水力學(xué)模型試驗(yàn)

按研究的對(duì)象、任務(wù)和試驗(yàn)方法可分成不同類型：①在研究樞紐布置和各類建筑物的相互關(guān)系時(shí)，需要將整個(gè)樞紐包括上下游河段，縮制成模型進(jìn)行研究，稱整體模型試驗(yàn)；②研究某一建筑物，稱單項(xiàng)整體模型試驗(yàn)；③截取一個(gè)斷面放在玻璃水槽內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，稱斷面模型試驗(yàn)（或一維模型）；④研究建筑物及河渠某一部位水流現(xiàn)象，稱局部模型試驗(yàn)；⑤研究閘門止水等問(wèn)題，稱局部切片模型試驗(yàn)等。

模型三個(gè)方向的比尺相同的稱正態(tài)模型。如所研究水域范圍大，為保證模型內(nèi)有足夠水深，則須放大垂直比尺，稱為變態(tài)模型。模型中河床地形做成固定邊界的為定床模型：如研究河床的沖淤變化，則使用模型沙作成可沖淤的河床稱動(dòng)床模型。如模型水流中挾帶懸移質(zhì)的稱為渾水模型，否則稱為清水模型。

此外，還有氣流模型，減壓模型等。

水力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)的限制條件

因模型設(shè)計(jì)只能模擬主要作用力，為消除和減小由次要作用力影響產(chǎn)生的偏差，要注意下列幾個(gè)限制條件：

(1)為保證模型和原體的流態(tài)相似，當(dāng)原型為紊流時(shí)，模型中雷諾數(shù)雖小于原型，但仍應(yīng)保證模型流態(tài)達(dá)到紊流的阻力平方區(qū)。

(2)為避免表面張力影響面波的相似，模型表面流速應(yīng)大于23 cm/s。為保證流速分布和壓強(qiáng)分布的相似，模型最小水深應(yīng)大于3.0 cm。

(3)在變態(tài)模型中，如果變率過(guò)大會(huì)改變模型中的流態(tài)、流速分布和壓強(qiáng)分布，一般變態(tài)模型中平面比尺和垂直比尺的變率在1:2~1:10之間。

(4)由于模型和原型的水面都是大氣壓力，如模型邊壁受動(dòng)力水作用影響而出現(xiàn)負(fù)壓，則模型負(fù)壓值不能按比尺引伸到原型。比較正確的測(cè)定負(fù)壓值需將模型放置在減壓箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)。

水力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷姆秶捅瘸哌x擇

根據(jù)試驗(yàn)研究的任務(wù)要求和試驗(yàn)場(chǎng)地、設(shè)備、量測(cè)方法和測(cè)驗(yàn)精度等條件，綜合考慮、合理選定模型的類型、范圍和比尺。

水力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)場(chǎng)所

按地點(diǎn)、供水條件和場(chǎng)房設(shè)備等可分為室內(nèi)試驗(yàn)廳、露天試驗(yàn)場(chǎng)和工地試驗(yàn)場(chǎng)所。

(1)室內(nèi)試驗(yàn)廳。為了工作不受氣候等自然條件的限制，又有利于使用精密的量測(cè)儀器設(shè)備，可以建成綜合使用的試驗(yàn)大廳，布置幾個(gè)模型同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)：也可一個(gè)項(xiàng)目設(shè)置一個(gè)試驗(yàn)廳。

(2)露天試驗(yàn)場(chǎng)。進(jìn)行大型的水利樞紐或河道模型需要較大的場(chǎng)地，往往在露天進(jìn)行。

(3)工地試驗(yàn)場(chǎng)所。工程設(shè)置專用設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)研究，常結(jié)合利用水利工程大流量、高水頭等有利條件。

水力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ凸┧到y(tǒng)

可以分為自流式和循環(huán)式兩種：

(1)自流式供水系統(tǒng)。利用閘壩的水位落差引河渠水進(jìn)入試驗(yàn)室。自流式供水系統(tǒng)必須就近有可靠水源：有時(shí)需要外加人工循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充。

(2)循環(huán)式供水系統(tǒng)。整個(gè)供水系統(tǒng)包括蓄水池、水泵、平水塔、配水管和量水設(shè)備，經(jīng)模型使用后通過(guò)回水管槽（含沉沙池）再回到蓄水池，使一定的蓄水量能長(zhǎng)期循環(huán)使用。

水力學(xué)模型試驗(yàn)固定和專用設(shè)備

(1)二元玻璃水槽。研究二維水流問(wèn)題的通用設(shè)備。水槽兩側(cè)為玻璃槽壁，可以直接觀測(cè)流態(tài)。一般槽寬30~100 cm，流量100~300 L/s，高度1~3 m，槽長(zhǎng)包括量水堰、槽和尾門等總長(zhǎng)約20~ 30 m。特大型的專用

水槽，如荷蘭代爾夫特(Delft)試驗(yàn)室的波浪水槽長(zhǎng)達(dá)250 m，寬5 m，深7 m。

(2)活動(dòng)水槽。即底坡可以變動(dòng)的水槽。用以研究糙率、推移質(zhì)和水力學(xué)方面的基本試驗(yàn)。一般槽寬30~50 cm，高30～60 cm，長(zhǎng)10～30 m，流量100 L/s，變坡范圍±10%。

大型的活動(dòng)陡槽有研究高速水流摻氣的專用陡槽，變坡范圍0°~ 60°，最大流量達(dá)200～1000L/s。

(3)專用設(shè)備。有高壓箱、減壓箱、水洞以及上面提到的摻氣陡槽等。設(shè)備復(fù)雜，布置要求嚴(yán)格，一般都建造專用設(shè)備樓。

水力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)要求

模型液流和原型水流（即實(shí)物水流）之間應(yīng)當(dāng)滿足力學(xué)相似。力學(xué)相似包括幾何相似、運(yùn)動(dòng)相似和動(dòng)力相似。

①幾何相似是原型水流和模型液流相應(yīng)長(zhǎng)度成比例，相應(yīng)角度相等。

②運(yùn)動(dòng)相似是在幾何相似的基礎(chǔ)上，原型和模型的相應(yīng)點(diǎn)上(如果為非恒流需加上相應(yīng)時(shí)間上)的流速方向相同，大小成同一比例。

③動(dòng)力相似要求作用在原型和模型上相應(yīng)力成比例。作用在液體上的力有重力、壓力、粘性力、表面張力等，使這些外力的合力和水流慣性力處于平衡狀態(tài)。

設(shè)計(jì)一個(gè)模型由于技術(shù)上的限制，不可能同時(shí)把所有的外力都考慮，因而只能考慮主要的作用力。①當(dāng)決定液體流動(dòng)狀態(tài)的主要作用力為重力時(shí)，要求原型和模型的慣性力和重力之比相等，即原型和模型的弗勞德數(shù)相等。明渠流和波浪運(yùn)動(dòng)的主要作用力是重力，模型設(shè)計(jì)遵循弗勞德模型律。②當(dāng)決定液流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要作用力為粘性力時(shí)，要求原型和模型的慣性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷諾數(shù)相等。管流和流體繞流，主要作用力是粘性阻力，模型設(shè)計(jì)遵循雷諾模型律。但是當(dāng)雷諾數(shù)相當(dāng)大時(shí)，慣性阻力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，水流進(jìn)入自動(dòng)模型區(qū)，則只要達(dá)到幾何相似，不必遵循雷諾模型律，即能實(shí)現(xiàn)力學(xué)相似。

有了速度比例，結(jié)合長(zhǎng)度比例和密度比例，即可求出任意參變量（例如力、壓強(qiáng)、流量等）的比例，將實(shí)驗(yàn)結(jié)果換算為原型參變量。

水力模型試驗(yàn)屬物理模型試驗(yàn)。它與數(shù)學(xué)模型和現(xiàn)場(chǎng)原型觀測(cè)三者互相結(jié)合，是進(jìn)行水力學(xué)研究的重要手段。

液體流動(dòng)是一種非常復(fù)雜的過(guò)程，很多流動(dòng)規(guī)律有待研究。單純用數(shù)理分析，在多數(shù)情況下難以得出正確結(jié)果，而必須依賴于實(shí)驗(yàn)。水力學(xué)模型實(shí)驗(yàn)的目的是探索規(guī)律，驗(yàn)證理論，確定系數(shù)或常數(shù)，進(jìn)行水力學(xué)專題研究，解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題。

水力模型試驗(yàn)研究，包括模型相似理論，模型的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和制造，測(cè)試系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)，模型試驗(yàn)方案優(yōu)選和試驗(yàn)測(cè)取資料的處理分析，并預(yù)見(jiàn)原型工程中可能存在的問(wèn)題，為工程提供設(shè)計(jì)需要的數(shù)據(jù)和改進(jìn)方案。水力模型試驗(yàn)?zāi)苡蒙倭康慕?jīng)費(fèi)，完善工程設(shè)計(jì)，并節(jié)省建設(shè)投資，得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。

在水利建設(shè)中，模型試驗(yàn)應(yīng)用范圍主要有：①水利樞紐工程及泄水和過(guò)水建筑物的優(yōu)選布置；②各類泄水建筑物的體型布置，泄流能力，下游消能防沖以及水流運(yùn)動(dòng)對(duì)建筑物的作用力等；③船閘灌泄水系統(tǒng)和升船機(jī)的水力學(xué)問(wèn)題；④水電站引水系統(tǒng)和調(diào)壓井的非恒定流；⑤潰壩洪水波和水庫(kù)滑坡涌波的非恒定流；⑥河床演變與河道整治，取水工程的防沙及排沙措施；⑦河口及港灣航道工程的布置及防浪措施；⑧地下滲流問(wèn)題；⑨水利工程施工過(guò)程中的導(dǎo)流和截流問(wèn)題等；⑩水輪機(jī)和水泵的性能及水流部件的設(shè)計(jì)；⑧固體和流體的管道輸送；⑥環(huán)境水力學(xué)（含熱、核電站的冷卻水問(wèn)題）等。

1870年左右，弗勞德(W. Froude)進(jìn)行船舶模型試驗(yàn)：1885年，雷諾(O．Reynolds)進(jìn)行摩塞(Mersey)河模型試驗(yàn)；1898年，恩格斯(H．Engels)首創(chuàng)河工實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行天然河流的模型試驗(yàn)。20世紀(jì)以來(lái)，水力模型得到更大發(fā)展。在中國(guó)較早的有1935年進(jìn)行的淮河楊莊和三河活動(dòng)壩模型試驗(yàn)，以及長(zhǎng)江馬當(dāng)段水道整治模型試驗(yàn)。1949年后，水力模型試驗(yàn)在中國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，建立了大量的水工試驗(yàn)室，模型試驗(yàn)技術(shù)也有很大提高和發(fā)展。尤其在20世紀(jì)后半葉，中國(guó)在水電建設(shè)和河流整治方面進(jìn)行了大規(guī)模的室內(nèi)試驗(yàn)，在設(shè)備條件和技術(shù)方面有了長(zhǎng)足的發(fā)展。

本書根據(jù)作者從事水工水力學(xué)水力模型試驗(yàn)研究工作以來(lái)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)和成果中選出，經(jīng)綜合整理匯編而成。全書內(nèi)容共分8章，內(nèi)容包括階梯式消能工研究與應(yīng)用、低水頭水閘泄洪消能防沖、溢流壩水面線計(jì)算、差動(dòng)式挑坎水力計(jì)算、窄縫式挑坎水力特性研究、水利水電工程進(jìn)水口水力學(xué)研究、水工水力學(xué)專題研究、工程研究和應(yīng)用實(shí)例等。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)是巖石力學(xué)研究領(lǐng)域的重要手段，尤其是在理論尚不完備、非連續(xù)數(shù)值模擬技術(shù)尚未成熟的現(xiàn)階段，地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在深部巖體力學(xué)研究中占據(jù)重要地位。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)最早由格恩庫(kù)茲涅佐夫于1936年提出，是仿照真實(shí)結(jié)構(gòu)并按照一定比例關(guān)系復(fù)制而成的試驗(yàn)代表物，它具有原型結(jié)構(gòu)的全部或部分特征。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)根據(jù)相似理論，用適當(dāng)?shù)谋壤吆拖嗨撇牧现瞥膳c原型相似的試驗(yàn)對(duì)象，再現(xiàn)原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際工作狀態(tài)，最后按照相似判據(jù)整理試驗(yàn)結(jié)果，推算原型結(jié)構(gòu)的實(shí)際狀態(tài)。地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的科學(xué)性取決于模型與原型具有相同物理性質(zhì)的變化過(guò)程，要滿足物理現(xiàn)象的單值相似條件，還要求對(duì)應(yīng)的相似判據(jù)相等。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)?zāi)苄蜗?、直觀地模擬工程結(jié)構(gòu)的受力、變形及破壞的全過(guò)程，可以比較全面、真實(shí)地模擬復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造，揭示可控影響因素對(duì)人們關(guān)心的工程災(zāi)變?cè)杏莼^(guò)程的影響，為建立新的理論和數(shù)學(xué)模型提供依據(jù)，從而為避免和防控工程災(zāi)害提供技術(shù)支持。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，清華大學(xué)、山東大學(xué)、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)、長(zhǎng)江科學(xué)院等高校和院所，結(jié)合水利、采礦、交通、國(guó)防等工程中的巖石力學(xué)問(wèn)題，開(kāi)展了大量的模型試驗(yàn)研究，取得了系列創(chuàng)新成果，為巖石力學(xué)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。如，清華大學(xué)李仲奎 等研制了離散化多主應(yīng)力面加載和控制系統(tǒng)，成功地解決了復(fù)雜三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬問(wèn)題，提出基于擊實(shí)功復(fù)合作用系數(shù)以及密度隨填筑深度非線性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性；山東大學(xué)張強(qiáng)勇等在試驗(yàn)臺(tái)架研制、相似材料制備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集等方面開(kāi)展了大量的工作，也取得了豐碩的成果。

地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)在大模型制作、控制加載、監(jiān)測(cè)量測(cè)、相似材料制備等方面得到了全面發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了模型由平面到立體、應(yīng)力狀態(tài)由平面到真三軸、加載邊界由剛性到柔性、監(jiān)測(cè)量測(cè)由概略到精細(xì)、材料性質(zhì)相似由粗放到嚴(yán)格的轉(zhuǎn)變。但是，在部分深部特有問(wèn)題模擬上，如深部巖體的含能狀態(tài)、初始狀態(tài)、邊界條件以及與時(shí)間相關(guān)的變形破壞過(guò)程等，仍存在一些值得商榷之處。 2100433B