第2章 溢洪道模型设计与试验方案

2.1 模型设计及制作

2.1.1 相似准则的确定

通过模型进行试验研究水力学问题，按其流量是否随时间变化可分为非恒定流和恒定流两大类，又按其是否有和大气接触的自由表面分为明流和有压流两大类。本书研究的是泄水建筑物—溢洪道的出流，故所研究的流态为明渠恒定非均匀流。

依据满足主导力相似的原则，对于研究水库溢洪道问题的水工模型试验，应按重力相似准则（弗劳德数准则）设计模型，并满足紊动阻力相似要求。根据研究的工程对象和试验任务要求，决定采用正态整体模型。

在这种情况下流运动多处于紊流状态。因此原型和模型两种水流中所有相应点上的重力比值λG应等于紊流阻力比尺λl，并均应等于牛顿数的比尺λF，即λG=λl=λF，因此

这就是重力和阻力相似所要求满足的条件。

上式第一项为弗劳德数准则，是满足重力相似必须遵守的相似准则；第二项λλ=1是满足紊流阻力的相似准则。由上二式可知，在按重力相似准则设计模型时，同时满足λP=λL的要求，就可以同时满足重力和紊流阻力相似的要求。

相应的模型比尺为

考虑到本次试验首先完成溢洪道整体模型试验目的，在局部还要进行流态研究及同时考虑试验室供水和试验场地等条件，根据SL 155—95《水工（常规）模型试验规程》规定，模型采用的几何比尺为λL=50。主要各项比尺见表2-1。

2.1.2 模型的制作与安装

模型的制作与安装指水工试验选定模型比例和范围，根据已定的几何比尺，把模型在试验室搭建起来的过程，这是水工试验的重要组成部。就一个模型来说，如果模型材料选择恰当，制造安装比较合理，则对节省试验经费，缩短试验周期，获得有效成果等方面都会有显著作用。

按上述模型比尺对汤河水库溢洪道进行水工模型试验的设计，本模型在沈阳农业大学水利学院的水工大厅内进行。模型试验设备由通过水泵房与地下水库形成的水流循环系统、流量调节系统、量测系统及辅助设备组成。为了满足紊动阻力相似的要求，水工模型的溢洪道工程采用有机玻璃板制造。工程原型糙率np=0.014～0.015，所以=0.014/1.92=0.0073与有机玻璃板的糙率nm=0.007～0.009基本相同。

模型设计主要依据的图纸是汤河水库溢洪道续建工程纵剖面图、平面布置图以及消力池布置图。由于包括闸室在内的溢洪道总长达500多m，考虑到场地条件及溢洪道实际情况（闸室相同，对称布置），因此，模型沿实用堰横向设两个闸孔，闸门处于全开状态。模型从溢洪道入口开始向下游模拟，模型各部分尺寸均按长度比尺进行换算。另外，为使模型的来流顺直平稳，再向上游加上一个稳流池（长1.5m，宽4m，高1.6m）与实验室供水首部相连，连接段进口加设了曲面进口。模型平面布置及各控制断面高程见图2-1。

依据SL 155—95《水工（常规）模型试验规程》规定，整体模型地形高程误差小于2mm，平面距离误差小于10mm，漏水量不超过试验最小过流量的1%，本模型在制作过程中严格按照此规定制作，使用水准仪进行校平。对模型进口段采用两道塑料纸进行了防水处理，在模型接口部分采用玻璃胶做了防水处理。试验放水表明，从进口段至出口，可以达到不漏水的要求。

上游来水分别由设有矩形薄壁堰和三角形薄壁堰两个供水首部进入稳流池，水流经过稳流池后进入溢洪道控制段。并且试验前已经对矩形薄壁堰和三角形薄壁堰的流量进行了校检，其水位用水位测针读取。

图2-1 模型溢洪道布置图

1—进口段；2—闸室控制段；3—直段；4—扩散段；5—梯形段；6—收缩段；7—陡槽①段；8—弯道段；9—陡槽②段；10—斜坡段；11—消力池段；12—海漫段

溢洪道与下游河道上均采用DJ800型多功能监测系统量测水位变化。

采用DJ800型多功能监测系统和毕托管联合监测测量断面的流速分布。

底板压强采用DJ800型多功能监测系统的压力探头量测。

消力池及河道流态采用高倍像素相机拍照监测。

所有量测设备均符合《水工（常规）模型试验规程》，DJ800数据采集系统经过厂家校核，其他仪器试验前均做了校核。