河工模型實習報告-武漢大學水利水電學院港航

1、河工模型實習報告班級： 2010級港航一班 姓名： 學號： 2010301580 指導老師： 陳立 二一四年六月 目 錄一 實習目的及模型背景11.1 實習的目的和意義11.2 武橋水道物理模型背景11.2.1 模型簡介及模型范圍11.2.2 河段概況11.2.3航道問題及整治現(xiàn)狀2二 模型設計32.1 導墻確定及斷面劃分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 內業(yè)工作斷面數(shù)據讀取53.2 導線放樣及模板架設63.3 模型塑造6四 模型測控系統(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 測量手段74.2.1

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

3、及局部河勢變化，同時還要反映鸚鵡洲長江大橋、楊泗港大橋的影響。漢陽邊灘年內變化與潛洲、荒五里邊灘的變化直接相關。本次河工實習以學習該水道定床設計部分為主。1.2.2 河段概況武漢河段上段為順直分汊段，長期以來比較穩(wěn)定。下段漢江入口及漢口邊灘分別位于武漢長江大橋下游，距離漢陽邊灘較近，漢口水文站原位于武漢關，武橋水道是長江干線航道發(fā)展規(guī)劃中重點治理水道之一。是宜昌至安慶河段的上段即宜昌至武漢段。武橋水道位于長江中游武漢河段中段，上起漢陽楊泗廟，下迄武漢長江大橋，全長5km。圖1.1 武橋水道平面圖1.2.3航道問題及整治現(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、漢陽邊灘淤積嚴重時，枯水期橋區(qū)上段航槽受到擠壓而過于彎曲，與橋軸線法線方向交角過大，危及通航和橋墩安全。因此2003年啟動了武橋水道河段航道整治的相關工作。按照長江干線航道發(fā)展規(guī)劃要求，該水道2020年建設標準為3.7m150.0m1000m，通航保證率為98%。該水道從2013年開始試運行提高枯水期水深至3.7m。從2003年到2010年，經過艱苦不懈的努力，終于實施了以長順壩結合魚骨壩守護潛州，限制枯水期漢陽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)、支流入匯區(qū)，周邊環(huán)境以及通航環(huán)境非常復雜，牽一發(fā)而動全身，因此工程規(guī)模受到限制，特別是長順壩尾部上提約

5、500m，加上航道整治工程與城市過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月測圖顯示，漢陽邊灘寬度（以4m等深線計算寬度）超過660m，較過去有所減小，但仍然較寬，可能對4.5m航道產生擠壓作用。因此，要進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，并尋求解決問題的整治工程措施。二 模型設計2.1 導墻確定及斷面劃分圖2.1導線布置及斷面劃分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，l、h、u、Q、nb分別為平面尺度、垂直尺度、流速、流量、河床糙率。根據定床模型試驗規(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 同時為了不使表面張力干擾模型的水流運動，要求模型最小水深：hmin1.5cm 2.3比尺確定模型滿足水流運動相似、泥沙懸浮相似、起動相似、挾沙相似及河床變形相似，相應的比尺如下表。表2.1 比尺匯總表幾何相似平面比尺300懸移質與沙質推移質運動相似沉速比尺w4.39垂直比尺100粒徑比尺0.53變率3起動流速比尺10水流運動相似流速比尺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變形時間比尺820時間比尺302.4 模型選沙懸移質當中的沖泄質對本河段河床沖淤變化影響較小，因此模型中懸移質

7、泥沙只模擬床沙質部分。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 內業(yè)工作斷面數(shù)據讀取41斷面數(shù)據讀取如表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距 (m)高程 (m)起點距 (cm)高程 (cm)起點距 (m)高程 (m)起點距 (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 導線放樣及模板架設（1）導線放樣。步驟及方法：用全站儀及配套反光鏡，

10、根據模型場的大小，用角度和距離確定各轉折點方位，將導線布置在模型場內適當位置。沿導線建造導墻，導線控制點標記位置大致位于導墻中部。在已建好的導墻兩邊用長卷尺測量并標出相應斷面的位置，以便安裝斷面時使用。選定導線上某一點作為以后反算水準儀高度的基準。（2）模板安裝架設。步驟及方法：根據選好的固定點反算水準儀架設的高度，作為后續(xù)每次計算的基準。用水準儀及水準尺確定斷面模板的豎向位置（高程）；從斷面兩端拉細線，并根據斷面距離導墻上某一端的距離，確定斷面模板的水平位置，安裝斷面模板。初步固定模板時，用土、磚塊及水泥進行模板的固定。重復步驟，依次安裝每一個斷面。模板全部架設完畢后，適當填土夯實，使模型場

11、內斷面間地形平整，便于后續(xù)水泥抹面。每個斷面選取幾個特征點，對模板架設高程進行校核。3.3 模型塑造待模板架設完成后，在經過平整的斷面間，用水泥砂漿抹面至斷面外輪廓，塑造整個河道地形，并使兩斷面間地形光滑過度。塑制后的模板應及時地再次重新檢查高程。對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大。四 模型測控系統(tǒng)4.1 控制系統(tǒng)4.1.1 流量控制系統(tǒng)模型試驗采用電磁流量計與閥門配合的流量控制系統(tǒng)。由于進口處的流量由泵模擬控制，有一定的波動。4.1.2 出口水位控制系統(tǒng)模型出口處的水位由水位計和尾門的閥門自動開閉裝置聯(lián)合控制。當尾門處的水位計讀數(shù)高于要求值時（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，當尾門處的水位計讀數(shù)低于要求值時，需要將閥門開小，減小流量使水位升高至要求值。實際操作中，尾門水位不可避免出現(xiàn)波動，該波動應在允許的波動范圍內。4.2 測量手段4.2.1 水位計河工模型通過自動化的水位計測量水位，通過水位測針測針零點將水位測針讀數(shù)轉換為高程。水位測針的測針零點，是指當水位測針針尖指向模型零點高程時標尺上的讀數(shù)。水位計（或測針）零點是統(tǒng)一各站水位的基本依據。直接影響到試驗結果的精度。因而在較長的試驗過程中，往往要定期檢查零點值，且對其精度亦有較高的要求?；鶞拭娴倪x擇可以是任意的，因而測針零點的確定依據已知固定高程點（后視點），通過一系

13、列的測量換算后獲得。實際操作中，校核測針零點的方法一般采用靜水法，即在測針下放置一盆靜水，讓測針針尖剛好接觸水面，讀取水位計讀數(shù)；用細線懸掛柱狀標尺（測針標尺讀數(shù)從上到下依次增大，讀數(shù)越大，高程越大），測量某水位計處水面高程，通過真實高程反推測針零點讀數(shù)，計算出換算值，使水位計讀數(shù)與測量值保持一致。零點測定前，要檢查水位測針是否安裝適當，只有在確認測針點到水面后讀取的數(shù)據才有效。測定后，整個實驗中的測針零點不能隨意更換。4.2.2 流速測量流速測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速系統(tǒng)（PIV

14、/PTV）等。旋槳法測流速是目前水工模型試驗中應用最多的流速測量方法，此次定床河工模型也以旋槳流速儀作為采集流速數(shù)據的基本儀器。圖4.1 旋槳流速儀結構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Y型分支光纖束傳到測桿檢測端。當旋槳葉輪的有鍍反射膜的葉片掠過時，便有一個光脈沖返回Y型分支光纖束，并被光敏三極管所接收，然后轉換成電脈沖輸出。流速越大，旋槳的葉輪旋轉就越快，在單位時間內，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。根據模型的不同和試驗要求，模型的流速測量可分為斷面垂線平均流速和表面流速測量。有時為了重點研究某一些位置的流速分

15、布，還需要在一個垂線上測量多個水深的流速。模型中的流速通常采用以下公式計算：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量的平均值；T為測試時段；C為旋槳啟動流速。對于平原河流，通常認為其流速分布符合對數(shù)流速分布公式，經過對數(shù)流速分布公式計算，可知水面以下0.6倍水深位置為垂線平均流速的位置。水深的測量可以利用流速儀測桿上的標尺，通過對水表和床面的讀數(shù)差值確定。流向的測量一般是在旋槳的測桿上系一段細線，細線會擺向流速的方向，然后通過調整旋槳上的流向標尺，讀取偏角。五 流速驗證流速測量選取5個斷面，實測資料及模型測量值如表5.1-5.5所示。表5.1 測1-1斷面流速實

16、測值及模型測量值實測值模型測量值實測值模型測量值起點距 （m）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （m）流速 （m/s）起點距 （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2斷面流速實測值及模型測量值實測值模型測量值實測值模型測量值起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （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3斷面流速實測值及模型測量值實測值模型測量值實測值模型測量值起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （c

20、m）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （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斷面流速實測值及模型測量值實測值模型測量值實測值模型測量值

22、起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （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斷面流速實測值及模型測量值實測值模型測量值實測值模型測量值起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （cm）流速 （m/s）起點距 （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 對比實測資料及模型測量值，可得圖5.1-5.5。圖5.1 測1-1斷面流速實測值及模型測量值對比圖圖5.2 測2斷面流速實測值及模型測量值對比圖圖5.3 測3斷面流速實測