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河流模型试验

2020-04-09 21:01

将河道形态和水流泥沙运动特征按相似准则缩小成模型,用以模拟河流泥沙运动及河床冲淤变形情况的一种研究方法,又称河工模型试验。河流泥沙的运动和由此引起的河床变形十分复杂,修建水利工程之后引起的剧烈变化就更为复杂,一般很难用理论计算方法获得满意的结果。进行河流模型试验是研究这些问题的重要和有效的方法之一。

采用水平与垂直的比尺相同的模型,称为正态模型。一般因被模拟的河段较长,而水深相对较小,即平面尺度很大,而垂直尺度甚小。为保持模型中必要的流速和水深,必须采用较小的垂直比尺。受试验场地限制,河流模型的平面比尺和垂直比尺往往不能一致,称为变态模型,其平面比尺与垂直比尺之比称为变态率,亦称变率。

根据研究内容和要求的不同,可以将模型做成定床或动床,定床河工模型一般用水泥砂浆塑造河床形态,适宜于研究河道的水面线、水流流速和流态的变化及汊道的分流比等问题。如需研究水流作用下发生的河床冲淤变形,应用模型沙塑造河床形态,称为动床河流模型。为满足模型与天然河流中泥沙运动的相似条件,一般选用密度小于天然泥沙的轻质粒状材料为模型沙,常用的有煤粉、电木粉、木屑、塑料沙、粉煤灰等。

定床河流模型要满足水流运动相似和动力相似条件,常用原型资料在模型上进行验证,以确定水面线、流速场和流态的相似性。

对于动床模型,除必须保证水流运动相似的条件外,还应满足泥沙起动相似、输沙能力相似、河床冲淤变形相似和冲淤时间相似等条件。对于悬移泥沙,还需满足泥沙沉降相似和泥沙悬浮相似。有异重流运动时又应满足其发生的条件相似和运动阻力相似,这些都需进行验证。

河流模型要满足的相似条件较多,难以全部满足,只能根据试验研究的具体要求选择一部分主要条件进行设计,而允许对某些次要条件有一定程度的偏离。

此外,在研究以河流自然演变为主的试验中,还有让水流在平整的模型沙面上流动,由水流塑造出模型河槽的方法,称为自然模型法。它基于模型与天然河流在河相关系方面相应,而不注重比尺的严格相似,因此,适于研究河流演变的一般趋势。在此基础上衍化出来的半自然模型法,则是在模型沙面上先人为塑造出象征性的小河,并布置了所研究河段上已有的固定节点、不易冲蚀的河岸和人工建筑物,然后让水流进行塑造,并研究其演变规律和趋势。

除了用水作为模型流体外,也可用其他流体进行试验研究,气流模型试验就是研究河流演变的常用方法之一。

河流模型试验所需具备的条件,除了与水工模型试验相同的要求,如场地、循环水路、流速和压力测试仪器之外,还要求有加沙机、测沙仪以及适宜的模型沙、沉沙池或其他能收集悬移沙量的设施。

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