《航道工程学》实验教材.docx

1、航道工程学实验教材高等学校实验教材航道工程学重庆交通大学二六年三月前 言 1996年5月在湖北宜昌和1997年5月在海南海口先后召开的全国高等学校港口及航道工程专业教学指导委员会会议上，审订了“航道工程学教学内容与课程体系的改革”研究课题及航道工程学教学大纲。交通部(教高字1996128号)将航道工程学列入“九五”教材规划。 为了配合新的课程体系改革，在原交通普通高等院校港口与航道工程专业实验教材航道整治工程（1993年、胡旭跃主编）、渠化工程学（1994年、张光平主编）的基础上，课程组对实验教材进行了改编。本实验教材重点介绍了航道工程中滩险水流特性、理论验证、工程建筑物对水流的影响、船闸在航

2、电枢纽中的布置、船舶过闸时间演示、船闸灌泄水特性及船闸停泊条件等实验的目的、原理和步骤，学生通过实验，加深对理论知识的理解，强化实验操作、分析和解决问题的能力，为从事本学科的研究和工程实践奠定良好的基础。 本教材适用的主要对象是：港口航道与海岸工程专业(原港口及航道工程)本科生以及水利类、土建类相关专业的本科生。 重庆交通大学水道教研室 二六年三月实验一 浅滩整治实验 一、 实验内容、要求 通过对浅滩河段整治前后水流要素进行测量，了解浅滩的水流特性。实验包括测量浅滩上下游水位，滩脊段流向、流速等。实验后，根据所测资料的对比绘制整治前后的水面线、流速场变化图，并根据实验现场的观察和所测的资料分析

3、整治效果。要求通过实验，学生能对浅滩的水力要素进行准确测量，对整治前后水力要素进行对比分析，并写出实验报告。 二、目的意义 浅滩是航道整治学科的主要研究对象，江河的中下游段中，碍航的主要问题是浅滩水深不够，引起水深不够的直接原因是泥沙输运不平衡，导致泥沙输运失衡的因素有流向的变化、环流的变化、流向的变化等水流条件的改变。浅滩整治，就是针对这些原因采取工程措施以达到稳定和改善河段水流条件之目的。通过本实验，要能对浅滩河段的水力条件、出浅原因及整治方法有更正确和充分的认识。同时，熟悉研究航道整治工程问题的一般实验方法和手段。 三、仪器设备 本实验可根据实验室条件，利用为工程所作的浅滩整治模型进行，

4、或在专门的浅滩模型槽中进行，模型如图1所示。在浅滩脊及其上下游深槽安装水位测针3对(水位测针测量水位原理如图2所示)，并准备流速仪一台。1上边滩，2下边滩，3上深槽，4下深槽图1 浅滩平面图四 实验准备工作 1排空测压孔内空气，并接通针筒。 2连接流速仪，将测桥架设在浅滩段。 3根据整治方案事先制作好模型整治建筑物五 实验步骤1调节进水流量，使其控在所要求的流量级(一般用整治流量)。2调节模型尾门，使河段水位控制在要求的情况(一般用整治水位)。3记最基本数据，如首部量水堰读数、尾门水位测针读数、模型比尺、水位测针零点等。4测读浅滩脊、上深槽、下深槽水位并记录。5测量浅滩脊附近两个断面的流速分布

5、。6安装整治建筑物，完毕后约20分钟，待水流稳定后再进行实验。7按测量整治前浅滩段的水位和流速的要求测量整治后水力要素。六、注意事项 1因实验时间较长，可将同学们分成两部分，一部分测量整治前的水流条件，另一部分量测整治后的浅滩水流条件。 2. 安装整治建筑物后，待水流完全稳定后再进行实验。 3. 水位测量读数时，注意采用正确的读数方法，并由其它同学进行效核。 4各垂线平均流速的测量精度由断面流量的测量精度进行控制，要求误差小于5。 5整治前后流速测点的起点距取相同的值，以便对比。 （a）水位测针 （b）水位测针原理1套筒，2支座，3测杆，4微动机构 1测压孔，2测针筒，3水位测针5微动轮，6制

6、动螺丝，7螺帽，8测针图2 水位测量示意图七、结果整理分析 1对所测水位数值按下式进行计算： (单位：m) 式中： 为测针零点高程(单位：cm) 为模型垂直比尺 为水位 2按以下步骤对所测流速分布进行效核，先计算流速仪量测的流量： 式中：V为测点所控制部分平均流速，V=1/2 (Vi十Vi+1) h为部分平均水深，h=1/2 (Hi十Hi+1) Vi和Hi为测点垂线平均流速和测点水深 对比上游施放的流量数值Q(量水堰计算值)，要求（Q-Q1）/Q1)小于5%。 对直角三角形堰，H为堰顶水头。 3分析对比整治前后相同断面垂线平均流速分布情况，对比两种情况下的动力轴线的位置。 4分析引起整治前后水

7、位及流速变化的工程原因。八、实验报告 1本实验要求记录：首部堰前水位，其他脊及其上下游深槽水位 各断面的各测点起点距及对应的垂线平均流速。表1 水位记录表位置浅滩脊滩脊上游滩脊下游整治前整治后首位测针零点：上游测针零点：下游测针零点：表2 流速对比表 断面号：起点距整治前整治后2绘制整治前后水面线及流场图3思考题分析沿航槽流速的绝对值与泥沙起点流速、止动流速的关系。分析航槽流速纵向变化。分析整治前后上游水位值的变化。实验二 山区河流流态实验一、实验内容、要求通过观测山区河流航道整治模型中回流、泡水、横流产主的条件及改善和消除的办法，了解山区河流险滩的成滩原因、碍航特性和整治方法；要求测量方法正

8、确，分析方法合理，整理分析资料并写出实验报告。二、目的意义航道尺度不足以及水流紊乱、碍航流态严重是山区妨碍船舶安全航行的两大原因，后者危害更大。这些流态的出现与许多原因有关。通过本实验，了解山区河流中几种最常见的流态的产生原因。影响因素，以便更好地掌握山区河流滩险的整治方法。三、仪器设备 1水位测针4付。2浪高仪一台，浪高仅传感器如图4所示。图3 电容式波高仪铝丝传感器示意图 3流速仪一台 4山区河流航道整治工程模型或概化的山区河流整治模型槽一座。四、实验准备工作 实验前作好以下准备工作 1.制作概化的山区河流回流段模型，模型有收缩段、放宽段如图4所示。 2.制作概化的山区河流泡水段模型，水流

9、受底部地形实然升高的影响产生泡水，如图5所示。 3.制作概化的山区河道横流段模型，如图6所示，水流受离心力作用或受物体挑流作用产生横流。4.准备术屑及高锰酸钾示踪剂。 5.在回流中心区和河道主流区，横流段两岸埋设水位测压孔。 6.准备大小两种河道岸边突嘴和大小两种泡水区底部障碍物。 7.制作只减弱横流的活动顺坝。五、实验步骤 1.调节上游水流及尾门水位，使试验段出现相应流态。 2.用示踪剂示踪水流流态，用直尺测读回流和泡水的尺寸。 3.测出回流中心区和河道主流区的水位值，横流段河道两岸的水位值。 4.用浪高仪测读泡水的高度。 5.实验改善回流、泡水、横流情况，如切除突嘴、布置顺坝，切除底部障碍

10、物等，观察采取以上整治办法后，险滩流态的变化情况。六、注意事项 1回流、横流实验中，被测量的模型水位差数值较小，注意水位数值要测读准确。 2对模型中的流量和水位进行调整，当各种险恶流态达到最明显状态时进行实验。七 结果整理分析 1回流一般是水流受物体作用产生水流的分离所至，其平面呈现环形流动，山区河流出现回流的地区较多，如急弯弯顶段附近，伸入河中的突嘴、石梁上下游等处。图4 山区河流回流示意图 2泡水是山区河流的特征之一，底部高速水流受水下障碍物阻挡而上涌，冲破水面形成泡水。泡水的形成是受河道地形影响水流能量转换所致，即水流的动能转换为位能，一般出现在滩险的下深潭水流流速较大、河床地形复杂的河

11、段内。 3横流一般是由于水面横比降所致，山区河流中出现横流的地区较多，如石粱、突嘴挑流处，分汊河流分汊和汇流处，急弯段等处。 4分析突嘴的大小不同及将其切除后回流及主流区水位的改变情况， 5分析设置顺坝后横流及两岸水位的改变情况。 6分析泡水的强弱、频率、范围和位置与底流速的大小，方向、障碍物形状、尺寸、迎水面坡度及水深等的关系。图5 泡水示意图图6 横流示意图八、实验报告1 记录表表3 回流实验记录表突嘴情况大小无中心区水位与正常水位差回流尺寸表4 横流实验记录表情 况两岸水位之 差底流流速及方向面流流速及方向无障碍物有障碍物表5 泡水实验记录表底部障碍物情况大小无泡 高尺 寸2 现象分析回

12、流、横流、泡水产生的原因。各种流态对航行的影响。有哪些清除或减弱这些流态的办法。3 思考题泡水为什么不稳定。为什么回流常与急流滩伴生。横流为什么面流与底流方向不一致。将各种水流条件下的回流、泡水、横流绘制在图上，叙述怎样改善和消除山区河流碍航的水流流态。实验三 潜坝实验 一、 实验内容、要求通过观测潜锁坝附近及其上下游的水流情况，了解潜坝的作用和特点。要求观测潜坝对急流滩的流速、水位、流态的影响并绘出水面线图，对量测的水位、流速资料和船模航行资料进行分析并写出实验报告。二、目的意义 潜坝是指在设计枯水位时仍潜没在水下的整治建筑物，有潜丁坝、潜锁坝、潜顺坝等各种形式，其主要作用是壅高上游水位、增

13、加水深、调整比降，以及促淤输沙，减少过水断面和消除不良流态等。由于潜坝占据河道断面小，对防护影响相对较小，其应用越来越广泛，是种值得推广的整治建筑物。了解研究潜坝的水流特性和整治效果，对正确应用和推广这种不良作用相对较小的整治建筑物十分有益。三、仪器设备 1实验前，制作一潜丁坝模型（如图7），尺寸根据河道模型而定。在急流滩上下游、潜坝坝址和其下游安装水位测压管。图7 壅水潜丁坝示意图 2在滩舌附近安放流速仪测架。四 实验步骤1调节水位流量到滩段水流碍航流态最严重时的情况。2测量工程前滩险上下游水位。3测量滩舌段流速。4船模演示滩险段航行困难的情况。5模型上布置潜坝整治工程。6测量整治后水流情况

14、(内容同2、3)。7测量潜坝下游收缩段比降。8船模演示航行的改善情况。六、注意事项1 潜坝制作成活动的，以便对比实验成果。2 对滩险碍航最严重的情况进行实验，以利于观测滩险碍航的程度和整治工程的效果。3 山区河流流速较大，应避免流速仪传感器螺旋浆被水流冲走。4 船模操作时注意河床情况，避免打坏叶轮。七、结果整理分析 1 整理并对比工程前后流场图。2 整理并对比工程前后水面线图。3 分析碍航段的水流水力特征值。八、实验报告 1记录表表6 水位记录表 方案：位 置整治前水位整治后水位表7 流速记录表 断面号： 工程前（后）起点距流 速方 向2绘制整治前后水面线及流场图3现象分析急流险滩碍航与哪些因

15、素有关。潜坝对水面线的影响。潜坝对流速的影响。潜坝对流态的影响。4思考题仅根据比降或流速单一因素能否判断滩险的碍航情况。有了比降和流速资料为何还要船模实验。5根据实验观察的情况、现象和思考题综合写出实验报告。实验四 单丁坝及丁坝群实验一、实验内容、要求 观察丁坝附近的水流、泥沙运动情况，了解丁坝的作用，各种布置方式和组合特性。实测丁坝回流区的流速分布情况，确定丁坝回流区长度并与公式计算值进行对比。改变丁坝的挑角，观察河段水流、泥沙运动的差异。要求观察资料正确，对各种丁坝的布置和组合的优缺点及适用条件进行分析，写出试验报告。二、目的意义 丁坝是最常见的整治建筑物，其主要作用是束窄河床，增大流速刷

16、低浅滩，造成环流，横向导沙，抬高边滩，保护河岸等。坝轴线与河岸夹角有正交、上挑和下挑之分，丁坝群布置有错（对）口布置、阶梯式升高（降低）的布置方式。试验主要是观测布置方式时，丁坝对水流的作用和影响，并将实验测量的丁坝回流区长度值与计算公式计算值进行对比，了解在什么情况下，如何使用丁坝能达到整治目的，学习用实验验证理论的初步方法。三、仪器设备1水位测针2对。2流速仪2台。3模型丁坝多座。4玻璃水槽和流量控制系统一套。四、实验准备工作1模型丁坝多座，长度约为玻璃水槽宽度的1/3；2模型沙：用天然沙、塑料沙、木屑等均可；3示综剂：高锰酸钾、木屑等。五、实验步骤l在玻璃水槽中放置单丁坝模型一只。2调节

17、上游流量及尾门水位，使丁坝处于非淹没情况。3用木屑示踪剂初步确定回流区(边界、长度)。4在回流区布置两个测流断面，用流量闭合法测量环流边界。5调节流量水位，使丁坝处于淹没情况。6布置不同挑角情况，观察水流、模型沙、示踪剂运动情况。7布置丁坝模型多只，分别调节流量水位，使丁坝处于淹没、非淹没情况，观察丁坝群水流、模型沙、示踪剂运动情况。六、注意事项l测流点在回流区边界处适当加密。2在采用微型旋浆流速仪测量流速时，旋浆应正对水流方向，测量中要注意观察旋浆转动是否正常，如出现故障应立即报告指导教师，不能随便移动和拆卸；3测量数据要求准确，记录数据不准涂改，若测试数据有误应重新观测。断面1、2为测量断

18、面，为回流长度图8丁坝回流区测量示意图七、结果整理分析1流量闭合法确定回流边界：根据所测垂线平均流速Vi、水深Hi、求部分流量qi；绘制部分流量与起点距关系图；绘制累积流量与起点距关系图；找出累积流量等于上游流量之点对应的起点距，该点就是测量断面的回流边界，量出该点的起点距。2绘制回流边界图。 3绘制各种情况下的水面线。4理论值与实测值对比采用教材中计算公式回流区长度，并与实验测量的丁坝回流区长度值进行对比。八、编写实验报告 1流速记录表2分析现象试验段水面线比较各种情况下的水流、泥沙运动情况表8回流边界计算表断面号上游流量起点距流速部分流量累积流量 3思考题非淹没单丁坝的特点；不同挑角单丁坝

19、水流、泥沙运动的异同；淹没单丁坝的水流特点；分析丁坝群处于淹没、非淹没情况的水流、泥沙运动特点。实验五 渠化枢纽总体布置实验一、实验内容、要求 介绍渠化枢纽整体模型的制作方法、步骤以及主要建筑物在布置中的相互关系；观察不同枢纽布置方案或不同泄水方式时船闸上游、下游引航道口门区的流速、流态和泥沙冲淤变化；量测某一方案引航道口门区的纵向流速、横向流速及回流分布。实验要求学生了解渠化枢纽整体模型试验的内容及模型制作的方法和步骤，了解渠化枢纽中主要水工建筑物的布置原则和基本要求，明确引航道口门区的水流条件对船舶过闸的重要意义，以及引航道口门必要的水流条件，并对试验方案的水流条件作出评价。二、目的意义

20、在渠化枢纽布置中正确处理船闸、水电站和泄水建筑物在水流条件和使用管理方面的矛盾是枢纽布置成败的关键。实验直观地反映出三大主要水工建筑物在水流条件方面的不同要求和存在的问题，通过实验获得解决问题的一些办法，增加感性认识，有利于加深对枢纽布置原则的理解，为解决工程中的问题打下良好的基础。三、仪器设备1渠化枢纽模型：模型比尺根据生产要求或场地确定；模型中应布置有船闸、水电站、冲砂泄洪闸(或溢流坝)等水工建筑物，如图8所示。2船舶模型：根据航道等级选择的设计船型按对比船模要求模拟的船舶模型。用于选择船舶进出引航道的最优航迹线。3数据聚集系统：包括数据采集处理程序、计算机、打印机、绘图仪及稳压电源等。4

21、流速仪、测针、测桥及模型砂、木屑等设备和材料。 1水电站，2冲砂闸，3溢流坝，4船闸图9 航电枢纽平面布置图四、实验准备工作1率定流速仪和船舶模型，使其精度满足测量要求；2在枢纽上下游，控制断面安装水位测针，在上、下游引航道口门区范围的测桥上安装流速仪，并同数据采集系统的线路相连接；3检查水、电供应及数据系统和供回水系统工作是否正常：4按最低通航流量和最高通航流量放水，测定基本数据。五、实验步骤l演试船闸与电站同岸布置和电站与船闸分岸布置时枢纽的水流情况，在船闸上、下游引航道口门区抛木屑、观察其流态；2选择实验枢纽布置方案和泄水建筑物的运行方式，如船闸与电站同岸布置，电站冲砂闸开启放水；3供水

22、系统按最低通航流量放水，当枢钮上、下游测针水位稳定后，利用数据系统(或流速仪显视器)观读上、下游引航道口门区纵向流速、横向流速和回流速度，并记录表8中；4进行船模试验，模型船从上引航道口门区驶进上引航道，选择最低通航流量时上游最优航迹线；模型船从下引航道驶出，选择最低通航流量时下淤最优航迹线；5在枢纽上游抛沙，观察泄水建筑物溢流时，上、下游引航道附近泥沙运动状态和冲淤变化情况；6供水系统按最高通航流量放水，重复上述35项实验步骤，测出有关数据，记录表8中。六、注意事项l测量流速时应保证流量稳定、测点位置准确；2在采用微型旋浆流速仪测量流速时，旋浆应正对水流方向，测量中要注意观察旋浆转动是否正常

23、，如出现故障应立即报告指导教师，不能随便移动和拆卸；3测量数据要求准确，记录数据不准涂改，若测试数据有误应重新观测。七、结果整理分析 l绘出船闸上、下游引航道口门返测点位置平面图： 2计算各测点流速，并记入表8中；若采用旋浆流速仪测流速时，可根据率定曲线求出流速V值： 式中：K比例系数，由Vn率定关系曲线求得。 n旋浆转动频率(次秒)，N为旋浆转动次数，T为计测转数时间。 V0旋浆起动流速(厘米秒)。3绘制测试流量时上游、下游引航道口门区船舶进闸航迹线图； 4描述泥沙运动状况，评价流态和泥沙冲淤变化对船舶进出引航道的影响。八、编写实验报告 1简述实验的基本条件，如枢纽布置概况、实验方案、泄水方

24、式及水位、流量等；2根据实测流速值、船舶航迹线和引航道口门区的流态及泥沙冲淤变化情况，评述通航条件和枢纽布置特点。表9流速记录表断面位置测点编号流速(m)备注纵向流速横向流速回流流速A123B456实验六 船舶过闸演示实验一、实验内容、要求船舶过闸演示实验的主要内容是了解船闸结构组成，船舶过闸的原理及运行操作程序，计算船舶过闸时间，观察闸室及引航道中的水流条件对过闸船舶的影响。通过实验要求学生明确船闸的组成及各组成部分的作用，了解船舶过闸的基本原理及运行程序，计算船舶过闸的时间。本实验可在实验室或已建船闸现场进行。二、目的意义船闸是(渠化工程)课中重点讲授的内容，在讲授船闸的初期让学生了解船闸

25、的组成，船舶过闸的原理以及过闸船舶对水流条件的要求，可以增加学生的感性认识，提高学生学习船闸的极积性，有助于对课堂教学内容的理解。三、仪器设备1船闸模型水槽：水槽包括闸首、闸室及输水系统和阀门启闭机，船闸上下游引航道及水平溢流水槽等，船闸模型按重力相似定律和一定的比尺设计制作；2电动船模型，同实验四；3供回水系统及平水设备。四、实验准备工作1检查电动船模及船闸的闸门、阀门、启闭机运转是否正常，2启动水泵，开启船闸进水阀向船闸充水，当上引航道及闸室和下引航道的水位分别达到上、下游最低通航水位(或最高通航水位)时，停止向船闸放水，并关闭船闸的上、下游闸门和阀门；3将电动船模放在上引航道停泊段。五、

26、实验步骤 1测量船闸各部尺度，记入表9船舶过闸时间计算表内； 2按船舶下行(或上行)操作程序依次输水和启闭闸、阀门； 船舶下行操作程序： (1)开启上闸首两侧阀门向闸室灌水，当闸室水位上升到与上游引航道水位齐平时，关闭上闸首两侧阀门停止输水； (2)开启上闸门，船舶从上引航道驶入闸室后关闭上闸门； (3)开启下闸首两侧阀门，闸室向下游泄水当闸室水位下降到与下游水位齐平时开启下闸门，船舶驶出闸室，停于下引航道停泊段。 船舶上行操作程序： (1)船舶由下引航道驶入闸室后关闭下闸首的闸门和阀门； (2)开启上闸首两侧阀门向闸室灌水，当闸室水位上升到与上游水位齐平时，开启上闸门，船舶驶入上引航道。 3

27、统计闸、阀门全开时间灌泄水时间，船舶进出闸时间，并计入表9中。六、注意事项 1遵守闸门和阀门启闭机操作程序，闸阀门启闭到位后应立即停止启闭，设备出现故障应立即检查，不能硬压强拉，造成设备损坏；2在带有玻璃框架的船闸槽开此实验时，闸室水位应控制在结构允许承受的水位以下，并防止硬物撞击玻璃。七、结果整理分析1根据记录计算船舶过闸时间T，计算公式见表9；2分析影响船舶过闸时间的主要因素。八、编写实验报告 1绘船闸平面示意图简述船闸的组成及其作用； 2简述船舶单向过闸和双向过闸的运行程序，附船舶过闸时间计算表； 3简述影响船舶过闸时间的主要因素。表10 船舶过闸时间计算表实验组数船舶运行方式闸室尺度(

28、m)上引航道尺度(m)下引航道尺度(m)闸、阀门全开时间(min)闸室灌泄水时间(min)船舶进出闸时间(min)过闸时间T(min)备注长度L宽度B槛上水深H长度L1宽度B1长度L2宽度B2闸门t1阀门灌水t3泄水t3进闸t2出闸t412345 单向过闸时间 (min)双向过闸时间 (min) 式中：t5船舶进出闸的间隔时间(min)实验七 船闸灌、泄水实验一、实验内容、要求船闸灌泄水实验是在船闸模型水槽中，利用测试仪器设备测闸室灌水、泄水过程中闸室水位随时间变化的过程线，通过该曲线的有关数据计算和绘制船闸输水过程的其它水力特性曲线。通过实验，使学生直观了解闸室在灌水和泄水过程中闸室和引航道内的水流现象，掌握室水位随时间变化的测试方法和步骤，并进行实验资料的整理分析。二、目的意义船闸的灌水和泄水是船舶过闸的主要作业程序之一。通过本项实验了解闸室在灌泄水过程中，闸室水位的升降速度和任一瞬间的闸室水位及进入闸室流量随