实验项目名称： 溢洪道流速流态分布测量实验 实验类型： 自主创新实验
姓名及学号: 方平 3110103076
其他小组成员: 钱晨辉 王坤 王婕 支颖
指导教师: 章军军老师 实验地点： 安中实验大厅 时间： 2013.12.21
溢洪道流速流态分布测量实验
一、实验背景
本工程下水库库区面积较大，蓄洪能力较强，而天然洪水相对较小，2000年一遇洪水24h 洪量仅387万m3，经过调洪演算分析，水库可利用蓄洪能力较强的特点，选择操作简便、安全的开敞式溢洪道作为水库主要泄洪设施。
下水库溢洪道布置在右岸，采用岸边开敞式，堰顶高程同正常蓄水位，自由溢流。溢洪道由进水渠、溢流堰、泄槽、挑流鼻坎及出水渠等组成。溢洪道的泄槽轴线与坝轴线成82.46°夹角，溢洪道全长约268.75m 。
进水渠底板高程79.00m ，长41.05m ，底宽为6m ，进水渠轴线由10.55m 长的直线段、20.5m 长圆弧段、5m 长的渐变段和5m 长的直线段组成，圆弧半径为24m ，进水渠采用梯形断面，两侧边坡开挖坡比为1:0.5。渐变段以前渠底及两侧设30cm 厚混凝土衬砌。
控制段堰顶宽度6m ，堰顶高程81.00m ，堰顶下游堰面采用WES 幂曲线，曲线方程y=0.2898x1.85，堰面曲线与反弧段相连，反弧半径5.0m ，反弧末端高程78.58m 。堰面曲线原点上游由椭圆曲线组成，并与堰上游面相切。溢流堰与两侧闸墩作为一个整体结构，闸墩顶高程与坝顶高程相同，挡墙顶部设交通桥，桥宽8m 。
溢洪道泄槽纵坡1:7.85，泄槽横断面采用矩形断面，两侧开挖边坡坡比为1:0.5，泄槽边墙为衡重式挡墙。泄槽底宽6m ，混凝土底板厚50cm ，底板基础设置锚筋及排水系统。泄槽段衡重式边墙高度为2.5m ，边墙及底板每约15m 长设置垂直缝，并设止水。泄槽中段有仙人洞断裂F9横穿，拟对其进行槽挖后回填混凝土处理。
溢洪道采用挑流消能，挑流鼻坎长6m ，连续挑坎坎顶高程58.49m ，反弧半径5.0m ，挑角25°。由于挑流鼻坎附近岩体为薄层状的瘤状泥质灰岩、页岩、泥质粉砂岩，物理力学性质较差，易风化，抗冲刷能力差，因此鼻坎后设长9m 的平护坦，护坦混凝土衬砌厚0.5m ，之后设一预挖冲坑，采用宽浅式结构，前段部分坡比为1:3，斜坡及底部采用混凝土衬护，厚度为50cm ，预挖冲坑顶高程为52.00m 。预挖冲坑以1：4的坡比与天然河床相连，底部采用60cm 厚干砌石护底并铺设土工布，出水渠长度约为58.60m 。
二、实验目的
（1）、验证两种流量情况下溢洪道的泄流能力； （2) 、观测溢洪道各部位的流态； （3）、分析各部分流速及流态，提出相应建议。
三、模型设计及实验装置
根据试验目的和要求及溢洪道水工模型试验的具体情况，模型选用几何比尺：λl=30。以水工（专题）模型实验规程SL156-165-95及水工（常规）模型实验规程SL155-95为标准。开敞式溢洪道主要受重力作用，选用佛汝德准则即重力相似准则设计，试验采用正态水工模型。 模型试验布置：为保证试验目的和要求，模型范围为上游库区溢洪道进水口左右两侧约150米（包括坝段）和进水渠上游150米，下游冲坑上下游约200米。库区为定床模型，下游冲坑设为局部动床模型。流量由模型进水阀门控制。试验时9m 高的平水塔经引水管道，经稳水墙，进入模型试验区，经试验模型系统后流向回水廊道。考虑到糙率相似和制作工艺，库区以混凝土抹面，溢洪道用机玻璃制作。流量测量用电磁流量计。试验完成后保留模型3个月以上，试验在模型在征得设计单位其同意后再拆除。
观测仪器：超声波管道流量计，旋桨流速仪，针式毕托管流速测量仪，压差式测压电测仪等。
四、实验内容
实验的主要内容为观测在设计和校核工况下溢流堰面、泄槽及挑流鼻坎段流速分布、水面线及水流流态。具体操作如下：
①、实验前准备。启动模型装置，模拟水库蓄满水，检核各个部分是否正常运行，保证整个装置达到实验要求。
②、调整进入库区的管道流量。用超声波管道流量计，测量管道流量，调整阀门，使流量达到设计流量或校核工况流量。
③、测量进水渠流速。进水渠选取4个断面和堰顶断面（图在下文标出），每个断面取9个均匀分布点，用旋桨流速仪测流速大小及方向。
④、测量泄洪口河床流速。沿流速方向每隔17cm 取4个断面，每个断面取大约10个点，点与点间隔17cm ，用旋桨流速仪测流速大小及方向。 ⑤、数据检核。
五、数据记录与处理
（1）、原始数据整理
①、溢洪道进水渠相关流速数据（模型）
②、泄洪口河床流速数据（模型）
（2）、换算过程
已知模型与实际溢洪道的比例尺为1:30，即λL =30，在重力相似条件下，
. 5
，故只需将模型流速按此比例放大即流速的换算比例公式为 λV =λ0L =
为实际流速。
（3）、经过换算后的实际数据整理（直接标示在图上）
①、溢洪道进水渠相关流速数据（实际）
②、泄洪口河床流速数据（实际）
六、数据分析 （1）、总体分析。
本次试验有两个工况，即设计和校核，在两种流速下，水流流态和流速较为
正常，没有特殊情况出现。
（2）、进水渠流速流态分析 ①流态分析：
从俯视图看，1断面和4断面及堰顶的水流流向均垂直于断面，符合工程上的要求。2断面右侧及3断面的左侧出现了摆动的情况，流态复杂，是设计和施工中需要特别注意的地方。 ②流速分析：
将进水渠的相关流速数据分上、中、下三层整理成如下柱状图的形式，便于观察和分析。 图一：
从上图为进水渠上层流速分布图，可以看出，左端和右端流速沿流向先减小后增大，在2断面处都达到最小，其中左端流速减少的十分明显，而中间流速沿流向先增大后减小再增大。比较5个断面，基本都为中间流速大，两边流速小。5断面，即堰顶断面，断面面积减小较多，故流速增大明显。整体比较，2断面左端流速最小，大小为58.06cm/s，5断面中间流速最大, 大小为418.24cm/s。
图二：
上图为进水渠中层流速大小柱状图，不难发现，左、中、右的流速沿流向均先增大后减小再增大，这与上层的流速情况有很大的不同。整体上看，中间流速大小基本都比左、右两边大，但相差不多，整体比较均匀。其中，最小流速为4断面的左端，大小为115.90cm/s，最大流速为5断面右端，大小为518.15cm/s。
图三：
上图为进水渠底层流速大小柱状图，其变化规律和中层流速情况差不多，左、中、右三侧的流速都经历了先增大后减小再增大的过程，并且三侧的流速相差并不大，比较均匀。最大流速出现在5断面的中间，大小为618.05cm/s，最小流速出现在4断面的左侧，大小为129.04cm/s。
③小结：
比较三个图，整体流速比较均匀，流速变化规律也比较明显。其中，中、底层流速在2断面都会增大，所以设计及建造施工中应该重点考虑此段面。同时堰顶的流速比较大，此处也该重点考虑。
（3）、泄洪口河床流速流态分析 ①流态分析：
从标明河床流速及流向的俯视图分析，中间流速基本垂直于断面，两侧流向不垂直与断面而是偏向两侧，而且距离中间轴越远的点，流向偏离越角度越大。上述特点是检核和设计两种流量下都具有的。而两者的不同点在于，检核工况下流向的改变角度比设计工况下大。 ②流速分析：
为使河床数据更为直观，方便比较，我们将河床的数据整理成了折线图，如下，
图四：
上图为检核流量下泄洪口河床流速分布图分析y1断面中，不难发现，流速分布规律为中间大，两边小，图线形成一个比较陡的峰，说明了中间流速比较急，水流能量大，对河床的冲刷作用强。而与之相距5m 的y2断面及后面的y3、y4断面，流速均为中间小，两边大的情况，图线形成比较平的谷，说明中间水流的能量被分散到两侧，整体流速变得均匀。同时比较各断面，其平均流速不断下降。
图五：
上图为设计流量下泄洪口河床流速分布图，图中流速规律较复杂。取y1断面流速图线分析，不难发现，两侧流速均较小，靠近中间流速增大，而最中间处流速骤然减小，图线形成了对称的两个峰和中间的一个谷。这种特殊情况出现的原因可能是河床地形造成的，为使中间流体的能量较快地分散到河床两侧，河床中间部分略有抬高，使得中间部分水流的动能转化为势能，故流速下降，出现谷点。y2断面流速分布虽有一些起伏，但整体较为均匀。y3、y4断面流速分布规律相似，大致中间小两边大，水流的能量被分散到河床的两侧。
③小结：
从整体来看，水流的能量从中间向两端分散，同时其总体能量在不断下降，说明河床的散能和消能作用还是比较明显的。而河床两侧水流大，应该考虑对河床两岸的的加固处理，防止水流冲刷作用。
七、心得体会
这次流体力学创新实验和平时做的普通的流体力学实验有很大的不同，虽然花的时间比较多，但收获也多。总的来说，可以分为三点。
首先，对安中实验大厅有了前所未有的了解。在章老师的带领下，我们参观了试验大厅的地下室，里面有很多水泵将地下水库的水抽上来用于水利实验；我们也看了实验大厅顶层的水池。对整个实验用水循环系统有了初步的了解。
其次，这次创新实验对我们来说，和实验室里的小打小闹完全不同，我们面临的挑战更大。不仅要克服寒冷的天气，而且还要在摇摇欲坠的竹筏上测量，同时，实验中面临的不确定因素更大。我们需要在实验中不断摸索，完善自己操作仪器的技能，尽量将偶然误差降到最低，使数据更加准确。经过这次对模型的直接接触，也让我对溢洪道有了更为深刻的了解，而这些在书本上是体会不到的。
最后，如何分析这上百个数据成了头疼的问题。不过，在网上查找了一些资料，同时自己也花了一定时间分析思考，终于对这批数据的处理有了一些眉目。在对这些数据的分析中，自己的思路也更加明确，对溢洪道的整个流态流速也有了更为深刻的理解。
实验项目名称： 溢洪道流速流态分布测量实验 实验类型： 自主创新实验
姓名及学号: 方平 3110103076
其他小组成员: 钱晨辉 王坤 王婕 支颖
指导教师: 章军军老师 实验地点： 安中实验大厅 时间： 2013.12.21
溢洪道流速流态分布测量实验
一、实验背景
本工程下水库库区面积较大，蓄洪能力较强，而天然洪水相对较小，2000年一遇洪水24h 洪量仅387万m3，经过调洪演算分析，水库可利用蓄洪能力较强的特点，选择操作简便、安全的开敞式溢洪道作为水库主要泄洪设施。
下水库溢洪道布置在右岸，采用岸边开敞式，堰顶高程同正常蓄水位，自由溢流。溢洪道由进水渠、溢流堰、泄槽、挑流鼻坎及出水渠等组成。溢洪道的泄槽轴线与坝轴线成82.46°夹角，溢洪道全长约268.75m 。
进水渠底板高程79.00m ，长41.05m ，底宽为6m ，进水渠轴线由10.55m 长的直线段、20.5m 长圆弧段、5m 长的渐变段和5m 长的直线段组成，圆弧半径为24m ，进水渠采用梯形断面，两侧边坡开挖坡比为1:0.5。渐变段以前渠底及两侧设30cm 厚混凝土衬砌。
控制段堰顶宽度6m ，堰顶高程81.00m ，堰顶下游堰面采用WES 幂曲线，曲线方程y=0.2898x1.85，堰面曲线与反弧段相连，反弧半径5.0m ，反弧末端高程78.58m 。堰面曲线原点上游由椭圆曲线组成，并与堰上游面相切。溢流堰与两侧闸墩作为一个整体结构，闸墩顶高程与坝顶高程相同，挡墙顶部设交通桥，桥宽8m 。
溢洪道泄槽纵坡1:7.85，泄槽横断面采用矩形断面，两侧开挖边坡坡比为1:0.5，泄槽边墙为衡重式挡墙。泄槽底宽6m ，混凝土底板厚50cm ，底板基础设置锚筋及排水系统。泄槽段衡重式边墙高度为2.5m ，边墙及底板每约15m 长设置垂直缝，并设止水。泄槽中段有仙人洞断裂F9横穿，拟对其进行槽挖后回填混凝土处理。
溢洪道采用挑流消能，挑流鼻坎长6m ，连续挑坎坎顶高程58.49m ，反弧半径5.0m ，挑角25°。由于挑流鼻坎附近岩体为薄层状的瘤状泥质灰岩、页岩、泥质粉砂岩，物理力学性质较差，易风化，抗冲刷能力差，因此鼻坎后设长9m 的平护坦，护坦混凝土衬砌厚0.5m ，之后设一预挖冲坑，采用宽浅式结构，前段部分坡比为1:3，斜坡及底部采用混凝土衬护，厚度为50cm ，预挖冲坑顶高程为52.00m 。预挖冲坑以1：4的坡比与天然河床相连，底部采用60cm 厚干砌石护底并铺设土工布，出水渠长度约为58.60m 。
二、实验目的
（1）、验证两种流量情况下溢洪道的泄流能力； （2) 、观测溢洪道各部位的流态； （3）、分析各部分流速及流态，提出相应建议。
三、模型设计及实验装置
根据试验目的和要求及溢洪道水工模型试验的具体情况，模型选用几何比尺：λl=30。以水工（专题）模型实验规程SL156-165-95及水工（常规）模型实验规程SL155-95为标准。开敞式溢洪道主要受重力作用，选用佛汝德准则即重力相似准则设计，试验采用正态水工模型。 模型试验布置：为保证试验目的和要求，模型范围为上游库区溢洪道进水口左右两侧约150米（包括坝段）和进水渠上游150米，下游冲坑上下游约200米。库区为定床模型，下游冲坑设为局部动床模型。流量由模型进水阀门控制。试验时9m 高的平水塔经引水管道，经稳水墙，进入模型试验区，经试验模型系统后流向回水廊道。考虑到糙率相似和制作工艺，库区以混凝土抹面，溢洪道用机玻璃制作。流量测量用电磁流量计。试验完成后保留模型3个月以上，试验在模型在征得设计单位其同意后再拆除。
观测仪器：超声波管道流量计，旋桨流速仪，针式毕托管流速测量仪，压差式测压电测仪等。
四、实验内容
实验的主要内容为观测在设计和校核工况下溢流堰面、泄槽及挑流鼻坎段流速分布、水面线及水流流态。具体操作如下：
①、实验前准备。启动模型装置，模拟水库蓄满水，检核各个部分是否正常运行，保证整个装置达到实验要求。
②、调整进入库区的管道流量。用超声波管道流量计，测量管道流量，调整阀门，使流量达到设计流量或校核工况流量。
③、测量进水渠流速。进水渠选取4个断面和堰顶断面（图在下文标出），每个断面取9个均匀分布点，用旋桨流速仪测流速大小及方向。
④、测量泄洪口河床流速。沿流速方向每隔17cm 取4个断面，每个断面取大约10个点，点与点间隔17cm ，用旋桨流速仪测流速大小及方向。 ⑤、数据检核。
五、数据记录与处理
（1）、原始数据整理
①、溢洪道进水渠相关流速数据（模型）
②、泄洪口河床流速数据（模型）
（2）、换算过程
已知模型与实际溢洪道的比例尺为1:30，即λL =30，在重力相似条件下，
. 5
，故只需将模型流速按此比例放大即流速的换算比例公式为 λV =λ0L =
为实际流速。
（3）、经过换算后的实际数据整理（直接标示在图上）
①、溢洪道进水渠相关流速数据（实际）
②、泄洪口河床流速数据（实际）
六、数据分析 （1）、总体分析。
本次试验有两个工况，即设计和校核，在两种流速下，水流流态和流速较为
正常，没有特殊情况出现。
（2）、进水渠流速流态分析 ①流态分析：
从俯视图看，1断面和4断面及堰顶的水流流向均垂直于断面，符合工程上的要求。2断面右侧及3断面的左侧出现了摆动的情况，流态复杂，是设计和施工中需要特别注意的地方。 ②流速分析：
将进水渠的相关流速数据分上、中、下三层整理成如下柱状图的形式，便于观察和分析。 图一：
从上图为进水渠上层流速分布图，可以看出，左端和右端流速沿流向先减小后增大，在2断面处都达到最小，其中左端流速减少的十分明显，而中间流速沿流向先增大后减小再增大。比较5个断面，基本都为中间流速大，两边流速小。5断面，即堰顶断面，断面面积减小较多，故流速增大明显。整体比较，2断面左端流速最小，大小为58.06cm/s，5断面中间流速最大, 大小为418.24cm/s。
图二：
上图为进水渠中层流速大小柱状图，不难发现，左、中、右的流速沿流向均先增大后减小再增大，这与上层的流速情况有很大的不同。整体上看，中间流速大小基本都比左、右两边大，但相差不多，整体比较均匀。其中，最小流速为4断面的左端，大小为115.90cm/s，最大流速为5断面右端，大小为518.15cm/s。
图三：
上图为进水渠底层流速大小柱状图，其变化规律和中层流速情况差不多，左、中、右三侧的流速都经历了先增大后减小再增大的过程，并且三侧的流速相差并不大，比较均匀。最大流速出现在5断面的中间，大小为618.05cm/s，最小流速出现在4断面的左侧，大小为129.04cm/s。
③小结：
比较三个图，整体流速比较均匀，流速变化规律也比较明显。其中，中、底层流速在2断面都会增大，所以设计及建造施工中应该重点考虑此段面。同时堰顶的流速比较大，此处也该重点考虑。
（3）、泄洪口河床流速流态分析 ①流态分析：
从标明河床流速及流向的俯视图分析，中间流速基本垂直于断面，两侧流向不垂直与断面而是偏向两侧，而且距离中间轴越远的点，流向偏离越角度越大。上述特点是检核和设计两种流量下都具有的。而两者的不同点在于，检核工况下流向的改变角度比设计工况下大。 ②流速分析：
为使河床数据更为直观，方便比较，我们将河床的数据整理成了折线图，如下，
图四：
上图为检核流量下泄洪口河床流速分布图分析y1断面中，不难发现，流速分布规律为中间大，两边小，图线形成一个比较陡的峰，说明了中间流速比较急，水流能量大，对河床的冲刷作用强。而与之相距5m 的y2断面及后面的y3、y4断面，流速均为中间小，两边大的情况，图线形成比较平的谷，说明中间水流的能量被分散到两侧，整体流速变得均匀。同时比较各断面，其平均流速不断下降。
图五：
上图为设计流量下泄洪口河床流速分布图，图中流速规律较复杂。取y1断面流速图线分析，不难发现，两侧流速均较小，靠近中间流速增大，而最中间处流速骤然减小，图线形成了对称的两个峰和中间的一个谷。这种特殊情况出现的原因可能是河床地形造成的，为使中间流体的能量较快地分散到河床两侧，河床中间部分略有抬高，使得中间部分水流的动能转化为势能，故流速下降，出现谷点。y2断面流速分布虽有一些起伏，但整体较为均匀。y3、y4断面流速分布规律相似，大致中间小两边大，水流的能量被分散到河床的两侧。
③小结：
从整体来看，水流的能量从中间向两端分散，同时其总体能量在不断下降，说明河床的散能和消能作用还是比较明显的。而河床两侧水流大，应该考虑对河床两岸的的加固处理，防止水流冲刷作用。
七、心得体会
这次流体力学创新实验和平时做的普通的流体力学实验有很大的不同，虽然花的时间比较多，但收获也多。总的来说，可以分为三点。
首先，对安中实验大厅有了前所未有的了解。在章老师的带领下，我们参观了试验大厅的地下室，里面有很多水泵将地下水库的水抽上来用于水利实验；我们也看了实验大厅顶层的水池。对整个实验用水循环系统有了初步的了解。
其次，这次创新实验对我们来说，和实验室里的小打小闹完全不同，我们面临的挑战更大。不仅要克服寒冷的天气，而且还要在摇摇欲坠的竹筏上测量，同时，实验中面临的不确定因素更大。我们需要在实验中不断摸索，完善自己操作仪器的技能，尽量将偶然误差降到最低，使数据更加准确。经过这次对模型的直接接触，也让我对溢洪道有了更为深刻的了解，而这些在书本上是体会不到的。
最后，如何分析这上百个数据成了头疼的问题。不过，在网上查找了一些资料，同时自己也花了一定时间分析思考，终于对这批数据的处理有了一些眉目。在对这些数据的分析中，自己的思路也更加明确，对溢洪道的整个流态流速也有了更为深刻的理解。