河海大水工建筑物实验指导

实验一大型水利枢纽仿真模型演示前修课程：无开课对象：土木水利类及其他一、实验目的1．使学生了解水利水电工程的概况，加强学生对水利枢纽的认识，了解各种水工建筑物的型式功能等。2．解决水工专业学生在认识实习中难以解决的具体问题。二、实验的任务及技术1．对梯级开发水利枢纽有一个整体的认识。2．掌握各种水工建筑物的功能、型式及工作原理。3．了解各种水流特性。三、实验设备及模型数据大型水利枢纽仿真模型，由模型、供水系统、控制系统等组成。模型尺寸：长17cm，宽8cm，高3cm。四、实验成果（报告）1．简要叙述各级枢纽布置及坝型的特点。2．二滩水电站由哪些建筑物组成？各建筑物的功能是什么？3．丹江口水利枢纽的主要功能有哪些？它的综合效益有哪些？4．什么是渠首建筑物？韶山灌溉枢纽中有哪些组成建筑物？5．通过参观水利枢纽模型，谈谈你对水利工程的认识和体会。6．你认为模型中还有什么问题？有什么改进的措施？五、大型水利枢纽仿真模型演示说明为满足水工等专业的教学需要，解决水工专业学生在认识实习中难以解决的具体问题，同时为我校的其它相关专业学生认识水利水电工程提供有利条件和场所，学校经过多方努力，设计建成了颇具特色的水利枢纽仿真模型。仿真模型以我国已建成的三个实际工程为原型，按一定的比例集中组建在一起，模拟水电能源的梯级开发。综合利用各种科技手段，对结构、水流、声响等进行仿真，使大家有身临其境之感觉。它包括三个梯级水利枢纽，第一、第二级为水利水电蓄水枢纽，其主要作用是防洪、发电和航运；第三级为有坝引水枢纽，其主要作用是供水、灌溉和航运。此模型规模较大、造型逼真、综合性强、充分反映了我国水资源开发利用的原则和特点。(一)第一级蓄水枢纽第一级水利枢纽以四川二滩水电站为原型，按1：280比例制作，枢纽的主要作用是防洪、供水和发电。它是雅砻江干流上开发的第一座梯级水电站，也是我国已建成的大坝中，装机规模最大，单机容量最大和年发电量最大的水电站。坝址距攀枝花市46公里，主要建筑物包括：拦河大坝、坝身泄水建筑物、放空底孔、左岸地下厂房等。为满足教学需要，在坝身减少了原型中的表、中孔数，增设了滑雪道泄水建筑物。1．拦河大坝二滩大坝为混凝土双曲拱坝，坝高240m，是我国第一座高度超过200m的大坝，坝长778.9m，总库容58亿立方米。河谷两岸地形陡峻，呈“V”字形，平面上呈喇叭口。是布置拱坝理想的地形，坝基岩石完整，坚硬。根据拱坝布置的原则，坝轴线选定在喇叭口略偏下游处，两岸坝肩布置根据地形、地质条件，一端为径向布置，另一端为非径向布置。2．坝身泄水建筑物坝身泄水建筑物包括坝顶表孔溢流坝和坝身中孔，坝顶表孔溢流坝布置在主河道位置，堰面曲线采用WES曲线。设闸门控制，堰顶布置有五扇弧形闸门，孔口尺寸为11m×15m，以控制泄量和水位，当天然来水流量小于下泄流量时，根据水库调度要求，用闸门控制泄量，当天然来水流量小于下泄流量时，闸门全部开启，自由下泄。坝身设四个中孔，对称布置在拱冠两侧，孔口尺寸6m×5.5m，当表孔出流满足不了泄水要求时，开启中孔，与表孔共同泄洪。在大坝下游346m建设有一座二道坝，用于抬高下游水位，形成水垫，达到消能的目的，减轻下泄水流对下游河道的冲刷，以保护大坝的安全。为了使学生更全面地了解，大坝建筑物和消能防冲的种类，模型在原型的基础上，将表孔、中孔各减至2个，另增设滑雪道以模拟空中对冲消能，滑雪道下泄的两股水充在空中对撞消除部分能量。3．放空底孔放空底孔的主要作用是放空水库，便于检修，亦作为排沙孔，其进口布置检修闸门，出口布置工作闸门。孔口尺寸为6m×5.5m，采用挑流消能。4．地下水电站厂房由于受地形条件的限制，河道狭窄，在坝后布置电站较为困难，因此选择地下厂房隧洞引水发电。共安装6台机组，装机容量为3300MW，年发电量170.4亿度，是我国西电东送的骨干电站之一，该水电站建筑物主要包括进水塔、纱水隧洞、地下厂房、调压室及高压开关站等。隧洞进口形式为洞式，孔口尺寸为11.5m×10m，地下厂房192m，宽26m。二滩工程于1991年9月14日正式开工，1993年11月26日截流，1997年11月试运行，1998年10月第一台机组发电，2000年竣工。(二)第二级蓄水枢纽第二级水利枢纽以丹江口水利枢纽为原型按1:160比例制作，丹江口水利枢纽位于长江最大支流汉江的中游丹江口市境内，是汉江上最大的水利工程，也是20世纪60年代我国最壮观的水利工程，同时又是南水北调中线水源工程。枢纽的主要任务是防洪、灌溉、发电、航运和养殖。主要水工建筑物包括：挡水建筑物、泄水建筑物、水电站建筑物、通航建筑物等。1．挡水建筑物挡水建筑物由三种坝型组成：河床段为宽缝重力坝，岸坝段为实体重力坝和土石坝。原型坝总长2494米，其中混凝土坝长1141米，最大坝高97米，坝顶高程162米，最终大坝坝顶高程将达到175m。总库容209亿立方米。左岸土石坝全长1223米，最大坝高56米，右岸土石坝长130米，最大坝高32米。因受模型的限制，为达到良好的演示效果，模型将表孔和深孔坝段各缩短了一定长度，表孔与深孔在数量上也作了相应的减少。2．泄水建筑物泄水建筑物包括泄洪深孔和溢流坝两部分。泄洪深孔设在8至13坝段，原型长度144米，孔口尺寸宽5米，高6米，共12孔。溢流坝段布置在河床中部14至24坝段，共长264米，每坝段设两个开放式溢流孔，共20孔，孔宽8.5米，单孔最大泄流量为每秒2000立方米。溢流坝堰面曲线为WES曲线，闸门为平面闸门，采用挑流消能，挑流鼻坎的半径为26.789m。3．通航建筑物由上游导航建筑物、垂直升船机、中间渠道、斜面升船机和下游引航道五部分组成。提升机起重能力为450t，最大提升高度45米，垂直升船机是一种使船只快速过坝的通航建筑物，与船闸相比它提升高度大、过坝时间短，适用于上下游水位差大，吨位小的船只。以由下至上通航为例，先将船只经下游引航道，航行至承船箱内通过提升机提升承船箱，至预定高度，经运行轨道水平过坝至上游水库，再由提升机起吊下降至上游水面，船只驶出承船箱。4．水电站建筑物：水电站建筑物布置于25～32坝段，为坝后封闭式厂房，原型厂房全长174米，装有6台15万千瓦，总装机容量900MW，年均发电量约38亿KW.h。主要建筑物包括：进口拦污棚、通气孔、闸门、管道、厂房、开关站等。丹江口水利枢纽于1958年9月开工兴建，1967年11月下闸蓄水，1968年10月第一台机组发电，1973年底完成现在的规模。目前正在进行加高处理。(三)第三级有坝引水枢纽第三级有坝引水枢纽以韶山灌区为原型，按（1：120）比例制作。韶山灌区总灌溉面积为100万亩，是我国唯一的，实际灌溉面积超过设计面积的灌区水利工程。主要作用是：抬高水位、引水灌溉、冲沙放水等，主要水工建筑物包括：拦河滚水坝、泄水冲沙闸、取水闸、船闸等。1．拦河滚水坝拦河滚水坝的作用是既挡水又泄水，抬高河道水位，保证足够的取用量，保障供水，滚水坝面采取WES曲线，采用挑流消能。2．取水闸取水闸的主要作用是取水灌溉、供水等。取水闸布置在河道的凹岸，其主要由进水渠、闸室控制段、消能防冲段、两岸连接建筑物等组成。进水渠前布置有拦沙坎，主要作用为拦沙、防止泥沙进入水闸、减少水闸及渠道的淤积。引水渠的作用是保证水流能平顺地进入闸室；闸室的作用是控制水位和流量；防冲消能段主要作用是减少过闸水流对下游河床的冲刷。3．船闸船闸的主要作用是满足通航要求。由上游引道、上闸首、闸室段输水廊道、下闸首和下游引航道等组成。上下游引航道的主要作用是停靠船只；输水廊道的主要作用是给闸室充水、放水。当船由下而上时，船进入闸室，关闭下游闸门，由输水廊道开始给闸室充水；当闸室内水位与上游水位齐平时，停止闸室供水，打开上游闸，船出闸。4．泄水冲沙闸本级水利枢纽中的泄水闸布置成深孔，兼有冲沙作用。由于河道右岸泥沙淤积较为严重，因此，交泄水冲沙闸布置在河道右岸，便于冲沙。水闸主要结构包括：防渗铺盖、闸室、消能防冲段、上部工作桥、交通桥、闸门启闭机等，泄水冲沙闸在洪水期启用。实验二水工结构静力模型实验

前修课程：水工建筑物、结构模型试验理论和方法。开课对象：水利水电工程专业学生。一、实验目的水工结构（静力）模型实验着重对重力坝坝段平面结构模型进行实验，使学生初步了解水工结构模型的方法及分类、模型相似原理、模型设计的基本原则、模型材料、模型加荷方法以及试验量测技术及成果整理等。锻炼和培养学生解决工程实际问题的能力。二、实验的任务与要求1．对结构模型试验在水工建筑物设计、分析中的作用和地位有明确的认识。2．初步掌握结构模型试验相似理论、模型设计、制作、量测、数据处理分析等基本方法。3．通过对策略坝坝段平面结构模型试验动手实践，加深对模型试验的全过程的了解，初步具有设计水工结构模型试验的能力。（1）模型材料及尺寸模型由石膏制成，石膏弹性模量为2500MPa。模型尺寸见下图所示。图1重力坝断模型示意图图2溢流坝断模型示意图（2）加荷系统a)自重（预压）荷载采用机械拉力式加荷系统；包括拉力杆、测力计、摇把盘等组成；b)水荷载采用千斤顶加载系统：包括油泵（加压）、分油器、压力表、高压油管、千斤顶、垫块等组成。（3）量测系统量测系统包括应变片、导线、静态应变仪等组成。4．实验成果（1）简述水工结构模型实验。（2）根据图中所示重力坝断面：原型坝高97.5m，设计水位▽90.0m，坝体混凝土弹性模量Ep=2.5×104MPa，泊松比μ=0.2，坝厚14m，坝底宽68.25m，模型用石膏制成，模型比尺CL=150，Cr=1/6，CE=10，坝基按弹性地基处理，重力坝荷载仅考虑水荷载。图3重力坝断面图1）用材料力学法，计算原型坝坝踵、中部和坝址处的应力。2）实验实测结果：1号测点（坝踵）εx=εxy=εy=2号测点（中部）εx=εxy=εy=3号测点（坝趾）εx=εxy=εy=根据实验所测结果计算模型坝坝踵、中部和坝趾处的应力。根据相似关系推算到原型坝坝踵、中部和坝址处的应力，并和用材料力学法计算的结果进行分析比较。（3）根据图中所示溢流坝断面，原型坝高72.0m，设计水位▽65.0m，坝全混凝土弹性模量Ep=2.5×104MPa、泊松比μ=0.2，坝厚22m，坝底宽62.5m，模型比尺Cl=100，Cr=1/6，CE=9，坝基按弹性地基处理，溢流坝荷载仅考虑水荷载图4溢流坝断面1）用材料力学法，计算原型坝坝踵、中部和坝址处的应力。2）实验实测结果：1号测点（坝踵）εx=εxy=εy=2号测点（中部）εx=εxy=εy=3号测点（坝趾）εx=εxy=εy=根据实验所测结果计算模型坝坝踵、中部和坝趾处的应力。根据相似关系推算到原型坝坝踵、中部和坝址处的应力，并和用材料力学法计算的结果进行分析比较。三、水工结构静力模型实验指导书(一)课程性质和目的：1、水工结构模型试验所谓水工结构模型试验就是将原型以某一比例关系缩小成模型，然后向该模型施加与原型相关的荷载，根据从模型上获得的信息如应变位移等，通过一定的相似关系推出原型建筑物在应力、变形强度等成果。2、进行水工结构模型试验的目的和意义水工建筑物因其受力特征、几何形状、边界条件等均较复杂，特别是修建在复杂地基上建筑物更为如此，尽管计算机技术和空间有限元等正迅速发展，但目前还不能用理论分析方法完美地解决建筑物的稳定和应力问题，因此模型试验作为一种研究手段则具有重要的意义，可归纳成如几个方面：（1）通过对水工建筑物的模型试验研究可以验证理论设计，国内外大型和重要的水工建筑物的设计，都同时要求进行计算分析和试验分析，以期达到互相验证的目的。（2）通过对原型结构的模拟试验，预测水工建筑物完建后的运行情况以及抵御事故的能力。（3）由于物理模型是对实际结构性态的模拟，在模型上还有可能出现原先未知而又实际存在的某些现象，因此模型试验研究不仅仅是对数理分析方法的验证，而且是获得更丰富切合实际的资料的积极探索，所以进行水工结构模型试验目的也是更好地探索新理论、新材料、新技术、新工艺的一种手段。3、结构模型试验研究的主要内容：（1）大型水工建筑物的整体应力及变形问题。（2）结构物之间的联合作用问题。（3）地下结构的应力与稳定问题。（4）大坝安全度及破坏机理问题。（5）水工结构的动力特性问题。（6）验证新理论、新方法、新材料、新工艺等。4、模型试验的分类方法（1）按建筑物的模拟范围和受力状态分类1）整体结构模型试验：研究整体建筑物在空间力系作用下的强度或稳定问题。2）平面结构模型试验：研究结构单位长度断面在平面力系作用下的强度和稳定问题，如重力坝坝段平面结构模型试验就是研究重力坝在水荷载作用下的应力和变形。3）

半整体结构模型试验：（2）按作用荷载特性分类1）静力结构模型试验：研究水工建筑物在静荷载（静水压力、自重、温度等）作用下的应力、变形及稳定问题的整体或断面（平面）模型试验。在静力试验中还可分为线弹性结构应力模型试验（模型材料以石膏为主）和非线性结构模型破坏试验，即地质力学模型试验（模型材料以高容重、低强度、低变形模量的非线性模型材料重晶石粉等为主）。2）动力结构模型试验：研究水工建筑物在动荷载作用下的结构动力特性和动力反应的模型试验。我们教学实验选用静力模型试验中的结构应力模型试验，这是结构模型试验中采用较多的一类试验，它的目的主要是了解结构在受到正常荷载或特殊荷载作用下的结构性态，如应力大小及应力及分布变形等，对不满足工程要求的结构提出改进措施，为工程设计提供依据。5、结构模型试验的相似原理怎样才能使水工结构模型反映出原型水工结构的力学现象呢？这就要求模型与原型两者必须相似。所谓相似包括两个基本概念，其一是模型和原型之间的同类物理量之比为常数，称为相似常数（相似常数），最常遇到的是弹性相似，各物理量的相似常数如下表：表1相似常数列表其二是模型各物理量之间和原型各物理量之间有相同关系方程式。例如对于两相似系统中的应力和应变关系若对于原型有σp=Ep·εp·，则对于模型应有σm=Em·εm。相似定理是进行模型试验的理论基础，有三个相似定理：（1）相似第一定理：对于彼此相似的理解其相似指标等于1或其相似判据为一不变量。（2）相似第二定理：任一现象的各物理量之间的关系方程式，都可以转换为无量纲方程而两个相似现象的无量纲方程中的各个对应项都是相似判据式。（3）相似第三定理：在物理方程相同的情况下，若单值条件相似，则这两现象一定相似。应用相似第一定理和相似第二定理，可以弄清楚两相似体中诸物理量之间的关系，从而推导出模拟某一自然现象或物理规律所必须遵循的相似准则，再由相似第三定理，赋予两相似体中各项单值条件以具体的不同数量级，即可获得模拟这一现象符合相似理论的不同规模的模型方案供比较选用，这就是相似理论在模型试验中的应用。线弹性模型所遵循的相似准则可根据相似原理由弹性力学的基本方程式和边界条件推出：至于水工结构模型破坏试验不再祥述。6、模型设计怎样进行模型设计呢？由上节相似原理的公式得到CE=Cr·Cl，这就是说模型设计的基本内容就是要解决：用什么材料做模型（确定CE），模型该做多大（定Cl），以及在模型上该加多大的荷载（定Cr）三个问题，这就要根据原型资料及试验条件的具体情况分析确定。对教学试验模型：（属应力模型）Cl：应力模型常采用Cl=100～200，几何比尺的选用还与模型的边界条件、地质构造分布情况、模型槽尺寸及量测设备等有关，必须加以综合考虑，教学模型采用Cl=100，CE、Cμ、Cr是代表材料的一些物理力学性质的相似常数，这几个常数确定了采用模型材料的种类，教学模型采用石膏材料，石膏属脆性材料，它的μ值与岩石及混凝土很接近，亦能满足Sμ=1的条件。一般应力模型的Em取值大于1000MPa，教学模型见图，模型采用Em=2500MPa的石膏材料，原型材料的Ep=25000MPa，这时CE=10。Cr和Cp：根据相似关系Cr=Cp，这两个常数用于确定模型荷载的大小及加荷方式。当Cl、CE确定时，Cr可由Cr/Cl推出，由于试验加荷方式采用油压千斤顶系统加载，模拟水压时Cr（或Cp）有较宽的变幅可供选择。此外，边界条件、地基范围的确定也是模型设计中应考虑的重要因素。原则上地基范围的大小应包括结构受荷载作用后所影响的区域。一般对地基无特殊要求的情况下，重力坝断面模型的坝基范围取为：上游坝基长度不小于1.3倍坝底宽或1.0倍坝高，下游坝基长度不小于2.0倍坝底宽或1.5倍坝高。坝基深度不小于1.5倍坝底宽度或1.0倍坝高。7、模型材料、模型制作（1）模型材料，对模型材料的要求：与原型材料的物理力学性能相似，保证材料均匀性，各向同性、连续性、稳定性，材料凝固前有较好的和易性，便于施工和修补。目前常用的坝工模型材料有：纯石膏材料、石膏混合材料；此外还有以石膏、重晶石粉、砂子和甘油、机油等为原料的地质力学模型材料。（2）模型制作：由从事模型试验的工程师进行模型放样，由专门熟练的模型工进行制作。图5某重力坝断面8、模型加荷模型加荷方法：主要有液体加荷、气压加荷和千斤顶加荷等。我们教学模型上采用千斤顶加荷。千斤顶加荷法：把作用于坝上的水压力分成若干个区，计算出每个区的合力，然后用不同规格的千斤顶以集中力方式加到每个区的合力位置上。为了使受力面上的压力分布尽量接近实际，往往在千斤顶与坝面之间设计有各种垫块，使千斤顶出力能以分布力的方式传到结构上去。这类加荷系统包括：油泵、分油器、油压表、千斤顶、垫块以及高压油管等设备。这种方法的优点是，由于它可以很方便地改变压强，可适用于不同加荷的需要，不仅适用于弹性应力模型，而且多用它进行结构破坏试验。它的缺点是设备的加工精度要求高，要严格控制漏油问题。9、安装量测技术及成果整理在结构静力模型试验中，通常需要量测的两个参数是应变和位移。有了测量的应变值就可以计算出测点的正应力及主应力及其方向和大小，当测点足够多时就可以得到应力分布。有了测点的位移值就可以得到结构的局部变形和整体变形，以及破坏的发生与发展。目前，在模型试验中，常用的实验应力分析方法有电测法、机测法、光测法等，本次模型实验采用电测法，求解结构的应力分析问题。所谓电测法就是采用敏感元件电阴片测量应变，因此贴片工艺及贴片技术是非常关键的问题，它直接关系到测量成果的可靠性或实验的成败。这里讲的贴片技术包括电阻片选用及质量检验，试件的表面处理；电阻片的保护和防潮处理等。对于我们研究应力模型上测点贴片位置，一般以满足试验任务的要求，例如一般需要获得应力分布、最大应力等。一般要求重复试验的测值变幅不大于5με。对于这种常温静态应变测量一般的程序为：首先对模型进行预压，以消除其残余变形，预压荷截的大小可取材料的极限强度的1/4左右，预压次数的多少与不同的模型材料有关。然后进行正式加荷，每次加荷顺序必须统一，并尽量与原型实际工作状态一致，每级加荷完毕需要有稳压时间，使模型变形趋于稳定（一般为10～15分钟），方可正式开始测量应变值，每级荷最好连续循环测读两次，用以核对及复查。静态应变测量一般最少重复三次。模型位移的测量也有机测与电测两种方法。机没主要应用千（百）分表进行位移测量，其特点是比较直观、精度高，但仪器设置有一定局限性，受测量时间影响较大。电测主要用位移传感器，这是发展方向。随着高科技的发展，现在试验量测技术越来越自动化，这类测试系统主要由三部分组成，即：自动巡回检测系统，计算机控制系统，输出、打印、显示，绘图等外部设备，藉助于计算机，进行数据采集、数据处理及成果记录等，全部实现自动化程序控制，促进了模型试验技术的进一步发展。根据模型试验量测的应变值和模型相似理论换算到原型，得到原型建筑物的特征点的应变应力值，并画出水工结构的应力、变形规律图，结合水工结构的基本理论进行成果分析。重力坝平面结构模型上任一点应力可根据该点的一个实测应变值按下式进行计算：（不直接承受水压力的表面）式中：σx、σy、τxy分别为原型水平、垂直向正应力和剪应力Em、μ为模型材料的弹性模量和泊松比，Cf、Cl为密度和几何尺寸的相似常数；εx、εy和εxy分别为模型实测的水平、垂直和45°方向的应变值。示得σx、σy和τxy后，再按下式求得主应力。上式中：代数值较大的主应力为第一主应力。一般电阻应变仪以拉应变为正值，压应变为负值，因而在脆性材料结构模型试验中，通常也以拉应力为正值，压应力为负值。（材料力学法，规定则相反，正应力以压为正以拉为负）。确定应力方向角的步骤是：首先按照图6中确定0o方向，接着画出α角（当α解为正值时，从0o（x坐标）线逆时针旋转；当α角为负值时，则顺时针为。根据α角方向给出两条相互垂直的线，此即为两个主应力的方向线。但第一主应力的方向还要根据剪应力的符号确定，当剪应力为正值时，第一主应力在坐标的第一、三象限；当剪应力为负值时，则在第二、四象限内。图6应变花的贴法原型各点位移的计算公式为(二)实验步骤：按照上述实验内容，其具体步骤见框图。图7试验步骤框图实验三坝面压力和坝下消能水力学实验

前修课程：水力学、水工建筑物开课对象：水力水电工程专业学生一、实验目的实验装置主要模拟各种坝工消能方案，对挑流消能、底流消能、戽流消能等多种消能方式的水流形态进行演示，可对水位、水深、流速、压力等物理量分别采用常规方式及电测方式进行量测。并可通过计算机进行数据采集和分析，计算、比较各种消能方式下的消能率、建筑物表面的压力分布、过流断面的流速分布。通过实验，学生可从直观上了解水工建筑物上、下游水流的衔接方式和各种方案的消能原理，通过溢流坝的底流、挑流、消力戽消能实验以及坝面压力量测，可加深对本课程中有关理论的理解。增强判别消能效果及坝荷压力的感性知识。巩固和验证所学的理论知识，拓宽学生的知识面，培养学生观察和分析水流现象的能力，掌握常规量测仪器的使用方法，提高动手、创新能力和科学研究技能。二、装置说明根据实验目的和要求，实验水槽采用矩形断面的平底渠道，渠长约6000mm，宽300mm，高500mm。渠尾装有可开关的控制尾门，用于调节下游水位。渠首装有调节流量的控制阀门及可调节高度的溢流槽。在渠上设有滑车测架，用来固定测针、毕托管和其它测杆。堰形为实用堰，堰面采用WES曲线，堰高320mm，堰顶设计水头80mm，曲线下接1：0.7的直线段，下接可装卸的消能工。设计流量Q=15l/s。可容易装卸的各种活动消能工型式，可分别摸拟挑流消能、面流消能、底流消能、戽流消能等多种消能方式的水流形态。三、底流消能试验（一）仪器设备钢尺一根、滑车侧针一架、测压板、消力池型式2套、毕托管及压差计、小铁盒一套。（二）实验要求通过观测不同的底流消能形式的水流流态，了解底流的水跃特性，测量坝面压力、水跃长度、跃前和跃后水深及下游跃后流速分布等水力参数。绘出坝面动水压力分布和底流消能流态图并做简要的比较分析。（三）实验步骤1、安装底流消能工型式,检查准备工作。2、打开尾门，开泵。3、开进水闸、调节进水闸或溢流槽高度使堰上水位至所需要的实验水位（设计水位）。4、用尾门调节槽内水深使水流产生完整水跃。5、测量水跃各要素（水跃长度，跃前、跃后水深）。6、通过测压板量测坝面压力。7、通过毕托管量测跃后水槽过水断面的流速分布。8、各测量项目完成后关闭进水闸门，关泵。9、换另一种底流消能型式。10、重复2～8步骤。11、清理实验场地。12、实验结束。（四）注意事项1、慢慢调节进水闸，使堰上水位稳定保持至实验水位时，再调节尾门，待水跃稳定不再前后移动时再测。2、各个测压管连接毕托管的橡皮管不能含有气泡。3、毕托管必须正对水流方向并不能露出水面。4、毕托管每次上提后，必须稍等一会，待玻璃管中水面稳定后再读数,可从底部开始测量，以后逐步上提，每次提高（h/5～h/6），共测5～6点。四、消力戽消能实验（一）仪器设备钢尺一根、滑车侧针一架、测压板、消力戽消能工型式两套、毕托管及压差计、小铁盒一套。（二）实验要求实验要求观测两种消力戽可能发生的各种水流衔接形式和流态。量测产生上、下临界戽的坝上、坝下水位及流量。针对某一稳定戽流量测坝面压力、坝下水面线及流速分布、分析戽流消能特点。绘出坝面压力和消力戽消能流态图。（三）实验步骤1、安装消力戽消能工，检查准备工作。2、打开尾门，接通电源开泵。3、调节进水闸或溢流槽高度，使堰上水头至所需要的试验水位（设计水位）。4、调节尾门，观测槽内不同水深所产生的不同的消力戽水流流态，量测自由戽流、下临界流、上临界流和淹没戽流所对应的下游水位。5、在上、下临界戽流之间，对某一下游水深通过毕托管量测断面的流速分布。6、通过测压板量测坝面压力分布。7、各测量项目完成后关闭进水闸门，关泵。8、换另一种消力戽消能型式9、重复2～7步骤。10、清理实验场地。11、实验结束。（四）注意事项量测压力及流速要注意的事项同底流消能。五、挑流消能试验（一）仪器设备钢尺一根、滑车侧针一架、测压板、连续式挑坎和差动式挑流鼻坎各1套、毕托管及压差计、小铁盒一套。（二）实验要求实验要求分别观测连续式挑坎和差动式挑流鼻坎的水流流态，在设计水位下量测挑流水舌形态、挑距。量测坝面压力及挑流冲击点的河床压力。量测下游断面流速分布。通过实验，分析比较连续式和差动式鼻坎的消能情况，给出流态示意图。（三）实验步骤1、安装挑流鼻坎，检查准备工作。2、打开尾门，接通电源开泵。3、调节进水闸，使堰上水头至所需要的试验水位（设计水位）。4、调节尾门，使坝下游槽内水位低与挑坎高程。5、针对某一下游水位，量测挑流抛射高度、距离、入水角度。6、通过测压板量测坝面压力分布及挑射水流冲击点压力分布。7、量测下游断面流速分布。8、换另一种挑流鼻坎型式。9、重复2～7步骤。10、清理实验场地。11、实验结束。（四）、注意事项量测压力及流速分布要注意的事项同底流消能实验。五、坝面压力和下游消能水力学消能实验报告(一)坝面压力实验1、实验目的与要求：2、有关实验数值：堰形：堰顶高程：堰设计水头：设计水位：流量：3、实验结果(1)坝面压力量测：表1压力分布测量记录表测点测点位置高程测压管读数a时均压力P1234567891011121314151617181920

测压板零点读数高程时均压力计算公式：P＝

(2)坝面压力分布图1坝面压力分布图（二）底流消能实验1、实验目的与要求2、有关实验数值堰形：堰顶高程：堰设计水头：设计水位：流量：3、实验结果(1)一般型消力池a.上游水位▽上＝堰顶水头Ｈ＝▽上－▽堰b.水跃特性表2水跃特性记录表项目实验值计算值跃前水深／cm跃后水深／cm水跃长度

水跃计算公式：跃前水深：h′＝跃后水深：h″＝水跃长度：Ｌ＝

c.坝下流速分布．表3坝下m断面中线流速量测汇录表测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：1234567

计算公式：比压板倾斜角度α=流速计算公式v=

d.水流流态描述图2一段消力池的水流流态(2)ＵＳＢＲⅡ型消力池a.上游水位▽上＝堰顶水头Ｈ＝▽上－▽堰b.水跃特性表4水跃特性记录表项目实验值计算值跃前水深／cm跃后水深／cm水跃长度水跃计算公式：跃前水深：h′＝跃后水深：h″＝水跃长度：Ｌ＝c.坝下流速分布表5坝下m断面中线流速量测汇录表测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：1234567

计算公式：比压板倾斜角度α=流速计算公式v=d.水流流态描述图3ＵＳＢＲⅡ型的水流流态(三)戽流消能实验1、实验目的与要求2、有关实验数值堰形：堰顶高程：堰设计水头：设计水位：流量：3、实验结果(1)戽流流态描述表6戽流流态及对应的下游水深消能型式自由戽流下临界戽流上临界戽流淹没戽流戽流消能（A）戽流消能（B）(2)消能工下游流速分布表7戽流消能（A）测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：12345

计算公式：比压板倾斜角度α＝流速计算公式v=表8戽流消能（B）测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：1234

计算公式：比压板倾斜角度α=流速计算公式v=(3)两种消力戽流态的简要分析比较图4戽流消能（A）的水流流态图5戽流消能（B）的水流流态(四)挑流消能实验1、实验目的与要求2、有关实验数值堰形：堰顶高程：堰设计水头：设计水位：流量：3、实验结果（1）挑流水舌形态量测表9挑流水舌形态及对应的下游水深消能型式下游水深最小挑距最大挑距备注平顺连续式挑坎矩形差动式挑坎（2）消能工下游流速分布表10平顺连续式挑坎测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：123

计算公式：比压板倾斜角度α=流速计算公式v=表11矩形差动式挑坎测点测点位置高度距底／cm比压板压差计读数△h=h2-h1流速值v备注：1234

计算公式：比压板倾斜角度α=流速计算公式v=（3）两种挑流消能流态的描述及其简要分析比较图6平顺连续式挑坎的水流流态图7矩形差动式挑坎的水流流态实验四水工渗流实验一、土坝渗流缝隙槽模型实验（I）土坝渗流缝隙槽模型实验是利用粘性液体（甘油）在模型的坝断面与平板间狭窄缝中流动（缝宽1mm），能很好显示出层流运动特性，来模拟土坝中渗流。（一）实验目的1．通过实验，找出土坝浸润线的位置坐标，并与理论计算成果相比较；2．观察水位变化时，浸润线位置的变化情况；3．观察流动的流线状态及其特性，并对层流运动得到进一步的感性认识。（二）实验原理粘性液体（甘油）在狭窄缝隙中流动时，形成层流，且符合达西定律，用此来模拟土基中的渗流，粘性流在缝隙中流动的平均流速为式中：Km—缝隙槽的透水系数，决定于缝隙宽度和粘滞性的常数，α——缝隙的半宽；V——液体的运动粘滞系数；g——重力加速度；dh——沿流动方向ds距离上的水头损失。（三）实验步骤实验设备及装置由实验课中讲述。实验步骤如下：1．每人准备一张方格纸，大小为75cm×25cm；2．熟悉实验设备，并做好实验前的分工准备工作；3．用方格纸绘制好与模型尺寸同样大小的土坝模型图，见附图（按本组所确定的实验土坝类型绘制）；4．打开电源开关，向模型槽内充液到固定液位，调整上下游水位高度，使上游保持溢流状态，下游也开始溢流时，即形成了稳定的水面；5．将有染色液体的细金属管分别放在坝面的液面高