1、河流模擬物理模型試驗（夏云峰 余文疇）第一節 河流模擬基本原理及物理模型試驗選用一、河流模擬相似的一般原理河流模擬相似必須遵循下述一些基本條件：（1）模型的流動現象和原型的現象應當屬同一類型，即為同一物理規律所描述，如天然河流一般處于紊流狀態，這就要求模型也必須為紊流。（2）模型和原型對應斷面上，決定性相似準數相等，只有成自動模擬時，才可以不遵守該條件。如天然河流一般處于阻力平方區，流動阻力系數不再隨雷諾數變化而變化，當模型也處于阻力平方區，模型處于自模區，只需保證弗如德數和阻力相似準數相等，雷諾數相等可以不需保證。（3）模型和原型的同名物理量的相似常數相等。（4）模型和原型須成幾何相似。但受

2、場地、供水、量測和流動特性等條件限制，往往要采用平面比尺和垂直比尺不同的所謂變態模型，實踐經驗表明，在一定條件下，變態模型仍具備足夠的相似性。（5）模型的時間條件應當和原性的時間條件相似。（6）模型的邊界條件和初始條件應當和原性的邊界條件和初始條件相似。二、物理模型試驗的類型本文涉及的物理模型試驗是指河工模型試驗，試驗分類依據模型試驗的作用和性質等來區分。（1）按建設項目不同種類分，有防洪工程模型，河道治理工程模型，航道及港口工程模型，橋隧工程模型等。（2）按水流運動性質分，有潮汐河工模型，無潮河工模型。（3）按模型幾何相似程度分，有正態河工模型和變態河工模型。2 / 26（4）按河床的活動性

3、分，有定床河工模型和動床河工模型。（5）按泥沙輸移性質分，有推移質定床輸沙模型、推移質動床模型、懸移質定床淤積模型和懸移質動床模型。三、物理模型試驗的選用1、物理模型試驗的選用原則河道管理范圍內建設項目防洪評價涉及的模型試驗專題研究其模型試驗選用基于以下原則。（1）河道及建設項目的重要性 建設項目所在河段有重要的防洪任務或重要防洪工程的建設項目。 建設項目本身承擔著所在河段重要的防洪任務。 建設項目是所在河段較大的涉水建設工程。 建設項目將對所在河段河勢穩定可能產生一定的影響。 建設項目將對所在河段水動力環境和河床沖淤可能產生較大影響。（2）建設項目對防洪影響的敏感性 建設項目所在河段的有一定

4、的防洪風險，項目建設對防洪影響的敏感性增強。 建設項目對所在河段重要的防洪工程影響的敏感性較明顯。（3）建設項目對第三人合法水事權益影響的敏感性建設項目所在河段有重要的其它設施，該設施運行的合法水事權益受建設項目影響的敏感度較明顯。2、物理模型試驗的選用的一般情況建設項目根據其所在河道和本身的重要性以及影響的敏感性，開展物理模型試驗專題研究。如重要河流長江、黃河、淮河、松花江、珠江等流域的干流和主要支流，其重大的水電工程、河道整治工程、航道整治工程、涉水橋隧工程、電廠碼頭和取排水工程、港口碼頭工程、圍灘造地工程等需進行物理模型試驗研究。第二節 物理模型的建立與驗證一、模型試驗的相似條件1、水流

5、運動相似條件河道平面水流運動方程為：連續性方程： 運動方程：式中：U，V為x，y方向垂線平均流速；為水位；H為水深；C為謝才系數， ，n為曼寧糙率系數。由上述各式得下列相似條件： 重力相似： 阻力相似：水流運動時間相似：式中：為水平比尺；為垂直比尺；、分別為流速比尺，為謝才系數比尺，為糙率比尺，為水流運動時間比尺。 上式中包含重力相似，阻力相似和水流運動時間相似。需要指出的是，對于潮汐河口段大都河道寬淺，水流慣性力和阻力影響占主導地位，科氏力影響很小，一般模型試驗可以忽略。模型設計時，為保證模型和原型水流運動相似，還必須滿足以下限制條件：模型水流運動應處于紊流的阻力平方區，要求模型水流雷諾數滿

6、足，為此，模型垂直比尺應滿足下列公式要求：式中：UP，HP分別為原型的平均流速和水深；為模型液體粘滯系數；為原型水流阻力系數，。為避免模型內水流運動受表面張力的影響，要求模型水深： 模型糙率一般在0.0120.03范圍內較適宜。模型變率的限制從相似理論來說，幾何相似是一切相似的基礎。模型變態會引起垂線流速分布以及彎道環流相似性偏離，一般來講，河工模型變率允許到6左右。2、推移質運動相似條件推移質運動相似應滿足推移質輸沙能力相似條件和相對輸沙量相似條件。起動相似：可以滿足推移質輸沙能力相似條件。推移質相對輸沙量相似要求滿足下列相似條件：3、懸移質運動相似條件泥沙沉降相似：泥沙懸浮相似：泥沙起動相

7、似：輸沙能力相似：在模型設計中，變態模型中表示水體中泥沙沉降軌跡相似條件和泥沙紊動擴散達到含沙量沿垂線分布相似條件很難同時滿足，同時考慮沉降和懸浮相似，則，式中：m為指數，介于0.51之間，因此，m指數的選取原則上根據模型試驗研究的內容結合相似條件的物理意義取舍。 4、河床變形相似條件動床模型試驗的最終目標，是研究河床沖淤變形，預測建設項目對所在河段河勢及灘槽沖淤變化的影響。模型設計時，無論推移質模型試驗還是懸移質模型試驗，要求達到河床沖淤相似，歸結為確定河床沖淤時間比尺。河床變形的相似條件為：結合推移質輸沙能力和懸移質輸沙能力相似條件可知，推移質泥沙模型河床沖淤時間比尺為： 而懸移質動床模型

8、河床沖淤時間比尺為： 動床模型試驗的放水試驗控制時間必須按河床沖淤時間比尺確定實施，才能達到河床變形相似。由于現有輸沙能力計算公式存在偏差，故模型設計計算出輸沙能力比尺和河床沖淤時間比尺僅作為驗證試驗的預估值，模型試驗所采用的輸沙能力比尺和河床沖淤時間比尺均需通過動床模型驗證試驗在滿足沖淤相似的基礎上調整確定。二、物理模型設計1、模型范圍的確定模型的試驗段范圍應根據建設項目防洪評價專題研究目的和要求，考慮到所在河段河道情況和水流、泥沙運動條件，試驗段范圍應能充分涵蓋建設項目對上、下游河道可能影響的范圍。模型范圍除試驗段外還應包括進、出口過渡段，該過渡段為了調整和穩定進、出口水流，以達到模型試驗

9、段進、出口水流運動和天然相似。進口段長度一般要求不小于2550倍模型水深，出口段穩定距離以保證模型出口控制邊界（控制水位站位置）不受出口尾門降水曲線的影響。潮汐河工模型試驗根據進、出口生潮控制方式不同，模型進、出口過渡段范圍選取也不同，對于整體潮汐模型，下邊界采用潮位控制，上邊界宜采用扭曲水道模擬潮區界段的長度和容積。2、定床模型比尺的確定模型平面比尺應根據建設項目防洪評價模型試驗專題研究的目的與要求以及模型范圍結合試驗場地、動力設備、供水能力等統籌考慮確定。垂直比尺應根據模型相似條件結合模型設計需考慮的模型最小水深、雷諾數及阻力平方區和模型變率等限制條件確定。根據平面比尺和垂直比尺由相似條件

10、即可確定流速比尺、糙率比尺、流量比尺和水流運動時間比尺。3、模型的糙率問題根據試驗河段天然實測資料計算出不同水文條件下河道糙率，并由糙率比尺確定模型糙率。據此定床加糙可采用卵石、礫石、橡皮三角塊體等其他材料按密排或有間距的方式加糙，加糙的顆粒大小及排列方式可由水槽試驗或經驗公式算得，模型加糙要保證其過水面積相似，經模型驗證對加糙進行適當調整。某些流量級可允許重力相似偏離以達到阻力相似要求。動床模型加糙根據模型沙的糙率和適度岸壁和洲灘加糙以達到水流和泥沙運動相似，另外可通過對模型沙床面加插如小塑料花等物體進行加糙處理，若加糙有困難可允許重力相似有所偏離，其偏離值不宜超過±30%。潮汐模

11、型試驗必須遵循重力相似條件，確保潮波傳播相似，潮汐模型定、動床試驗均不宜采用重力相似偏離的方法以滿足阻力相似要求，根據河口段模型的形狀和長度情況，適量的阻力相似偏離是可以接受的。4、模型沙的選擇模型沙材料的幾何特性和力學性能應保持穩定，無粘性、不板結。根據模型試驗要求和模型的相似條件來選擇模型沙。模型沙的沉降速度、糙率、起動流速和輸沙率等性能指標，可通過水槽試驗確定。5、推移質泥沙模型比尺確定推移質泥沙模型的泥沙粒徑比尺應根據推移質運動相似中泥沙起動相似結合水流運動相似確定，輸沙率比尺和沖淤時間比尺通過合適的輸沙率公式和相對輸沙量相似及河床變形相似計算初定，最終通過驗證試驗確定。6、懸移質泥沙

12、模型比尺確定根據懸移質泥沙運動相似中的泥沙沉降、懸浮和起動相似在暫不考慮異重流相似條件的情況下，結合水流運動相似條件可計算出三個泥沙粒徑比尺的值，的選取依據試驗的目的和天然懸沙運動的特性確定。輸沙率比尺和沖淤時間比尺通過合適的輸沙率公式和懸沙輸沙能力相似及河床變形相似計算初定，當模型同時模擬推移質泥沙輸移時，由于輸沙率比尺的差異引起沖淤時間比尺的不一致，應以懸移質沖淤時間比尺為依據，最終通過驗證試驗確定。三、物理模型驗證1、定床模型試驗水動力條件驗證（1）驗證試驗的水文條件模型水動力條件驗證應收集本河段近期現場測驗資料，同時要包含和模型地形同期測量資料。對于內河模型驗證試驗依據河道自然條件及水

13、位的變幅，選擇不同的流量級進行驗證，一般驗證洪、中、枯三級流量。 一般潮汐河工模型需進行大、中、小潮驗證，對受徑流洪、枯季影響較明顯的河段，需進行洪、枯季大、中、小潮驗證。（2）驗證試驗的主要內容根據現場觀查和測驗資料，進行流態相似驗證，對內河模型進行沿程水位，斷面各測點流速大小、方向及其分布，斷面流量及汊道分流比驗證。潮汐河工模型需對各潮位站潮位過程、各測點潮流流速、流向過程驗證，控制斷面潮流量過程以及汊道分流比驗證。（3）驗證試驗的一般性要求模型水動力條件驗證試驗，首先要求模型和原型流態要相似，對于平原內河模型，一般要求其水位允許偏差為原型±0.05m，水面比降應與原型一致；斷面

14、流速分布規律基本一致，斷面流量允許偏差為±5%。驗證過程中如糙率調整有困難，可調整流量比尺，使水面線相似，其重力相似偏離值不宜超過±30%。潮汐模型要求潮位、流速、流向過程以及漲、落潮流路基本一致，最高、最低潮位允許偏差為±0.1m，漲落潮平均流速允許偏差為±10%，時間相位允許偏差為±0.5h，往復流主流流向允許偏差為±100，斷面潮量允許偏差不能為±10%。潮汐模型的重力相似不可偏離。2、動床模型水動力條件及河床沖淤驗證（1）驗證試驗水沙條件的概化動床驗證水文時段應包括天然河段河床變形最顯著、對工程設施影響最大的時段。模

15、型驗證水沙條件按驗證水文時段流量和輸沙量過程進行分級概化，概化前后水量守恒，概化時段不宜小于水流流經模型歷時的3倍。對于潮汐模型動床試驗，按水流時間比尺控制潮汐過程，沖淤時間控制試驗進程。依據以往經驗，驗證試驗過程的潮汐控制可采用代表性潮型一般為中等偏大型，或大、中潮也可以大、小潮組合方式。若上游徑流影響明顯的，需對上游流量過程分級概化，概化時間段除滿足上述要求外，應結合下游潮汐控制時間和模型上潮波傳播時間綜合考慮。潮汐模型的加沙應根據天然泥沙運動情況，漲潮時在動床試驗段的下游斷面加沙，落潮時在動床試驗段的上游斷面加沙；也可根據天然單向輸沙為主，進行單向加沙；灘地產沙可在該區增設加沙斷面。（2

16、）動床模型試驗水動力條件驗證局部動床模型試驗無需進行水動力條件驗證，對于大范圍動床模型，需進行動床水動力條件驗證，以滿足動床模型阻力相似，驗證內容和定床一致，如糙率調整有困難，內河模型可通過重力相似偏離滿足阻力相似，以達到河床沖淤相似。潮汐模型則必須保證重力相似。（3）動床沖淤驗證及沖淤時間比尺確定動床模型驗證首先按模型設計初定的輸沙率比尺和沖淤時間比尺確定模型的加沙量及放水時間，當驗證結果不滿足要求，可通過不斷調整模型加沙量和放水時間再次試驗，當模型與原型沖淤部位及沖淤過程基本相似，沖淤總量偏差在允許值±20%以內，驗證試驗結束，根據試驗所采用的加沙量和放水時間確定動床模型輸沙率比

17、尺和沖淤時間比尺。對于懸沙模型根據試驗情況進行含沙量和汊道分沙比驗證。根據調整后的輸沙率比尺和沖淤時間比尺重復進行一次驗證試驗，復演河床的沖淤變化，以滿足驗證試驗精度要求。3、模型驗證誤差的統計結果及模型相似性分析通過對模型驗證試驗測量值和原型實測值間的誤差統計，分析其偏差是否滿足相關試驗規程要求，對于個別點出現的較大偏差現象應給于合理的分析。由此驗證模型的相似性。為建設項目方案試驗奠定可靠的基礎。 第三節 模型試驗水文條件的選用一、水文條件分析計算水文條件的分析計算將根據第*章水文計算確定一些典型代表性水文條件。二、典型代表性試驗水文條件的選用基本條件模型試驗水文條件的選取應根據模型試驗專題

18、研究的目的和要求確定，滿足防洪評價內容要求，試驗水文條件的選擇應考慮以下基本條件：（1）防洪規劃設計（含防洪調度工情）或防洪設計水文條件；（2）對防洪工程和建設項目最不利的水文條件；（3）反應所在河段水流運動和河床變形特征的水文條件；（4）反應本河段來水來沙條件的趨勢性變化。三、模型試驗水文條件的選用1、定床模型試驗水文條件的確定根據建設項目所在河段的防洪規劃，防洪設計水文條件、實際發生的特大洪水條件、一般洪水條件、造床流量、平均流量等水文條件。從中根據試驗研究的目的和要求結合防洪評價水文分析確定試驗水文條件。潮汐河口段根據設計頻率對應的徑流和潮型條件確定潮、洪組合條件，并考慮到風暴潮條件。2

19、、動床模型試驗水沙系列的確定根據建設項目所在河段的來水來沙條件和模型試驗的目的和要求，選擇對本河道防洪影響明顯的典型大洪水水沙系列年，反應本河段常態河床變化的平常水沙系列年，以及對建設項目或其它重要設施影響最不利的典型代表性水沙系列年，或考慮不同來水來沙條件組合的多年水沙系列。潮汐河口根據河床演變情況考慮風暴潮的影響。第四節 建設項目涉水工程方案試驗 一、河道內建設項目實施前水流泥沙運動特性試驗本項試驗的目的了解建設項目實施前典型水文條件下，工程河段天然水流運動、泥沙輸移特性，以便和工程方案試驗結果相比較，分析建設項目的影響范圍和程度。1、水流運動特性試驗認識和了解代表性試驗水文條件，建設項目

20、所在河段天然狀態下水流流態、主流線，行洪期河道沿程水位、水面比降，汊道分流比，防洪工程及其它設施附近流速、流向，代表性斷面流速分布等。2、泥沙輸移及河床沖淤特性試驗認識和了解代表性試驗水沙系列條件，建設項目所在河段天然狀態下河床泥沙輸移及沖淤特性以及和來水來沙條件的關系，汊道的輸沙特性，防洪工程及其它設施附近附近河床可能的沖淤情況。二、河道內建設項目涉水工程方案試驗1、建設項目涉水工程的概化建設項目的涉水工程建筑物在模型中模擬方法應盡可能按模型的幾何相似比尺進行概化，確因涉水工程尺度等原因不能按幾何相似比尺進行概化的，需按阻力相似原理和阻擋流量守恒原則進行概化，并對工程建筑物概化進行合理性分析

21、。 2、模型試驗觀測代表性采樣斷面和點位的布置模型試驗觀測代表性采樣斷面和點位應根據試驗研究目的和要求布置，具備一定的代表性應反映建設項目可能的影響范圍和程度，以及其水流運動特性和輸沙特性。3、方案試驗的主要內容（1）定床方案試驗根據定床模型試驗的內容要求，進行定床模型試驗，觀測試驗流態的變化，布置采樣斷面和點的水（潮）位、流速、流向等項目。 （2）動床方案試驗 根據動床模型試驗的內容要求，進行動床模型試驗，觀測動床試驗進程中泥沙輸移特性，引起河床沖淤變化和帶來的汊道興衰，以及灘槽沖淤分布和代表性斷面的沖淤。觀測防洪工程及其它重要設施附近的沖淤。（3）方案優化試驗根據方案試驗的結果分析，結合方

22、案設計，從降低涉水工程對防洪不利影響程度的角度，盡可能優化方案布置，進行優化方案試驗。三、河道內建設項目涉水工程模型試驗成果分析在進行水動力條件變化分析中，對于內河恒定流條件下，分析其水位、流速、流向、斷面流量變化；對于潮汐河口段，由于其水位、流速、流向及斷面流量隨漲落潮時間過程變化，需分析其過程線的特征值如：最大、最小值，漲急、落急值，漲落潮平均值，漲落潮歷時及相位的變化和過程線的瞬時變化量。動床模型試驗分析河床灘槽沖淤變化和沖淤分布及沖淤量。1、模型試驗成果分析的主要內容（1）建設項目影響范圍內水（潮）位的變化分析建設項目所在河段水（潮）位及其沿程水面縱橫比降的變化，特別是行洪時引起壅水高

23、度和影響范圍。對于潮汐河口段，若建設項目引起潮波變形較明顯，需分析潮波傳播性質、沿程傳播的潮差、歷時、相位變化。分析代表性采樣點水（潮）位的變化。（2）建設項目影響范圍內水流流速、流向變化分析建設項目所在河段表面流跡線、流態、越灘橫流的變化。分析建設項目影響范圍內主流線的變化。對于潮汐通道，分析建設項目引起潮汐通道納潮量的變化。分析代表性采樣斷面流速分布和潮流量和凈泄量的變化。分析代表性采樣點流速、流向的變化。（3）主要汊道分流、分沙比變化分析項目建設所在河段主要汊道分流、分沙比變化。對于潮汐河口段，根據分汊河道的具體情況，分析主要汊道進、出口不同部位漲、落潮總量或凈泄量分流比以及輸沙總量或凈

24、輸沙量分沙比的變化。分析建設項目影響河段汊道輸水、輸沙主次特性的變化。（4）河床沖淤變化分析建設項目所在河段河床總體沖淤變化，對影響范圍內河床沖淤量統計分析，對比分析主要汊道的河床沖淤變化。分析建設項目影響范圍內深槽、洲灘的沖淤變化。分析建設項目影響范圍內防洪工程及其它設施附近河床沖淤變化。分析代表性采樣斷面河床的沖淤變化。（5）影響的敏感性分析若建設項目為重大項目或重要的整治工程，對于上游河勢尚處于不夠穩定條件下，如汊道有交替發育或主流存在大幅擺動可能，需進行上游（如有潮汐影響要考慮下游）河勢變化引起本河段建設項目對防洪影響的敏感性分析。2、建設項目涉水工程模型試驗成果分析（1）涉水工程對河道行洪的影響分析根據建設項目引起工程河段行洪水位變化情況，分析項目建設對所在河段行洪安全的影響范圍和程度。對于潮汐河口段，根據建設項目引起工程河段潮波變形及其河床沖淤情況，分析項目建設對河道泄洪能