按研究的对象、任务和试验方法可分成不同类型：①在研究枢纽布置和各类建筑物的相互关系时，需要将整个枢纽包括上下游河段，缩制成模型进行研究，称整体模型试验；②研究某一建筑物，称单项整体模型试验；③截取一个断面放在玻璃水槽内进行试验，称断面模型试验（或一维模型）；④研究建筑物及河渠某一部位水流现象，称局部模型试验；⑤研究闸门止水等问题，称局部切片模型试验等。

模型三个方向的比尺相同的称正态模型。如所研究水域范围大，为保证模型内有足够水深，则须放大垂直比尺，称为变态模型。模型中河床地形做成固定边界的为定床模型：如研究河床的冲淤变化，则使用模型沙作成可冲淤的河床称动床模型。如模型水流中挟带悬移质的称为浑水模型，否则称为清水模型。

此外，还有气流模型，减压模型等。

水力学模型试验模型设计的限制条件

因模型设计只能模拟主要作用力，为消除和减小由次要作用力影响产生的偏差，要注意下列几个限制条件：

(1)为保证模型和原体的流态相似，当原型为紊流时，模型中雷诺数虽小于原型，但仍应保证模型流态达到紊流的阻力平方区。

(2)为避免表面张力影响面波的相似，模型表面流速应大于23 cm/s。为保证流速分布和压强分布的相似，模型最小水深应大于3.0 cm。

(3)在变态模型中，如果变率过大会改变模型中的流态、流速分布和压强分布，一般变态模型中平面比尺和垂直比尺的变率在1:2~1:10之间。

(4)由于模型和原型的水面都是大气压力，如模型边壁受动力水作用影响而出现负压，则模型负压值不能按比尺引伸到原型。比较正确的测定负压值需将模型放置在减压箱内进行试验。

水力学模型试验模型的范围和比尺选择

根据试验研究的任务要求和试验场地、设备、量测方法和测验精度等条件，综合考虑、合理选定模型的类型、范围和比尺。

水力学模型试验模型试验场所

按地点、供水条件和场房设备等可分为室内试验厅、露天试验场和工地试验场所。

(1)室内试验厅。为了工作不受气候等自然条件的限制，又有利于使用精密的量测仪器设备，可以建成综合使用的试验大厅，布置几个模型同时进行试验：也可一个项目设置一个试验厅。

(2)露天试验场。进行大型的水利枢纽或河道模型需要较大的场地，往往在露天进行。

(3)工地试验场所。工程设置专用设备进行试验研究，常结合利用水利工程大流量、高水头等有利条件。

水力学模型试验模型供水系统

可以分为自流式和循环式两种：

(1)自流式供水系统。利用闸坝的水位落差引河渠水进入试验室。自流式供水系统必须就近有可靠水源：有时需要外加人工循环系统进行补充。

(2)循环式供水系统。整个供水系统包括蓄水池、水泵、平水塔、配水管和量水设备，经模型使用后通过回水管槽（含沉沙池）再回到蓄水池，使一定的蓄水量能长期循环使用。

水力学模型试验固定和专用设备

(1)二元玻璃水槽。研究二维水流问题的通用设备。水槽两侧为玻璃槽壁，可以直接观测流态。一般槽宽30~100 cm，流量100~300 L/s，高度1~3 m，槽长包括量水堰、槽和尾门等总长约20~ 30 m。特大型的专用

水槽，如荷兰代尔夫特(Delft)试验室的波浪水槽长达250 m，宽5 m，深7 m。

(2)活动水槽。即底坡可以变动的水槽。用以研究糙率、推移质和水力学方面的基本试验。一般槽宽30~50 cm，高30～60 cm，长10～30 m，流量100 L/s，变坡范围±10%。

大型的活动陡槽有研究高速水流掺气的专用陡槽，变坡范围0°~ 60°，最大流量达200～1000L/s。

(3)专用设备。有高压箱、减压箱、水洞以及上面提到的掺气陡槽等。设备复杂，布置要求严格，一般都建造专用设备楼。

水力学模型试验模型试验要求

模型液流和原型水流（即实物水流）之间应当满足力学相似。力学相似包括几何相似、运动相似和动力相似。

①几何相似是原型水流和模型液流相应长度成比例，相应角度相等。

②运动相似是在几何相似的基础上，原型和模型的相应点上(如果为非恒流需加上相应时间上)的流速方向相同，大小成同一比例。

③动力相似要求作用在原型和模型上相应力成比例。作用在液体上的力有重力、压力、粘性力、表面张力等，使这些外力的合力和水流惯性力处于平衡状态。

设计一个模型由于技术上的限制，不可能同时把所有的外力都考虑，因而只能考虑主要的作用力。①当决定液体流动状态的主要作用力为重力时，要求原型和模型的惯性力和重力之比相等，即原型和模型的弗劳德数相等。明渠流和波浪运动的主要作用力是重力，模型设计遵循弗劳德模型律。②当决定液流运动状态的主要作用力为粘性力时，要求原型和模型的惯性力和粘性力之比相等，即原型和模型的雷诺数相等。管流和流体绕流，主要作用力是粘性阻力，模型设计遵循雷诺模型律。但是当雷诺数相当大时，惯性阻力占绝对优势，水流进入自动模型区，则只要达到几何相似，不必遵循雷诺模型律，即能实现力学相似。

有了速度比例，结合长度比例和密度比例，即可求出任意参变量（例如力、压强、流量等）的比例，将实验结果换算为原型参变量。

水力模型试验属物理模型试验。它与数学模型和现场原型观测三者互相结合，是进行水力学研究的重要手段。

液体流动是一种非常复杂的过程，很多流动规律有待研究。单纯用数理分析，在多数情况下难以得出正确结果，而必须依赖于实验。水力学模型实验的目的是探索规律，验证理论，确定系数或常数，进行水力学专题研究，解决生产实际问题。

水力模型试验研究，包括模型相似理论，模型的规划、设计和制造，测试系统的布置设计，模型试验方案优选和试验测取资料的处理分析，并预见原型工程中可能存在的问题，为工程提供设计需要的数据和改进方案。水力模型试验能用少量的经费，完善工程设计，并节省建设投资，得到较大的经济效益。

在水利建设中，模型试验应用范围主要有：①水利枢纽工程及泄水和过水建筑物的优选布置；②各类泄水建筑物的体型布置，泄流能力，下游消能防冲以及水流运动对建筑物的作用力等；③船闸灌泄水系统和升船机的水力学问题；④水电站引水系统和调压井的非恒定流；⑤溃坝洪水波和水库滑坡涌波的非恒定流；⑥河床演变与河道整治，取水工程的防沙及排沙措施；⑦河口及港湾航道工程的布置及防浪措施；⑧地下渗流问题；⑨水利工程施工过程中的导流和截流问题等；⑩水轮机和水泵的性能及水流部件的设计；⑧固体和流体的管道输送；⑥环境水力学（含热、核电站的冷却水问题）等。

1870年左右，弗劳德(W. Froude)进行船舶模型试验：1885年，雷诺(O．Reynolds)进行摩塞(Mersey)河模型试验；1898年，恩格斯(H．Engels)首创河工实验室进行天然河流的模型试验。20世纪以来，水力模型得到更大发展。在中国较早的有1935年进行的淮河杨庄和三河活动坝模型试验，以及长江马当段水道整治模型试验。1949年后，水力模型试验在中国得到广泛的应用，建立了大量的水工试验室，模型试验技术也有很大提高和发展。尤其在20世纪后半叶，中国在水电建设和河流整治方面进行了大规模的室内试验，在设备条件和技术方面有了长足的发展。

本书根据作者从事水工水力学水力模型试验研究工作以来的技术经验和成果中选出，经综合整理汇编而成。全书内容共分8章，内容包括阶梯式消能工研究与应用、低水头水闸泄洪消能防冲、溢流坝水面线计算、差动式挑坎水力计算、窄缝式挑坎水力特性研究、水利水电工程进水口水力学研究、水工水力学专题研究、工程研究和应用实例等。

地质力学模型试验是岩石力学研究领域的重要手段，尤其是在理论尚不完备、非连续数值模拟技术尚未成熟的现阶段，地质力学模型试验在深部岩体力学研究中占据重要地位。

地质力学模型试验最早由格恩库兹涅佐夫于1936年提出，是仿照真实结构并按照一定比例关系复制而成的试验代表物，它具有原型结构的全部或部分特征。地质力学模型试验根据相似理论，用适当的比例尺和相似材料制成与原型相似的试验对象，再现原型结构的实际工作状态，最后按照相似判据整理试验结果，推算原型结构的实际状态。地质力学模型试验的科学性取决于模型与原型具有相同物理性质的变化过程，要满足物理现象的单值相似条件，还要求对应的相似判据相等。

地质力学模型试验能形象、直观地模拟工程结构的受力、变形及破坏的全过程，可以比较全面、真实地模拟复杂的地质构造，揭示可控影响因素对人们关心的工程灾变孕育演化过程的影响，为建立新的理论和数学模型提供依据，从而为避免和防控工程灾害提供技术支持。

从20世纪70年代开始，清华大学、山东大学、中国矿业大学、长江科学院等高校和院所，结合水利、采矿、交通、国防等工程中的岩石力学问题，开展了大量的模型试验研究，取得了系列创新成果，为岩石力学的发展做出了重要贡献。如，清华大学李仲奎 等研制了离散化多主应力面加载和控制系统，成功地解决了复杂三维初始地应力场的模拟问题，提出基于击实功复合作用系数以及密度随填筑深度非线性逆向控制的模型制作方法，提高了模型材料力学性质的稳定性；山东大学张强勇等在试验台架研制、相似材料制备、试验数据采集等方面开展了大量的工作，也取得了丰硕的成果。

地质力学模型试验在大模型制作、控制加载、监测量测、相似材料制备等方面得到了全面发展，逐步实现了模型由平面到立体、应力状态由平面到真三轴、加载边界由刚性到柔性、监测量测由概略到精细、材料性质相似由粗放到严格的转变。但是，在部分深部特有问题模拟上，如深部岩体的含能状态、初始状态、边界条件以及与时间相关的变形破坏过程等，仍存在一些值得商榷之处。 2100433B