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第3章 河工模型试验 第3章 河工模型试验 3.1 正态定床河工模型 3.2 变态定床河工模型 3.3 动床河工模型 3.4 推移质动床河工模型 3.5 悬移质动床河工模型 满足重力相似 实现阻力相似的方法——曼宁公式法和蔡克士大曲线法。按曼宁公式法，糙率比尺应满足 实验场地的限制 满足重力相似 在变态模型中得到同时完全满足阻力相似和重力相似条件的糙率是困难的。 一维整体水流，即水位和断面平均流速相似的问题。 水流运动的相似——同定床模型 模型沙及其特性测定 根据试验场地初步选定水平比尺 水槽预备试验：主要是进行起动流速和糙率的试验 由试验限制条件和糙率比尺初步确定水平比尺 和垂直比尺 ； 由验证试验确定最终的粒径比尺 、含沙量比尺 和冲淤变形时间比尺 ，具体做法是： 式中： ――异重流谢才系数 ――异重流坡降 异重流的相似条件 可导出异重流阻力相似条件为 ： 异重流阻力相似 由异重流的运动速度公式 ： 又 异重流的相似条件 由异重流输沙量的沿程变化方程： 可导得异重流输沙量沿程变化的相似条件为： 异重流输沙量的沿程变化相似 式中： ――断面输沙率，对推移质， ――河床高程 ； ――河宽； 推移质动床模型的河床变形相似 河床冲淤变形的相似条件 可导出冲淤变形时间比尺 ： 引用泥沙连续方程： ――冲淤变形时间 ； ――泥沙干容重。 可导出冲淤变形时间比尺 ： 同样引用上述泥沙连续方程 ： 对于悬移质，断面输沙率 河床冲淤变形的相似条件 悬移质动床模型的河床变形相似 由异重流输沙的平衡方程 ： 可导得异重流冲淤变形相似时间比尺 ： 异重流动床模型的河床变形相似 河床冲淤变形的相似条件 水流相似条件中的时间比尺 “时间变态”——动床模型首先要保证的是河床变形相似，因此设计时应首先满足变形时间比尺的要求，而允许水流时间比尺有所偏离。 河床冲淤变形的相似条件 时间比尺的统一和取舍 动床模型实际设计和试验中重点保证冲淤变形的相似 木屑、煤屑、煤粉、核桃壳颗粒、滑石粉、电木粉、各种高分子材料（又称塑料沙） 常用模型沙 模型沙的选择和配制处理 应同时满足水流运动及泥沙运动相似。对于推移质动床模型的模型沙可选用天然沙或轻质沙，悬移质动床模型的模型沙应采用轻质沙。 模型沙及其特性测定 模型沙特性测定 ① 容重测定：浮秤法、比重瓶法、量筒测量。 ② 颗粒级配分析：筛析法 、移液管法 。 ③ 静水沉速测定：采用玻璃沉降筒测定 ④ 起动流速测定 ：采用活动变坡玻璃水槽测定 ⑤ 模型沙糙率试验：采用水槽底部铺沙测定 3.4 推移质动床模型设计 根据糙率比尺和可能的供水量及变率，初步选定垂直比尺 设计步骤 进行选沙计算： 假设选用不同重度的模型沙 计算 绘图 和 的关系曲线 确定模型沙的种类和粒径 3.4 推移质动床模型设计 输沙量、时间比尺确定与调整： 选定的模型沙 输沙相似 进口加沙量和试验放水时间，并反复调整，直至冲淤变形相似 河床冲淤变形相似 推移质动床模型设计实例 试验研究的内容 某航道整治模型试验研究河段长6km，河床由沙卵石组成，其中值粒径约为5cm，设计枯水流量5860 m3/s，平均水深5.25 m，平均流速1.78 m/s，比降5.06，糙率n=0.04；设计典型年流量变幅2880～42300 m3/s， 平均水深变幅 3.2～19.25 m，平均流速变幅1.65～2.44 m/s，糙率基本上保持不变。 试验方案 河段碍航浅滩的变化主要与卵石运动有关，设计的模型为卵石推移质动床模型。本河段虽属山区河道，但河谷尚属开阔，通航建筑物对河床的自然状态改变不大，可以允许做成变态模型。 1、由于试验场地面积的限制，取 模型设计 推移质动床模型设计实例 2、模型沙采用抚顺有烟煤粉 ，故得 3、由水流阻力公式 ，求得满足阻力重力比相似 的流速比尺为： ，同时考虑惯性力重力比相 似可解得： 推移质动床模型设计实例 4、由起动相似 5、同时考虑重力相似，可解得 6、试算法。设计之前，对选用的模型沙制备了几种不同粒径的模型沙沙样，通过水槽试验，得到了其糙率及起动流速等资料。 假定模型沙采用d50=10mm的煤粉，得 ，