河流模拟物理模试验夏云峰余文畴

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1、河流模拟物理模型试验（夏云峰 余文畴）第一节 河流模拟基本原理及物理模型试验选用一、河流模拟相似的一般原理河流模拟相似必须遵循下述一些基本条件：（1）模型的流动现象和原型的现象应当属同一类型，即为同一物理规律所描述，如天然河流一般处于紊流状态，这就要求模型也必须为紊流。（2）模型和原型对应断面上，决定性相似准数相等，只有成自动模拟时，才可以不遵守该条件。如天然河流一般处于阻力平方区，流动阻力系数不再随雷诺数变化而变化，当模型也处于阻力平方区，模型处于自模区，只需保证弗如德数和阻力相似准数相等，雷诺数相等可以不需保证。（3）模型和原型的同名物理量的相似常数相等。（4）模型和原型须成几何相似。但受

2、场地、供水、量测和流动特性等条件限制，往往要采用平面比尺和垂直比尺不同的所谓变态模型，实践经验表明，在一定条件下，变态模型仍具备足够的相似性。（5）模型的时间条件应当和原性的时间条件相似。（6）模型的边界条件和初始条件应当和原性的边界条件和初始条件相似。二、物理模型试验的类型本文涉及的物理模型试验是指河工模型试验，试验分类依据模型试验的作用和性质等来区分。（1）按建设项目不同种类分，有防洪工程模型，河道治理工程模型，航道及港口工程模型，桥隧工程模型等。（2）按水流运动性质分，有潮汐河工模型，无潮河工模型。（3）按模型几何相似程度分，有正态河工模型和变态河工模型。（4）按河床的活动性分，有定床河

3、工模型和动床河工模型。（5）按泥沙输移性质分，有推移质定床输沙模型、推移质动床模型、悬移质定床淤积模型和悬移质动床模型。三、物理模型试验的选用1、物理模型试验的选用原则河道管理范围内建设项目防洪评价涉及的模型试验专题研究其模型试验选用基于以下原则。（1）河道及建设项目的重要性 建设项目所在河段有重要的防洪任务或重要防洪工程的建设项目。 建设项目本身承担着所在河段重要的防洪任务。 建设项目是所在河段较大的涉水建设工程。 建设项目将对所在河段河势稳定可能产生一定的影响。 建设项目将对所在河段水动力环境和河床冲淤可能产生较大影响。（2）建设项目对防洪影响的敏感性 建设项目所在河段的有一定的防洪风险，

4、项目建设对防洪影响的敏感性增强。 建设项目对所在河段重要的防洪工程影响的敏感性较明显。（3）建设项目对第三人合法水事权益影响的敏感性建设项目所在河段有重要的其它设施，该设施运行的合法水事权益受建设项目影响的敏感度较明显。2、物理模型试验的选用的一般情况建设项目根据其所在河道和本身的重要性以及影响的敏感性，开展物理模型试验专题研究。如重要河流长江、黄河、淮河、松花江、珠江等流域的干流和主要支流，其重大的水电工程、河道整治工程、航道整治工程、涉水桥隧工程、电厂码头和取排水工程、港口码头工程、围滩造地工程等需进行物理模型试验研究。第二节 物理模型的建立与验证一、模型试验的相似条件1、水流运动相似条件

5、河道平面水流运动方程为：连续性方程： 运动方程：式中：U，V为x，y方向垂线平均流速；为水位；H为水深；C为谢才系数， ，n为曼宁糙率系数。由上述各式得下列相似条件： 重力相似： 阻力相似：水流运动时间相似：式中：为水平比尺；为垂直比尺；、分别为流速比尺，为谢才系数比尺，为糙率比尺，为水流运动时间比尺。 上式中包含重力相似，阻力相似和水流运动时间相似。需要指出的是，对于潮汐河口段大都河道宽浅，水流惯性力和阻力影响占主导地位，科氏力影响很小，一般模型试验可以忽略。模型设计时，为保证模型和原型水流运动相似，还必须满足以下限制条件：模型水流运动应处于紊流的阻力平方区，要求模型水流雷诺数满足，为此，模

6、型垂直比尺应满足下列公式要求：式中：UP，HP分别为原型的平均流速和水深；为模型液体粘滞系数；为原型水流阻力系数，。为避免模型内水流运动受表面张力的影响，要求模型水深： 模型糙率一般在0.0120.03范围内较适宜。模型变率的限制从相似理论来说，几何相似是一切相似的基础。模型变态会引起垂线流速分布以及弯道环流相似性偏离，一般来讲，河工模型变率允许到6左右。2、推移质运动相似条件推移质运动相似应满足推移质输沙能力相似条件和相对输沙量相似条件。起动相似：可以满足推移质输沙能力相似条件。推移质相对输沙量相似要求满足下列相似条件：3、悬移质运动相似条件泥沙沉降相似：泥沙悬浮相似：泥沙起动相似：输沙能力

7、相似：在模型设计中，变态模型中表示水体中泥沙沉降轨迹相似条件和泥沙紊动扩散达到含沙量沿垂线分布相似条件很难同时满足，同时考虑沉降和悬浮相似，则，式中：m为指数，介于0.51之间，因此，m指数的选取原则上根据模型试验研究的内容结合相似条件的物理意义取舍。 4、河床变形相似条件动床模型试验的最终目标，是研究河床冲淤变形，预测建设项目对所在河段河势及滩槽冲淤变化的影响。模型设计时，无论推移质模型试验还是悬移质模型试验，要求达到河床冲淤相似，归结为确定河床冲淤时间比尺。河床变形的相似条件为：结合推移质输沙能力和悬移质输沙能力相似条件可知，推移质泥沙模型河床冲淤时间比尺为： 而悬移质动床模型河床冲淤时间

8、比尺为： 动床模型试验的放水试验控制时间必须按河床冲淤时间比尺确定实施，才能达到河床变形相似。由于现有输沙能力计算公式存在偏差，故模型设计计算出输沙能力比尺和河床冲淤时间比尺仅作为验证试验的预估值，模型试验所采用的输沙能力比尺和河床冲淤时间比尺均需通过动床模型验证试验在满足冲淤相似的基础上调整确定。二、物理模型设计1、模型范围的确定模型的试验段范围应根据建设项目防洪评价专题研究目的和要求，考虑到所在河段河道情况和水流、泥沙运动条件，试验段范围应能充分涵盖建设项目对上、下游河道可能影响的范围。模型范围除试验段外还应包括进、出口过渡段，该过渡段为了调整和稳定进、出口水流，以达到模型试验段进、出口水

9、流运动和天然相似。进口段长度一般要求不小于2550倍模型水深，出口段稳定距离以保证模型出口控制边界（控制水位站位置）不受出口尾门降水曲线的影响。潮汐河工模型试验根据进、出口生潮控制方式不同，模型进、出口过渡段范围选取也不同，对于整体潮汐模型，下边界采用潮位控制，上边界宜采用扭曲水道模拟潮区界段的长度和容积。2、定床模型比尺的确定模型平面比尺应根据建设项目防洪评价模型试验专题研究的目的与要求以及模型范围结合试验场地、动力设备、供水能力等统筹考虑确定。垂直比尺应根据模型相似条件结合模型设计需考虑的模型最小水深、雷诺数及阻力平方区和模型变率等限制条件确定。根据平面比尺和垂直比尺由相似条件即可确定流速

10、比尺、糙率比尺、流量比尺和水流运动时间比尺。3、模型的糙率问题根据试验河段天然实测资料计算出不同水文条件下河道糙率，并由糙率比尺确定模型糙率。据此定床加糙可采用卵石、砾石、橡皮三角块体等其他材料按密排或有间距的方式加糙，加糙的颗粒大小及排列方式可由水槽试验或经验公式算得，模型加糙要保证其过水面积相似，经模型验证对加糙进行适当调整。某些流量级可允许重力相似偏离以达到阻力相似要求。动床模型加糙根据模型沙的糙率和适度岸壁和洲滩加糙以达到水流和泥沙运动相似，另外可通过对模型沙床面加插如小塑料花等物体进行加糙处理，若加糙有困难可允许重力相似有所偏离，其偏离值不宜超过30%。潮汐模型试验必须遵循重力相似条

11、件，确保潮波传播相似，潮汐模型定、动床试验均不宜采用重力相似偏离的方法以满足阻力相似要求，根据河口段模型的形状和长度情况，适量的阻力相似偏离是可以接受的。4、模型沙的选择模型沙材料的几何特性和力学性能应保持稳定，无粘性、不板结。根据模型试验要求和模型的相似条件来选择模型沙。模型沙的沉降速度、糙率、起动流速和输沙率等性能指标，可通过水槽试验确定。5、推移质泥沙模型比尺确定推移质泥沙模型的泥沙粒径比尺应根据推移质运动相似中泥沙起动相似结合水流运动相似确定，输沙率比尺和冲淤时间比尺通过合适的输沙率公式和相对输沙量相似及河床变形相似计算初定，最终通过验证试验确定。6、悬移质泥沙模型比尺确定根据悬移质泥

12、沙运动相似中的泥沙沉降、悬浮和起动相似在暂不考虑异重流相似条件的情况下，结合水流运动相似条件可计算出三个泥沙粒径比尺的值，的选取依据试验的目的和天然悬沙运动的特性确定。输沙率比尺和冲淤时间比尺通过合适的输沙率公式和悬沙输沙能力相似及河床变形相似计算初定，当模型同时模拟推移质泥沙输移时，由于输沙率比尺的差异引起冲淤时间比尺的不一致，应以悬移质冲淤时间比尺为依据，最终通过验证试验确定。三、物理模型验证1、定床模型试验水动力条件验证（1）验证试验的水文条件模型水动力条件验证应收集本河段近期现场测验资料，同时要包含和模型地形同期测量资料。对于内河模型验证试验依据河道自然条件及水位的变幅，选择不同的流量

13、级进行验证，一般验证洪、中、枯三级流量。 一般潮汐河工模型需进行大、中、小潮验证，对受径流洪、枯季影响较明显的河段，需进行洪、枯季大、中、小潮验证。（2）验证试验的主要内容根据现场观查和测验资料，进行流态相似验证，对内河模型进行沿程水位，断面各测点流速大小、方向及其分布，断面流量及汊道分流比验证。潮汐河工模型需对各潮位站潮位过程、各测点潮流流速、流向过程验证，控制断面潮流量过程以及汊道分流比验证。（3）验证试验的一般性要求模型水动力条件验证试验，首先要求模型和原型流态要相似，对于平原内河模型，一般要求其水位允许偏差为原型0.05m，水面比降应与原型一致；断面流速分布规律基本一致，断面流量允许偏

14、差为5%。验证过程中如糙率调整有困难，可调整流量比尺，使水面线相似，其重力相似偏离值不宜超过30%。潮汐模型要求潮位、流速、流向过程以及涨、落潮流路基本一致，最高、最低潮位允许偏差为0.1m，涨落潮平均流速允许偏差为10%，时间相位允许偏差为0.5h，往复流主流流向允许偏差为100，断面潮量允许偏差不能为10%。潮汐模型的重力相似不可偏离。2、动床模型水动力条件及河床冲淤验证（1）验证试验水沙条件的概化动床验证水文时段应包括天然河段河床变形最显著、对工程设施影响最大的时段。模型验证水沙条件按验证水文时段流量和输沙量过程进行分级概化，概化前后水量守恒，概化时段不宜小于水流流经模型历时的3倍。对于

15、潮汐模型动床试验，按水流时间比尺控制潮汐过程，冲淤时间控制试验进程。依据以往经验，验证试验过程的潮汐控制可采用代表性潮型一般为中等偏大型，或大、中潮也可以大、小潮组合方式。若上游径流影响明显的，需对上游流量过程分级概化，概化时间段除满足上述要求外，应结合下游潮汐控制时间和模型上潮波传播时间综合考虑。潮汐模型的加沙应根据天然泥沙运动情况，涨潮时在动床试验段的下游断面加沙，落潮时在动床试验段的上游断面加沙；也可根据天然单向输沙为主，进行单向加沙；滩地产沙可在该区增设加沙断面。（2）动床模型试验水动力条件验证局部动床模型试验无需进行水动力条件验证，对于大范围动床模型，需进行动床水动力条件验证，以满足

16、动床模型阻力相似，验证内容和定床一致，如糙率调整有困难，内河模型可通过重力相似偏离满足阻力相似，以达到河床冲淤相似。潮汐模型则必须保证重力相似。（3）动床冲淤验证及冲淤时间比尺确定动床模型验证首先按模型设计初定的输沙率比尺和冲淤时间比尺确定模型的加沙量及放水时间，当验证结果不满足要求，可通过不断调整模型加沙量和放水时间再次试验，当模型与原型冲淤部位及冲淤过程基本相似，冲淤总量偏差在允许值20%以内，验证试验结束，根据试验所采用的加沙量和放水时间确定动床模型输沙率比尺和冲淤时间比尺。对于悬沙模型根据试验情况进行含沙量和汊道分沙比验证。根据调整后的输沙率比尺和冲淤时间比尺重复进行一次验证试验，复演

17、河床的冲淤变化，以满足验证试验精度要求。3、模型验证误差的统计结果及模型相似性分析通过对模型验证试验测量值和原型实测值间的误差统计，分析其偏差是否满足相关试验规程要求，对于个别点出现的较大偏差现象应给于合理的分析。由此验证模型的相似性。为建设项目方案试验奠定可靠的基础。 第三节 模型试验水文条件的选用一、水文条件分析计算水文条件的分析计算将根据第*章水文计算确定一些典型代表性水文条件。二、典型代表性试验水文条件的选用基本条件模型试验水文条件的选取应根据模型试验专题研究的目的和要求确定，满足防洪评价内容要求，试验水文条件的选择应考虑以下基本条件：（1）防洪规划设计（含防洪调度工情）或防洪设计水文

18、条件；（2）对防洪工程和建设项目最不利的水文条件；（3）反应所在河段水流运动和河床变形特征的水文条件；（4）反应本河段来水来沙条件的趋势性变化。三、模型试验水文条件的选用1、定床模型试验水文条件的确定根据建设项目所在河段的防洪规划，防洪设计水文条件、实际发生的特大洪水条件、一般洪水条件、造床流量、平均流量等水文条件。从中根据试验研究的目的和要求结合防洪评价水文分析确定试验水文条件。潮汐河口段根据设计频率对应的径流和潮型条件确定潮、洪组合条件，并考虑到风暴潮条件。2、动床模型试验水沙系列的确定根据建设项目所在河段的来水来沙条件和模型试验的目的和要求，选择对本河道防洪影响明显的典型大洪水水沙系列年

19、，反应本河段常态河床变化的平常水沙系列年，以及对建设项目或其它重要设施影响最不利的典型代表性水沙系列年，或考虑不同来水来沙条件组合的多年水沙系列。潮汐河口根据河床演变情况考虑风暴潮的影响。第四节 建设项目涉水工程方案试验 一、河道内建设项目实施前水流泥沙运动特性试验本项试验的目的了解建设项目实施前典型水文条件下，工程河段天然水流运动、泥沙输移特性，以便和工程方案试验结果相比较，分析建设项目的影响范围和程度。1、水流运动特性试验认识和了解代表性试验水文条件，建设项目所在河段天然状态下水流流态、主流线，行洪期河道沿程水位、水面比降，汊道分流比，防洪工程及其它设施附近流速、流向，代表性断面流速分布等

20、。2、泥沙输移及河床冲淤特性试验认识和了解代表性试验水沙系列条件，建设项目所在河段天然状态下河床泥沙输移及冲淤特性以及和来水来沙条件的关系，汊道的输沙特性，防洪工程及其它设施附近附近河床可能的冲淤情况。二、河道内建设项目涉水工程方案试验1、建设项目涉水工程的概化建设项目的涉水工程建筑物在模型中模拟方法应尽可能按模型的几何相似比尺进行概化，确因涉水工程尺度等原因不能按几何相似比尺进行概化的，需按阻力相似原理和阻挡流量守恒原则进行概化，并对工程建筑物概化进行合理性分析。 2、模型试验观测代表性采样断面和点位的布置模型试验观测代表性采样断面和点位应根据试验研究目的和要求布置，具备一定的代表性应反映建

21、设项目可能的影响范围和程度，以及其水流运动特性和输沙特性。3、方案试验的主要内容（1）定床方案试验根据定床模型试验的内容要求，进行定床模型试验，观测试验流态的变化，布置采样断面和点的水（潮）位、流速、流向等项目。 （2）动床方案试验 根据动床模型试验的内容要求，进行动床模型试验，观测动床试验进程中泥沙输移特性，引起河床冲淤变化和带来的汊道兴衰，以及滩槽冲淤分布和代表性断面的冲淤。观测防洪工程及其它重要设施附近的冲淤。（3）方案优化试验根据方案试验的结果分析，结合方案设计，从降低涉水工程对防洪不利影响程度的角度，尽可能优化方案布置，进行优化方案试验。三、河道内建设项目涉水工程模型试验成果分析在进

22、行水动力条件变化分析中，对于内河恒定流条件下，分析其水位、流速、流向、断面流量变化；对于潮汐河口段，由于其水位、流速、流向及断面流量随涨落潮时间过程变化，需分析其过程线的特征值如：最大、最小值，涨急、落急值，涨落潮平均值，涨落潮历时及相位的变化和过程线的瞬时变化量。动床模型试验分析河床滩槽冲淤变化和冲淤分布及冲淤量。1、模型试验成果分析的主要内容（1）建设项目影响范围内水（潮）位的变化分析建设项目所在河段水（潮）位及其沿程水面纵横比降的变化，特别是行洪时引起壅水高度和影响范围。对于潮汐河口段，若建设项目引起潮波变形较明显，需分析潮波传播性质、沿程传播的潮差、历时、相位变化。分析代表性采样点水（

23、潮）位的变化。（2）建设项目影响范围内水流流速、流向变化分析建设项目所在河段表面流迹线、流态、越滩横流的变化。分析建设项目影响范围内主流线的变化。对于潮汐通道，分析建设项目引起潮汐通道纳潮量的变化。分析代表性采样断面流速分布和潮流量和净泄量的变化。分析代表性采样点流速、流向的变化。（3）主要汊道分流、分沙比变化分析项目建设所在河段主要汊道分流、分沙比变化。对于潮汐河口段，根据分汊河道的具体情况，分析主要汊道进、出口不同部位涨、落潮总量或净泄量分流比以及输沙总量或净输沙量分沙比的变化。分析建设项目影响河段汊道输水、输沙主次特性的变化。（4）河床冲淤变化分析建设项目所在河段河床总体冲淤变化，对影响

24、范围内河床冲淤量统计分析，对比分析主要汊道的河床冲淤变化。分析建设项目影响范围内深槽、洲滩的冲淤变化。分析建设项目影响范围内防洪工程及其它设施附近河床冲淤变化。分析代表性采样断面河床的冲淤变化。（5）影响的敏感性分析若建设项目为重大项目或重要的整治工程，对于上游河势尚处于不够稳定条件下，如汊道有交替发育或主流存在大幅摆动可能，需进行上游（如有潮汐影响要考虑下游）河势变化引起本河段建设项目对防洪影响的敏感性分析。2、建设项目涉水工程模型试验成果分析（1）涉水工程对河道行洪的影响分析根据建设项目引起工程河段行洪水位变化情况，分析项目建设对所在河段行洪安全的影响范围和程度。对于潮汐河口段，根据建设项

25、目引起工程河段潮波变形及其河床冲淤情况，分析项目建设对河道泄洪能力的影响。对于施工方案占用河道过水面积的建设项目，还需根据施工方案及工期的安排，分析工程施工度汛方案对河道泄洪能力的影响。（2）涉水工程对河道堤防、护岸和其它水利工程及设施的影响分析根据涉水工程影响内堤防近岸流速、流向的变化及其引起的河床的冲刷情况，分析项目建设对堤脚或岸坡冲刷的影响。根据护岸工近岸流速、流向的变化及其河床的冲刷情况，分析项目建设对已建护岸工程稳定的影响。对临近水文观测断面和观测设施的建设项目，根据其观测断面附近水（潮）位、流速、流向及其河床冲淤变化情况，分析项目建设对测报、水文资料的连续性和代表性的影响，以及对观

26、测设施安全运行的影响。根据建设项目所在河段范围内对现有引水、排涝设施影响的水（潮）位、流场及河床冲淤变化情况，分析项目建设对引水、排涝能力及其设施运行安全的影响。根据模型试验成果，分析项目建设对其它水利设施的影响。（3）涉水工程对河势的影响分析根据建设项目引起所在河段总体流态和影响范围内局部流态的变化趋势，分析项目建设对工程河段流态的影响。根据建设项目引起所在河段汊道分流、分沙比以及河床冲淤变化情况，分析项目建设对工程河段汊道稳定的影响。通过各代表断面和代表点水（潮）位、垂线流速、流向的变化情况的统计分析成果，分析项目建设对总体河势和局部河势稳定有无明显的不利影响。根据建设项目引起所在河段河床的冲淤变化情况，分析项目建设对工程河段河势稳定的影响。对于施工临时建筑物可能影响河势稳定的建设项目，应根据模型试验研究成果，分析工程施工期对河势稳定的影响。（4）涉水工程对第三人合法水事权益的影响分析根据建设项目引起所在河段其它工程如港口码头工程、桥梁工程、电厂取排水工程、水厂取水工程等设施附近水（潮）位、流速、流向及河床冲淤的变化，分析项目建设对第三人合法水事权益的影响。