水工结构静力模型实验指导书.docx

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水工结构静力模型实验指导书

水工结构静力模型实验指导书

河海大学

、课程性质和目的：

（1）水工结构模型试验

所谓水工结构模型试验就是将原型以某一比例关系缩小成模型，然后向该模型施加与原型相关的荷载，根据从模型上获得的信息如应变位移等，通过一定的相似关系推出原型建筑物在应力、变形强度等成果。

（2）进行水工结构模型试验的目的和意义

水工建筑物因其受力特征、几何形状、边界条件等均较复杂，特别是修建在复杂地基上建筑物更为如此，尽管计算机技术和空间有限元等正迅速发展，但目前还不能用理论分析方法完美地解决建筑物的稳定和应力问题，因此模型试验作为一种研究手段则具有重要的意义，可归纳成如几个方面：

1．通过对水工建筑物的模型试验研究可以验证理论设计，国内外大型和重要的水工建筑物的设计，都同时要求进行计算分析和试验分析，以期达到互相验证的目的。

2．通过对原型结构的模拟试验，预测水工建筑物完建后的运行情况以及抵御事故的能力。

3．由于物理模型是对实际结构性态的模拟，在模型上还有可能出现原先未知而又实际存在的某些现象，因此模型试验研究不仅仅是对数理分析方法的验证，而且是获得更丰富切合实际的资料的积极探索，所以进行水工结构模型试验目的也是更好地探索新理论、新材料、新技术、新工艺的一种手段。

3）结构模型试验研究的主要内容：

a.大型水工建筑物的整体应力及变形问题。

b.结构物之间的联合作用问题。

c.地下结构的应力与稳定问题。

d.大坝安全度及破坏机理问题。

e.水工结构的动力特性问题。

f.验证新理论、新方法、新材料、新工艺等。

4）模型试验的分类方法

①按建筑物的模拟范围和受力状态分类

a.整体结构模型试验：

研究整体建筑物在空间力系作用下的强度或稳定问题。

b.平面结构模型试验：

研究结构单位长度断面在平面力系作用下的强度和稳定问题，如重力坝坝段平面结构模型试验就是研究重力坝在水荷载作用下的应力和变形。

c.半整体结构模型试验：

②按作用荷载特性分类

a.静力结构模型试验：

研究水工建筑物在静荷载（静水压力、自重、温度等）作用下

的应力、变形及稳定问题的整体或断面（平面）模型试验。

在静力试验中还可分为线弹性结构应力模型试验（模型材料以石膏为主）和非线性结构模型破坏试验，即地质力学模型试验

（模型材料以高容重、低强度、低变形模量的非线性模型材料重晶石粉等为主）。

b.动力结构模型试验：

研究水工建筑物在动荷载作用下的结构动力特性和动力反应的模型试验。

我们教学实验选用静力模型试验中的结构应力模型试验，这是结构模型试验中采用较多的一类试验，它的目的主要是了解结构在受到正常荷载或特殊荷载作用下的结构性态，如

应力大小及应力及分布变形等，对不满足工程要求的结构提出改进措施，为工程设计提供依

据。

（5）结构模型试验的相似原理

怎样才能使水工结构模型反映出原型水工结构的力学现象呢？

这就要求模型与原型两者必须相似。

所谓相似包括两个基本概念，其一是模型和原型之间的同类物理量之比为常数,称为相似常数（相似常数），最常遇到的是弹性相似，各物理量的相似常数如下表：

物理量名称

原型

模型

相似常数

几何尺寸

lp

Im

C1p

Cl=厂

应力

aP

am

Cap

Gm

位移

S

侏

6p

vm

弹性模量

Ep

Em

Ep

CE一E

泊桑比

打

%

5J

m

重力密度

rp

rm

rm

面力（边界应力）

Xp

xm

Xp

CI=

Xm

体力

Xp

Xm

Cx壬

Xm

力

Pp

Pm

C—旦"Pm

其二是模型各物理量之间和原型各物理量之间有相同关系方程式。

例如对于两相似系统

①相似定理

相似定理是进行模型试验的理论基础，有三个相似定理：

a.相似第一定理：

对于彼此相似的理解其相似指标等于1或其相似判据为一不变量。

b.相似第二定理：

任一现象的各物理量之间的关系方程式，都可以转换为无量纲方程而两个相似现象的无量纲方程中的各个对应项都是相似判据式。

c.相似第三定理：

在物理方程相同的情况下，若单值条件相似，则这两现象一定相似。

应用相似第一定理和相似第二定理，可以弄清楚两相似体中诸物理量之间的关系，从而推导

出模拟某一自然现象或物理规律所必须遵循的相似准则，再由相似第三定理，赋予两相似体

中各项单值条件以具体的不同数量级，即可获得模拟这一现象符合相似理论的不同规模的模

型方案供比较选用，这就是相似理论在模型试验中的应用。

线弹性模型所遵循的相似准则可根据相似原理由弹性力学的基本方程式和边界条件推

出：

CJGCr=1

C；Ce/C；—1

C一=1

Cx/C1

至于水工结构模型破坏试验不再祥述。

（6）模型设计

怎样进行模型设计呢？

由上节相似原理的公式得到C^CrC1，这就是说模型设计的

基本内容就是要解决：

用什么材料做模型（确定CE），模型该做多大（定Cl），以及在模型

上该加多大的荷载（定Cr）三个问题，这就要根据原型资料及试验条件的具体情况分析确

对教学试验模型：

（属应力模型）

C1:

应力模型常采用C1=100〜200,几何比尺的选用还与模型的边界条件、地质构造分布情况、模型槽尺寸及量测设备等有关，必须加以综合考虑，教学模型采用C1=100,CE、

CI、Cr是代表材料的一些物理力学性质的相似常数，这几个常数确定了采用模型材料的种类，教学模型采用石膏材料，石膏属脆性材料，它的"值与岩石及混凝土很接近，亦能

满足二1的条件。

一般应力模型的Em取值大于1000MPa，教学模型见图，模型采用

Em=2500MPa的石膏材料，原型材料的Ep=25000MPa，这时CE=10。

Cr和CP:

根据相似关系Cr=CP，这两个常数用于确定模型荷载的大小及加荷方式。

当C1、CE确定时，Cr可由Cr/G推出，由于试验加荷方式采用油压千斤顶系统加载，模拟水压时Cr（或Cp）有较宽的变幅可供选择。

此外，边界条件、地基范围的确定也是模型设计中应考虑的重要因素。

原则上地基范围

的大小应包括结构受荷载作用后所影响的区域。

一般对地基无特殊要求的情况下，重力坝断

面模型的坝基范围取为：

上游坝基长度不小于1.3倍坝底宽或1.0倍坝高，下游坝基长度不

小于2.0倍坝底宽或1.5倍坝高。

坝基深度不小于1.5倍坝底宽度或1.0倍坝高。

（7）模型材料、模型制作

a•模型材料，对模型材料的要求：

与原型材料的物理力学性能相似，保证材料均匀性，各向同性、连续性、稳定性，材料凝固前有较好的和易性，便于施工和修补。

目前常用的坝工模型材料有：

纯石膏材料、石膏混合材料；此外还有以石膏、重晶石粉、砂子和甘油、机油等为原料的地质力学模型材料。

b.模型制作：

由从事模型试验的工程师进行模型放样，由专门熟练的模型工进行制作。

模型加荷方法：

主要有液体加荷、气压加荷和千斤顶加荷等。

我们教学模型上采用千斤顶加荷。

千斤顶加荷法：

把作用于坝上的水压力分成若干个区，计算出每个区的合力，然后用不同规格的千斤顶以集中力方式加到每个区的合力位置上。

为了使受力面上的压力分布尽量接近实际，往往在千斤顶与坝面之间设计有各种垫块，使千斤顶出力能以分布力的方式传到结构上去。

这类加荷系统包括：

油泵、分油器、油压表、千斤顶、垫块以及高压油管等设

可适用于不同加荷的需要，不它的缺点是设备的加工精度要

备。

这种方法的优点是，由于它可以很方便地改变压强,仅适用于弹性应力模型，而且多用它进行结构破坏试验。

求高，要严格控制漏油问题

（9）安装量测技术及成果整理

在结构静力模型试验中，通常需要量测的两个参数是应变和位移。

有了测量的应变值就可以计算出测点的正应力及主应力及其方向和大小，当测点足够多时就可以得到应力分布。

有了测点的位移值就可以得到结构的局部变形和整体变形，以及破坏的发生与发展。

目前，在模型试验中，常用的实验应力分析方法有电测法、机测法、光测法等，本次模型实验采用电测法，求解结构的应力分析问题。

所谓电测法就是采用敏感元件电阴片测量应变，因此贴片工艺及贴片技术是非常关键的问题，它直接关系到测量成果的可靠性或实验的成败。

这里讲的贴片技术包括电阻片选用

及质量检验，试件的表面处理；电阻片的保护和防潮处理等。

对于我们研究应力模型上测点贴片位置，一般以满足试验任务的要求，例如一般需要获得应力分布、最大应力等。

一般要求重复试验的测值变幅不大于5亠。

对于这种常温静态应变测量一般的程序为：

首先对模型进行预压，以消除其残余变形，预压荷截的大小可取材料的极限强度的1/4左右，预压次数的多少与不同的模型材料有关。

然后进行正式加荷，每次加荷顺序必须统一，并尽量与原型实际工作状态一致，每级加荷完

毕需要有稳压时间，使模型变形趋于稳定（一般为10〜15分钟），方可正式开始测量应变值，每级荷最好连续循环测读两次，用以核对及复查。

静态应变测量一般最少重复三次。

模型位移的测量也有机测与电测两种方法。

机没主要应用千（百）分表进行位移测量，其特点是比较直观、精度高，但仪器设置有一定局限性，受测量时间影响较大。

电测主要用

位移传感器，这是发展方向。

随着高科技的发展，现在试验量测技术越来越自动化，这类测试系统主要由三部分组成，即：

自动巡回检测系统，计算机控制系统，输出、打印、显示，绘图等外部设备，藉助于计算机，进行数据采集、数据处理及成果记录等，全部实现自动化程序控制，促进了模型

试验技术的进一步发展。

根据模型试验量测的应变值和模型相似理论换算到原型，得到原型建筑物的特征点的应变应力值，并画出水工结构的应力、变形规律图，结合水工结构的基本理论进行成果分析。

重力坝平面结构模型上任一点应力可根据该点的一个实测应变值按下式进行计算：

（不

直接承受水压力的表面）

Em

ClCf（；x2=：

x）

（1）

式中：

X、-y、-xy分别为原型水平、垂直向正应力和剪应力

Em、‘为模型材料的弹性模量和泊松比，

Cf、C1为密度和几何尺寸的相似常数；

;x、-y和-xy分别为模型实测的水平、垂直和45°方向的应变值。

示得二x、二y和xy后，再按下式求得主应力。

67

xy

6,22_

tg2：

上式中：

代数值较大的主应力为第一主应力。

般电阻应变仪以拉应变为正值，压应变为负值，因而在脆性材料结构模型试验中,

1、实验步骤：

按照上述实验内容，其具体步骤见框图。

大流量、高水头等有利条件进行高速水流问题研究及在施工现场进行工程的导流截流试验。

（2）供水系统，有自流式和循环式两种。

①自流式供水系统利用闸、坝、瀑布及渠道的水位落差引水至试验

室，试验后的尾水不再重复利用。

②循环式供水系统包括蓄水池、平水塔、配水管、量水设备、回水

管（槽）、沉沙池、水泵等，模型试验用水循环使用，见图。

回水编循环式供水系统示意图（3）专用设备包括：

①试验水槽，如进行二维水流试验的玻璃水槽，进行波浪试验的波浪水槽等。

②活动水槽，

即底坡可以变动的水槽，用以研究糙率、推移质、高速水流掺气等问题。

③高水箱，用于进行泄洪洞、

坝身深孔进水口及深水闸门水力学特性、掺气减蚀及振动等的试验研究。

④减压箱、循环水洞、文丘

里管等。

（4）量测仪器，有测针、测压管、测压计、毕托管、文丘里流量计、量水堰、自动水位仪、

压力自动巡回检测仪、电磁流量计、测速仪（光电式、旋桨式、热线热膜式、激光式）、水下地形测量仪（电阻式、光电式及超声波式）、脉动压力传感器、掺气浓度仪、振动加速度仪、位移计等。

多数仪器要经过率定，保证试验所要求的精度。

目前已开发岀用微机对试验进行自动控制及对量测数据自动

采集和处理的系统。

发展简史1870年W.弗劳德（W.Froude）首先按水流相似准则进行了船舶模型试验。

1885年0.雷诺“）.Reynolds）利用重力相似准则进行了河口潮汐模型试验。

1898年H.恩格斯（H.Engels）在德国建立了世界上第一座水工试验室，进行了河道模型试验。

20世纪以来，水工模型试

验技术得到更大的发展，各国建立了许多著名的水工试验室，如法国的夏都（Chatu）、荷兰的台尔夫

特（Delft）、美国的陆军工程兵团水道试验站（waterwayExperimentalstation）、前苏联的全苏水工研究院（111”川F）等。

中国第一座水工试验所于1935年在天津建成，同年筹建了南京中央水工实验所。

1949年以后，随着水利水电建设的发展，在中国各大科研院所、流域机构、水利水电勘测设计院、高

等院校都相继建立了水工试验室。

3hulgongmox—ngsh一yon水工模型试验（hydrauliemedeltest）

按比尺缩小的模型中复演与原型相似的水流，进行水工建筑物各种水力学问题研究的实验技术。

在制

作天然河道或各种水工建筑物的水力学模型时，要按水力相似准则进行模拟。

这些相似准则一般有重

力相似、粘滞力相似、弹性力相似、表面张力相似、压力相似等，而以表述重力相似准则的W.弗劳德

（W.Fronde）定律最为常用。

此外还有空化水流、温差异重流等特殊情况的相似准则（见水力相似原理）。

根据水力相似原理，还可将模型中t测到的水力要素换算为原型的水力要素（见水力要素贵浏）。

通过

模型试验，可进行工程布置方案的比较，建筑物过流表面的体型优化，下游消能防冲等间肠的研究，

以解决实际工程间题，并进一步发展水力学理论。

水工模型试验的类型（l）按模型的范围分有整体模

型、单项整体模型和断面模型。

整体模型模拟整个水利、水电枢纽及其上、下游邻近河段的全部水流，

主要应用于水利、水电枢纽布t设计方案的验证、优选和优化试验，泄水建筑物上、下游水流衔接、

消能防冲、防淤的试验，过坝建筑物上、下游引航道水流条件的试验等。

整体模型采用的比尺一般为

1:

50~1:

15。

。

单项整体模型模拟单项水工建筑物的水流，主要应用于各类泄水建筑物、水电站进水

口、引水建筑物等的体型布置、过流能力、水流条件、消能效率等的试验，调压室波动试验，压力甘

道的水击模型试脸等。

单项整体模型的比尺一般采用l:

20~1:

100。

断面模型模拟水工建筑物的一部分水流，可在透明水柑或水管中进行试验。

主要应用于过流边界压力及脉动压力试验、二元水跃消能防冲

试验等。

断面模型的比尺多为1，10~1,50。

（2）按模型水平比尺和垂直比尺是否相同分为正态模型和

变态模型。

正态模型的水平和垂直比尺相同，为多数水工模型试验所采用.变态模型的水平和垂直比

尺不同，以保持大范围水力学模型中有一定水深，主要用于河道或港湾的模型试验。

水平和垂直比尺

之比称为变率，一般在1:

2~l:

10之间，如相差过大就可能改变模型中水流的流态、流速和压强分布。

（3）按模型水流是否含沙分为清水模型和浑水模型，后者又称为泥沙模型试脸，可应用于河道、水牟、

沉沙池、上下游引航道的泥沙冲淤试验.（4）按模型水面所受气压的大小分为常压模型试验和减压模型

试验。

常压模型试验的模型水面所受的气压为大气压力，适用于多数水工模型试验.减压模型试验的

模型水面所受的气压低于大气压力，气压大小按模型比尺缩小，需将模型放t在减压箱内进行试脸，适用于空化试脸。

（5）按河床水流边界是否固定分为定床模型试验和动床模型试验。

定床模型试验中的

水流边界是固定的，不受水流冲淤的影响，而动床模型试验中河床的水流边界由可冲刷材料组成，以

究问题的性质和任务，选定模型的类型和比尺，进行模型的设计.在试验场地，用水泥、砂石、木材、

俐材、塑料等材料或制品制作模型。

（2）布里侧试系统。

按照模型试验要求，在预定区域或断面上布

工侧点，设里量侧水位、流速、流t、压强、流态、地形的仪器设备，并取得原始侧读数据.（3）进行

预备试验。

用已有资料验证模型中水流是否与原型相似，必要时对模型进行修正，如进行河道模型试

验时，要对河床糙率n值按实侧资料验证，以保证其相似性。

（4）进行试验研究。

如系工程试验，一般先进行原设计方案的试验，观察水流流态，量侧各项水力要素。

针对原布置方案的问题，参照已有

工程经验及科研成果，对模型进行修改，逐步优化。

最后对选定方案进行总结试验。

对研究课题则按

拟定的试验研究提纲进行.（5）分析资料，编写报告，提岀相应的建议.试脸设备及仪器包括试验场所、供水系统、专用设备和侧量仪器等。

（I）试验场所有：

①室内试验厅，一般为综合试验大厅，可布置几个模型同时进行试验。

②尽天试验场，进行河工、港工及大型水利、水电枢纽的整体模型试验，需

要较大的试验流量及场地的模型试验，往往在解天试验场进行。

③工程现场试验场所，可利用工程现

场

超声流量计

ultrasonicflowmeter

利用超声波在流体中传播的特性制成的测速式流量计。

它的基本测量方法可分为传送时间差法、声波束偏转法和多普勒频移法三种。

前两种方法属于同一原理，即声波在运动的流体中传送的合成速度是流体流速和流体中声速的向量和。

其中以时间传送方法为最常用。

声速偏转法无须在管壁上切槽，并且适于测量高速流体。

多普勒频移方法只用一个变换器测量远距离点的流速，可用于体外测量人体深处的

血液流量，也适于测量工业上的某些容易产生散射的流体。

超声流量计已成功地应用于测量血液流量和河水流量。

在工业上，适用于测量各种流体和中、低压气体的体积流量而不受流体电导率、粘度、密度、腐蚀性和成分的影响。

它不妨碍管道中流体的流动，也不受管径大小的限制。

传送时间差法它采用两个声波发送器（SA和SB）和两个声波接收器（RA和RB。

同一声源的两组声波在SA与RA之间和SB与RB之间分别传送。

它们沿着管道安装的位置与管道成B角（一般9=45°）

（图1超声流量计原理）。

由于向下游传送的声波被流体加速，而向上游传送的声波被延迟，它们之间的时间差与流速成正比。

也可以发送正弦信号测量两组声波之间的相移或发送频率信号测量频率差来实现流速的测量。

声波束偏转法它的发送器沿垂直于管道的轴线发送一束声波，由于流体流动的作用，声波束向下

游偏移一段距离。

偏移距离与流速成正比。

多普勒频移法当超声波在不均匀流体中传送时，声波会产生散射。

流体与发送器间有相对运动时,

发送的声波信号和被流体散射后接收到的信号之间会产生多普勒频移。

多普勒频移与流体流速成正比。

图2多普勒测量方法中被测流体的区域位于发射波束与接收到的散射波束的交叉之处。

要求波束很窄，使两波束的夹角9不致受到波束宽度影响。

也可只采用一个变换器既作为发送器又作为接收器，这种方式称为单通道式。

在单通道多普勒血液流量计中，发送器间隔地发送声脉冲信号，在两个声脉冲间隔的时间中，接收从血管壁和血管内红血球反射回来的声脉冲信号。

采用控制线路选择给定距离处的红血球反射信号，通过比较后得到多普勒频移，它与血液流速成正比。

在已知血管横截面时可得到血液流量。

差压式流量计

differentialpressureflowmeter

通过测量与流量成一定关系的流体压差来测量流量的传感器。

常用的测量方法是把节流装置装在管道内，利用物质流经节流装置前后产生的压力变化来进行测量。

其原理基于流体的连续性原理和伯努利定律。

所谓连续性原理是流经管道任一截面的流量为恒定。

因此，流体在流经节流装置时流速加快，而流量不变。

伯努利定律则表明任一流体在流动中能量不变，当流体流速加快、即动压力加大时流体的静压力降低。

节

流装置的形式有文丘里管和差压孔板等。

也可通过测量总压力与静压力之差来测量动压力而最终确定流量。

实现这种测量的装置是皮托管。

差压式流量计历史悠久，也是现代流量测量中应用最广泛的一种。

它的结构简单，使用寿命长，适应性较广，几乎能够测量各种工况下的单相流体和高温、高压下的介质流量。

皮托管它是双层的套筒（图1皮托管的作用原理），外层的筒壁上开孔，把它置于流动气体管道的

中心部分。

皮托管中间孔道作用有总压力Pt，而外套筒壁上小孔则作用有静压力PS,然后将总压力和静

压力之差通过波登管转换成位移，再由位移传感器转换成电信号。

该压力差即为流体的动压力Pd,根据流

体力学中的伯努利方程可知，□，式中□为流体密度,V为流体速度。

由此可测岀管道中心位置的流速。

管道的平均流速与中心速度之比是雷诺数的函数。

管道的平均流量与平均流速成正比。

文丘里管它是截面对称地收缩的管子，在最大截面和最小截面之上各有一个细管（图2文丘里管的作用原理）。

细管的液面位置即表示所在截面的流体压力。

根据流体连续性原理，在管道的截面1-1和2-2

流过的流量相等即A1V仁A2V2式中A1与V1和A2与V2分别表示截面1和2处的截面积与流速。

再根据伯努利方程就可求出V2与两截面的静压力差PS1-PS2的平方根成比例，即流体的体积流量与压差的平方根成比例。

差压孔板它是最常用的一种流量检测元件。

在管道中插入一个有中心孔的薄金属板就构成差压孔板（图3差压孔板的作用原理）。

这个孔板使流体产生很大的压差P1-P2（P1、P2分别为紧贴孔板前后的流

体压力）。

根据伯努利方程可求出流量与P1-P2成正比。

通常在孔板两边取出压力P1和P2,通过小管道送

至差压传感器，使膜片中心产生位移，再用位移传感器把位移转换成电信号。

电磁流量计

electromagneticflowmeter

应用电磁感应原理，根据导电流体通过外加磁场时感生的电动势来测量导电流体流量的一种仪器。

按照外加磁场类型的不同，电磁流量计主要有直流式和感应式两种。

直流式电磁流量计直流式电磁流量计（图1直流式电磁流量计）的外加恒定磁场B垂直于管轴，□、

□处装有两个电极，用来测量流体横越磁场时所感生的电动势口。

流量□可用下式求岀：

□，式中□为管道横截面积；□为管道直径；□为修正系数，用来修正导岀公式时未计及的因素（如流量计管道内的流速事实上并不均匀）的影响。

在常用的流量计中，□约为0.8，但对于特定尺寸、用于特

定工况的电磁流量计，则要用容积法（一定时间内流过的容积）标定□值。

磁场可由永久磁铁产生，磁铁

材料一般是铝-镍-钻合金。

流量大时，因管径较大，故采用无铁芯激磁绕组，通以定常直流电流来产生一

个近似均匀的磁场。

感应式电磁流量计在被测流体温度过高或对电极有强烈腐蚀作用等情况下，可采用感应式电磁流量计（图2感应式电磁流量计）。

A、B为匝数相等的两个交流激磁绕组（图中画的是截面），绕组之间是串联的,但各自的电流方向相反。

当流体静止时，通过感应线圈C的合成磁通为零，故线圈中没有感生的交变电动势。

流体流动时感应线圈中就产生交变电动势，其大小与流速成正比。

基于这一原理，还有很多改型方案。

例

如用一个激磁绕组，而在它的对称的两侧各安置一方向相反的感应线圈并串联起来（图3感应式电磁流量计

的一个改型方案）。

流体流动时，磁力线向流动方向移动，使两边感应线圈中的感生电动势不为零，由此可间接表示岀流量的大小。

电磁流量计的管道内没有其他部件，所以除用于测量导电流体的流量外，还可用于测量各种粘度的不

导电