丁坝回流区实验陈大可Word下载.docx
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主要实验设备及仪器包括试验水槽、丁坝模型、水尺、旋浆式流速仪(如图1)、采点箱。
试验水槽(如图2)是一座循环供水的多功能性教学试验水槽。
水槽断面宽1.2m,高0.4m,纵向长16.6m,设有直线段10m和弯曲段6.6m,弯曲段中轴线弯曲半径为3m。
丁坝模型采用混凝土制成,高20cm,
坝体长度分别为30cm和50cm。
实验用品主要包括木砂(跟踪剂)、橡皮泥(阻塞丁坝与槽壁接缝)。
五、实验原理
如图3所示,将丁坝放置在顺直水槽中,紧靠水槽左岸,用橡皮泥阻塞丁坝与槽壁的接缝,使丁坝根部不漏水。
在丁坝前后1m内各设置一个断面,在丁坝前2m左右再设置一个断面。
各个断面在水槽两侧和水槽中间设置3条测流垂线。
实验时测量并记录每条垂线处的水位以及每条垂线水深为0.2h、0.4h、0.5h、0.6h和0.8h处的流速。
根据测量记录的数据分析掌握丁坝附近的水流
特性,丁坝下游回流区流态和范围大小,回流区范围内的回流流速平面分布。
六、实验步骤
1、阅读和掌握实验目的、实验要求以及实验内容。
2、熟悉和掌握精密水位仪的使用原理与操作方法。
3、熟悉和掌握旋浆式流速仪的使用原理与操作方法。
4、开启水泵,调节水槽尾门,保持沿程水流恒定状态。
5、放置丁坝,待水流稳定后,采用木砂示踪剂观测流线、回水区域。
6、如图3所示,在丁坝前后测流断面上沿水槽宽度设置3个测流垂线,每条垂线沿水深测量和记录3~5点流速,每条垂线测量并记录一个水位。
7、当一个丁坝测量工作结束后,换另一个丁坝,重复5、6。
8、实验结束后,将丁坝安放归位,清理试验场地。
9、整理试验数据提交试验成果报告。
七、数据记录与处理
1、各断面水位与测点流速数据记录与处理
表1各断面水位与测点流速数据记录表
丁坝类型
断面
断面离进水口距离
水深cm
相对水深位置
测点流速cm/s
垂线平均流速cm/s
垂
线
1
2
3
垂线1
垂线2
垂线3
短丁坝
220
9.4
0.2h
21.1
12.9
22.2
24.3
18.2
17.2
0.4h
21.6
16.7
20.1
0.5h
20.6
19.5
19.8
0.6h
0.8h
430
8.9
15.1
16.3
16.9
23.2
1.5
18.5
22.5
520
6.3
31.7
30.7
6.8
32
29.4
7.1
30.1
28.8
长丁坝
10
10.2
16.1
13.7
17.9
17.7
19.3
9.9
9
3.9
12.1
42.6
2.9
7.9
40.7
4.2
9.8
注:
、垂线1距水槽左岸15
左右,垂线2位于水槽中间,垂线3距水槽右岸15
左右。
、垂线平均流速近似取每条垂线相对水深为
处的流速。
、短丁坝高20cm,坝体长30cm,坝体断面呈等腰梯形,上底边长5cm,下底边长10cm,短丁坝中轴线距进水口475cm;
长丁坝高20cm,坝体长50cm,坝体断面呈等腰梯形,上底边长5cm,下底边长10cm,长丁坝中轴线距进水口475cm。
、放置长丁坝时,测流断面1只有水位记录:
垂线1、2、3处的水位分别是9.4m、9.4m、9.4m。
2、水位沿程变化图
2.1、放置短丁坝后水槽中水位沿程变化图
2.2、放置长丁坝后水槽中水位沿程变化图
3、水流流速沿程分布图
3.1、放置短丁坝后水流流速沿程分布图
A、相对水深为0.4h处水流流速沿程分布图
B、相对水深为0.6h处水流流速(垂线平均流速)沿程分布图
C、相对水深为0.8h处水流流速沿程分布图
3.1、放置长丁坝后水流流速沿程分布图
B、相对水深为0.6h处水流流速沿程分布图
C、相对水深为0.8h处水流流速沿程分布
4、水流垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图
4.1垂线平均流速记录表
表2垂线平均流速记录表
距水槽左岸壁距离cm
流速(cm/s)
断面1
断面2
断面3
15
60
105
4.2放置短丁坝后垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图
4.2放置长丁坝后垂线平均流速沿水槽宽度方向分布图
5、水流流速沿水深分布图
5.1放置短丁坝后水流流速沿水深分布图
A、断面2各垂线水流流速沿水深分布图
B、断面3各垂线水流流速沿水深分布图
5.2放置长丁坝后水流流速沿水深分布图
B、断面3各垂线水流流速沿水深分布
八、实验成果分析及小结
不同的丁坝布置形式,下游所形成的回流区范围是不同的。
丁坝的雍水作用见图1、图2。
当水位低于丁坝坝顶高程时,水流受到丁坝雍阻水面抬高,丁坝之后水位明显低于坝前水位,但过一段距离过后,水面逐渐恢复正常。
水位沿水槽宽度方向的变化也可以从图1、图2中看出来,丁坝前后,丁坝长度范围内水位抬高幅度较丁坝另一侧水位抬高大(图1中,垂线1高于垂线2、3;
图2中,垂线1高于垂线2,垂线2高于垂线3)。
丁坝除了雍水作用之外,还有调整水流流速的作用,从图6到图11可以看出,由于丁坝调流作用使坝前流速增大,在接近丁坝面时,受丁坝阻挡的水流流速迅速减小,丁坝之后一定范围之内,流速极小,基本接近为0。
如放置短丁坝时的垂线1,放置长丁坝时的垂线1、2。
未受丁坝阻挡的水流连同被丁坝挑向河心的水流,在丁坝前后一定范围内,沿程流速增大。
如放置短丁坝时的垂线2、3,放置长丁坝时的垂线3。
但放置短丁坝时,断面3水流表层流速已经开始增大,而放置长丁坝时则没有这种现象,可见短丁坝后回流区长度较长丁坝回流区长度小。
从水槽宽度方向看,如图12、图13,受丁坝阻挡部分,水流流速较小,另一边水流流速在丁坝附近极大。
至图14到图17,是各垂线流速沿水深分布图,由图可以看出丁坝前断面2上被丁坝阻挡部分的水流流速尽管比未被丁坝阻挡的小,但流速基本依然大于10cm/s,而丁坝后断面3上被丁坝阻挡部分的水流流速则很小,它们处于丁坝下游回流区范围内。
通过丁坝回流区试验,我们从理性和感性上了解掌握了丁坝附近的水流特性,了解了丁坝在航道整治中的作用机理。
实验达到预期目的。
九、实验思考题解析
1、丁坝呈上挑、正挑、下挑不同布置形式时,坝下游回流区会发生什么变化?
答:
坝下游回流区内横轴螺旋流的方向与丁坝轴线方向有关。
丁坝呈上挑时,螺旋流指向坝田;
丁坝呈下挑时,螺旋流方向相反;
丁坝呈正挑时,螺旋
流介于前面二者之间。
当然丁坝不同布置形式时,丁坝后回流区的大小也不近相同。
2、丁坝布置在弯曲河段凸岸或者凹岸侧时,丁坝下游回流区又会发生什么变化?
丁坝布置在弯曲河段凸岸时,主流进一步被挑向凹岸,坝后回流区范围较大,由于主槽和坝区存在较强的横向流速差,主槽和坝区水流不断交换,形成强紊动性的三维水流。
丁坝布置在弯曲河段凹岸时,水流紊动强烈,主流集中在水槽中部,坝后回流区流速较小,甚至出现负流速。
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