什么是航道工程水工模型试验?

[拼音]：hangdao gongcheng shuigong moxing shiyan

[外文]：hydraulic model test of waterway engineering

把航道工程按一定比尺缩小成模型来研究其水流、泥沙特性的方法。航道工程中的水流、泥沙等方面的问题，在理论上还很不完善，尤其是在泥沙冲淤方面，难以确定其有关数值。模型试验在满足相似条件的基础上，通过复演原型的工作条件，在模型中研究在不同情况下的现象，并将试验成果按有关比尺转换成原型。

船闸中的不少水流运动问题，如输水系统及消能设备的布置和设计；过闸船舶所受的水流作用；输水阀门的工作条件；闸门启闭力等均无确切的计算方法，常常需要通过船闸水流模型试验的研究分析，指导工程实践。因此，船闸水流模型试验一直受到工程界的重视。

船闸水流模型要满足几何相似、运动相似和动力相似等条件。一般情况下，船闸模型的几何比尺常采用1:25左右为宜。如有必要，再以局部模型和断面模型试验作为整体模型试验的补充。船闸水流模型试验主要内容有两个方面。

（1）输水系统整体模型试验：用以寻求合适的输水系统布置。常在不同设计方案、不同水位组合和不同阀门开启时间等条件下，测定闸室灌泄水时间，并以闸室及引航道内过闸船舶的停泊条件的优劣来选择合理的输水系统形式。

（2）闸、阀门启闭力试验和输水阀门水流试验：通过测定不同形式的阀门启闭力、门体上压力分布、水流脉动数值、支座反力，以及对输水阀门的空穴、振动问题的研究，选择合理的阀门形式、过渡段体型、设置高程及其止水和门体结构布置。为了确保闸门的安全运行，也必须确定启闭力的变化过程和各种阻力的大小。此外，对于重要工程还应进行原体现场观测，以便验证试验成果。

航道整治及河床变形问题目前尚难完全从分析研究和理论计算的途径求得解决，现多采用模型试验或模型试验与分析计算相结合的方法解决。

航道水流模型分定床和动床两大类。定床模型的床面多用水泥沙浆制作，模型水流一般为清水。它只涉及到水流因素，要求满足的相似条件较少，所得成果的可靠性大。动床模型的河床可以发生冲淤变形，河床采用天然沙或人工轻质沙（如木屑、煤粉、塑料沙、胶木粉等）制作，模型水流挟沙。由于动床模型除了要满足阻力相似和重力相似外，还要满足泥沙（底沙和悬沙）运动条件相似、输沙量连续条件相似、输沙量沿程变化以及异重流运动等条件相似，再加上模型及模型沙材料与技术条件的限制，各有关相似条件难以同时满足，因而动床模型的难度大，所得成果的精度也较差。在实际工作中，当原型河床变形不显著，或虽有变形但对所研究的问题影响不大（如研究流态、主流线的变化、汊道分流比、裁弯取直后水面变化等问题）的时候，可以采用定床模型。若主要是研究悬沙淤积问题，可以采用定床浑水（悬沙）的办法。如果主要是了解河床冲淤变形时，则要采用动床模型。

航道水流泥沙模型按几何形态与原型相似的程度，又可分为正态模型和变态模型（见图）。正态模型，平面比尺和垂直比尺相同，因几何相似能较好地满足水流（流速分布、流态等）相似的要求，一般采用较多，但经常受场地、供水设备、模型平面尺度等条件的限制，模型不可能制作得太大。一般河道平面尺度大而水深尺度小，以致无法满足水流和泥沙运动等条件的相似，因而常常采用平面比尺小而垂直比尺大的模型，即变态模型。动床模型为了满足泥沙运动等相似条件，一般都采用变态模型。模型变态后，流速分布等水流条件与原型有偏离，变率（垂直比尺/水平比尺）越大，偏离越显著，因而对变率应有一定限制。一般枢纽模型应尽量采用正态模型。在流速较高的河段上（急弯或断面急剧变化者除外）及河道间有分流现象的模型，可以略有变态，其变率最好不大于6；对于仅研究水流平均流速及复演水面线和流量的模型，变率可较大。

模型试验中的量测仪器是控制和取得试验成果的手段。常采用的有流量仪、流速流向仪、水位仪、地形仪和加沙仪、测沙仪等。量测仪器采集试验数据的精度直接影响着试验成果的质量。模型量测和数据处理自动化是提高试验质量、加速试验进度和节省人力的重要措施。

物理模型可以清晰地探明水流的内在机理，确定运动参数和求解一些局部而又比较复杂的水流泥沙问题等，但需要试验场地，所需人力、物力较多，投资较大，所需时间也较长。数学模型在水流运动机理已明确，控制运动方程已经建立，有关计算数据已取得的情况下有其优点。它不需试验场地，耗资和所需时间一般较少。物理模型与数学模型相结合来模拟实际问题，称复合模型，常可扬长避短，相辅相成。