《航道工程学》实验教材

高等学校实验教材航道工程学重庆交通大学二○○六年三月前言1996年5月在湖北宜昌和1997年5月在海南海口先后召开的全国高等学校港口及航道工程专业教学指导委员会会议上，审订了“航道工程学教学内容与课程体系的改革”研究课题及《航道工程学》教学大纲。交通部(教高字[1996]128号)将《航道工程学》列入“九五”教材规划。为了配合新的课程体系改革，在原交通普通高等院校港口与航道工程专业实验教材《航道整治工程》（1993年、胡旭跃主编）、《渠化工程学》（1994年、张光平主编）的基础上，课程组对实验教材进行了改编。本实验教材重点介绍了航道工程中滩险水流特性、理论验证、工程建筑物对水流的影响、船闸在航电枢纽中的布置、船舶过闸时间演示、船闸灌泄水特性及船闸停泊条件等实验的目的、原理和步骤，学生通过实验，加深对理论知识的理解，强化实验操作、分析和解决问题的能力，为从事本学科的研究和工程实践奠定良好的基础。本教材适用的主要对象是：港口航道与海岸工程专业(原港口及航道工程)本科生以及水利类、土建类相关专业的本科生。重庆交通大学水道教研室二○○六年三月目录实验一浅滩整治实验.................................................................................................1实验二山区河流流态实验.........................................................................................4实验三潜坝实验.........................................................................................................8实验四单丁坝及丁坝群实验...................................................................................10实验五渠化枢纽总体布置实验...............................................................................13实验六船舶过闸演示实验.......................................................................................16实验7船闸灌、泄水实验........................................................................................19实验八船闸停泊条件实验.......................................................................................23-1-实验一浅滩整治实验一、实验内容、要求通过对浅滩河段整治前后水流要素进行测量，了解浅滩的水流特性。实验包括测量浅滩上下游水位，滩脊段流向、流速等。实验后，根据所测资料的对比绘制整治前后的水面线、流速场变化图，并根据实验现场的观察和所测的资料分析整治效果。要求通过实验，学生能对浅滩的水力要素进行准确测量，对整治前后水力要素进行对比分析，并写出实验报告。二、目的意义浅滩是航道整治学科的主要研究对象，江河的中下游段中，碍航的主要问题是浅滩水深不够，引起水深不够的直接原因是泥沙输运不平衡，导致泥沙输运失衡的因素有流向的变化、环流的变化、流向的变化等水流条件的改变。浅滩整治，就是针对这些原因采取工程措施以达到稳定和改善河段水流条件之目的。通过本实验，要能对浅滩河段的水力条件、出浅原因及整治方法有更正确和充分的认识。同时，熟悉研究航道整治工程问题的一般实验方法和手段。三、仪器设备本实验可根据实验室条件，利用为工程所作的浅滩整治模型进行，或在专门的浅滩模型槽中进行，模型如图1所示。在浅滩脊及其上下游深槽安装水位测针3对(水位测针测量水位原理如图2所示)，并准备流速仪一台。1－上边滩，2－下边滩，3－上深槽，4－下深槽图1浅滩平面图四实验准备工作1．排空测压孔内空气，并接通针筒。2．连接流速仪，将测桥架设在浅滩段。3．根据整治方案事先制作好模型整治建筑物五实验步骤1．调节进水流量，使其控在所要求的流量级(一般用整治流量)。2．调节模型尾门，使河段水位控制在要求的情况(一般用整治水位)。3．记最基本数据，如首部量水堰读数、尾门水位测针读数、模型比尺、水位测针零点等。4．测读浅滩脊、上深槽、下深槽水位并记录。5．测量浅滩脊附近两个断面的流速分布。6．安装整治建筑物，完毕后约20分钟，待水流稳定后再进行实验。-2-7．按测量整治前浅滩段的水位和流速的要求测量整治后水力要素。六、注意事项1．因实验时间较长，可将同学们分成两部分，一部分测量整治前的水流条件，另一部分量测整治后的浅滩水流条件。2.安装整治建筑物后，待水流完全稳定后再进行实验。3.水位测量读数时，注意采用正确的读数方法，并由其它同学进行效核。4．各垂线平均流速的测量精度由断面流量的测量精度进行控制，要求误差小于5％。5．整治前后流速测点的起点距取相同的值，以便对比。（a）水位测针（b）水位测针原理1－套筒，2－支座，3－测杆，4－微动机构1－测压孔，2－测针筒，3－水位测针5－微动轮，6－制动螺丝，7－螺帽，8－测针图2水位测量示意图七、结果整理分析1．对所测水位数值按下式进行计算：100/)(0ndZZZ(单位：m)式中：0Z为测针零点高程(单位：cm)n为模型垂直比尺dZ为水位2．按以下步骤对所测流速分布进行效核，先计算流速仪量测的流量：vhbQ1式中：V为测点所控制部分平均流速，V=1/2(Vi十Vi+1)h为部分平均水深，h=1/2(Hi十Hi+1)Vi和Hi为测点垂线平均流速和测点水深对比上游施放的流量数值Q(量水堰计算值)，要求（Q-Q1）/Q1)小于5%。-3-对直角三角形堰47.2343.1HQ，H为堰顶水头。3．分析对比整治前后相同断面垂线平均流速分布情况，对比两种情况下的动力轴线的位置。4．分析引起整治前后水位及流速变化的工程原因。八、实验报告1．本实验要求记录：①首部堰前水位，②其他脊及其上下游深槽水位③各断面的各测点起点距及对应的垂线平均流速。表1水位记录表位置浅滩脊滩脊上游滩脊下游整治前整治后首位测针零点：上游测针零点：下游测针零点：表2流速对比表断面号：起点距整治前整治后2．绘制整治前后水面线及流场图3．思考题①分析沿航槽流速的绝对值与泥沙起点流速、止动流速的关系。②分析航槽流速纵向变化。③分析整治前后上游水位值的变化。-4-实验二山区河流流态实验一、实验内容、要求通过观测山区河流航道整治模型中回流、泡水、横流产主的条件及改善和消除的办法，了解山区河流险滩的成滩原因、碍航特性和整治方法；要求测量方法正确，分析方法合理，整理分析资料并写出实验报告。二、目的意义航道尺度不足以及水流紊乱、碍航流态严重是山区妨碍船舶安全航行的两大原因，后者危害更大。这些流态的出现与许多原因有关。通过本实验，了解山区河流中几种最常见的流态的产生原因。影响因素，以便更好地掌握山区河流滩险的整治方法。三、仪器设备1．水位测针4付。2．浪高仪一台，浪高仅传感器如图4所示。镀铬杆固定螺孔外接插座有机玻璃绝缘板铝丝尼龙丝图3电容式波高仪铝丝传感器示意图3．流速仪一台．4．山区河流航道整治工程模型或概化的山区河流整治模型槽一座。四、实验准备工作实验前作好以下准备工作1.制作概化的山区河流回流段模型，模型有收缩段、放宽段如图4所示。2.制作概化的山区河流泡水段模型，水流受底部地形实然升高的影响产生泡水，如图5所示。3.制作概化的山区河道横流段模型，如图6所示，水流受离心力作用或受物体挑流作用产生横流。4.准备术屑及高锰酸钾示踪剂。-5-5.在回流中心区和河道主流区，横流段两岸埋设水位测压孔。6.准备大小两种河道岸边突嘴和大小两种泡水区底部障碍物。7.制作—只减弱横流的活动顺坝。五、实验步骤1.调节上游水流及尾门水位，使试验段出现相应流态。2.用示踪剂示踪水流流态，用直尺测读回流和泡水的尺寸。3.测出回流中心区和河道主流区的水位值，横流段河道两岸的水位值。4.用浪高仪测读泡水的高度。5.实验改善回流、泡水、横流情况，如切除突嘴、布置顺坝，切除底部障碍物等，观察采取以上整治办法后，险滩流态的变化情况。六、注意事项1．回流、横流实验中，被测量的模型水位差数值较小，注意水位数值要测读准确。2．对模型中的流量和水位进行调整，当各种险恶流态达到最明显状态时进行实验。七结果整理分析1．回流一般是水流受物体作用产生水流的分离所至，其平面呈现环形流动，山区河流出现回流的地区较多，如急弯弯顶段附近，伸入河中的突嘴、石梁上下游等处。图4山区河流回流示意图2．泡水是山区河流的特征之一，底部高速水流受水下障碍物阻挡而上涌，冲破水面形成泡水。泡水的形成是受河道地形影响水流能量转换所致，即水流的动能转换为位能，一般出现在滩险的下深潭水流流速较大、河床地形复杂的河段内。3．横流一般是由于水面横比降所致，山区河流中出现横流的地区较多，如石粱、突嘴挑流处，分汊河流分汊和汇流处，急弯段等处。4．分析突嘴的大小不同及将其切除后回流及主流区水位的改变情况，5．分析设置顺坝后．横流及两岸水位的改变情况。6．分析泡水的强弱、频率、范围和位置与底流速的大小，方向、障碍物形状、尺寸、迎水面坡度及水深等的关系。-6-图5泡水示意图水流面流底流图6横流示意图八、实验报告1．记录表表3回流实验记录表突嘴情况大小无中心区水位与正常水位差回流尺寸表4横流实验记录表情况两岸水位之差底流流速及方向面流流速及方向无障碍物有障碍物表5泡水实验记录表底部障碍物情况大小无泡高尺寸-7-2．现象分析①回流、横流、泡水产生的原因。②各种流态对航行的影响。③有哪些清除或减弱这些流态的办法。3．思考题①泡水为什么不稳定。②为什么回流常与急流滩伴生。③横流为什么面流与底流方向不一致。将各种水流条件下的回流、泡水、横流绘制在图上，叙述怎样改善和消除山区河流碍航的水流流态。-8-实验三潜坝实验一、实验内容、要求通过观测潜锁坝附近及其上下游的水流情况，了解潜坝的作用和特点。要求观测潜坝对急流滩的流速、水位、流态的影响并绘出水面线图，对量测的水位、流速资料和船模航行资料进行分析并写出实验报告。二、目的意义潜坝是指在设计枯水位时仍潜没在水下的整治建筑物，有潜丁坝、潜锁坝、潜顺坝等各种形式，其主要作用是壅高上游水位、增加水深、调整比降，以及促淤输沙，减少过水断面和消除不良流态等。由于潜坝占据河道断面小，对防护影响相对较小，其应用越来越广泛，是—种值得推广的整治建筑物。了解研究潜坝的水流特性和整治效果，对正确应用和推广这种不良作用相对较小的整治建筑物十分有益。三、仪器设备1．实验前，制作一潜丁坝模型（如图7），尺寸根据河道模型而定。在急流滩上下游、潜坝坝址和其下游安装水位测压管。设计水位图7壅水潜丁坝示意图2．在滩舌附近安放流速仪测架。四实验步骤1．调节水位流量到滩段水流碍航流态最严重时的情况。2．测量工程前滩险上下游水位。3．测量滩舌段流速。4．船模演示滩险段航行困难的情况。5．模型上布置潜坝整治工程。6．测量整治后水流情况(内容同2、3)。7．测量潜坝下游收缩段比降。8．船模演示航行的改善情况。六、注意事项1．潜坝制作成活动的，以便对比实验成果。2．对滩险碍航最严重的情况进行实验，以利于观测滩险碍航的程度和整治工程的效果。3．山区河流流速较大，应避免流速仪传感器螺旋浆被水流冲走。4．船模操作时注意河床情况，避免打坏叶轮。-9-七、结果整理分析1．整理并对比工程前后流场图。2．整理并对比工程前后水面线图。3．分析碍航段的水流水力特