河工模型實(shí)習(xí)報(bào)告-武漢大學(xué)水利水電學(xué)院港航

1、河工模型實(shí)習(xí)報(bào)告班級(jí)： 2010級(jí)港航一班 姓名： 學(xué)號(hào)： 2010301580 指導(dǎo)老師： 陳立 二一四年六月 目 錄一 實(shí)習(xí)目的及模型背景11.1 實(shí)習(xí)的目的和意義11.2 武橋水道物理模型背景11.2.1 模型簡(jiǎn)介及模型范圍11.2.2 河段概況11.2.3航道問(wèn)題及整治現(xiàn)狀2二 模型設(shè)計(jì)32.1 導(dǎo)墻確定及斷面劃分32.2 基本原理及約束條件32.3比尺確定42.4 模型選沙4三 模型制作53.1 內(nèi)業(yè)工作斷面數(shù)據(jù)讀取53.2 導(dǎo)線放樣及模板架設(shè)63.3 模型塑造6四 模型測(cè)控系統(tǒng)74.1 控制系統(tǒng)74.1.1 流量控制系統(tǒng)74.1.2 出口水位控制系統(tǒng)74.2 測(cè)量手段74.2.1

2、水位計(jì)74.2.2 流速測(cè)量7五 流速驗(yàn)證9六 實(shí)習(xí)總結(jié)14一 實(shí)習(xí)目的及模型背景1.1 實(shí)習(xí)的目的和意義本次實(shí)習(xí)內(nèi)容為定床河工模型設(shè)計(jì)、制作及驗(yàn)證試驗(yàn)。通過(guò)模擬河段范圍及斷面的劃分、各比尺的確定、斷面的讀取、模板的架設(shè)及模型驗(yàn)證等步驟，初步掌握河工模型設(shè)計(jì)、制作及試驗(yàn)的基本原理、方法和主要工作流程；了解河工模型試驗(yàn)系統(tǒng)及各附屬設(shè)備的主要功用。1.2 武橋水道物理模型背景1.2.1 模型簡(jiǎn)介及模型范圍模型的范圍上起蛤蟆磯，下迄武漢長(zhǎng)江二橋，全長(zhǎng)約21km。模型的動(dòng)床范圍上起白沙洲大橋上游，下到漢江河口止，動(dòng)床范圍約10km。動(dòng)床河工模型主要研究航道整治工程實(shí)施以后漢陽(yáng)邊灘及附近河床的沖淤變化以

3、及局部河勢(shì)變化，同時(shí)還要反映鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋、楊泗港大橋的影響。漢陽(yáng)邊灘年內(nèi)變化與潛洲、荒五里邊灘的變化直接相關(guān)。本次河工實(shí)習(xí)以學(xué)習(xí)該水道定床設(shè)計(jì)部分為主。1.2.2 河段概況武漢河段上段為順直分汊段，長(zhǎng)期以來(lái)比較穩(wěn)定。下段漢江入口及漢口邊灘分別位于武漢長(zhǎng)江大橋下游，距離漢陽(yáng)邊灘較近，漢口水文站原位于武漢關(guān)，武橋水道是長(zhǎng)江干線航道發(fā)展規(guī)劃中重點(diǎn)治理水道之一。是宜昌至安慶河段的上段即宜昌至武漢段。武橋水道位于長(zhǎng)江中游武漢河段中段，上起漢陽(yáng)楊泗廟，下迄武漢長(zhǎng)江大橋，全長(zhǎng)5km。圖1.1 武橋水道平面圖1.2.3航道問(wèn)題及整治現(xiàn)狀與一般的礙航淺灘不同，枯水期武橋水道可以滿足規(guī)劃航深與航寬的要求，但是在

4、漢陽(yáng)邊灘淤積嚴(yán)重時(shí)，枯水期橋區(qū)上段航槽受到擠壓而過(guò)于彎曲，與橋軸線法線方向交角過(guò)大，危及通航和橋墩安全。因此2003年啟動(dòng)了武橋水道河段航道整治的相關(guān)工作。按照長(zhǎng)江干線航道發(fā)展規(guī)劃要求，該水道2020年建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為3.7m150.0m1000m，通航保證率為98%。該水道從2013年開始試運(yùn)行提高枯水期水深至3.7m。從2003年到2010年，經(jīng)過(guò)艱苦不懈的努力，終于實(shí)施了以長(zhǎng)順壩結(jié)合魚骨壩守護(hù)潛州，限制枯水期漢陽(yáng)邊灘淤積展寬擠壓航槽的航道整治工程。由于武橋水道位于武漢市主城區(qū)，地處橋區(qū)、港區(qū)、支流入?yún)R區(qū)，周邊環(huán)境以及通航環(huán)境非常復(fù)雜，牽一發(fā)而動(dòng)全身，因此工程規(guī)模受到限制，特別是長(zhǎng)順壩尾部上提約

5、500m，加上航道整治工程與城市過(guò)江通道鸚鵡洲大橋相互影響，影響了航道整治的效果。2011年3月測(cè)圖顯示，漢陽(yáng)邊灘寬度（以4m等深線計(jì)算寬度）超過(guò)660m，較過(guò)去有所減小，但仍然較寬，可能對(duì)4.5m航道產(chǎn)生擠壓作用。因此，要進(jìn)一步提升武橋水道通航水深到4.5m，要弄清楚武橋水道航道變化趨勢(shì)，并尋求解決問(wèn)題的整治工程措施。二 模型設(shè)計(jì)2.1 導(dǎo)墻確定及斷面劃分圖2.1導(dǎo)線布置及斷面劃分2.2 基本原理及約束條件由慣性力重力比相似，得流速比尺為： 流量比尺： 由慣性力阻力比相似可得糙率比尺為： 式中：為比尺符號(hào)，l、h、u、Q、nb分別為平面尺度、垂直尺度、流速、流量、河床糙率。根據(jù)定床模型試驗(yàn)規(guī)

6、程要求，模型水流必須是紊流，要求模型的最小雷諾數(shù)為：Rem10002000 同時(shí)為了不使表面張力干擾模型的水流運(yùn)動(dòng)，要求模型最小水深：hmin1.5cm 2.3比尺確定模型滿足水流運(yùn)動(dòng)相似、泥沙懸浮相似、起動(dòng)相似、挾沙相似及河床變形相似，相應(yīng)的比尺如下表。表2.1 比尺匯總表幾何相似平面比尺300懸移質(zhì)與沙質(zhì)推移質(zhì)運(yùn)動(dòng)相似沉速比尺w4.39垂直比尺100粒徑比尺0.53變率3起動(dòng)流速比尺10水流運(yùn)動(dòng)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變形時(shí)間比尺820時(shí)間比尺302.4 模型選沙懸移質(zhì)當(dāng)中的沖泄質(zhì)對(duì)本河段河床沖淤變化影響較小，因此模型中懸移質(zhì)

7、泥沙只模擬床沙質(zhì)部分。模型選用重率 =1.05t/m3的塑料沙作為模型沙。三 模型制作3.1 內(nèi)業(yè)工作斷面數(shù)據(jù)讀取41斷面數(shù)據(jù)讀取如表3.1所示。表3.1 原型模型斷面換算表原型模型原型模型起點(diǎn)距 (m)高程 (m)起點(diǎn)距 (cm)高程 (cm)起點(diǎn)距 (m)高程 (m)起點(diǎn)距 (cm)高程 (cm)0300301091.85559363.951839109.15183036.383933301149.435310383.145110121.750426.540.58346726.51178.166410392.7221310210.527826.570.17593326.51203.9891

8、9401.32979225.04622175.0154211303.45658434.48558238.39391579.464633151460.26497486.754977257.56271085.854233101548.51146516.170476275.8377991.945991561.33255520.444175287.528895.84266781621.27485540.424935298.8458799.61526771662.39794554.132634316.09086105.363661721.63183573.877273331.70435110.56815

9、1738.94812579.649372597.6114199.2036741773.79412591.26472955.14034318.380141823.4313607.810333982.09235327.364151846.25185615.4172751002.07436334.0247761853.89984617.966641031.51017343.836771895.65435631.8847751067.9218355.9736781932.905115644.301715圖3.1 41斷面形態(tài)圖3.2 導(dǎo)線放樣及模板架設(shè)（1）導(dǎo)線放樣。步驟及方法：用全站儀及配套反光鏡，

10、根據(jù)模型場(chǎng)的大小，用角度和距離確定各轉(zhuǎn)折點(diǎn)方位，將導(dǎo)線布置在模型場(chǎng)內(nèi)適當(dāng)位置。沿導(dǎo)線建造導(dǎo)墻，導(dǎo)線控制點(diǎn)標(biāo)記位置大致位于導(dǎo)墻中部。在已建好的導(dǎo)墻兩邊用長(zhǎng)卷尺測(cè)量并標(biāo)出相應(yīng)斷面的位置，以便安裝斷面時(shí)使用。選定導(dǎo)線上某一點(diǎn)作為以后反算水準(zhǔn)儀高度的基準(zhǔn)。（2）模板安裝架設(shè)。步驟及方法：根據(jù)選好的固定點(diǎn)反算水準(zhǔn)儀架設(shè)的高度，作為后續(xù)每次計(jì)算的基準(zhǔn)。用水準(zhǔn)儀及水準(zhǔn)尺確定斷面模板的豎向位置（高程）；從斷面兩端拉細(xì)線，并根據(jù)斷面距離導(dǎo)墻上某一端的距離，確定斷面模板的水平位置，安裝斷面模板。初步固定模板時(shí)，用土、磚塊及水泥進(jìn)行模板的固定。重復(fù)步驟，依次安裝每一個(gè)斷面。模板全部架設(shè)完畢后，適當(dāng)填土夯實(shí)，使模型場(chǎng)

11、內(nèi)斷面間地形平整，便于后續(xù)水泥抹面。每個(gè)斷面選取幾個(gè)特征點(diǎn)，對(duì)模板架設(shè)高程進(jìn)行校核。3.3 模型塑造待模板架設(shè)完成后，在經(jīng)過(guò)平整的斷面間，用水泥砂漿抹面至斷面外輪廓，塑造整個(gè)河道地形，并使兩斷面間地形光滑過(guò)度。塑制后的模板應(yīng)及時(shí)地再次重新檢查高程。對(duì)糙率較大的模型在抹面后亦可考慮撒碎石加糙，但不宜一次性加糙過(guò)大。四 模型測(cè)控系統(tǒng)4.1 控制系統(tǒng)4.1.1 流量控制系統(tǒng)模型試驗(yàn)采用電磁流量計(jì)與閥門配合的流量控制系統(tǒng)。由于進(jìn)口處的流量由泵模擬控制，有一定的波動(dòng)。4.1.2 出口水位控制系統(tǒng)模型出口處的水位由水位計(jì)和尾門的閥門自動(dòng)開閉裝置聯(lián)合控制。當(dāng)尾門處的水位計(jì)讀數(shù)高于要求值時(shí)（水位偏高），需要將

12、閥門開大，增加流量使水位降低至要求值；反之，當(dāng)尾門處的水位計(jì)讀數(shù)低于要求值時(shí)，需要將閥門開小，減小流量使水位升高至要求值。實(shí)際操作中，尾門水位不可避免出現(xiàn)波動(dòng)，該波動(dòng)應(yīng)在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)。4.2 測(cè)量手段4.2.1 水位計(jì)河工模型通過(guò)自動(dòng)化的水位計(jì)測(cè)量水位，通過(guò)水位測(cè)針測(cè)針零點(diǎn)將水位測(cè)針讀數(shù)轉(zhuǎn)換為高程。水位測(cè)針的測(cè)針零點(diǎn)，是指當(dāng)水位測(cè)針針尖指向模型零點(diǎn)高程時(shí)標(biāo)尺上的讀數(shù)。水位計(jì)（或測(cè)針）零點(diǎn)是統(tǒng)一各站水位的基本依據(jù)。直接影響到試驗(yàn)結(jié)果的精度。因而在較長(zhǎng)的試驗(yàn)過(guò)程中，往往要定期檢查零點(diǎn)值，且對(duì)其精度亦有較高的要求?；鶞?zhǔn)面的選擇可以是任意的，因而測(cè)針零點(diǎn)的確定依據(jù)已知固定高程點(diǎn)（后視點(diǎn)），通過(guò)一系

13、列的測(cè)量換算后獲得。實(shí)際操作中，校核測(cè)針零點(diǎn)的方法一般采用靜水法，即在測(cè)針下放置一盆靜水，讓測(cè)針針尖剛好接觸水面，讀取水位計(jì)讀數(shù)；用細(xì)線懸掛柱狀標(biāo)尺（測(cè)針標(biāo)尺讀數(shù)從上到下依次增大，讀數(shù)越大，高程越大），測(cè)量某水位計(jì)處水面高程，通過(guò)真實(shí)高程反推測(cè)針零點(diǎn)讀數(shù)，計(jì)算出換算值，使水位計(jì)讀數(shù)與測(cè)量值保持一致。零點(diǎn)測(cè)定前，要檢查水位測(cè)針是否安裝適當(dāng)，只有在確認(rèn)測(cè)針點(diǎn)到水面后讀取的數(shù)據(jù)才有效。測(cè)定后，整個(gè)實(shí)驗(yàn)中的測(cè)針零點(diǎn)不能隨意更換。4.2.2 流速測(cè)量流速測(cè)量方法可分為接觸式和非接觸式，接觸式有畢托管流速儀、旋漿流速儀、熱線流速儀、電磁流速儀和超聲波流速儀等，非接觸式有激光流速儀和粒子圖像測(cè)速系統(tǒng)（PIV

14、/PTV）等。旋槳法測(cè)流速是目前水工模型試驗(yàn)中應(yīng)用最多的流速測(cè)量方法，此次定床河工模型也以旋槳流速儀作為采集流速數(shù)據(jù)的基本儀器。圖4.1 旋槳流速儀結(jié)構(gòu)示意圖旋槳的葉輪作為一次傳感，它某一片或兩片葉片的邊緣上鍍有光反射膜。直腸鏡電珠發(fā)出的光通過(guò)Y型分支光纖束傳到測(cè)桿檢測(cè)端。當(dāng)旋槳葉輪的有鍍反射膜的葉片掠過(guò)時(shí)，便有一個(gè)光脈沖返回Y型分支光纖束，并被光敏三極管所接收，然后轉(zhuǎn)換成電脈沖輸出。流速越大，旋槳的葉輪旋轉(zhuǎn)就越快，在單位時(shí)間內(nèi)，光敏三極管接收到的光脈沖越多，其輸出電脈沖的頻率越高。根據(jù)模型的不同和試驗(yàn)要求，模型的流速測(cè)量可分為斷面垂線平均流速和表面流速測(cè)量。有時(shí)為了重點(diǎn)研究某一些位置的流速分

15、布，還需要在一個(gè)垂線上測(cè)量多個(gè)水深的流速。模型中的流速通常采用以下公式計(jì)算：V=Kn/T+C式中，K為率定曲線斜率；n為脈沖數(shù)，一般取三次或五次測(cè)量的平均值；T為測(cè)試時(shí)段；C為旋槳啟動(dòng)流速。對(duì)于平原河流，通常認(rèn)為其流速分布符合對(duì)數(shù)流速分布公式，經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)流速分布公式計(jì)算，可知水面以下0.6倍水深位置為垂線平均流速的位置。水深的測(cè)量可以利用流速儀測(cè)桿上的標(biāo)尺，通過(guò)對(duì)水表和床面的讀數(shù)差值確定。流向的測(cè)量一般是在旋槳的測(cè)桿上系一段細(xì)線，細(xì)線會(huì)擺向流速的方向，然后通過(guò)調(diào)整旋槳上的流向標(biāo)尺，讀取偏角。五 流速驗(yàn)證流速測(cè)量選取5個(gè)斷面，實(shí)測(cè)資料及模型測(cè)量值如表5.1-5.5所示。表5.1 測(cè)1-1斷面流速實(shí)

16、測(cè)值及模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值起點(diǎn)距 （m）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （m）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）1500.00500.0010201.553400.132400.98800.0810801.553600.153000.881000.1111401.363800.133600.911200.1012001.254000.144200.771400.1112601.344200.124800.891600.1213201.234400.135400.971800.1213801.314600.116001.142000.1

17、214401.274800.126601.152200.1215001.125000.137201.222400.1515601.095200.117801.412600.1616201.115400.118401.442800.1516801.045600.109001.423000.1617400.985800.109601.243200.1519050.006000.106400.00表5.2 測(cè)2斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）210

18、0.00 700.00 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

19、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 測(cè)3斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （c

20、m）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)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

21、.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斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值

22、起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)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 21

23、00.14 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斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值實(shí)測(cè)值模型測(cè)量值起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)距 （cm）流速 （m/s）起點(diǎn)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

24、 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 對(duì)比實(shí)測(cè)資料及模型測(cè)量值，可得圖5.1-5.5。圖5.1 測(cè)1-1斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值對(duì)比圖圖5.2 測(cè)2斷面流速實(shí)測(cè)值及模型測(cè)量值對(duì)比圖圖5.3 測(cè)3斷面流速實(shí)測(cè)