河工模型实习报告-武汉大学水利水电学院港航.doc

河工模型实习报告班级： 2010级港航一班 姓名： 学号： 2010301580 指导老师： 陈立 二一四年六月 目 录一 实习目的及模型背景11.1 实习的目的和意义11.2 武桥水道物理模型背景11.2.1 模型简介及模型范围11.2.2 河段概况11.2.3航道问题及整治现状2二 模型设计32.1 导墙确定及断面划分32.2 基本原理及约束条件32.3比尺确定42.4 模型选沙4三 模型制作53.1 内业工作断面数据读取53.2 导线放样及模板架设63.3 模型塑造6四 模型测控系统74.1 控制系统74.1.1 流量控制系统74.1.2 出口水位控制系统74.2 测量手段74.2.1 水位计74.2.2 流速测量7五 流速验证9六 实习总结14一 实习目的及模型背景1.1 实习的目的和意义本次实习内容为定床河工模型设计、制作及验证试验。通过模拟河段范围及断面的划分、各比尺的确定、断面的读取、模板的架设及模型验证等步骤，初步掌握河工模型设计、制作及试验的基本原理、方法和主要工作流程；了解河工模型试验系统及各附属设备的主要功用。1.2 武桥水道物理模型背景1.2.1 模型简介及模型范围模型的范围上起蛤蟆矶，下迄武汉长江二桥，全长约21km。模型的动床范围上起白沙洲大桥上游，下到汉江河口止，动床范围约10km。动床河工模型主要研究航道整治工程实施以后汉阳边滩及附近河床的冲淤变化以及局部河势变化，同时还要反映鹦鹉洲长江大桥、杨泗港大桥的影响。汉阳边滩年内变化与潜洲、荒五里边滩的变化直接相关。本次河工实习以学习该水道定床设计部分为主。1.2.2 河段概况武汉河段上段为顺直分汊段，长期以来比较稳定。下段汉江入口及汉口边滩分别位于武汉长江大桥下游，距离汉阳边滩较近，汉口水文站原位于武汉关，武桥水道是长江干线航道发展规划中重点治理水道之一。是宜昌至安庆河段的上段即宜昌至武汉段。武桥水道位于长江中游武汉河段中段，上起汉阳杨泗庙，下迄武汉长江大桥，全长5km。图1.1 武桥水道平面图1.2.3航道问题及整治现状与一般的碍航浅滩不同，枯水期武桥水道可以满足规划航深与航宽的要求，但是在汉阳边滩淤积严重时，枯水期桥区上段航槽受到挤压而过于弯曲，与桥轴线法线方向交角过大，危及通航和桥墩安全。因此2003年启动了武桥水道河段航道整治的相关工作。按照长江干线航道发展规划要求，该水道2020年建设标准为3.7m150.0m1000m，通航保证率为98%。该水道从2013年开始试运行提高枯水期水深至3.7m。从2003年到2010年，经过艰苦不懈的努力，终于实施了以长顺坝结合鱼骨坝守护潜州，限制枯水期汉阳边滩淤积展宽挤压航槽的航道整治工程。由于武桥水道位于武汉市主城区，地处桥区、港区、支流入汇区，周边环境以及通航环境非常复杂，牵一发而动全身，因此工程规模受到限制，特别是长顺坝尾部上提约500m，加上航道整治工程与城市过江通道鹦鹉洲大桥相互影响，影响了航道整治的效果。2011年3月测图显示，汉阳边滩宽度（以4m等深线计算宽度）超过660m，较过去有所减小，但仍然较宽，可能对4.5m航道产生挤压作用。因此，要进一步提升武桥水道通航水深到4.5m，要弄清楚武桥水道航道变化趋势，并寻求解决问题的整治工程措施。二 模型设计2.1 导墙确定及断面划分图2.1导线布置及断面划分2.2 基本原理及约束条件由惯性力重力比相似，得流速比尺为： 流量比尺： 由惯性力阻力比相似可得糙率比尺为： 式中：为比尺符号，l、h、u、Q、nb分别为平面尺度、垂直尺度、流速、流量、河床糙率。根据定床模型试验规程要求，模型水流必须是紊流，要求模型的最小雷诺数为：Rem10002000 同时为了不使表面张力干扰模型的水流运动，要求模型最小水深：hmin1.5cm 2.3比尺确定模型满足水流运动相似、泥沙悬浮相似、起动相似、挟沙相似及河床变形相似，相应的比尺如下表。表2.1 比尺汇总表几何相似平面比尺300悬移质与沙质推移质运动相似沉速比尺w4.39垂直比尺100粒径比尺0.53变率3起动流速比尺10水流运动相似流速比尺10干容重比尺2.1糙率比尺 1.24含沙量比尺s0.076流量比尺3105变形时间比尺820时间比尺302.4 模型选沙悬移质当中的冲泄质对本河段河床冲淤变化影响较小，因此模型中悬移质泥沙只模拟床沙质部分。模型选用重率 =1.05t/m3的塑料沙作为模型沙。三 模型制作3.1 内业工作断面数据读取41断面数据读取如表3.1所示。表3.1 原型模型断面换算表原型模型原型模型起点距 (m)高程 (m)起点距 (cm)高程 (cm)起点距 (m)高程 (m)起点距 (cm)高程 (cm)0300301091.85559363.951839109.15183036.383933301149.435310383.145110121.750426.540.58346726.51178.166410392.7221310210.527826.570.17593326.51203.98919401.32979225.04622175.0154211303.45658434.48558238.39391579.464633151460.26497486.754977257.56271085.854233101548.51146516.170476275.8377991.945991561.33255520.444175287.528895.84266781621.27485540.424935298.8458799.61526771662.39794554.132634316.09086105.363661721.63183573.877273331.70435110.568151738.94812579.649372597.6114199.2036741773.79412591.26472955.14034318.380141823.4313607.810333982.09235327.364151846.25185615.4172751002.07436334.0247761853.89984617.966641031.51017343.836771895.65435631.8847751067.9218355.9736781932.905115644.301715图3.1 41断面形态图3.2 导线放样及模板架设（1）导线放样。步骤及方法：用全站仪及配套反光镜，根据模型场的大小，用角度和距离确定各转折点方位，将导线布置在模型场内适当位置。沿导线建造导墙，导线控制点标记位置大致位于导墙中部。在已建好的导墙两边用长卷尺测量并标出相应断面的位置，以便安装断面时使用。选定导线上某一点作为以后反算水准仪高度的基准。（2）模板安装架设。步骤及方法：根据选好的固定点反算水准仪架设的高度，作为后续每次计算的基准。用水准仪及水准尺确定断面模板的竖向位置（高程）；从断面两端拉细线，并根据断面距离导墙上某一端的距离，确定断面模板的水平位置，安装断面模板。初步固定模板时，用土、砖块及水泥进行模板的固定。重复步骤，依次安装每一个断面。模板全部架设完毕后，适当填土夯实，使模型场内断面间地形平整，便于后续水泥抹面。每个断面选取几个特征点，对模板架设高程进行校核。3.3 模型塑造待模板架设完成后，在经过平整的断面间，用水泥砂浆抹面至断面外轮廓，塑造整个河道地形，并使两断面间地形光滑过度。塑制后的模板应及时地再次重新检查高程。对糙率较大的模型在抹面后亦可考虑撒碎石加糙，但不宜一次性加糙过大。四 模型测控系统4.1 控制系统4.1.1 流量控制系统模型试验采用电磁流量计与阀门配合的流量控制系统。由于进口处的流量由泵模拟控制，有一定的波动。4.1.2 出口水位控制系统模型出口处的水位由水位计和尾门的阀门自动开闭装置联合控制。当尾门处的水位计读数高于要求值时（水位偏高），需要将阀门开大，增加流量使水位降低至要求值；反之，当尾门处的水位计读数低于要求值时，需要将阀门开小，减小流量使水位升高至要求值。实际操作中，尾门水位不可避免出现波动，该波动应在允许的波动范围内。4.2 测量手段4.2.1 水位计河工模型通过自动化的水位计测量水位，通过水位测针测针零点将水位测针读数转换为高程。水位测针的测针零点，是指当水位测针针尖指向模型零点高程时标尺上的读数。水位计（或测针）零点是统一各站水位的基本依据。直接影响到试验结果的精度。因而在较长的试验过程中，往往要定期检查零点值，且对其精度亦有较高的要求。基准面的选择可以是任意的，因而测针零点的确定依据已知固定高程点（后视点），通过一系列的测量换算后获得。实际操作中，校核测针零点的方法一般采用静水法，即在测针下放置一盆静水，让测针针尖刚好接触水面，读取水位计读数；用细线悬挂柱状标尺（测针标尺读数从上到下依次增大，读数越大，高程越大），测量某水位计处水面高程，通过真实高程反推测针零点读数，计算出换算值，使水位计读数与测量值保持一致。零点测定前，要检查水位测针是否安装适当，只有在确认测针点到水面后读取的数据才有效。测定后，整个实验中的测针零点不能随意更换。4.2.2 流速测量流速测量方法可分为接触式和非接触式，接触式有毕托管流速仪、旋浆流速仪、热线流速仪、电磁流速仪和超声波流速仪等，非接触式有激光流速仪和粒子图像测速系统（PIV/PTV）等。旋桨法测流速是目前水工模型试验中应用最多的流速测量方法，此次定床河工模型也以旋桨流速仪作为采集流速数据的基本仪器。图4.1 旋桨流速仪结构示意图旋桨的叶轮作为一次传感，它某一片或两片叶片的边缘上镀有光反射膜。直肠镜电珠发出的光通过Y型分支光纤束传到测杆检测端。当旋桨叶轮的有镀反射膜的叶片掠过时，便有一个光脉冲返回Y型分支光纤束，并被光敏三极管所接收，然后转换成电脉冲输出。流速越大，旋桨的叶轮旋转就越快，在单位时间内，光敏三极管接收到的光脉冲越多，其输出电脉冲的频率越高。根据模型的不同和试验要求，模型的流速测量可分为断面垂线平均流速和表面流速测量。有时为了重点研究某一些位置的流速分布，还需要在一个垂线上测量多个水深的流速。模型中的流速通常采用以下公式计算：V=Kn/T+C式中，K为率定曲线斜率；n为脉冲数，一般取三次或五次测量的平均值；T为测试时段；C为旋桨启动流速。对于平原河流，通常认为其流速分布符合对数流速分布公式，经过对数流速分布公式计算，可知水面以下0.6倍水深位置为垂线平均流速的位置。水深的测量可以利用流速仪测杆上的标尺，通过对水表和床面的读数差值确定。流向的测量一般是在旋桨的测杆上系一段细线，细线会摆向流速的方向，然后通过调整旋桨上的流向标尺，读取偏角。五 流速验证流速测量选取5个断面，实测资料及模型测量值如表5.1-5.5所示。表5.1 测1-1断面流速实测值及模型测量值实测值模型测量值实测值模型测量值起点距 （m）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （m）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）1500.00500.0010201.553400.132400.98800.0810801.553600.153000.881000.1111401.363800.133600.911200.1012001.254000.144200.771400.1112601.344200.124800.891600.1213201.234400.135400.971800.1213801.314600.116001.142000.1214401.274800.126601.152200.1215001.125000.137201.222400.1515601.095200.117801.412600.1616201.115400.118401.442800.1516801.045600.109001.423000.1617400.985800.109601.243200.1519050.006000.106400.00表5.2 测2断面流速实测值及模型测量值实测值模型测量值实测值模型测量值起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）2100.00 700.00 11401.26 3800.11 2401.13 800.11 12001.25 4000.11 3001.19 1000.13 12601.09 4200.12 3601.31 1200.13 13201.31 4400.11 4201.27 1400.13 13801.27 4600.10 4801.32 1600.13 14401.27 4800.10 5401.45 1800.14 15001.25 5000.10 6001.41 2000.16 15601.19 5200.11 6601.38 2200.16 16201.36 5400.11 7201.31 2400.14 16801.23 5600.10 7801.35 2600.14 17401.31 5800.11 8401.30 2800.13 18001.31 6000.12 9001.43 3000.13 18601.41 6200.11 9601.27 3200.13 19201.31 6400.13 10201.37 3400.14 19801.02 6600.10 10801.37 3600.14 20400.76 6800.07 20700.00 7050.00 表5.3 测3断面流速实测值及模型测量值实测值模型测量值实测值模型测量值起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）2100.00 700.00 11400.74 3800.07 2401.13 800.12 12000.77 4000.08 3001.53 1000.16 12600.78 4200.08 3601.58 1200.16 13200.75 4400.07 4201.64 1400.15 13800.91 4600.07 4801.67 1600.15 14400.77 4800.06 5401.48 1800.16 15001.01 5000.10 6001.27 2000.17 15601.00 5200.09 6601.18 2200.15 16201.14 5400.11 7201.26 2400.17 16801.23 5600.11 7801.25 2600.16 17401.22 5800.12 8401.07 2800.16 18001.18 6000.11 9001.03 3000.14 18601.27 6200.11 9601.01 3200.10 19201.30 6400.12 10200.87 3400.08 19801.27 6600.00 10800.64 3600.05 19950.00 表5.4 CS44断面流速实测值及模型测量值实测值模型测量值实测值模型测量值起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）2250.00 700.00 8701.04 2900.13 2701.22 900.09 9301.04 3100.12 3301.32 1100.10 9901.04 3300.09 3901.32 1300.13 10500.73 3500.08 4501.36 1500.13 11100.71 3700.06 5101.50 1700.14 11700.97 3900.07 5701.29 1900.14 12301.23 4100.09 6301.37 2100.14 12901.36 4300.11 6901.27 2300.13 13501.31 4500.12 7501.30 2500.14 13800.96 4650.00 8101.24 2700.14 14100.00 表5.5 CS46断面流速实测值及模型测量值实测值模型测量值实测值模型测量值起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）起点距 （cm）流速 （m/s）1650.00 580.00 8101.15 2700.14 2100.67 700.08 8701.14 2900.12 2701.15 900.12 9301.02 3100.13 3301.31 1100.10 9900.98 3300.11 3901.25 1300.11 10500.86 3500.09 4501.21 1500.12 11101.19 3700.09 5101.32 1700.12 11701.12 3900.10 5701.10 1900.13 12301.22 4100.11 6301.06 2100.14 12900.88 4300.10 6901.17 2300.13 13500.67 4500.06 7501.13 2500.13 13650.00 4580.00 对比实测资料及模型测量值，可得图5.1-5.5。图5.1 测1-1断面流速实测值及模型测量值对比图图5.2 测2断面流速实测值及模型测量值对比图图5.3 测3断面流速实测