国家级实验教学示范中心年度 04-30
东南大学土木工程学院一行到 05-23
2017年力学土建学科国家级实 05-18
我院获全国高等院校结构BIM 01-09
我院博士后吴文兵获中国博士 01-04
我院开展2016年度科学道德与 12-26
我院举行研究生联合培养基地 12-22
华北水利水电大学水利学院一 12-20
我院获第五届中南地区大学生 12-13
河海大学殷宗泽及长江科学研 12-13
 
首页 > 教学资源 > 教学文件
请输入关键字查询
《水工建筑物》实验指导书 | 教学文件
打印内容文档

 

 

实验一:拱坝结构整体模型实验…………………………………………………………1

实验二:水利枢纽水工模型实验…………………………………………………………7

实验一:拱坝结构整体模型实验指导书

1  实验的目的

拱坝结构整体模型实验的目的主要是解决结构和边界条件比较复杂,数学模型不可能模拟所有重要的物理现象,或者模拟某些物理现象还有困难,需要进行借助物理模型进行试验研究。学生通过实验,掌握工程结构实验的基本方法和基本技能,以提高学生的观察,分析和解决问题的能力。

模型相似原理

结构模型实验的目的是研究建筑物的压力和变形状态,我们研究的主要对象是拱坝中的砼及地基。需要在模型上模拟的有荷载,建筑物的几何形状和材料的某些物理力学性能。为了使模型上产生的物理现象与原型相拟,模型材料、模型形状和荷载等必须遵循一定的规律,这个规律就是相拟原理。

我们所做的拱坝模型实验是线弹性模型实验,根据相似理论,必须考虑位移相似常数等于几何相似常数这一相似关系,亦即原型应变εP与模型应变εm相等,即

      εP m

则应满足下述条件:

 

式中 , , 分别表示几何长度、荷载介质比重、弹性模量。脚注 、 则分别表示原型和模型。

模型材料

进行模型实验必须遵守相似条件,即进行实验的模型,不仅要几何形状相似,而且在模型实验过程中所包括的各项物理量或主要的物理量应与原理相似,因此,在进行模型实验前,首先选择合适的模型材料。

对于拱坝,通常模型的材料包括建筑物(坝体)和基础岩体模型两部分,对于线弹性模型来说,模型材料应具备下列条件:

(1)均匀性、各向同性和连续性;

(2)线弹性;

(3)模型和原型材料的泊桑比应当相同或相近;

(4)由于坝体和地基的弹性模量有时相差很大,所以要求模型材料的弹性模量有较大的可调节范围以供选择;

(5)容易成型及加工制作;

(6)模型材料的物理力学性能稳定,尤其是不随温度、湿度和时间有明显变化。

模型的设计

在进行拱坝结构整体模型实验之前,必须做好模型实验的设计工作,这是关键的第一步,它关系到实验的全过程。模型实验设计包括模型材料和模型尺寸的选择,坝基模拟范围的确定,加荷和量测方法的选择以及实验程序设计等。

(1)模型材料和模型比尺的选择

根据相似关系可知:

式中 , , 分别为原型的几何长度,荷载介质比重,弹性模量, , , 分别为模型的几何长度,荷载介质比重,及弹性模量。一般情况,模型材料的弹性模量选2000 左右,而模型的几何长度往往是根据测量精度的要求及实验条件来选择适当的模型比尺。

(2)坝基模拟范围的确定

模型坝基的模拟范围,原则上应该包括原型大坝受荷载作用后所影响的区域。但实际上不可能也不需要模拟过大的边界范围,在满足实验要求的前提下,所选取的范围尽量地小一些,以节少工作量。

对拱坝模型,上游坝基长度不小于1.5位坝底宽度或坝高的4/5,下游坝基长度不小于2.5位坝底宽度或1.0倍坝高;坝基深度不小于3.0倍坝底宽度或1.0倍坝高;拱坝两岸拱座坝肩边界离拱端的深度,宜不小于4.0~5.0倍该高程拱端的厚度。

(3)加荷和量测方法的选择

加荷方法要根据实验目的和荷载种类而定,也要考虑模型的比尺及其结构特点。选择加荷方法的原则是,在满足实验要求的前提下,俞简使易行俞好。

一般的加荷方法有气压加荷,千斤顶加荷,水银液体加荷,但拱坝模型实验较安全和可行的加荷方法为气体加荷。

关于量测方法,要根据实验目的,测试项目及现有设备考虑选定。拱坝模型实验,一般主要测试其加荷后所产生的应变值及位移值。

根据水工建筑物拱坝结构整体模型实验大纲要求,我们所测试拱坝受力后的拱坝受力情况,因此我们使用电阻应变片及应变仪测量坝体的应变值。

电阻应变片工作特性及采集仪工作原理

电阻应变片是由比较敏感的电阻丝构成,粘帖在拱坝坝体表面上后,当模型受力变形时,它也随着变形,同时改变本身的电阻值来反映模型的变形。

应变片变形的大小是通过采集仪(应变仪)来读出的,采集仪实际上是由平衡箱、放大器、数模转换器及输出设备组成,应变片接入采集仪的电桥后,当拱坝受力变形时,应变片的电阻也相应改变,采集仪就会将该变化值通过一定关系测量出来。

测点布置

拱坝结构模型多按水平拱和垂直拱梁来考虑布片,上、下游对称布置,对于学生实验仅在拱冠梁上、下游及一水平拱圈的上、下游布置水平向及竖向应变片。

加压系统

按照模型的相似准则有:

当选定模型几何尺寸 及坝体模型材料弹模 后,模型荷载介质比重 就可以求出来。如图4-1示,模型受到一介质比重 的水平荷载,它相当水荷载(原型介质) 的 倍,为三角形荷载,将它的荷载介质深度 平均分成若干等份,每一等份的三角荷载换成矩形荷载,整个荷载就成为一个阶梯状荷载,如图4-2示。每个矩形荷载用等同的气压代替,气压的量测用水银柱测压管,整个加压系统如图4-3示。

      采集系统(测试仪器)

本实验使用仪器为日本产的TDS-602数据采集仪,仪器可测量应变量、直流电压、热电偶和铂电阻温度等。系统由采集仪及平衡箱组成,坝体的应变片接入多点的平衡箱内,采集仪器会逐点进行扫描,将结果打印或存入硬盘内。测试系统十分先进,也很贵重,学生使用时严格按照操作步骤进行。

实验操作方法、步骤(重点)

(1)将采集仪电源打开,仪器将进行自检10秒左右进入测试状态;

(2)确信拱坝加压罐内无压力(看水银柱是否在0位置),如未放完压缩气体时,将其放完;

(3)点击采集仪Auto键,再点击显示器上的Initial In 键,然后点击Start 键即进行无荷载状态下的原始扫描,采集仪扫描后会自动记录该组数据;

(4)将拱坝模型逐级加压,直到某一级水位的压力;

(5)加压系统加压到某一级测试水位压力后,稳定5~10分钟,然后按Start键(打印机处于ON状态)、采集系统会将该水位的测试结果打印出来。

(6)卸去加载系统内的压力,卸载时要与加荷一样,逐级卸载;

(7)初步检查测试数据,发现数据可疑,即进行重测。

10  结果分析计算(重点)

(1)计算模型应力

根据实验要求,每个学生应测试一层拱圈上、下游的水平应力 ,拱冠梁上、下游竖向应力 ,每测点的水平向应变 及竖向应变 按下式计算:

 

 

式中 , 分别表示模型材料的弹性模量及泊桑比。

(2)计算原型应力

由于模型设计满足 

亦即原型应变 与模型应变 相等,所以原型的应力 ,或者

     

式中 , 分别为原型的水平应力及竖向应力, , 分别为模型的水平向应变值及竖向应变值。

(3)应力图的绘制

将上述计算的各点应力值列表,然后在上、下游分别绘出拱的应力分布;同样在拱冠梁上绘出其上、下游梁的应力分布图。

(4)分析应力分布的合理性

  

实验二:水利枢纽水工模型实验指导书

 

一、实验目的

1、通过实验观测水工建筑物泄流时的水流现象及水位、流量、流速、流量系数等相关参数,巩固有关专业理论知识。

2、初步学会水工模型实验的操作技能、实验资料整理分析和编写实验报告。

3、培养严格的科学实验作风。

二、用于实验的工程概况

柬埔寨斯登沃代水电站位于柬埔寨王国西部菩萨省列文县欧桑乡,距离位于北面的列文县城60 km,斯登沃河是额勒赛河上游的一条支流。斯登沃水电站采用两级开发,本次实验用该工程的二级水电站作为实验模型。二级水电站是一个以引水发电为主的水电站,引水隧洞长约6.3 km,工程控制集雨面积590km2,水库正常蓄水位475.00m高程,相应库容0.665×108m3,死水位474.00m,相应库容0.622×108m3,调节库容0.043×108m3,总装机4×25MW 。枢纽由重力坝、左右岸心墙堆石坝、发电引水隧洞、发电厂房、开关站等组成,大坝全长364,坝顶高程479.50m。重力坝上布置有泄水建筑物,设2个表孔、每孔净宽12.0m,1个冲沙底孔,孔底高程446.0m。溢流坝为WES型实用堰,堰顶高程463.00m,堰顶工作闸门采用弧型门。泄水采用桃流消能方式,挑流鼻坎高程450.00m,反弧半径20m,反弧底446.05m。枢纽平面布置(部分)及溢流坝剖面见附图。

大坝按50年一遇(P=2%)洪水设计,500年一遇(P=0.2%)洪水校核;消能防冲建筑物按30年一遇(P=3.33%)洪水设计。水库特征水位及流量见表1。

表1         水库特征水位及流量(设计)

频率(%)

流量(m3/s)

上游水位(m)

下游水位(m)

备 注

3.33

1915

475.00

450.82

消能设计洪水

2

2175

475.00

451.49

大坝设计洪水

0.2

2702

476.60

452.50

大坝校核洪水

三、实验内容

1、观察并记录枢纽上游、闸室及坝面、挑射水舌及下游河道等的水流流态。

2、量测并计算设计洪水工况时的泄流能力及相应的流量系数,并与设计值比较。

3、量测下游第一断面上的底、面流速分布。

4、根据实验成果,从水流方面综合评价枢纽布置的合理性(包括坝线、泄水建筑物布置、消能方式等等)提出分析意见。

四、模型设计与有关参数

   模型根据佛汝德数准则(即以重力相似为基础而忽略粘滞力相似)制作。长度比尺采用1:60。相应流量比尺为1:27885,流速和时间比尺为1:7.75,糙率比尺1:1.98。库水位测针零点高程441.65m,下游水位测针零点高程441.44m。首部量水堰是薄壁堰,用薄壁堰的堰上水头等参数依据薄壁堰的泄流公式,可计算得用相应的模型流量,乘以流量比尺即得原型流量。堰上水头用测针读取水流流过薄壁堰时水面的读数,然后减去零点测针读数21.82cm而得。

五、实验步骤及要求

1、水流流态实验:枢纽宣泄设计洪水Q=2702m3 /s(首部量水堰测针读数39.56cm)[其中冲沙底孔292 m3 /s]时,注意观察、描述枢纽上游流态、闸室及坝面、挑射水舌及下游河道等的水流流态,特别注意记录整个泄水建筑物的运行特点。上游流态应包括库区、大坝附近特别是上游坝面、电站进水口、闸墩附近等,下游流态则应包括挑射水舌与下游河道衔接处及附近、下游坝面附近、冲沙孔出口附近、下游左右两岸及主河道等。

2、 泄流能力实验:用测针观测宣泄设计洪水时的读数并换算为实际的库水位,并与设计值比较,以此判断泄流能力的大小,同时计算出相应的实验流量系数,判断流量系数是否在正常范围,同时结合实际库水位进一步评价泄水建筑物的泄流能力。

3、流速分布实验:用直读式流速仪和流速传感器测量第一断面上各测点的底流速和面速分布,结合下游流态分析下游河道的主流和消能效果。

4、整理实验数据。在实验后一周内交实验报告。

六、注意事项

1、课前预习实验指导书和有关教材,上课时自带记录文具和计算器。

2、爱护仪器等公物。使用流速器测速时,旋转轴应与水流方向平行,绝不能随意把测杆放进高速水流中。

3、在实验过程中应及时整理实验数据,若发现异常应再进行试验。

广西大学首页 | 土木建筑工程学院 | 土木建筑工程实验教学中心
  版权所有@2011-2012 广西大学土木工程建筑学院,网站内容严禁抄袭复制
地址:中国广西南宁市大学路100号 邮编:530004 design by 五彩网络 360网站安全检测平台