模型试验是水利工程建设中不可缺少的重要科研内容,也是水利水电工程专业非常重要的实践教学环节之一。本书主要介绍了水利工程模型试验相关理论、水工模型试验、河工模型试验、水工结构模型试验、地质力学模型试验等,还介绍了水利工程模型设计制作与验证、模型试验测量、试验数据整理与分析等。结合水利水电工程专业课程《水工建筑物》课程试验内容,给出了相应的模型试验示例,供学生参考。
本书可作为高等院校水利水电工程专业、农业水利工程专业、港口航道与海岸工程专业教材,也可供水利相关科研人员参考使用。
1．物理模型实验在重大水利工程及科研方面具有不可替代的作用，其不仅可以论证工程设计的安全性和合理性，而且还可以预见原型可能发展的趋向。因此，在当前的教学和科研中均急需有一本内容稍全面，可适于水利水电工程、港口及河道治理工程、农业水利工程等多专业模型试验设计的参考书。
2．立足于水利工程模型实验的基本理论和方法，列举大量实际工程模型的设计，提出不同验证目的下的理论知识测试练习、设计重点训练，理论联系实际，拓宽学生知识面、提高学生综合试验能力和研究问题能力。
3．随着科学技术的进步，水利工程模型实验出现了许多新技术、新设备、新方法、新材料，也取得了许多新的经验，有关模型试验规程也相继制定或修编。本书力求将最新成果编入，为培养新世纪的专业人才服务。
前言
水利工程模型试验是按照相似准则将原型缩制成模型进行试验研究,在设计工况下对模型进行不同特征参数的观测与分析,然后按照一定的相似准则引申至原型,从而对原型设计的合理性作出判断。运用水工模型试验的方法,不仅可以论证工程设计的安全性和合理性,而且还可以预见原型可能发生的现象,同时,可对设计所依据的理论和技术进行验证。因此,模型试验是水利工程建设中非常重要的科研内容,是进行基础设计的前提,其成果为水利工程设计方案的选取提供强有力的技术支撑。
对于水利行业后备军的水利水电工程专业的学生而言,学习水利工程模型试验的基础理论以及模型试验数据采集、分析方法,使其具备开展水利工程模型试验的基本素养,也是专业培养的目标之一。本书即是为学生学习水利工程模型试验基础理论和方法而编写。
本书主要内容安排如下:第1章介绍了水利工程模型试验的意义、发展历程,模型试验的分类以及存在的问题和发展趋势;第2章阐述了水工模型试验的基础理论,包括量纲分析、相似定理、相似准则以及相似试验的限制条件等;第3章详细介绍了水利工程泄水建筑物及消能模型试验、水电站有压引水系统非恒定流模型试验以及地下水渗流模型的内容与方法,同时给出了水利工程泄水建筑物、水电站有压引水管道非恒定流和土石坝渗流沙槽模型试验示例;第4章主要介绍了定床河工模型试验、动床河工试验、悬移质动床模型试验和推移质动床模型试验的内容和方法;第5章主要介绍了水工结构模型试验的相似条件、设计内容、试验材料、模型制作,以及试验时荷载的施加方法等,并详细介绍了拱坝模型试验的步骤、测点布置、数据采集;第6章阐述了地质力学模型的相似准则与设计原则、试验材料、荷载施加方法等,并以地下洞室模型试验为示例,详细给出了模型设计制作过程、试验步骤、试验仪器、测点布置、数据采集;第7章主要介绍了水利工程模型试验的规划设计、模型的制作与安装等;第8章主要介绍了水利工程模型试验中流速、流量、水位波高、掺气水流、空化水流、泥沙含量、压力压强、应力应变以及位移的测量仪器与测量方法;第9章为模型试验测量误差分析、试验数据的统计,以及试验报告编写等。
本书第1、2、3、8章由黄灵芝编写,第4章由王飞虎编写,第5、6章由司政编写,第7、9章由李炎隆编写。全书由黄灵芝统稿。
本书编写过程中,得到西安理工大学水利水电学院水利水电工程系教师李守义、张晓宏、柴军瑞、杨杰、宋志强、许增光、覃源、李晓娜、王琳等的支持,书稿完成过程中还得到皇甫秉辉、霍晓宇、云甲等研究生的大力支持,在此表示衷心的感谢。
限于编者的经验与水平,书中难免存在错误和疏漏之处,真诚欢迎读者批评指正。
编 者
2020年4月
黄灵芝 ，西安理工大学水利水电工程系教学，主讲水利工程实验。专长学科水利工程实验，水利工程安全验证。
目录
前言
1 模型试验概述 1
1.1 模型试验的意义 1
1.2 模型试验的发展历程 1
1.3 模型的分类 4
1.4 模型试验存在的问题及发展趋势 5
2 模型试验基础理论 7
2.1 量纲分析 7
2.2 相似现象及相似概念 16
2.3 模型试验常用的相似准则 23
2.4 相似准则的应用及限制条件 30
3 水工模型试验 34
3.1 水利枢纽整体模型试验 34
3.2 泄水建筑物及消能工模型试验 38
3.3 水电站有压引水系统非恒定流模型试验 49
3.4 地下水渗流模型试验 55
4 河工模型试验 66
4.1 定床河工模型 66
4.2 动床河工模型 69
4.3 悬移质动床模型设计 78
4.4 推移质动床模型设计 80
5 水工结构模型试验 82
5.1 结构模型试验的相似判据 82
5.2 结构模型的设计 87
5.3 结构模型试验的材料 89
5.4 模型的制作 91
5.5 荷载的模拟 93
5.6 结构模型试验示例 94
6 地质力学模型试验 98
6.1 地质力学模型概述 98
6.2 地质力学模型的设计原则及相似判据 99
6.3 地质力学模型相似材料 100
6.4 地质力学模型的试验方法 103
6.5 地质力学模型试验荷载施加 104
6.6 地下洞室模型示例 106
7 模型设计制作与验证 110
7.1 模型的规划设计 110
7.2 模型制作与安装 114
7.3 模型的验证 120
8 模型试验测量 123
8.1 流速测量仪器 123
8.2 流量测量 125
8.3 水位及波高测量 128
8.4 掺气水流测量 132
8.5 空化水流测量 136
8.6 泥沙含量测量 145
8.7 压力压强测量 148
8.8 应力应变测量 150
8.9 位移测量 155
9 试验数据整理及分析 157
9.1 测量误差 157
9.2 试验数据的表示与检验 164
9.3 试验数据测量的精度及审定 167
9.4 模型试验报告编写 172
参考文献 173
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