài)、挑流的最高點(diǎn)、水舌的內(nèi)緣和外緣的落水點(diǎn)、尾水波動及下游的霧化區(qū)等。挑射水流觀測通常是拍攝照片;或在兩岸建筑物上的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，用經(jīng)緯儀交會挑射水流表面的測點(diǎn)，定出挑射水流的水面線形態(tài)，然后用目測定出水舌內(nèi)、外緣的落水點(diǎn)位置，調(diào)查測量下游霧化范圍。

中國自20世紀(jì)50年代開始到60年代中期，先后在許多大中型工程上進(jìn)行過水流形態(tài)觀測，如梅山水庫、陡河水庫、修文水電站、豐滿水電站、新豐江水電站等都進(jìn)行過多次的觀測，取得了極其寶貴的資料。20世紀(jì)末，一些大型樞紐如烏江渡水電站、劉家峽水電站、鳳灘水電站、葛洲壩水利樞紐、巖灘水電站、白山水電站、二灘水電站及小浪底水利樞紐等工程的流態(tài)觀測，在觀測手段或內(nèi)容方面都達(dá)到了世界先進(jìn)水平。

根據(jù)這些資料提出了改善工程管理運(yùn)用的措施，保證了工程的安全運(yùn)行，同時(shí)也驗(yàn)證了室內(nèi)試驗(yàn)的成果。隨著觀測項(xiàng)目不斷增加，中國在觀測儀器方面也不斷改進(jìn)，自動記錄的電測儀器越來越多。世界其他國家對大型工程的水流形態(tài)觀測也比較重視，如20世紀(jì)50年代蘇聯(lián)的古比雪夫水電站、伏爾加格勒水電站以及后來的布拉茨克水電站，70年代到90年代日本的新城羽水電站、西班牙的阿爾門德拉溢洪道、美國的莫西洛克拱壩、巴西的伊泰普水電站等工程，都進(jìn)行過較為完善的水流形態(tài)觀測 。2100433B

觀測內(nèi)容包括下泄水流對下游河床、岸邊的沖刷程度，沖刷坑的位置、深度等。一般在工程竣工以后就先對下游河床及岸邊進(jìn)行一次測量，每次泄水以后進(jìn)行復(fù)測。將測量結(jié)果對照，以了解沖刷坑的發(fā)展情況。待基本穩(wěn)定后，可以3年~5年測量1次。特大洪水后要加測。測量一般采用測錘或花桿，在船上進(jìn)行，也可采用超聲波水下地形儀量測，20世紀(jì)末期引進(jìn)的水下地形儀具有較高的準(zhǔn)確度 。

多采用方格坐標(biāo)法觀測，即在發(fā)生水躍范圍的兩岸側(cè)墻上，繪制方格坐標(biāo)。繪制網(wǎng)格時(shí)，應(yīng)由消能工的起點(diǎn)開始，向下游每隔1m繪1條縱線，由消力池底板開始，向上按高程每隔1m繪1條橫線。在水面波動大的部位，縱線刻劃至0.1m，橫線刻劃至0.5m。水躍觀測要在閘門開啟穩(wěn)定以后再進(jìn)行，以免發(fā)生誤差。

①現(xiàn)場整理，即在觀測時(shí)隨時(shí)注意影響水流的邊界條件、發(fā)生各種水流現(xiàn)象的原因、可能產(chǎn)生不利因素的預(yù)測，根據(jù)現(xiàn)場現(xiàn)象提出改善意見，避免不利水流的惡化和導(dǎo)致不良后果。

②定期整理，將歷次泄水觀測資料按規(guī)定的格式記錄好，每季度或每年將數(shù)次泄水觀測資料統(tǒng)一整理，繪出圖表，寫出說明。

精礦流態(tài)化水分遷移的細(xì)觀規(guī)律

由鐵精礦流態(tài)化的宏觀規(guī)律分析可知，水分的遷移對鐵精礦的流態(tài)化發(fā)生至關(guān)重要．利用高速細(xì)觀攝像機(jī)采集的鐵精礦流態(tài)化演化過程中的細(xì)觀變化．細(xì)觀觀測位置為距離模型箱底部30cm、短邊側(cè)壁33cm 處，觀測范圍為6mm×8mm．通過對不同振次時(shí)鐵精礦細(xì)觀照片的直觀分析，研究散裝鐵精礦流態(tài)化演化過程中水分在鐵精礦顆粒間遷移運(yùn)動的細(xì)觀規(guī)律。

試驗(yàn)開始前，不同粒徑鐵精礦顆粒均勻分布，礦體相對比較松散，粒間孔隙體積較大，水分均勻分布在鐵精礦顆粒間孔隙中；振動開始后，礦體體積被壓縮，孔隙體積減小，孔隙中均勻分布的水分逐漸聚集，形成水膜裹附在鐵精礦顆粒表面；孔隙體積進(jìn)一步減小，顆粒表面的包裹水膜厚度增加，水分匯集連接成片，形成連續(xù)水體，觀測到鐵精礦孔隙體積明顯減??；隨著孔隙水分的進(jìn)一步析出，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的鐵精礦水分含量增多，礦體飽和度增大，顆粒間作用力降低，觀測區(qū)域內(nèi)的連續(xù)水體與鐵精礦顆粒共同做水平往復(fù)運(yùn)動。

振動至40振次時(shí)，細(xì)觀觀測區(qū)域內(nèi)的細(xì)顆粒含量明顯減少，顆粒間接觸緊密，觀測區(qū)域內(nèi)水分含量減少，這是因?yàn)樗衷谶w移過程中帶動細(xì)顆粒一起運(yùn)動，細(xì)顆粒流失后礦體粒徑粗化；振動至60振次時(shí)，孔隙間析出水繼續(xù)遷移，析出水量逐漸減小，此時(shí)由宏觀觀測到的水液面已上升至細(xì)觀觀測區(qū)域的位置；振動至100振次時(shí)，析出水量逐漸減??；振動至600振次時(shí)，鐵精礦細(xì)顆粒嵌合在粗顆?？紫堕g，顆粒間咬合緊密，礦體孔隙體積很小，顆粒間剩余水分含量很少。

在縮尺條件下，散裝鐵精礦流態(tài)化形成的水分遷移細(xì)觀規(guī)律大致相同．在振動過程中，鐵精礦體積被壓縮；顆?？紫堕g水分被擠出并匯集成片，形成連續(xù)水體；水分在重力作用下向下遷移，其宏觀表現(xiàn)為形成水液面上升．同時(shí)孔隙水遷移帶動礦體中細(xì)顆粒運(yùn)動，細(xì)顆粒填充了粗顆粒骨架之間的孔隙，進(jìn)一步促使孔隙體積減小，導(dǎo)致孔隙水分析出。

精礦流態(tài)化鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)

研究鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的目的是通過對顆粒間相互作用的定量描述，在某種假設(shè)或力學(xué)原理的基礎(chǔ)上做出統(tǒng)計(jì)平均，建立鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)指標(biāo)與鐵精礦宏觀特性響應(yīng)間的關(guān)系．本文通過模型試驗(yàn)對鐵精礦流態(tài)化形成過程中的宏觀現(xiàn)象和組構(gòu)參量之間的關(guān)系進(jìn)行了定性探討，嘗試從鐵精礦細(xì)觀組構(gòu)的演化解釋鐵精礦流態(tài)化現(xiàn)象的細(xì)觀機(jī)制。

利用課題組自主開發(fā)的Geodip數(shù)字圖像處理軟件，對試驗(yàn)過程中記錄的高清照片進(jìn)行處理，分析鐵精礦在循環(huán)荷載作用下顆粒細(xì)觀組構(gòu)變化，包括鐵精礦顆粒長軸方向，平均接觸數(shù)和平面孔隙率的變化等．通過對比在流態(tài)化形成過程中不同振次下鐵精礦顆粒的細(xì)觀組構(gòu)規(guī)律，探討鐵精礦發(fā)生流態(tài)化的內(nèi)在機(jī)理。

（1）顆粒長軸方向

顆粒定向性的發(fā)展是流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒重新排列的反映。不同振次時(shí)鐵精礦顆粒長軸方向演化的玫瑰圖，扇形大小反映顆粒長軸方向的角度頻數(shù)分布。

從長軸方向的演化來看，由于采用分層濕搗法進(jìn)行制樣，因此試樣的鐵精礦顆粒長軸方向分布相對比較均勻。振動初始，由于不規(guī)則形狀的鐵精。鐵精礦顆?？紫堕g水分不斷匯集形成連續(xù)水體，由于同時(shí)受到水平往復(fù)荷載和水流的作用，鐵精礦顆粒長軸主要分布在水平0°方向和豎直90°方向。隨著水平荷載的繼續(xù)施加，孔隙間水分?jǐn)y帶部分細(xì)顆粒趨于向礦體上層遷移，顆粒長軸明顯偏向于豎直方向發(fā)展。約至50振次時(shí)，鐵精礦顆粒間孔隙充分壓縮，粒間孔隙中的水分已充分析出，顆粒間殘存少量水分，水流作用減弱，原來受水流影響偏向豎向的顆粒長軸稍微向水平方向偏轉(zhuǎn)。至60振次時(shí)，細(xì)觀拍攝處的鐵精礦顆粒主要受到水平往復(fù)荷載的作用，顆粒的長軸繼續(xù)向水平方向發(fā)展，宏觀上的表現(xiàn)為水液面遷移至礦粉表面、流態(tài)化基本完成；待振動結(jié)束時(shí)，鐵精礦骨架相對穩(wěn)定，顆粒只是在原位附近輕微錯動和旋轉(zhuǎn)，并沒有明顯的顆粒滾動，長軸方向變化不大。

綜上所述，在鐵精礦流態(tài)化形成演化過程中，由于受到水平往復(fù)荷載和水流的綜合作用，顆粒長軸方向由初始的均勻分布變化到定向分布，并且偏向于豎直方向和水平方向．顆粒長軸方向的演化過程，反映了在流態(tài)化形成過程中鐵精礦顆粒的重新排列過程。

（2）平均接觸數(shù)

平均接觸數(shù)是指顆粒與周圍顆粒接觸的平均數(shù)目，用以分析顆粒運(yùn)動和重新排列規(guī)律，其變化是顆粒受力變化的間接反映。

振動初期，鐵精礦體積輕微壓縮，鐵精礦顆粒平均接觸數(shù)略微增多；至10～20振次，顆粒間的運(yùn)動使得鐵精礦平均接觸數(shù)略有下降，這表明顆粒間孔隙中水形成的水膜包裹了鐵精礦顆粒；至20～40振次，顆粒在水流和振動荷載的作用下，平均接觸數(shù)目上下波動；至40振次以后，鐵精礦顆粒的平均接觸數(shù)逐漸增大，這說明顆粒間孔隙壓縮充分，鐵精礦越來越密實(shí)。

總體而言，鐵精礦平均接觸數(shù)的總體趨勢是增大的，其反映的規(guī)律與鐵精礦孔隙率變化規(guī)律基本一致，即流態(tài)化演化過程中鐵精礦顆粒的運(yùn)動使得鐵精礦總體發(fā)生壓縮，粒間孔隙中的水分得以擠出并向上遷移，這與宏觀流態(tài)化現(xiàn)象得到的結(jié)論一致。需指出，平均接觸數(shù)是通過統(tǒng)計(jì)顆粒與其周邊顆粒的平均接觸數(shù)來反映土體的緊密程度，其值并不是衡量顆粒間作用力的指標(biāo)．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程序計(jì)算得到的顆?？紫堵孰S時(shí)間的變化曲線．需要說明的是，這里采用的平均孔隙率為平面孔隙率，而并非鐵精礦真實(shí)孔隙率。

水平荷載的施加，使得鐵精礦顆粒間孔隙發(fā)生壓縮，孔隙體積縮??；從振次10開始，平面孔隙率經(jīng)歷有升有降的波動，總的趨勢是減小的，這是由于鐵精礦顆粒受水平荷載和水流沖力的共同作用，顆粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)、錯動和移動，但顆粒孔隙仍被壓縮；至振次60以后，孔隙率基本不發(fā)生波動，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于初始值．總體而言，鐵精礦流態(tài)化形成過程中，孔隙率呈減小趨勢，在最初20振次內(nèi)尤為明顯，這與試樣總體發(fā)生壓縮的宏觀現(xiàn)象一致 。

試驗(yàn)在施加循環(huán)荷載時(shí)，試樣流態(tài)化前后的現(xiàn)象。可看出，流態(tài)化現(xiàn)象的出現(xiàn)與水分遷移密切相關(guān)，其宏觀表現(xiàn)為礦粉孔隙減少，表層礦粉滑動，水分遷移和水液面上升以及自由液面形成．水分遷移始終貫穿整個(gè)流態(tài)化演化過程 。

對已建水利工程泄水建筑物的泄水流態(tài)、水流對建筑物的作用力及由水流引起的其他現(xiàn)象的原型觀測。其目的是：對已建成工程進(jìn)行檢驗(yàn)掌握泄水建筑物及消能設(shè)施的工作狀態(tài)，監(jiān)測在運(yùn)行中可能發(fā)生的問題，以便采取合理措施，正確地管理運(yùn)用，避免發(fā)生事故，保證工程安全；測取室內(nèi)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)計(jì)算中無法得到的數(shù)據(jù)，為工程改建加固提供資料。泄流觀測是一門新的科學(xué)技術(shù),它與室內(nèi)試驗(yàn)研究、理論分析有同等重要的地位,并可以互相驗(yàn)證對照。泄流觀測的主要內(nèi)容有：水流形態(tài)、高速水流以及對下游河道影響的觀測。

內(nèi)容介紹

水流形態(tài)觀測是對泄水建筑物過水時(shí)上下游水流平面形態(tài)、水面線、水躍和挑射水流狀況的觀測。觀測方法有目測法、常規(guī)儀器法和電測儀器法。常用的儀器有浮標(biāo)、流速儀、皮托管、水尺及經(jīng)緯儀等。 　高速水流觀測是對溢流面、陡坡段、挑流鼻坎等流速較高部位水流形態(tài)的觀測。高速水流常伴有摻氣、空化、壓力脈動等現(xiàn)象，對建筑物有不利影響，其中摻氣也有有利的方面。觀測內(nèi)容主要有：摻氣量、空化強(qiáng)度、空蝕、壓力脈動、建筑物振動及霧化影響。觀測方法主要是采用電測儀器，有時(shí)也輔以目測、錄像、攝影等手段。 　水流對下游河道影響的觀測內(nèi)容，包括泄流對下游河床、岸邊的沖刷程度，沖刷坑的位置、深度等。一般是在工程竣工后即先對下游河床及岸邊進(jìn)行測量，以后每次泄水后都進(jìn)行復(fù)測，將逐次測量結(jié)果進(jìn)行對照，即可了解沖刷坑的發(fā)展情況。水下地形測量一般用測深錘或測深桿或回聲測深儀進(jìn)行。 　中國泄流觀測于20世紀(jì)50年代初期即已開展，如官廳水庫泄洪洞、流溪河拱壩溢流以及上猶江溢流壩泄洪，都進(jìn)行過泄流觀測。此后，許多大、中型工程在施工導(dǎo)流期及投入運(yùn)行后，都進(jìn)行過泄流觀測。一些大型工程的泄流觀測，曾組織全國有關(guān)科研和管理機(jī)構(gòu)的人員共同進(jìn)行。例如新安江水電站、烏江渡水電站和葛洲壩水利樞紐工程的泄流觀測內(nèi)容都比較齊全,提出的成果,為工程管理運(yùn)用和安全加固提供了重要保證。世界有些國家的一些觀測項(xiàng)目，如水位、壓力等多已開始采用自動記錄。2100433B