畢設(shè)任務(wù)書解讀

1、1.水工模型實(shí)驗(yàn) 按比尺縮小的模型中復(fù)演與原型相似的水流,進(jìn)行水工建筑物各種水力學(xué)問題研究的實(shí)驗(yàn)技術(shù)。在制作天然河道或各種水工建筑物的水力學(xué)模型時(shí),要按水力相似準(zhǔn)則進(jìn)行模擬。這些相似準(zhǔn)則一般有重力相似、粘滯力相似、彈性力相似、表面張力相似、壓力相似等,而以表述重力相似準(zhǔn)則的W.弗勞德(W.Froude)定律最為常用。此外還有空化水流、溫差異重流等特殊情況的相似準(zhǔn)則(見水力相似原理)。根據(jù)水力相似原理,還可將模型中量測(cè)到的水力要素?fù)Q算為原型的水力要素(見水力要素量測(cè))。通過模型試驗(yàn),可進(jìn)行工程布置方案的比較,建筑物過流表面的體型優(yōu)化,下游消能防沖等問題的研究,以解決實(shí)際工程問題,并進(jìn)一步發(fā)展水力

2、學(xué)理論。 1.1水工模型實(shí)驗(yàn) - 水工模型試驗(yàn)的類型 (1)按模型的范圍分有整體模型、單項(xiàng)整體模型和斷面模型。整體模型模擬整個(gè)水利、水電樞紐及其上、下游鄰近河段的全部水流,主要應(yīng)用于水利、水電樞紐布置設(shè)計(jì)方案的驗(yàn)證、優(yōu)選和優(yōu)化試驗(yàn),泄水建筑物上、下游水流銜接、消能防沖、防淤的試驗(yàn),過壩建筑物上、下游引航道水流條件的試驗(yàn)等。整體模型采用的比尺一般為1:501:150。單項(xiàng)整體模型模擬單項(xiàng)水工建筑物的水流,主要應(yīng)用于各類泄水建筑物、水電站進(jìn)水口、引水建筑物等的體型布置、過流能力、水流條件、消能效率等的試驗(yàn),調(diào)壓室波動(dòng)試驗(yàn),壓力管道的水擊模型試驗(yàn)等。單項(xiàng)整體模型的比尺一般采用1:201:100。斷面

3、模型模擬水工建筑物的一部分水流,可在透明水槽或水管中進(jìn)行試驗(yàn)。主要應(yīng)用于過流邊界壓力及脈動(dòng)壓力試驗(yàn)、二元水躍消能防沖試驗(yàn)等。斷面模型的比尺多為1:101:50。 (2)按模型水平比尺和垂直比尺是否相同分為正態(tài)模型和變態(tài)模型。正態(tài)模型的水平和垂直比尺相同,為多數(shù)水工模型試驗(yàn)所采用。變態(tài)模型的水平和垂直比尺不同,以保持大范圍水力學(xué)模型中有一定水深,主要用于河道或港灣的模型試驗(yàn)。水平和垂直比尺之比稱為變率,一般在1:21:10之間,如相差過大就可能改變模型中水流的流態(tài)、流速和壓強(qiáng)分布。 (3)按模型水流是否含沙分為清水模型和渾水模型,后者又稱為泥沙模型試驗(yàn),可應(yīng)用于河道、水庫、沉沙池、上下游引航道的

4、泥沙沖淤試驗(yàn)。 (4)按模型水面所受氣壓的大小分為常壓模型試驗(yàn)和減壓模型試驗(yàn)。常壓模型試驗(yàn)的模型水面所受的氣壓為大氣壓力,適用于多數(shù)水工模型試驗(yàn)。減壓模型試驗(yàn)的模型水面所受的氣壓低于大氣壓力,氣壓大小按模型比尺縮小,需將模型放置在減壓箱內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn),適用于空化試驗(yàn)。 (5)按河床水流邊界是否固定分為定床模型試驗(yàn)和動(dòng)床模型試驗(yàn)。定床模型試驗(yàn)中的水流邊界是固定的,不受水流沖淤的影響,而動(dòng)床模型試驗(yàn)中河床的水流邊界由可沖刷材料組成,以研究河床以及泄水建筑物下游地形的沖淤變化。(1)模型的規(guī)劃設(shè)計(jì)和制作。按所研究問題的性質(zhì)和任務(wù),選定模型的類型和比尺,進(jìn)行模型的設(shè)計(jì)。在試驗(yàn)場地,用水泥、砂石、木材、鋼材

5、、塑料等材料或制品制作模型。(2)布置測(cè)試系統(tǒng)。按照模型試驗(yàn)要求,在預(yù)定區(qū)域或斷面上布置測(cè)點(diǎn),設(shè)置量測(cè)水位、流速、流量、壓強(qiáng)、流態(tài)、地形的儀器設(shè)備,并取得原始測(cè)讀數(shù)據(jù)。(3)進(jìn)行預(yù)備試驗(yàn)。用已有資料驗(yàn)證模型中水流是否與原型相似,必要時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修正,如進(jìn)行河道模型試驗(yàn)時(shí),要對(duì)河床糙率n值按實(shí)測(cè)資料驗(yàn)證,以保證其相似性。(4)進(jìn)行試驗(yàn)研究。如系工程試驗(yàn),一般先進(jìn)行原設(shè)計(jì)方案的試驗(yàn),觀察水流流態(tài),量測(cè)各項(xiàng)水力要素。針對(duì)原布置方案的問題,參照已有工程經(jīng)驗(yàn)及科研成果,對(duì)模型進(jìn)行修改,逐步優(yōu)化。最后對(duì)選定方案進(jìn)行總結(jié)試驗(yàn)。對(duì)研究課題則按擬定的試驗(yàn)研究提綱進(jìn)行。(5)分析資料,編寫報(bào)告,提出相應(yīng)的建議。試

6、驗(yàn)設(shè)備及儀器 包括試驗(yàn)場所、供水系統(tǒng)、專用設(shè)備和測(cè)量儀器等。 1.2水工模型實(shí)驗(yàn) - 試驗(yàn)方法及程序 (1)試驗(yàn)場所有:室內(nèi)試驗(yàn)廳,一般為綜合試驗(yàn)大廳,可布置幾個(gè)模型同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)。露天試驗(yàn)場,進(jìn)行河工、港工及大型水利、水電樞紐的整體模型試驗(yàn),需要較大的試驗(yàn)流量及場地的模型試驗(yàn),往往在露天試驗(yàn)場進(jìn)行。工程現(xiàn)場試驗(yàn)場所,可利用工程現(xiàn)場大流量、高水頭等有利條件進(jìn)行高速水流問題研究及在施工現(xiàn)場進(jìn)行工程的導(dǎo)流截流試驗(yàn)。 (2)供水系統(tǒng),有自流式和循環(huán)式兩種。自流式供水系統(tǒng)利用閘、壩、瀑布及渠道的水位落差引水至試驗(yàn)室,試驗(yàn)后的尾水不再重復(fù)利用。循環(huán)式供水系統(tǒng)包括蓄水池、平水塔、配水管、量水設(shè)備、回水管(槽

7、)、沉沙池、水泵等,模型試驗(yàn)用水循環(huán)使用,見圖。 (3)專用設(shè)備包括:試驗(yàn)水槽,如進(jìn)行二維水流試驗(yàn)的玻璃水槽,進(jìn)行波浪試驗(yàn)的波浪水槽等?；顒?dòng)水槽,即底坡可以變動(dòng)的水槽,用以研究糙率、推移質(zhì)、高速水流摻氣等問題。高水箱,用于進(jìn)行泄洪洞、壩身深孔進(jìn)水口及深水閘門水力學(xué)特性、摻氣減蝕及振動(dòng)等的試驗(yàn)研究。減壓箱、循環(huán)水洞、文丘里管等。 (4)量測(cè)儀器,有測(cè)針、測(cè)壓管、測(cè)壓計(jì)、畢托管、文丘里流量計(jì)、量水堰、自動(dòng)水位儀、壓力自動(dòng)巡回檢測(cè)儀、電磁流量計(jì)、測(cè)速儀(光電式、旋槳式、熱線熱膜式、激光式)、水下地形測(cè)量儀(電阻式、光電式及超聲波式)、脈動(dòng)壓力傳感器、摻氣濃度儀、振動(dòng)加速度儀、位移計(jì)等。多數(shù)儀器要經(jīng)過

8、率定,保證試驗(yàn)所要求的精度。目前已開發(fā)出用微機(jī)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行自動(dòng)控制及對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理的系統(tǒng)。2.數(shù)值模擬 2.1特性 在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的計(jì)算，非常類似于履行一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)。這時(shí)分析人員已跳出了數(shù)學(xué)方程的圈子來對(duì)待物理現(xiàn)象的發(fā)生，就像做一次物理實(shí)驗(yàn)。 數(shù)值模擬實(shí)際上應(yīng)該理解為用計(jì)算機(jī)來做實(shí)驗(yàn)。比如某一特定機(jī)翼的繞流，通過計(jì)算并將其計(jì)算結(jié)果在熒光屏上顯示，可以看到流場的各種細(xì)節(jié)：如激波是否存在，它的位置、強(qiáng)度、流動(dòng)的分離、表面的壓力分布、受力大小及其隨時(shí)間的變化等。通過上述方法，人們可以清楚地看到激波的運(yùn)動(dòng)、渦的生成與傳播?？傊?dāng)?shù)值模擬可以形象地再現(xiàn)流動(dòng)情景，與做實(shí)驗(yàn)沒有什么區(qū)別。 2.

9、2數(shù)值模擬包含的步驟首先要建立反映問題（工程問題、物理問題等）本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。具體說就是要建立反映問題各量之間的微分方程及相應(yīng)的定解條件。這是數(shù)值模擬的出發(fā)點(diǎn)。沒有正確完善的數(shù)學(xué)模型，數(shù)值模擬就無從談起。牛頓型流體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型就是著名的納維斯托克斯方程（簡稱方程）及其相應(yīng)的定解條件。數(shù)學(xué)模型建立之后，需要解決的問題是尋求高效率、高準(zhǔn)確度的計(jì)算方法。由于人們的努力，目前已發(fā)展了許多數(shù)值計(jì)算方法。計(jì)算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標(biāo)的建立，邊界條件的處理等。這些過去被人們忽略或回避的問題，現(xiàn)在受到越來越多的重視和研究。在確定了計(jì)算方法和坐標(biāo)系后，就可以開始編制程序和進(jìn)行

10、計(jì)算。實(shí)踐表明這一部分工作是整個(gè)工作的主體，占絕大部分時(shí)間。由于求解的問題比較復(fù)雜，比如方程就是一個(gè)非線性的十分復(fù)雜的方程，它的數(shù)值求解方法在理論上不夠完善，所以需要通過實(shí)驗(yàn)來加以驗(yàn)證。正是在這個(gè)意義上講，數(shù)值模擬又叫數(shù)值試驗(yàn)。應(yīng)該指出這部分工作決不是輕而易舉的。在計(jì)算工作完成后，大量數(shù)據(jù)只能通過圖像形象地顯示出來。因此數(shù)值的圖像顯示也是一項(xiàng)十分重要的工作。目前人們已能把圖作得像相片一樣逼真。利用錄像機(jī)或電影放映機(jī)可以顯示動(dòng)態(tài)過程，模擬的水平越來越高，越來越逼真。3.原位測(cè)試 3.1概念在巖土層原來所處的位置，基本保持的天然結(jié)構(gòu),天然含水量以及天然應(yīng)力狀態(tài)下，測(cè)定巖土的工程力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。 3.

11、2測(cè)試內(nèi)容原位測(cè)試包括靜力觸探、動(dòng)力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、十字板剪切、旁壓試驗(yàn)、靜載試驗(yàn)、扁板側(cè)脹試驗(yàn)、應(yīng)力鏟試驗(yàn)、現(xiàn)場直剪試驗(yàn)、巖體應(yīng)力試驗(yàn)、巖土波速測(cè)試等。 3.3適用條件1. 當(dāng)原位測(cè)試比較簡單，而室內(nèi)試驗(yàn)條件與工程實(shí)際相差較大時(shí)。2. 當(dāng)基礎(chǔ)的受力狀態(tài)比較復(fù)雜，計(jì)算不準(zhǔn)確而又無成熟經(jīng)驗(yàn)，或整體基礎(chǔ)的原位真型試驗(yàn)比較簡單。3. 重要工程必須進(jìn)行必要的原位試驗(yàn)。 3.4優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：可以測(cè)定難于取得不擾動(dòng)土樣的有關(guān)工程力學(xué)性質(zhì)；可避免取樣過程中應(yīng)力釋放的影響；影響范圍大，代表性強(qiáng)。缺點(diǎn)：各種原位測(cè)試有其適用條件；有些理論往往建立在統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的關(guān)系上等。影響原位測(cè)試成果的因素較為復(fù)雜,使得對(duì)測(cè)定值

12、的準(zhǔn)確判定造成一定的困難.4. 山區(qū)河岸的特點(diǎn) 山區(qū)型流域, 由于坡度陡、水流速度大, 水流的沖刷能力和搬運(yùn)能力強(qiáng),5. 諾護(hù)坡的結(jié)構(gòu)類型 目前雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)由端板、邊板和蓋板組成，長度6m不等，寬度一般是2m，高度有0.17m、0.23m、0.30m等幾種不同型號(hào)，內(nèi)部由隔板分成若干單元格，單元規(guī)格間距一般為。雷諾護(hù)墊網(wǎng)孔規(guī)格為6cm×8cm，網(wǎng)面鋼絲直徑為2.23.2mm，絞合鋼絲直徑為2.03.0mm。為了加強(qiáng)雷諾護(hù)墊結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，所有的面板邊端均采用直徑更大的鋼絲，直徑為2.73.7mm；網(wǎng)格容許公差-4%+16%，網(wǎng)面機(jī)械強(qiáng)度為35kN/m。雷諾護(hù)墊采用的低碳鋼絲經(jīng)過了高科技防

13、腐處理，鋼絲的抗拉強(qiáng)度、延伸率、鍍層重量及附著力均符合相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)。 6. 設(shè)計(jì)依據(jù) 對(duì)于護(hù)岸工程本身來說, 影響其工程量的主要指標(biāo)包括兩項(xiàng):護(hù)坡的長度;護(hù)坡的厚度。長度按橫斷面形式可分壓頂、護(hù)坡、護(hù)腳3部分, 由于岸高是一定的, 因此對(duì)于壓頂和護(hù)坡來說都屬于固定長度, 而護(hù)腳支撐護(hù)坡, 防止其下滑, 是對(duì)岸坡起穩(wěn)定作用的, 同時(shí)其本身還受水流淘刷會(huì)有一定幅度變形、沉降, 因此, 其長度應(yīng)通過計(jì)算來確定。下面分別針對(duì)護(hù)腳的長度和護(hù)坡厚度分別分析計(jì)算過程。雷諾護(hù)墊在坡腳處水平鋪設(shè)長度主要與坡腳處的最大沖刷深度(見圖1)和雷諾護(hù)墊沿坡面的抗滑穩(wěn)定性兩個(gè)因素有關(guān), 即水平段的鋪設(shè)長度應(yīng)大于或等于坡腳

14、處最大沖刷深度的1.5 2.0倍, 并滿足雷諾護(hù)墊沿坡面的抗滑穩(wěn)定系數(shù) 1.5的要求, 以上兩個(gè)數(shù)值中取大者作為水平段的鋪設(shè)長度。 圖1坡腳處沖刷深度影響雷諾護(hù)墊鋪設(shè)長度示意圖 6.1坡腳處沖刷深度的計(jì)算 根據(jù)堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50286 -98)附錄D, 順壩及平順護(hù)岸沖刷深度計(jì)算應(yīng)符合下列規(guī)定:水流平行于岸坡產(chǎn)生的沖刷可按下式計(jì)算: 式中:為局部沖刷深度, m, 從水面起算; 為沖刷處的水深, m, 以近似設(shè)計(jì)水位最大深度代替; Vcp為平均流速, m/s; V允為河床面上允許不沖流速, m/s; n為與防護(hù)岸坡在平面上的形狀有關(guān), 一般取n= 1/4。水流斜沖防護(hù)岸坡產(chǎn)生的沖刷按下式

15、計(jì)算: 式中:hP為從河底算起的局部沖深, m; 為水流流向與岸坡交角,° m為防護(hù)建筑物迎水面邊坡系數(shù); d為坡腳處土壤計(jì)算粒徑, cm, 對(duì)非黏性土, 取>15%(按重量計(jì))的篩孔直徑;對(duì)黏性土, 取其當(dāng)量粒徑值; Vj為水流的局部沖刷流速, m/s,對(duì)于無灘地河床, Vj可按下式計(jì)算: 式中:Q為設(shè)計(jì)流量, m3 /s;W為原河道過水?dāng)嗝婷娣e, m2; 為河道縮窄部分的斷面面積, m2。雷諾護(hù)墊厚度的確定基于荷蘭Delft試驗(yàn)室原型試驗(yàn)成果和美國陸軍工程師兵團(tuán)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，C.T.Brown等提出如下確定不同波高和邊坡坡比情況下，雷諾護(hù)墊厚度的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。對(duì)于坡比緩于1：3.

16、5的護(hù)坡：對(duì)于坡比陡于1：3.5的護(hù)坡：式中：HD 設(shè)計(jì)波高； Sr - 防護(hù)體系的相對(duì)重度； V - 孔隙率； - 邊坡的與水平線的夾角。37. 施工工藝 測(cè)量、放線、料場檢查、機(jī)械設(shè)備及料場準(zhǔn)備按照堤防工程施工規(guī)范執(zhí)行。組裝雷諾護(hù)墊， 先將雷諾護(hù)墊單元從捆束包裝中取出，放在堅(jiān)硬、平整的地面上。再將雷諾護(hù)墊打開，沿折疊處展開，并壓成初始形狀。部分雙隔板需采用人工往兩側(cè)翻折成型。再將邊板和端板豎起來，組成一個(gè)形狀規(guī)則的扁平長方體。隔板與邊板、邊板與端板的銜接處采用與網(wǎng)面同材質(zhì)的絞合鋼絲進(jìn)行點(diǎn)綁扎。具體情況，如圖5所示。圖5 7.1 雷諾護(hù)墊安裝 組裝完成后，將護(hù)墊放在既定位置，相鄰單元緊靠在一起。為了保障結(jié)構(gòu)的整體性，應(yīng)將所有相鄰、未填充的單元格接觸面的邊緣，用絞合鋼絲連接在一起，使之成為一個(gè)整體。具體情況，如圖6所示。圖6雷諾護(hù)墊在坡面的擺放方向?yàn)楦舭迤叫杏谒鞣较颉．?dāng)護(hù)墊被放在陡坡上（坡比大于1：1.5），需用硬木樁在坡頂進(jìn)行固定， 防止施工過程中受力向下滑動(dòng)。 3.7 填石和封蓋 （1）石料的裝填可以采用人工裝填、機(jī)械裝填或者半機(jī)械半人工裝填。石料的裝填要求從坡底往坡頂方向進(jìn)行裝填。為了避免裝填時(shí)引起邊板彎曲變形，靠近