水工模型试验一西安理工大学Word下载.docx
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洮河海甸峡水电站位于甘肃省临洮县，渭源县和康乐县三县交界的海甸峡进口处，电站总装机容量为25MW，水库设计洪水位为2002m，校核洪水位为2004.0m，总库容为2200万m3，最大坝高49m，坝顶高程为2005.0m，是一座以发电为主的III等中型水电站枢纽。
枢纽由溢流坝、泄冲闸和挡水坝、引水发电隧洞、电站厂房等建筑物组成，工程布置特性见表1。
溢流坝布置为2×
10m的表孔，堰顶高程为1995m，溢流坝堰顶上游头部为双圆弧曲线，下游堰面为WES改型曲线，下游消能形式为底流消能，消力池长70m，宽23m，池深5.2m，底板高程为1971.8m，尾坎高程为1977m，消力池下游为砼四面体护坦，长45m，护坦高程为1977.0m。
泄冲闸位于溢流坝左侧，布置为3孔。
进口底板高程为1978.0m。
每孔净宽8m，高6m，进口段后接1:
4的斜坡，下接消力池长70m，宽32m，池深5.2m，底板高程为1971.8m，尾坎高程为1977m。
输水洞位于大坝上游、左岸，设计输水流量为205.2m3/s，进口在泄冲闸上游约为47m处，进口底板高程为1983m，净宽3×
7m，进水口下接圆形压力隧洞，洞径8.5m，洞长897m。
六、基本资料
1、模型为正态模型，比尺为：
1:
50
2、库水位及洪水资料。
（一）库水位
（1）校核洪水位：
2004.0m
（2）设计洪水位：
2002.0m
（3）正常蓄水位：
（二）洪水流量
（1）校核洪水流量
3290m3/s
（2）设计洪水流量
2480m3/s
（三）修改洪水流量
3000m3/s
2360m3/s
（3）常遇洪水流量
1880m3/s
（4）小洪水流量
744m3/s
3、下游河床覆盖层厚5m，基岩抗冲流速为5m/s
七、模型布置与制作
模型上游库区纵长布置长度为11.5m（相当原型575m），模型下游河道纵长布置长度为12m（相当原型600m），模型总体布置长度为36m（相当原型1800m。
包括进水与退水），上游库区水位量测点位置布置在桩号0-0104处，并偏左岸，主要为兼顾溢流坝，泄冲闸和电站进水口。
下游河道水位量测控制点布置在坝轴线下游354m处，水位均采用水位测针量测。
为便于控制和互相校核整体模型下泄流量，上下游各布置一矩形堰量测流量，电站进水口下游装有三角堰以控制进水口引进流量。
枢纽模型泄水建筑物全部用有机玻璃制作，有机玻璃糙率约为0.007～0.008，换算到原型糙率约为0.014左右，刚好为砼糙率，模型和原型糙率相似性较好，满足阻力相似条件。
八、试验数据记录
流量计算方式：
Q=mb
H
m=（0.405+
）[1+0.55（
）2]
流速计算公式：
V=φ
φ=0.98～1
流量测量记录
堰针读数（CM）
零点读数
（CM）
堰上水头
（M）
流量系数
模型流量（M3/S）
原型流量
（M3/S）
计算过程记录：
水工模型试验
（二）
班级姓名学号日期
单体水工模型试验
一、试验概述：
单体模型一般是在整体模型试验的基础上，或是根据具体情况需要，将枢z导中部分泄水建筑物或某一泄水建筑物单独做成小比尺模型，进行专门试验研究。
研究内容一般为泄水建筑的体型，水流流态，过流能力，流速和压力，掺气浓度、气馈特性等。
二、试验目的：
1、了解单体水工模型试验和基本理论知识及其研究的范围和内容。
2、掌握正确的试验方法及量测技术。
3、结合渠道单体模型试验，以了解陡坡段流态及有关渠道陡坡工程的布置问题。
4、初步掌握组织和安排试验及通过试验资料的分析、培养解决实际问题的能力。
5、巩固和复习专业理论知识，增强动手和科研能力。
三、试验内容和要求
1、量测渠道陡坡段的过流能力。
2、观测渠道陡坡段的沿程压力和水深。
3、观测渠道陡坡段的流速分布。
4、描述渠道陡坡段沿程流态。
5、整理试验资料、评价工程布置合理性，写出试验报告。
四、工程概况：
昌马旧总干渠渠道首位于憬勒河昌马峡出山口以下6km处，河道开阔。
总干渠自渠首分水后向东北方向沿阗昌马乡至玉门镇的公路延伸至川北镇，全长39.97km。
依疏勒河项目水利规划，昌马旧总干渠规划灌溉面积85.3万亩，涉及玉门镇，下西号，黄闸湾，布降吉等13个乡镇以及饮马，黄花等国营农场，承担着沿途现有十二座渠道电站的发电任务，同时还承担向双塔水库和赤金峡水库的输水任务，是疏勒河灌区的骨干工程，其运行情况直接影响着该灌区的农业用水以及经济效益。
昌马旧总干渠属于大型灌溉工程，其中4#陡坡的设计流量为65m3/s；
5#~30#陡坡设计流量为35m3/s，31#~53#陡坡设计流量为30m3/s，建筑物按2级设计。
昌马总干渠首拉洪入渠使大量的推移质进入渠道，每年入渠泥沙约2万m3之多，粒径一般为10~50mm，最大粒径100~150mm。
另为保证下游的农业用水及十二个渠道电站的发电引水流量，冲砂用水减少，使得大量的推移质入渠，对渠道衬砌，尤其是对落差建筑物有严重的磨损破坏作用。
昌马总干渠灌区深入大陆腹地，於典型的大陆性温带干旱气候，冬季寒冷，夏季炎热，降雨量少，蒸发量大，日照时间长，多年平均气温为6.9℃，多年最低气温为-27.6℃，多年最高气温为36.7℃，多年平均降水量为63.4mm，多年平均蒸发量为2897.7mm，最大风速为28m/s，最大冰土深度>
1.5m。
旧总干渠本次改建的50个陡坡最大的落差为7.87m，最小的落为3.10m，陡槽段在原来的基础上进行改建，纵坡为1:
2.8~1:
5.3，自陡坡进口到消能塘出口，侧墙以5-7°
的单侧扩散角向外扩散，陡槽及消力池采用梯型断面，内边坡坡度为1:
1。
渠道与陡槽进口之间设有渐变段，为了使陡槽进口满足过流量的要求，使渐变段保持为急流状态，除了4#~29#陡坡按原渠道纵坡外，其余陡坡渐变段的底坡为1:
80~1:
100，大于临界底坡ίk，长度为15m。
消能塘出口设有15m长的渐变收缩整流段与下游渠道相连。
五、基本资料
1、模型比尺Lr=15
2、试验流量：
Q=30m3/s，25m3/s，20m3/s
六、模型布置与制作
陡坡段模型按设计院提供工程设计图缩制，制作材料全部为有机玻璃。
有机玻璃糙率为0.008左右，经加糙处理后可达0.010~0.014左右，换算到原型为0.016~0.022左右与陡坡原型糙率相似，满足阻力相似条件。
模型段纵长为4.79m（相当原型长71.8m），为使流太相似，在陡坡模型进口前加设长为1.4m（相当原型长21m）的渠道段作为模型上游水流调整稳流段。
并在陡坡模型出口段后加设长为0.6m（相当原型长9m）的渠道段过渡，以消除模型末端出流跌水对出口临界断面水流特性的影响，有机玻璃模型全长为6.8m（相当原型长102m0）。
模型全长为10.5m。
取水稳水用钢板水箱控制，在模型下游设一矩形堰控制试验流量。
“水工模型试验”（三）
断面水工模型试验
断面水工模型主要研究水利枢纽泄水建筑物布置的合理性及其下游消能防冲的影响问题。
即在研究某些问题，往往不需进行整体水工模型试验，而是沿泄水建筑物轴线截取一段来研究水流沿溢流面竖向和纵向的二元变化问题。
一般建筑物过水区域宽度较大的情况下亦可采用此法进行试验研究，如确定溢流坝坝面的压力分布，流速分布等。
研究内容一般可分为以下几个方面：
1、泄水建筑物的过流能力；
2、泄水建筑物溢流面上的压力分布，流速分布，流态及水深等。
3、上下游水流的衔接方式，消能工的消能率及下游消能防冲等。
二、试验目的及任务
1、了解断面水工模型试验的基本理论知识及其研究的范围和内容。
2、掌握基本试验方法及正确的测试技术。
3、初步掌握组织和安排试验及通过试验资料分析，解决实际工程问题的能力。
4、结合具体工程模型试验，了解溢流坝坝后水流流态及其消能效果等。
5、巩固和复习专业理论课知识，提高综合分析问题的能力，增强动手和科研能力。
三、试验要求和任务
1、量测泄水建筑物的过流能力；
2、量测泄水建筑物的压力、流速、水深及流态，粗算消力池消能率。
3、观测及描述泄水建筑物的沿程流态。
4、将量测数据计算整理分析后，对该工程提出评价，试提出改进措施。
5、写出试验报告。
四、工程概况
10m的表孔，堰顶高程为1995m，溢流坝堰顶上游头部为双圆弧曲线，下游堰面为WES改型曲线，下游消能形式为底流消能，消力池长70m，宽23m，池深5.2m，底板高程为1971.8m尾坎高程为1977m，消力池下游为砼四面体护坦，长45m，护坦高程为1977.0m。
进口底板高程为1987.0m。
4的斜坡，下接消力池长70m，宽32m，池深5.2m，底板高程为1971.8m，尾坎高程为1977m，净宽3×
1、模型按重力相似准则设计，为正态模型比尺为1:
32，模型安装在宽0.5m，长20m的玻璃水槽内。
2、泄冲闸三孔泄量
校核洪水Q=1992m3/s
设计洪水Q=1890m3/s
常遇洪水Q=1748m3/s
小泄量Q=744m3/s
水工建筑物实验（四）
_____班_____组学生_______实验日期
拱坝结构模型实验
拱坝的应力和位移是考核拱坝安全度的两个重要指标，目前仅能采用近似的方法进行计算，结构模型实验由于能够尽可能多的模拟建筑物地基的实际性态、同时考虑各种因素的影响，并能给人以直观的概念等优点，因而成为解决拱坝应力、变位等问题的重要途径之一。
一、实验目的及要求：
1、通过拱坝结构模型实验，掌握结构模型实验的理论及方法。
2、了解模型实验常用的加荷方法，并根据相似原理计算模型上应施加的荷载。
3、量测拱坝各测点应变，根据相似原理计算出原型相应点的应力值。
4、绘制拱坝应力分布图，并对大坝的应力状态进行分析，做出评价。
5、学会安装使用位移计，量测拱坝位移，并计算相应于原型的位移。
6、了解电阻应变仪原理，并能正确的使用。
二、实验原理
拱坝结构模型实验就是将原型拱坝上作用的各种力学现象，缩小到模型上，在拱坝模型上模拟出与原型相似的力学现象，并量测应变、位移，再通过相似关系推算出原型拱坝坝相应点的应力和位移。
根据相似三定理及相关性质，可以推导出拱坝模型实验必须遵守的相似准则，即
①
②
ar=aρ③
aμ=1④
当保持原型和模型完全相似时，aε=1 ⑤
将⑤式代入②式中有aE=1⑥
上面各式中
——原型与模型密度相似常数；
——原型与模型几何相似常数；
——原型与模型弹性模量相似常数；
——原型与模型应变相似常数；
——原型与模型比重相似常数；
——原型与模型的泊松比相似常数。
根据上面的相似准则进行模型设计和制作，则由模型上量测出的应变和位移，就可以计算出原型上的应力及位移。
由上面各式可知：
σp=aσ·
σm ⑦
aσ=aE=ap·
a1=ar·
a1 ⑧
根据弹性力学的有关公式可以推导出：
⑨
式中Em，μm，εmx，εm45°
，εmy，σmx，σmy，τmxy分别为模型材料的弹性模量，泊松比，应变，正应力和剪应力。
由式⑦、⑧、⑨可以求出原型拱坝对应点的正应力及剪应力
⑩
计算出原型正应力及剪应力后，即可求出原型拱坝的主应力及最大剪应力
⑾
由模型上量测出位移后，同样可以推求出原型对应的位移
⑿
三、模型设计
模型设计包括坝基模拟范围的确定及各个相似常数的选择。
对于拱坝断面模型，根据一般经验，模型上游坝基长度应不小于1.5倍的坝底宽度或1倍的坝高，下游坝基长度应不小于2倍的坝底宽度或一倍的坝高，坝基深度不小于2倍的坝底宽度或1倍的坝高。
原型与模型相似常数的确定主要包括几何相似常数a1，应力相似常数aσ，弹性模量相似常数aE及侧压力相似常数ar，由上面的式⑧可以知道，aσ=aE=a1·
ar因此只要确定出a1，aE或ar则其余相似常数随之确定。
根据国内外结构模型实验的经验，a1一般为80~250，可根据工程设计要求及经费情况，在此范围内选取。
模型的侧压力如果用水银模拟则ar=1/13.6，如果用气压或油压千斤顶模拟可依据千斤顶出力及气压加荷能力选取，a1及ar确定后，aE则随之而定。
本实验模拟的对象为拉西瓦水电站的双曲拱坝。
拉西瓦水电站位于青海省贵德县与贵南县交界的黄河干流上，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段规划的大中型水电站的第二个梯级电站，也是黄河流域规模最大、电量最多、经济效益良好的水电站。
水库总库容10.79亿m3，正常蓄水位为2452.0m，淤沙高程为2260.0m，为日调节水库，调节库容1.5亿m3，电站装机容量4200MW，保证出力990MW多年平均发电量102.23亿kW·
h。
枢纽工程由大坝、坝身泄洪表孔、深孔、坝后消力塘和右岸地下引水发电系统组成。
大坝为对数螺旋线型双曲拱坝，最大坝高250m,建基面高程2210.0m,坝顶高程2460.0m,坝顶中心线弧长459.63m;
坝顶厚度10m,拱冠底部最大厚度49m,厚高比0.196,拱端最大厚度54.991m,两岸拱座采用半径向布置。
根据实验目的及实验室的设备状况，采用整体结构模型，取几何相似常数a1=250，侧压力相似常数ar=1/20，用纯石膏材料制成模型，坝基模拟范围分别为：
上游坝基长度、下游坝基长度、坝基深度均取1.0倍的坝高。
模型材料的弹性模量Em=1.0×
104kg/cm2，泊松比μ=0.2。
四、测点的布置
拱坝实验的目的是通过在洪坝模型表面粘贴电阻应变片，量测在荷载作用下拱坝某点的应变，然后计算出相应原型的应力值，本实验分别在拱坝横断面布置有25个测点，每个测点布置三个方向的应变片，应变片采用3×
5mm的胶基电阻应变花，为了消除室温产生的应变片温度变形，在放置于拱坝附近的石膏试块上粘贴温度补偿片，具体布置见下图。
应变片布置图
五、荷载施加
拱坝模型实验中模拟静水压力的方法通常有三种，即水银加荷，千斤顶加荷和气压加荷，三种加荷方法各有优缺点，本实验采用油压千斤顶加荷，加荷装置如图所示，油压斤顶加荷，加荷装置如图所示。
油压通过千斤顶加压系统由下列各部分组成：
商压油泵、分油器、油压千斤顶及传压设备等。
油压通过分油器传至千斤顶，再由千斤顶的活塞，通过传压设备传至模型表面。
由于千斤顶是一种集中力，因此为了模拟坝面水压力，这就需要在千斤顶的顶头与模型坝面间，用一定厚度的钢板粘结高强度石膏块，再垫一层薄橡皮与坝面接触，作为千斤顶顶头传力到坝面的扩散垫层，以达到由集中力变成分布力的目的。
千斤顶加荷系统示意图
六、模型数据量测
应变量测采用DH3816静态应变测试系统，该系统由数据采集仪，电子计算机及支持软件组成，其工作原理如下图：
测量原理图
图中：
Rg为测量片电阻，R为固定电阻，KP为低漂差动放大器增益，
因Vi=0.25EgKε，
即V0=KFVi=0.25EFEgKε，
所以
式中：
Vi为直流电桥的输出电压
Eg为桥压（V）
K为应变计灵敏度系数
ε为输入应变量（με）
V0为低漂移仪表放大器的输出电压（μV）
EF为放大器的增益
七、实验步骤：
1、将应变片接入DH3816测试系统，并打开机箱电源。
2、启动计算机，双击“DH3816”图标，进入数据采集系统。
3、点击工具栏“望远镜”图标或点击“采样”下拉菜单“查找机箱”一栏，查找机箱。
4、点击“十字架”图标或点击“采样”上拉菜单中的“平衡操作”调平测试系统。
5、打开加荷系统电源，施加荷载。
6、重复第4步的操作，以获得荷载作用下拱坝各测点的应变值。
7、打印测试成果。
所量测的应用值代入式⑦，式⑧计算出原型相应点的应力，再将应力值代入式⑩中求出应力及最大剪应力，将所测位移代入式⑿中求出原型的位移，根据计算结果绘制正应力，主应力分布图。
八、评价及建议
对测试成果进行分析及评价并提出拱坝优化建议。
九、预习要求
认真阅读实验指导书，计算模型施加的水压力。
表1位移记录计算表
测点
1#
2#
3#
4#
5#
6#
7#
8#
9#
10#
11#
12#
模型位移
正常
运用
设计
洪水
校核
原型位移
表2应变、应力记录计算表
一
二
三
四
五
六
七
八
九
十
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
εmx
εm45
εmy
主
应
力
σp1
σp2
最
大
剪
续表2应变、应力记录计算表
十一
十二
十三
十四
十五
十六
十七
十八
十九
二十
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