《水工建筑物》教学模型白沙河模型试验指导书411.docx
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《水工建筑物》教学模型白沙河模型试验指导书411
《水工建筑物》
水工教学模型试验指导书
雷川华编写
武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室
2010年8月
水工建筑物教学模型试验
一、试验目的
运用水工模型试验的方法，不仅可以论证设计中水工建筑物的安全性和合理性，而且还可以预见原型可能发生的现象，同时对设计时所依据的理论和技术前提进行论证，从而获得学理上的进步。
通过水工模型试验，达到如下目的：
（1）巩固所学泄水建筑物泄流方面的有关理论知识并加深理解；
（2）学习水工模型试验方法、操作技能、试验资料的整理与分析，锻炼和提高编写试验报告能力；
（3）培养科学试验、实事求是、精益求精的工作作风。
二、试验原理
水工模型主要遵循重力相似准则，即按佛汝德模型定律（重力相似定律）进行设计。
原型与模型主要作用力为重力，略去次要影响力。
（1）几何相似
根据试验场地、供水能力，结合试验任务和要求选定模型长度比尺
为原型长度，
模型长度
（2）运动相似
一般取重力相似比尺
，省去中间推导过程，得到下面运动相似的几个主要比尺。
流量比尺：
流速比尺：
时间比尺：
（3）动力相似
教学模型试验中尚不涉及。
三、试验模型及测试仪器设备
（1）试验模型
本次教学试验采用科研模型——湖北竹溪白沙河水电站岸坡式溢洪道模型。
●工程概况
白沙河水电站位于泉河下游距河口7.5km处，泉河位于鄂西北地区，为堵河西支泗河上的一级支流，发源于大巴山南、鄂陕两省交界的大界梁。
全流域位于竹溪县境内，全长82.2km，流域面积894.6km2。
干流天然落差1697m，平均比降7.26‰，水力资源理论蕴藏量96.1MW。
水库正常高水位445.00m，相应库容2.26亿m3。
死水位427.00m，相应库容1.10亿m3，总库容2.478亿m3。
电站装机45MW，保证出力8.75MW，年发电量1.26亿kW·h。
工程等级为Ⅱ等大
（2）型工程。
大坝、溢洪道、泄洪隧洞和取水塔等主要建筑物均为2级，发电隧洞、厂房为3级建筑物。
挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝顶高程449.60m，坝顶防浪墙顶高程450.80m，最大坝底宽306.02m，上游坝坡1:
1.35，下游综合坝坡为1:
1.49。
混凝土面板堆石坝采用2000年一遇洪水校核。
泄水建筑物为右岸开敞式溢洪道，最大泄流量3142m3/s。
泄水建筑物采用百年一遇洪水设计，消能防冲建筑物采用50年一遇洪水设计。
引水式水电站布置在右岸。
水电站厂房采用100年一遇洪水设计，500年一遇洪水进行校核。
2000年一遇洪水位448.45m，下泄流量3142m3/s，相应下游水位364.50m；500年一遇洪水位446.38m，下泄流2980m3/s，相应下游水位364.22m，100年一遇设计洪水位445.33m，下泄流量2250m3/s，相应下游水位362.86m。
●泄水建筑物及其布置
溢洪道由闸室段、泄槽段和反弧段组成。
溢洪道设计轴线水平投影总长262.76m。
溢洪道布置在河床右岸边。
闸室上游依山坡开挖进水渠，使水流平顺进入闸室。
进水渠底板高程428.00m，约长30m，正常蓄水位时，水面宽30～50m。
进水渠右侧为开挖边坡，坡度为1:
0.5。
进水渠左侧为独立垂直导墙，导墙平面曲线为四分之一椭圆，设计长半轴a=30m，短半轴b=10m，长短轴比a/b=3.0。
导墙前端为半径R=2.4m的圆柱。
闸室段由堰体、闸墩、启闭台、交通桥等部分组成。
溢洪道闸室为开敞式，共2孔，单孔孔口尺寸b×h=12×12.5m。
中间以中墩分隔。
中墩厚度考虑结构需要，定为2.5m。
中墩首部采用半椭园柱形式。
闸室段全长25m，溢流堰堰型采用WES曲线。
堰顶高程432.50m，堰高4.50m。
堰后接反弧段，反弧半径R=20m。
反弧段后与1:
3.5泄槽陡坡段相切连接。
泄槽段水平投影长度194.76m，1:
3.5纵坡。
泄槽宽度由闸室后26.5m渐缩至鼻坎段前20.6m。
消能方式为挑流消能。
初步设计采用右侧向内偏转的不对称平鼻坎。
（教学模型实际为优化以后的生产模型）。
鼻坎挑流段长22.0m，出口宽18.50m。
反弧半径30.0m，鼻坎高程370.20m，挑射角α=25°。
●基本资料
表1初步设计工况表
频率P（%）
0.05
0.2
1
2
3.3
5
流量
3142
2980
2250
2140
1940
1780
上游水位
448.45
446.38
335.33
445.00
445.00
445.00
下游水位
364.50
364.22
362.86
362.63
362.20
361.85
工况
大坝校核
厂房建筑物校核
厂房设计
大坝设计
消能防冲
建筑物设计
-
-
表2下游水位流量关系表
水位（m）
353.8
354.8
355.8
356.8
357.8
358.8
流量（m3/s）
0
13
79
212
414
670
水位（m）
359.8
360.8
361.8
362.8
363.8
364.5
流量（m3/s）
980
1342
1756
2222
2740
3142
表3溢洪道设计泄流能力表
上游水位Z0（m）
堰上水头H0（m）
下泄流量Q（m3/s）
流量系数m0
433.50
1
40
0.378
434.50
2
120
0.378
435.50
3
228
0.398
436.50
4
362
0.413
437.50
5
517
0.425
438.50
6
691
0.435
439.50
7
884
0.442
440.50
8
1092
0.449
441.50
9
1315
0.454
442.50
10
1543
0.459
443.50
11
1783
0.46
444.50
12
2033
0.46
445.50
13
2292
0.46
446.50
14
2561
0.46
447.50
15
2841
0.46
448.50
16
3129
0.46
449.50
17
3427
0.46
（2）测试仪器设备
试验中所用仪器设备及工具主要有：
电磁流量计，流速仪，测压牌，钢尺，卷尺，水准仪等。
四、试验任务
（1）观察并描述泄水建筑物沿程（主要进出口及泄槽）流态；
（2）验证溢洪道泄流能力并计算流量系数；
（3）测量设计工况下给定测点的压力，绘制压力线图并分析底板压力分布的合理性；
（4）测量设计工况下溢洪道水面线，确定泄槽设计边墙高度是否足够；
（5）在校核工况下，观察闸室水流是否冲击弧门支铰；
（6）评价溢流坝体型（堰面曲线、闸墩、泄槽底板、挑坎）的合理性。
对存在的问题提出修改方案；
（7）描述下游河道冲刷情况并提出合理的出口消能段修改型式。
五、试验步骤
（1）准备工作
1．试验课前必须预习试验指导书，熟悉原型基本资料，了解试验目的、内容和要求，并参阅水力学及水工建筑物教材相关内容；
2．试验时请自备记录、计算或绘图用具（可用EXCEL工作表或CAD）。
（2）试验步骤
1．泄流能力试验
①全开泄水建筑物弧型闸门；
②从闭到开状态（即流量从小到大）逐步开启蝶阀到某个位置，待上游水位稳定后，记录电磁流量计（模拟水库来流量）显示读数（模型流量Qm）及上游水位测针读数（表4），以此类推，建议作5~7个点；
③计算原型流量和上游水位以及相应流量系数现场绘制水位流量关系曲线（亦可采用CAD作图），以便及时发现和解决问题，然后将试验曲线与理论曲线进行比较，供设计单位参考。
根据试验场地、供水能力并结合试验任务和要求，选定模型长度比尺
。
经测量拟定，上游水位测针零点高程：
432.29m；下游水位测针零点高程：
358.54m；测压牌零点高程：
363.60m。
表4泄流能力试验记录表
模型流量（m3/s）
上游水位测针读数（cm）
上游水位（m）
2．压力测量
将测压牌水柱读数记入表5中
表5压力测量记录表
测点编号
测点桩号
测点高程
测点位置
测压管读数（cm）
1
0+005.92
432.500
堰顶
2
0+010.00
431.585
溢流面
3
0+015.00
428.610
溢流面
4
0+019.00
426.750
溢流面
5
0+024.00
425.300
溢流面
6
0+027.50
424.298
泄槽
7
0+030.00
423.585
泄槽
8
0+080.00
409.300
泄槽
9
0+130.00
395.010
泄槽
10
0+183.00
379.870
泄槽
11
0+186.50
378.040
泄槽
12
0+190.00
377.040
泄槽
13
0+193.49
376.040
泄槽
14
0+203.00
373.325
泄槽
15
0+217.50
369.465
泄槽
3．水面线测量
选定试验工况为设计水位及相应流量和下游水位。
测量图示指定断面水深，将数据记入表5中。
表5水深测量记录表
断面
7—7
8—8
9—9
10—10
左
中
右
左
中
右
左
中
右
左
中
右
水深读数（cm）
原型水深（m）
***上表中断面7—7~10—10为压力测点7~10的法向面。
4．水流流态
观察并描述设计工况下，建筑物沿程水流流态。
六、数据处理及成果分析
（1）溢流堰泄流能力试验
1．将模型流量按比尺关系换算成原型流量；
2．上游水位按下式计算：
3．流量系数可通过下面溢流堰的泄流能力公式反演：
闸孔全开，水流自由下泄，按下列堰流公式计算泄流量。
式中
为综合流量系数，包括流量系数
、侧向收缩系数
和淹没系数
，
；
为闸孔数，
=2；
为单孔净宽；
为堰上总水头，
；
为行近流速，
；
为堰上水头，
，不计行近流速水头；
为上游库水位；
为堰顶高程432.50m。
分别将计算结果填入表6中，并与表3数据在同一图上绘制水位~流量关系曲线。
表6泄流能力成果表
流量（m3/s）
上游水位（m）
流量系数m0
（2）压力计算成果
将表5中测压管读数换算成原型压力并填入下表。
表7压力测量成果表
测点编号
测点桩号
测点高程
测点位置
压力（KPa）
（3）计算表5原型各处水位并绘制水面线；
（4）成果综合分析、论述水闸设计的合理性，提出修改意见或建议；
（5）编写并提交试验报告（报告中必须含有表6、表7数据以及泄流能力曲线、沿程水面线）。
图1泄水建筑物纵剖面及平面简化图
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