流态观测

观测范围从建筑物起向上、下游各至水流正常处。观测内容：泄水建筑物上、下游的水流流向、平面回流流态，局部旋涡、折冲水流、水花翻涌，冲击波（由于边界变化而产生的一种波，常常发生在流速较高的泄水道或明渠弯道上）及水流分布等。观测方法有目测法、摄影法、工程测量法。在目测时，要预先绘制观测范围内的建筑物和上、下游的河道平面图，将所观测到的平面形态随时描绘在平面图上，并加必要的文字说明。在摄影或录像时，要选择水流表面有代表性的部位，并应将设置在建筑物上的标志一起摄入。对于一些大型工程，目测及摄影都不能满足要求时，可采用工程测量方法观测 。

观测范围与水流平面形态观测相同。水面线观测的目的是及时分析研究建筑物上、下游边墙的高度是否恰当，水面波动的大小是否影响发电或通航等。观测的方法有水尺法、活动测锤法及波高仪电测法。

①水尺法是在观测范围内，沿水流方向设一系列水尺，经观测绘制成完整的水面线。

②活动测锤法用于水面较宽或侧墙上无法绘制水尺的建筑物。在要测取的水面线范围内设置横跨水面的钢梁或绳索，使用测锤进行观测。

③波高仪（又称液面仪）电测法是在要观测的水面处设立金属杆，在杆上固定电容式或电阻式感应器，用仪器自动记录水面变化，这种方法最为准确。

流态观测包括水流平面形态观测、水面线观测、水跃观测、挑射水流观测、水流对下游河道影响观测等。

流态观测是指对泄水建筑物过水时水流形态的观测。流态观测的目的是掌握泄水建筑物上下游水流情况及消能设施的工作状态，以便正确地运用泄水建筑物，避免发生不利的水流情况，保证建筑物的安全运行;同时也为工程的改建加固、设计和科研提供资料 。

对挑流鼻坎消能工后发生的水流的观测。观测的内容包括挑射水流形态、挑流的最高点、水舌的内缘和外缘的落水点、尾水波动及下游的雾化区等。挑射水流观测通常是拍摄照片;或在两岸建筑物上的适当地点，用经纬仪交会挑射水流表面的测点，定出挑射水流的水面线形态，然后用目测定出水舌内、外缘的落水点位置，调查测量下游雾化范围。

中国自20世纪50年代开始到60年代中期，先后在许多大中型工程上进行过水流形态观测，如梅山水库、陡河水库、修文水电站、丰满水电站、新丰江水电站等都进行过多次的观测，取得了极其宝贵的资料。20世纪末，一些大型枢纽如乌江渡水电站、刘家峡水电站、凤滩水电站、葛洲坝水利枢纽、岩滩水电站、白山水电站、二滩水电站及小浪底水利枢纽等工程的流态观测，在观测手段或内容方面都达到了世界先进水平。

根据这些资料提出了改善工程管理运用的措施，保证了工程的安全运行，同时也验证了室内试验的成果。随着观测项目不断增加，中国在观测仪器方面也不断改进，自动记录的电测仪器越来越多。世界其他国家对大型工程的水流形态观测也比较重视，如20世纪50年代苏联的古比雪夫水电站、伏尔加格勒水电站以及后来的布拉茨克水电站，70年代到90年代日本的新城羽水电站、西班牙的阿尔门德拉溢洪道、美国的莫西洛克拱坝、巴西的伊泰普水电站等工程，都进行过较为完善的水流形态观测 。2100433B

观测内容包括下泄水流对下游河床、岸边的冲刷程度，冲刷坑的位置、深度等。一般在工程竣工以后就先对下游河床及岸边进行一次测量，每次泄水以后进行复测。将测量结果对照，以了解冲刷坑的发展情况。待基本稳定后，可以3年~5年测量1次。特大洪水后要加测。测量一般采用测锤或花杆，在船上进行，也可采用超声波水下地形仪量测，20世纪末期引进的水下地形仪具有较高的准确度 。

多采用方格坐标法观测，即在发生水跃范围的两岸侧墙上，绘制方格坐标。绘制网格时，应由消能工的起点开始，向下游每隔1m绘1条纵线，由消力池底板开始，向上按高程每隔1m绘1条横线。在水面波动大的部位，纵线刻划至0.1m，横线刻划至0.5m。水跃观测要在闸门开启稳定以后再进行，以免发生误差。

①现场整理，即在观测时随时注意影响水流的边界条件、发生各种水流现象的原因、可能产生不利因素的预测，根据现场现象提出改善意见，避免不利水流的恶化和导致不良后果。

②定期整理，将历次泄水观测资料按规定的格式记录好，每季度或每年将数次泄水观测资料统一整理，绘出图表，写出说明。

精矿流态化水分迁移的细观规律

由铁精矿流态化的宏观规律分析可知，水分的迁移对铁精矿的流态化发生至关重要．利用高速细观摄像机采集的铁精矿流态化演化过程中的细观变化．细观观测位置为距离模型箱底部30cm、短边侧壁33cm 处，观测范围为6mm×8mm．通过对不同振次时铁精矿细观照片的直观分析，研究散装铁精矿流态化演化过程中水分在铁精矿颗粒间迁移运动的细观规律。

试验开始前，不同粒径铁精矿颗粒均匀分布，矿体相对比较松散，粒间孔隙体积较大，水分均匀分布在铁精矿颗粒间孔隙中；振动开始后，矿体体积被压缩，孔隙体积减小，孔隙中均匀分布的水分逐渐聚集，形成水膜裹附在铁精矿颗粒表面；孔隙体积进一步减小，颗粒表面的包裹水膜厚度增加，水分汇集连接成片，形成连续水体，观测到铁精矿孔隙体积明显减小；随着孔隙水分的进一步析出，细观观测区域内的铁精矿水分含量增多，矿体饱和度增大，颗粒间作用力降低，观测区域内的连续水体与铁精矿颗粒共同做水平往复运动。

振动至40振次时，细观观测区域内的细颗粒含量明显减少，颗粒间接触紧密，观测区域内水分含量减少，这是因为水分在迁移过程中带动细颗粒一起运动，细颗粒流失后矿体粒径粗化；振动至60振次时，孔隙间析出水继续迁移，析出水量逐渐减小，此时由宏观观测到的水液面已上升至细观观测区域的位置；振动至100振次时，析出水量逐渐减小；振动至600振次时，铁精矿细颗粒嵌合在粗颗粒孔隙间，颗粒间咬合紧密，矿体孔隙体积很小，颗粒间剩余水分含量很少。

在缩尺条件下，散装铁精矿流态化形成的水分迁移细观规律大致相同．在振动过程中，铁精矿体积被压缩；颗粒孔隙间水分被挤出并汇集成片，形成连续水体；水分在重力作用下向下迁移，其宏观表现为形成水液面上升．同时孔隙水迁移带动矿体中细颗粒运动，细颗粒填充了粗颗粒骨架之间的孔隙，进一步促使孔隙体积减小，导致孔隙水分析出。

精矿流态化铁精矿细观组构

研究铁精矿细观组构的目的是通过对颗粒间相互作用的定量描述，在某种假设或力学原理的基础上做出统计平均，建立铁精矿细观组构指标与铁精矿宏观特性响应间的关系．本文通过模型试验对铁精矿流态化形成过程中的宏观现象和组构参量之间的关系进行了定性探讨，尝试从铁精矿细观组构的演化解释铁精矿流态化现象的细观机制。

利用课题组自主开发的Geodip数字图像处理软件，对试验过程中记录的高清照片进行处理，分析铁精矿在循环荷载作用下颗粒细观组构变化，包括铁精矿颗粒长轴方向，平均接触数和平面孔隙率的变化等．通过对比在流态化形成过程中不同振次下铁精矿颗粒的细观组构规律，探讨铁精矿发生流态化的内在机理。

（1）颗粒长轴方向

颗粒定向性的发展是流态化形成过程中铁精矿颗粒重新排列的反映。不同振次时铁精矿颗粒长轴方向演化的玫瑰图，扇形大小反映颗粒长轴方向的角度频数分布。

从长轴方向的演化来看，由于采用分层湿捣法进行制样，因此试样的铁精矿颗粒长轴方向分布相对比较均匀。振动初始，由于不规则形状的铁精。铁精矿颗粒孔隙间水分不断汇集形成连续水体，由于同时受到水平往复荷载和水流的作用，铁精矿颗粒长轴主要分布在水平0°方向和竖直90°方向。随着水平荷载的继续施加，孔隙间水分携带部分细颗粒趋于向矿体上层迁移，颗粒长轴明显偏向于竖直方向发展。约至50振次时，铁精矿颗粒间孔隙充分压缩，粒间孔隙中的水分已充分析出，颗粒间残存少量水分，水流作用减弱，原来受水流影响偏向竖向的颗粒长轴稍微向水平方向偏转。至60振次时，细观拍摄处的铁精矿颗粒主要受到水平往复荷载的作用，颗粒的长轴继续向水平方向发展，宏观上的表现为水液面迁移至矿粉表面、流态化基本完成；待振动结束时，铁精矿骨架相对稳定，颗粒只是在原位附近轻微错动和旋转，并没有明显的颗粒滚动，长轴方向变化不大。

综上所述，在铁精矿流态化形成演化过程中，由于受到水平往复荷载和水流的综合作用，颗粒长轴方向由初始的均匀分布变化到定向分布，并且偏向于竖直方向和水平方向．颗粒长轴方向的演化过程，反映了在流态化形成过程中铁精矿颗粒的重新排列过程。

（2）平均接触数

平均接触数是指颗粒与周围颗粒接触的平均数目，用以分析颗粒运动和重新排列规律，其变化是颗粒受力变化的间接反映。

振动初期，铁精矿体积轻微压缩，铁精矿颗粒平均接触数略微增多；至10～20振次，颗粒间的运动使得铁精矿平均接触数略有下降，这表明颗粒间孔隙中水形成的水膜包裹了铁精矿颗粒；至20～40振次，颗粒在水流和振动荷载的作用下，平均接触数目上下波动；至40振次以后，铁精矿颗粒的平均接触数逐渐增大，这说明颗粒间孔隙压缩充分，铁精矿越来越密实。

总体而言，铁精矿平均接触数的总体趋势是增大的，其反映的规律与铁精矿孔隙率变化规律基本一致，即流态化演化过程中铁精矿颗粒的运动使得铁精矿总体发生压缩，粒间孔隙中的水分得以挤出并向上迁移，这与宏观流态化现象得到的结论一致。需指出，平均接触数是通过统计颗粒与其周边颗粒的平均接触数来反映土体的紧密程度，其值并不是衡量颗粒间作用力的指标．

（3）平面孔隙率

利用Geodip程序计算得到的颗粒孔隙率随时间的变化曲线．需要说明的是，这里采用的平均孔隙率为平面孔隙率，而并非铁精矿真实孔隙率。

水平荷载的施加，使得铁精矿颗粒间孔隙发生压缩，孔隙体积缩小；从振次10开始，平面孔隙率经历有升有降的波动，总的趋势是减小的，这是由于铁精矿颗粒受水平荷载和水流冲力的共同作用，颗粒发生旋转、错动和移动，但颗粒孔隙仍被压缩；至振次60以后，孔隙率基本不发生波动，且远远小于初始值．总体而言，铁精矿流态化形成过程中，孔隙率呈减小趋势，在最初20振次内尤为明显，这与试样总体发生压缩的宏观现象一致 。

试验在施加循环荷载时，试样流态化前后的现象。可看出，流态化现象的出现与水分迁移密切相关，其宏观表现为矿粉孔隙减少，表层矿粉滑动，水分迁移和水液面上升以及自由液面形成．水分迁移始终贯穿整个流态化演化过程 。

对已建水利工程泄水建筑物的泄水流态、水流对建筑物的作用力及由水流引起的其他现象的原型观测。其目的是：对已建成工程进行检验掌握泄水建筑物及消能设施的工作状态，监测在运行中可能发生的问题，以便采取合理措施，正确地管理运用，避免发生事故，保证工程安全；测取室内试验和设计计算中无法得到的数据，为工程改建加固提供资料。泄流观测是一门新的科学技术,它与室内试验研究、理论分析有同等重要的地位,并可以互相验证对照。泄流观测的主要内容有：水流形态、高速水流以及对下游河道影响的观测。

内容介绍

水流形态观测是对泄水建筑物过水时上下游水流平面形态、水面线、水跃和挑射水流状况的观测。观测方法有目测法、常规仪器法和电测仪器法。常用的仪器有浮标、流速仪、皮托管、水尺及经纬仪等。 　高速水流观测是对溢流面、陡坡段、挑流鼻坎等流速较高部位水流形态的观测。高速水流常伴有掺气、空化、压力脉动等现象，对建筑物有不利影响，其中掺气也有有利的方面。观测内容主要有：掺气量、空化强度、空蚀、压力脉动、建筑物振动及雾化影响。观测方法主要是采用电测仪器，有时也辅以目测、录像、摄影等手段。 　水流对下游河道影响的观测内容，包括泄流对下游河床、岸边的冲刷程度，冲刷坑的位置、深度等。一般是在工程竣工后即先对下游河床及岸边进行测量，以后每次泄水后都进行复测，将逐次测量结果进行对照，即可了解冲刷坑的发展情况。水下地形测量一般用测深锤或测深杆或回声测深仪进行。 　中国泄流观测于20世纪50年代初期即已开展，如官厅水库泄洪洞、流溪河拱坝溢流以及上犹江溢流坝泄洪，都进行过泄流观测。此后，许多大、中型工程在施工导流期及投入运行后，都进行过泄流观测。一些大型工程的泄流观测，曾组织全国有关科研和管理机构的人员共同进行。例如新安江水电站、乌江渡水电站和葛洲坝水利枢纽工程的泄流观测内容都比较齐全,提出的成果,为工程管理运用和安全加固提供了重要保证。世界有些国家的一些观测项目，如水位、压力等多已开始采用自动记录。2100433B