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SL155-2012 水工(常规)模型试验规程.pdf

中m，β，F一一质量、水流密度、重力。 根据牛顿相似准则，当以重力为主要作用力时，重力比尺与 性力比尺应相等，即

将 = og 带入式(11),整理转化后，得

[F.), = (ma)

路面结构施工组织设计=(Fr), = 1

式中FH 惯性力； V 水流速度； g一一重力加速度; L一特征长度； Fr一弗劳德数，又称重力相似准数。 按照重力相似准则，有关物理量的比尺换算关系见表1

表1重力相似比尺换算表

4.0.2为了消除或减少由其他次要作用力影响所产生的偏差

本条规定的限制条件说明如下： （1）原体水流雷诺数（Re）较大，通常处于系流阻力平方 区。模型雷诺数比原体缩小L3/2倍，有时难以达到该区。但根 据阻力相似准则的要求，模型至少应该保证在流区。根据莫迪 （Mo0dy）图解，层流和紊流的界限雷诺数大致在2500～5000 之间。 （2）根据重力相似准则，模型糙率应为原体糙率的L1/6倍。 如果模型材料糙率达不到这个要求，而且由于流程较长，对试验

成果有较大影响时，应进行糙率校正。 （3）根据英国科学家L.Kevin的理论计算，为保证模型中 对原型水流重力作用不受表面张力显著影响，一般要求模型水深 不小于3cm。 （4）对具有明显三维性流态的水工建筑物模型应采用正态 模型。

4.0.3水工（常规）模型原则上应满足重力相似准则，在特

情况下，应对简化因素带来的误差加以修正。 （1）糙率相似修正。主要是由于按照糙率相似准则，模型糙 率为原型的L1，对于泄水建筑物表面糙率较低情况，模型材料 的糙率偏大，因此在泄水流道较长的情况下会对水力参数带来 定的误差，应加以修正。 （2）表面张力相似修正。在掺气、雾化、旋涡模拟的有关试 验中应考虑表面强力相似修正，对于无法完全满足旋涡相似要求 的，应通过适当加大泄流量等方式符合流态相似要求，确定旋涡 发生的可能性及其性质。 （3）黏滞力相似修正。由于模型流态达不到紊流阻力平方区 的要求，存在水流Re数相似问题，模型水流黏滞力作用增加， 为此对泄流能力等试验结果应做适当修正。

5.0.1常规模型试验采用重力相似准则，并按正态模型设计， 能重演或预演原体水流运动现象，这是模型设计的基础。 5.0.2模型类型应根据任务要求选定，模型比尺和模拟范围选 择，应根据保证研究对象水流相似的要求，并结合试验室及测量 仪器的具体条件综合确定。

以 择，应根据保证研究对象水流相似的要求，并结合试验室及测量 仪器的具体条件综合确定。

5.0.3各类模型比尺，应尽可能大于条文规定的下限比尺，以

5.0.3各类模型比尺，应尽可能大于条文规定的下限比尺，以 减小缩尺效应

对性强的试验研究工作，包括泄洪雾化、掺气、旋涡等，这些现 象的模拟常常是次要作用力不能忽略的，因此需要提出在保证主 要作用力相似的前提下，尽可能满足这些次要作用力的相似，同 时应对这些次要作用力引起的缩尺效应加以修正。泄洪雾化模型 试验水流韦伯数应选用泄水建筑物出口断面水流水力参数确定。

6.0.1绘制模型布置图和加工详图，应具备下列资料：

（1）水工建筑物设计详图，包括平面图、面图及各个部件 的放大图。 （2）地形测量图，比例一般为1：500～1：2000。 （3）水文地质资料，包括水位一流量关系曲线、河床糙率、 悬沙和底沙颗分曲线，1m水深时的底沙起动流速及岩基分布和 节理发育破碎情况等。

.2本茶所列车的模型材科，考到材科性能、未购方使、 价格低廉和加工可行性等综合因素，具体应结合模型的特点及便 于观测等要求选用

大，可在重要地段增设支导线。同时，水准基点应选在视野较 好、不易人为破坏之处，基座应保证不变形，高程应定得适当， 并尽可能取整数。 精度控制要求是根据现有测量仪器的精度制定的，一般可以 做到

精度控制要求是根据现有测量仪器的精度制定的，一般可以

6.0.5本条所列举的是模型地形制作常用的方法及要求，其

（1）先在地形图上勾画模型导线，并与模型现场保持 致。 （2）依据导线读出并记录每条地形断面等高线的水平距离及 相应高程。 （3）断面板经锯剪加工后，按编号次序对准模型相应导线位 置，用水准仪测定高程，加以固定。 （4）模板间填料可用三合土、细沙或江河泥沙等材料，分层 排铺夯实。最后用水泥砂浆抹面粉光。

6.0.6模型校验验收是避免模型制作放样错误、保证试验精度 和提高试验质量的重要环节。对于大型或重要工程模型试验，还 应对模型关键部位的强度加以检验验收，

循环式供水系统主要设备的技术规格要求，大都根据国内主 要水工试验室的资料统计而得，并经实践经验是行之有效的，具 有实用参考价值。 蓄水池容积可按照式（13）计算： V=Ah （13） 式中V一一蓄水池容积，m3; A一一试验室平面面积，m²; h一一有效水深，h=80～200cm。 也可根据试验厅（室）水流回流长度、最大供水流量估算蓄 水池容积。一一般可按照最大供水流量要求并考虑水泵运行一定时 间的需求确定蓄水池容积。

循环式供水系统主要设备的技术规格要求，大都根据国内主 要水工试验室的资料统计而得，并经实践经验是行之有效的，具 有实用参考价值。 蓄水池容积可按照式（13）计算：

式中Qmax—一试验厅（室）最大供水流量，m/s; T水泵运行时间，可按5～15min计算。 试验厅（室）最大供水流量可根据试验厅室功能要求确定 并由此可选用供电能力，即

P = 9. 81Qmax H/e

式中P一所需电机总功率，kW； H一计及局部水头损失和沿程水头损失的总水头，m； e一一电动机水泵综合效率，可取e一0.7。 根据上式确定的水泵总功率，结合水泵型号和试验室不同供 水流量需求情况，选用不同容量的水泵组合。水泵类型可采用离 心式水泵、潜水泵、轴流泵，具体型号和配套组合可根据试验厅 用水量和运行情况确定。 供水系统采用1～2级配水管，其中第一级为主管道，与平

水塔相连，并应在管道前段安装控制闸门，以利于管道安装、检 修，主管道应根据试验厅室功能布局需要布置，一股采用环状布 置。二级管道与相近的主管道连接，可直接接入模型前池或量水 系统。 回水槽一般采用环形或网状布置，以提高试验厅室场地利用 率，便于模型布置。 蓄水池及回水系统应定期清除泥沙淤积及漂浮物等杂物，保 证供水效率。 特定情况（如供水流量较小或所需流量超过试验厅供水能力 等）下，可取消平水塔，采用直接供水方式，但应在进入模型前 设置消浪消能及平水（或稳压）设施，确保模型进流平稳。

各种玻璃水槽、水箱和压力箱等，都是根据不同用途建设的 通用性固定设备。其技术规格尺寸也是参照国内主要试验室资料 统计而得，具有实用参考价值。

8.2水位（水面线）及波高量测仪器

8.2.1水位测针是测量恒定流水位最佳常规仪器，目前广泛地 用于水工模型试验，市场上有现成产品可供选购。 8.2.28.2.4自动跟踪水位计、压力传感器和各种类型的波高 仪，都是根据电学原理研制而成，可用于恒定流和非恒定流水位 和波高测量。但对水温和水质均较敏感，露天试验场宜慎用。使 用时，应勤于率定，以保证测量精度。

8.3.1测压管是根据连通管原理设计而成，是自前试验室最常 用的测压仪器，其精度主要取决于测压孔和测压管的加工安装 质量。

8.3.2对于压力水头超过3m的情况，压力传感器或日

.3.2对于压力水头超过3m的情况，压力传感器或压力表有 足够的敏感度，更易于测量。

8.3.3选用液柱比压计时，工作液体应满足以下要求：

（1）不粘管壁，液面清晰易读。 （2）与水接触不致混合。 （3）不污染水和不腐蚀管壁。 （4）温度变化对密度影响不大。 （5）化学性能稳定，不宜蒸发。 比压计可供选用的工作液体密度见表2。

表2可供选用的工作液体密度表

8.3.4压力传感器及其二次仪表，是测量瞬时动态压

4压力传感器及其二次仪表，是测量瞬时动态压力和脉动 必不可少的量测仪器，目前市场上有现成产品可供选用

8.4.1、8.4.2量水堰属堰槽类量水仪器，也是目前试验室测定 流量最精密的常规仪器。根据标准设计制作和安装的各式堰型， 其流量计算可引用以下经验公式： （1）直角三角堰可用南京水利科学研究院标准地秤校正后的 拟合经验式：

式（16）适用范围为H=0.03～0.25m。 （2）矩形堰可用雷伯克（T.Rehbock）经验公式

Q= 1. 33H2. 465

Q= (1. 782+0. 24 号)BHs5

（3）复式堰由直角堰和矩形堰两部分组成，如图1所示。经 南京水利科学研究院标准地秤率定结果见表3。

图1复式堰构造和尺寸（单位：mm

8.4.3、8.4.4文丘里管属差压类量水仪器，其精度虽不及量水 堰，但由于装卸方便，又不占场地，目前仍应用于水工试验室。 常用的文丘里管主要由收缩管、喉管和扩大管三部分组成： 如图2所示，其流量计算公式为

Q= Caa 2gh 2gh Caa (a/A)2 (d/D)

8.5.1毕托管是测量恒定流时均“点”流速最佳常规仪器。流 速计算公式为

式中 流速系数，根据率定试验，当雷诺数Re=3300～ 360000时，Φ=1，误差控制在1%～2%； h一一全压强和静压强之差，由比压计测得，m。

8.5.2旋桨流速仪是量测小流速的常用仪器，精度低于毕托管

8.5.2旋桨流速仪是量测小流速的常用仪器，精度低

但应定期率定，确保量测精度满足试验要求。 8.5.3激光流速仪和热线（膜）流速仪，都是先进的测速仪器 但由于价格昂贵，且操作复杂，对水质要求高，除专题研究外， 一般常规模型试验极少应用。 8.5.4、8.5.5粒子图像速度场仪（PIV）和三维多普勒流速仪 （ADV）已逐渐应用于水工（常规）模型试验。PIV适用于同 步、瞬时量测大面积表面流速分布，需要有相应跟踪粒子： ADV适用于量测点流速流向，可量测点的时均流速和脉动流速 这些仪器的使用，应进行定期比对试验，以保证测量精度。

量测仪器定期送检和自检是为了保证量测仪器的合格和有 效，丛测试手段上保证实验研究成果的质量。

熟悉基本资料，然后编制模型试验研究大纲，

模型校验是指模型糙率校验。当要求模型糙率较大时，可用 梅花贴石或梅花桩以及砂浆拉毛等方式加糙，以达到模型与原型 之间的水面线相似。当进行长管道模型试验时，要求模型糙率较 小，而管壁糙率又难以修正时，可采用调整坡度、改变长度和调 整水头等方法进行校正

9.0.3原设计方案试验、修改优化方案试验和推荐方案试

（1）原设计方案试验是针对原设计方案进行试验，并根据试 验要求，量测有关水力参数进行分析，评价原设计方案的合理性 和可靠性。 （2）修改优化方案试验是针对原设计方案试验发现的问题 提出修改方案，进行优化，最终提出推荐方案。 （3）推荐方案试验是针对选定的推荐方案，进行全面系统的 观测，提供充分论证。 9.0.4模型试验取得阶段性成果后，应及时与委托方沟通，必 要时进行模型现场讨论，即阶段性技术小结，这对提高试验质量 及成果为工程设计服务分重要，应当引起足够重视。 9.0.5、9.0.6模型试验过程中，应及时整理分析试验资料，有 问题随时补充试验，对试验结果进行必要的校验和修正，以保证 试验成果的完整性和可靠性。试验报告编写完成后，模型应尽可 能保彻所时间以补态必西成用一以满只工租设计求

9.0.4模型试验取得阶段性成果后，应及时与委托方沟通，必 要时进行模型现场讨论，即阶段性技术小结，这对提高试验质量 及成果为工程设计服务十分重要，应当引起足够重视。 9.0.5、9.0.6模型试验过程中，应及时整理分析试验资料，有 问题随时补充试验，对试验结果进行必要的校验和修正，以保证 试验成果的完整性和可靠性。试验报告编写完成后，模型应尽可 能保留一段时间，以备补充必要成果，以满足工程设计要求。

10.1.1流态描述是水工（常规）模型试验的一项重要内容，也 是定性判断设计方案合理性的重要依据之一，因此应尽量利用相 关手段或方法翔实地定性或定量描述流态，尤其是不利流态，例 如回流、旋涡、水翅等现象。

10.2水位与水面线测量

10.2.1～10.2.3水位与水面线是水工模型试验最基本测量项 目。主测仪器是测针和自动跟踪水位计，条文规定的试验方法是 实践经验总结，可供参考

10.3.1、10.3.2泄流能力是常规模型试验重点研究项目，主测 仪器是测针和量水堰或电磁流量计，目的是测量流量系数，可分 为自由堰流、淹没堰流、自由孔流、淹没孔流等四种流态。条文 规定的试验方法是实践经验的总结，可供参考。

10.4流速、流向观测

10.4.1～10.4.4流速分布包括纵向、横向和垂向三个方面，是 衡量消能效率的重要标志。主测仪器是毕托管、微型旋浆流速 仪、PIV和ADV，具体选型视试验条件和流速量程而定

0.5.1、10.5.2时均压力是优化建筑物体型的重要研究项目。 三测仪器是测压管，其精度主要取决于测压孔的安装质量。 由于原型中压力出现负压值低于空化现象发生临界值时，会

产生汽化现象，因此模型测得的压力值不能反映原型真实现象 负压值不能直接引电至原型

10.6.1、10.6.2条文规定的试验方法是根据实践经验制定的 测压孔与传感器的间距不大于0.3m，是根据专项实验研究而得 的，否则会影响测量精度

10.7.1～10.7.3河床冲淤试验模拟的关键是动床模拟材料的选 择。条文规定的动床模拟材料选择方法和铺设要求，对床底冲游 来说，问题不大。但岸坡冲刷模拟比较困难，尚需通过进一步实 践来检验。常用模型砂材料见表4。

当模型采用散粒体模拟时，可采用依慈巴什公式计算散粒体 粒径。

V = (5 ~ 7) /d

10.7.5根据经验，在模型水位、流量调好后，一般经过2～3h 的冲刷试验，下游河床冲淤变化基本趋于平衡。 10.7.6试验操作关键是使模型开始放水和停水时，不致扰动原 来的砂面，以保证试验成果的可靠性。 10.7.7冲淤地形测量可用等高线法，也可采用地形自动测量系 统测量断面地形数据，

10.8.1水面波动涉及闸坝（泄水建筑物）下游大尺度紊动，也 是衡量消能效果的指标之一。通过观测，可提供下游河道岸坡的 保护范围及消浪措施，以及通航条件保障措施。 10.8.2～10.8.4主测仪器是波高仪。试验方法是根据实践经验 制定的。为避免偶然误差，规定每测次重复测量3次，并强调波 高仪应及时率定，以保证测量精度

10.9.1、10.9.2风速是泄水建筑物通气的判断依据之一，模型 试验测量该项目，可有助于评估泄水建筑物通气设施的合理性 测量仪器主要为风速仪和风压计，测量风速时应严格按照仪器测 量技术要求进行，以保证测量精度

10.11.1、10.11.2泄洪雾化参数主要有雾化强度和雾化范围， 是判断泄洪雾化影响程度、提出预防措施的重要依据。测量范围 确定是实践经验的总结，可供参考。 10.11.3泄洪雾化参数的测量方法主要与雾化强度有关，可 选用量筒、雨量计、滴谱试纸或光学测量仪器，并配置计 时器。 10.11.4泄洪雾化强度存在明显的缩尺效应。根据目前的研究 成果，可参照下式进行换算：

S、S。一模型、原型雾化强度，mm/h; L一一模型比尺; k一修正系数，可根据消能方式参考有关文献 确定。 根据已有研究成果，雾化范围遵循几何相似准则换算。

11 试验资料整理分析与报告编写

11.1试验资料的记录与整

11.1.1、11.1.2原始资料是试验的第一手资料，其正确与否， 直接关系到成果质量，因此试验人、计算人和校核人均应对原始 资料的真实性、完整性负责，严格遵循条文规定，按要求及时整 理原始资料，并加以妥善保存。 11.1.3试验数据的有效位数，除按修约规则外，还应根据精度 和谐一致原则，进行取舍。 浓 左湖产出注动栏

11.2试验成果的表达方式

11.2.1、11.2.2图表是成果表达的通用方式，但要注意规范 化，不得随心所欲，标新立异。

施工组织设计(土建)11.3试验成果的整理分析

本节10条规定基本上概括了常规模型试验的主要内容，可 用以解决1.0.3条所规定的工程水力学问题

试验报告止文是报告的体，在相当程度上反映了报告的质 量。因此，在技术内容和文字上都应严格要求，做到文字清晰， 吾句通顺，表达准确，图表规范，不应使用未正式公布的简化 、自造字等。同时应使用法定计量单位。

11.6试验报告审批和评宜

11.6.1报告正式印刷前，需要通过一定的审批程序，以保证试 验成果质量。

.1报告正式印刷前，需要通过一定的审批程序安徽某高速公路施工方案，以保证试 果质量。