（一）实验目的

（1）通过水工模型实验，观测水流现象，验证所学有关水工建筑物泄流方面的理论知识。

图1-2-9　带板桩的闸基渗流模型简图

（2）学习水工模型实验的方法和操作技能。

（3）学习水工模型实验资料的整理、分析方法及编写实验报告的能力。

（4）培养严谨的科学作风。

（二）人工弯道式取水枢纽工程概况

人工弯道式取水枢纽是在多沙河流上，特别是在山丘地区推移泥沙质较多，粒径较大的河流上引水防沙的主要形式之一。它是应用环流原理在不稳定河流上，将原河床束窄成一定宽度的人工弯曲河道，在弯道的凹岸布置进水闸，靠凸岸布置冲沙闸，以引取表层较清水流，排除含沙量较大的底流。本枢纽由以下几部分组成。

（1）拦河闸：5孔，每孔净宽4.8m，无胸墙，闸底高程为80.44m（黄海高程系，下同），闸后设消力池（为便于比较，消力池可改成消力坎或可改造成其他形式），消力池长20m，池深为1.5m（改成消力坎后坎高亦为1.5m），护坦长26m，防冲槽长23m，其后渠道底宽为30m，边坡1∶1，渠底高程为79.84m，设计流量为400m3/s，相应渠道水深为7.5m。

（2）取水弯道：位于拦河闸左侧，弯道底宽18m，弯曲半径为90m，弯起点中心线与拦河闸中心线夹角为60°，底部高程为79.69m。

（3）冲沙闸：3孔，每孔净宽4.8m，无胸墙，闸底高程为79.69m，消力池长11m，池深1.5m。

（4）进水闸：2孔，每孔净宽3.6m，开敞式水闸，闸底高程为81.19m，消力池长12m，池深1.2m。

（三）实验原理

如果两种水流现象相应点上所有表征流动状况的相应物理量之间都保持各自的一定比例关系，则两种流动现象就是相似的。按牛顿一般相似性原理，要求两相似流动的牛顿数相等，即要求各种性质的作用力与惯性力之间都要成同样比例。但是，由于各种力的性质不同，影响它的物理因素不同，因此，通常不能保证所有各种性质的力全都相似，全都保持同样的比尺，只能抓住水流现象中主要的作用力使它相似，而对其中次要的力则不要求相似，允许有偏差。

由于流经闸、坝的水流，起主导作用的力是重力，因此只要用重力代替牛顿数中的F，根据牛顿相似准则就可求出只有重力作用下液流相似的准则。

重力可表示为

以λG代替牛顿数计算式中的λF，则

令称为弗劳德数，由上式知，按重力相似准则，原型与模型中的弗劳德数应相等，即（Fr）p= （Fr）m。

因此，如果原型和模型的弗劳德数相等，就可保持两种水流的重力相似。

（四）模型设计及基本数据

1.模型设计

模型是根据重力相似准则，按弗劳德数相似率进行设计，模型比尺主要根据实验室的供水能力，实验场地大小，结合实验任务和要求来选定的。本枢纽模型选定长度比尺λL=30，其相应流量比尺λQ==4929.5，流速比尺λv==5.477，枢纽整体布置如图1-2-10所示。

图1-2-10　人工弯道式取水枢纽平面布置图

2.有关数据

模型实验的流量用矩形堰量测，其流量与堰顶水头的关系式在资料分析中给出。

量水堰测针零点读数：34.02cm；

上游水位测针零点高程：74.23m；

拦河闸Ⅰ号测针零点高程：75.79m；

拦河闸Ⅱ号测针零点高程：76.08m；

拦河闸Ⅲ号测针零点高程：76.13m；

弯道Ⅰ号测针零点高程（凹侧）：76.34m；

弯道Ⅰ′号测针零点高程（凸侧）：77.28m；

弯道Ⅱ号测针零点高程（凹侧）：76.23m；

弯道Ⅱ′号测针零点高程（凸侧）：77.73m；

弯道Ⅲ号测针零点高程（凹侧）：75.97m；

弯道Ⅲ′号测针零点高程（凸侧）：77.61m。

（五）实验任务及要求

（1）观察拦河闸在不同组次开启情况下的水流流态 （波状水跃、淹没水跃及折冲水流），并绘出折冲水流的平面位置图。

（2）测出产生波状水跃和淹没水跃的流量及上下游水位。

（3）采用不同形式消能工时，量测下游Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ测流断面的流速分布，绘出断面流速分布图。

（4）观察人工弯道对水流和泥沙运动的影响。

（5）根据实验结果，分析评定拦河闸在各种运行情况下的合理性及整个枢纽布置的合理，并提出改进措施。

（六）实验步骤

（1）关闭进水闸、冲沙闸闸门，观察拦河闸闸门在以下各种不同组合方式 （闸门全开）时，下游是否产生折冲水流，并勾绘出折冲水流的大致分布位置。

组合Ⅰ：（a）开孔1#（b）开孔2#（c）开孔3#

组合Ⅱ：（a）开孔1#和2#（b）开孔1#和3#（c）开孔1#和4#

（d）开孔1#和5#（e）开孔2#和3#（f）开孔2#和4#

组合Ⅲ：（a）开孔1#、2#和3#（b）开孔1#、2#和4#

（c）开孔1#、2#和5#（d）开孔1#、3#和5#

（e）开孔2#、3#和4#（f）开孔2#、3#和5#

（2）当拦河闸各孔均全开时，调节尾水闸门，控制下游水位。

1）当下游形成波状水跃时，观察下游水位及首部流量，用流速仪测定Ⅰ—Ⅰ断面、Ⅱ—Ⅱ断面和Ⅲ—Ⅲ断面的流速（三点法测），并绘出断面的流速分布图，用加权平均法计算各断面的平均流速、流量，并与量水堰所测的流量值比较，并分析误差原因。

2）当下游形成淹没出流时，重复上述步骤。

（3）当闸门全开时，将尾水闸门调到最大处，比较两种（或多种）消能方式的消能效果。

1）用消力池消能时，测出三个测流断面的水深和流速 （用三点法测，每个断面只测中间一条垂线的流速），将结果记入后面的记录表1-2-2中，并绘制流速分布图。

2）当用消力坎消能时，重复上述步骤。

3）当用其他形式的消能工时，重复步骤1）。

4）根据流速分布图，分析评定几种消能工的消能效果。

（4）观察弯道水流及泥沙运动情况。

1）关闭拦河闸，观测进水闸引用不同流量时，弯道水流运动情况，并测出弯道各断面水位测针读数，求出同一断面凸凹侧水深及横向坡降。

2）在弯道进口处放入少量细沙，开启进水闸，关闭冲沙闸，观察弯道中泥沙运动情况及进水闸拦沙坎的拦沙效果，粗略描绘泥沙在弯道中的淤积情况（绘图说明）并论述其产生原因。

3）关闭进水闸开启冲沙闸，观察弯道中泥沙运动情况及冲沙闸的冲沙效果，描述泥沙在弯道中的淤积平面图，并论述其产生原因。(www.daowen.com)

（七）试验资料的整理和分析

1.量水堰水头H （以cm计）

式中 x——量水堰测针读数，cm；

x0——量水堰测针零点读数，cm。

2.量水堰流量Q

式中 Q——量水堰流量，m3/s；

H——量水堰水头，m；

P——堰高，m，本堰P=0.75m；

b——量水堰宽度，m，本堰b=0.8m。

3.水位W （以m计）

式中 W0——测针零点高程，m；

λL——模型长度比尺，本模型λL=30；

x——测针读数，cm。

4.垂线平均流速

采用算术平均法进行计算，即

式中 vm——垂线平均流速，m/s；

n——垂线上测点总数，n=3；

Vi——垂线上某测点的水流流速值，m/s。

5.断面平均流速

式中——断面平均流速，m/s；

A——过水断面面积，m2；

m——过水断面上测流垂线的总条数；

vm，k——第k条垂线的平均流速，m/s；

Ak——第k条垂线所包围的过水断面面积（按图1-2-11计算），m2。

即

式中 Hk——第k条垂线的水深，m；

Lk-1——第k-1条垂线与第k条垂线之间的距离，m；

Lk+1——第k条垂线与第k+1条垂线之间的距离，m。

6.弯道水面横向坡降计算

图1-2-11　过水计算断面图

式中 i′——弯道水面横向坡降；

W′——计算断面凹侧水位，m；

W——计算断面凸侧水位，m；

L——弯道底宽，L=0.6m。

7.提交成果

（1）根据实验中所观察的水流现象，分别绘出波状水跃、淹没水跃位置示意图，并绘出其相应的实测流速分布图 （垂线流速分布图和断面流速分布图），最后简述波状水跃、淹没水跃产生的条件，比较两种水跃发生时，下游水位和流速分布的差别，判断哪种水跃对工程安全不利。

（2）绘出折冲水流平面位置示意图，并论述折冲水流产生的条件及防止方法。

（3）绘出不同消能方式水跃位置示意图，并作出相应各测流断面流速分布图（垂线流速分布图），判断哪种消能方式对工程有利。

（4）根据弯道水流运动的观察结果，绘出弯道通过不同流量时，各断面弯道水面的横向坡降，论述弯道对水流运动的影响。

（5）根据泥沙示踪实验结果，绘出泥沙在弯道中的淤积平面示意图，评价枢纽工程布置的合理性并提出改进方案。

（八）实验报告辅助成果

（1）流速施测记录计算表（表1-2-2），测多条垂线，另附表格。

表1-2-2　流速施测记录、计算表

续表

（2）折冲水流平面示意图（图1-2-12），如有多种情况，另附图。

（3）波状水跃示意图（图1-2-13）。

图1-2-12　折冲水流平面示意图1∶50

图1-2-13　波状水跃示意图1∶50

图1-2-14　淹没水跃示意图1∶50

（4）淹没水跃示意图（图1-2-14）。

（5）消力坎消能时，下游断面垂线流速分布图（图1-2-15）。

（6）消力池消能时，下游断面垂线流速分布图（图1-2-16）。

（7）弯道泥沙淤积平面示意图（图1-2-17）。