模型試驗是水利工程建設(shè)中不可缺少的重要科研內(nèi)容,也是水利水電工程專業(yè)非常重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)之一。本書主要介紹了水利工程模型試驗相關(guān)理論、水工模型試驗、河工模型試驗、水工結(jié)構(gòu)模型試驗、地質(zhì)力學(xué)模型試驗等,還介紹了水利工程模型設(shè)計制作與驗證、模型試驗測量、試驗數(shù)據(jù)整理與分析等。結(jié)合水利水電工程專業(yè)課程《水工建筑物》課程試驗內(nèi)容,給出了相應(yīng)的模型試驗示例,供學(xué)生參考。
本書可作為高等院校水利水電工程專業(yè)、農(nóng)業(yè)水利工程專業(yè)、港口航道與海岸工程專業(yè)教材,也可供水利相關(guān)科研人員參考使用。
1．物理模型實驗在重大水利工程及科研方面具有不可替代的作用，其不僅可以論證工程設(shè)計的安全性和合理性，而且還可以預(yù)見原型可能發(fā)展的趨向。因此，在當(dāng)前的教學(xué)和科研中均急需有一本內(nèi)容稍全面，可適于水利水電工程、港口及河道治理工程、農(nóng)業(yè)水利工程等多專業(yè)模型試驗設(shè)計的參考書。
2．立足于水利工程模型實驗的基本理論和方法，列舉大量實際工程模型的設(shè)計，提出不同驗證目的下的理論知識測試練習(xí)、設(shè)計重點訓(xùn)練，理論聯(lián)系實際，拓寬學(xué)生知識面、提高學(xué)生綜合試驗?zāi)芰脱芯繂栴}能力。
3．隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，水利工程模型實驗出現(xiàn)了許多新技術(shù)、新設(shè)備、新方法、新材料，也取得了許多新的經(jīng)驗，有關(guān)模型試驗規(guī)程也相繼制定或修編。本書力求將最新成果編入，為培養(yǎng)新世紀(jì)的專業(yè)人才服務(wù)。
前言
水利工程模型試驗是按照相似準(zhǔn)則將原型縮制成模型進(jìn)行試驗研究,在設(shè)計工況下對模型進(jìn)行不同特征參數(shù)的觀測與分析,然后按照一定的相似準(zhǔn)則引申至原型,從而對原型設(shè)計的合理性作出判斷。運(yùn)用水工模型試驗的方法,不僅可以論證工程設(shè)計的安全性和合理性,而且還可以預(yù)見原型可能發(fā)生的現(xiàn)象,同時,可對設(shè)計所依據(jù)的理論和技術(shù)進(jìn)行驗證。因此,模型試驗是水利工程建設(shè)中非常重要的科研內(nèi)容,是進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計的前提,其成果為水利工程設(shè)計方案的選取提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。
對于水利行業(yè)后備軍的水利水電工程專業(yè)的學(xué)生而言,學(xué)習(xí)水利工程模型試驗的基礎(chǔ)理論以及模型試驗數(shù)據(jù)采集、分析方法,使其具備開展水利工程模型試驗的基本素養(yǎng),也是專業(yè)培養(yǎng)的目標(biāo)之一。本書即是為學(xué)生學(xué)習(xí)水利工程模型試驗基礎(chǔ)理論和方法而編寫。
本書主要內(nèi)容安排如下:第1章介紹了水利工程模型試驗的意義、發(fā)展歷程,模型試驗的分類以及存在的問題和發(fā)展趨勢;第2章闡述了水工模型試驗的基礎(chǔ)理論,包括量綱分析、相似定理、相似準(zhǔn)則以及相似試驗的限制條件等;第3章詳細(xì)介紹了水利工程泄水建筑物及消能模型試驗、水電站有壓引水系統(tǒng)非恒定流模型試驗以及地下水滲流模型的內(nèi)容與方法,同時給出了水利工程泄水建筑物、水電站有壓引水管道非恒定流和土石壩滲流沙槽模型試驗示例;第4章主要介紹了定床河工模型試驗、動床河工試驗、懸移質(zhì)動床模型試驗和推移質(zhì)動床模型試驗的內(nèi)容和方法;第5章主要介紹了水工結(jié)構(gòu)模型試驗的相似條件、設(shè)計內(nèi)容、試驗材料、模型制作,以及試驗時荷載的施加方法等,并詳細(xì)介紹了拱壩模型試驗的步驟、測點布置、數(shù)據(jù)采集;第6章闡述了地質(zhì)力學(xué)模型的相似準(zhǔn)則與設(shè)計原則、試驗材料、荷載施加方法等,并以地下洞室模型試驗為示例,詳細(xì)給出了模型設(shè)計制作過程、試驗步驟、試驗儀器、測點布置、數(shù)據(jù)采集;第7章主要介紹了水利工程模型試驗的規(guī)劃設(shè)計、模型的制作與安裝等;第8章主要介紹了水利工程模型試驗中流速、流量、水位波高、摻氣水流、空化水流、泥沙含量、壓力壓強(qiáng)、應(yīng)力應(yīng)變以及位移的測量儀器與測量方法;第9章為模型試驗測量誤差分析、試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計,以及試驗報告編寫等。
本書第1、2、3、8章由黃靈芝編寫,第4章由王飛虎編寫,第5、6章由司政編寫,第7、9章由李炎隆編寫。全書由黃靈芝統(tǒng)稿。
本書編寫過程中,得到西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院水利水電工程系教師李守義、張曉宏、柴軍瑞、楊杰、宋志強(qiáng)、許增光、覃源、李曉娜、王琳等的支持,書稿完成過程中還得到皇甫秉輝、霍曉宇、云甲等研究生的大力支持,在此表示衷心的感謝。
限于編者的經(jīng)驗與水平,書中難免存在錯誤和疏漏之處,真誠歡迎讀者批評指正。
編 者
2020年4月
黃靈芝 ，西安理工大學(xué)水利水電工程系教學(xué)，主講水利工程實驗。專長學(xué)科水利工程實驗，水利工程安全驗證。
目錄
前言
1 模型試驗概述 1
1.1 模型試驗的意義 1
1.2 模型試驗的發(fā)展歷程 1
1.3 模型的分類 4
1.4 模型試驗存在的問題及發(fā)展趨勢 5
2 模型試驗基礎(chǔ)理論 7
2.1 量綱分析 7
2.2 相似現(xiàn)象及相似概念 16
2.3 模型試驗常用的相似準(zhǔn)則 23
2.4 相似準(zhǔn)則的應(yīng)用及限制條件 30
3 水工模型試驗 34
3.1 水利樞紐整體模型試驗 34
3.2 泄水建筑物及消能工模型試驗 38
3.3 水電站有壓引水系統(tǒng)非恒定流模型試驗 49
3.4 地下水滲流模型試驗 55
4 河工模型試驗 66
4.1 定床河工模型 66
4.2 動床河工模型 69
4.3 懸移質(zhì)動床模型設(shè)計 78
4.4 推移質(zhì)動床模型設(shè)計 80
5 水工結(jié)構(gòu)模型試驗 82
5.1 結(jié)構(gòu)模型試驗的相似判據(jù) 82
5.2 結(jié)構(gòu)模型的設(shè)計 87
5.3 結(jié)構(gòu)模型試驗的材料 89
5.4 模型的制作 91
5.5 荷載的模擬 93
5.6 結(jié)構(gòu)模型試驗示例 94
6 地質(zhì)力學(xué)模型試驗 98
6.1 地質(zhì)力學(xué)模型概述 98
6.2 地質(zhì)力學(xué)模型的設(shè)計原則及相似判據(jù) 99
6.3 地質(zhì)力學(xué)模型相似材料 100
6.4 地質(zhì)力學(xué)模型的試驗方法 103
6.5 地質(zhì)力學(xué)模型試驗荷載施加 104
6.6 地下洞室模型示例 106
7 模型設(shè)計制作與驗證 110
7.1 模型的規(guī)劃設(shè)計 110
7.2 模型制作與安裝 114
7.3 模型的驗證 120
8 模型試驗測量 123
8.1 流速測量儀器 123
8.2 流量測量 125
8.3 水位及波高測量 128
8.4 摻氣水流測量 132
8.5 空化水流測量 136
8.6 泥沙含量測量 145
8.7 壓力壓強(qiáng)測量 148
8.8 應(yīng)力應(yīng)變測量 150
8.9 位移測量 155
9 試驗數(shù)據(jù)整理及分析 157
9.1 測量誤差 157
9.2 試驗數(shù)據(jù)的表示與檢驗 164
9.3 試驗數(shù)據(jù)測量的精度及審定 167
9.4 模型試驗報告編寫 172
參考文獻(xiàn) 173
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