多沙河流河工動床模型人工轉折方法及人工轉折導流槽的製作方法

2023-05-28 01:56:56

專利名稱：多沙河流河工動床模型人工轉折方法及人工轉折導流槽的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種多沙河流河工動床模型人工轉折方法及人工轉折導流槽，該方法 及裝置是一種當試驗場地長度不夠，難以按照原型河道走勢布設模型的全部河段時，若試 驗場地寬度允許，在保證模擬河段原河道水流水力規律不變條件下，將模擬河段某一合適 斷面以下的河段按適當角度進行轉彎布設的模型設計技術。
背景技術：
河道系統是河流在一定的地理環境和社會環境下，按其固有的自身規律經長期的 演變和調整所形成的一種自然地貌單元。因此，包括河流的走向及河道發育的方位等諸項 特徵要素都是在特定自然環境下河流過程的規律性表現。顯然，在模擬試驗中，若將河道進 行人為轉折，而又不破壞原有的河流水力規律，這將是一個理論性很強的技術問題。從目前研究現狀看，對此問題的研究非常鮮見，僅有清華大學水利繫於1976年在 《河工模型試驗中人為拐彎和輕質沙的應用》中所述及的初步研究成果，其研究是結合某河 流上遊山區河段的一項河工模型試驗開展的。此項研究成果對於進一步開展河工動床模型 人工轉折方法的研究具有一定的啟發意義。但是，其研究還有一些明顯不足之處，主要為 (1)缺乏理論分析依據，未提出具體的設計原理與設計方法；(2)沒有考慮流速及含沙量的 橫向分布問題。對於河床衝淤演變劇烈的試驗河段而言，水沙要素橫向分布的一致性是非 常重要的；(3)平均含沙量及流速都只在代表斷面上進行了單一垂線的驗證，且垂線平均 含沙量只選擇了一個流量級的，不能說明平均含沙量及流速的橫向分布一致性的問題；(4) 未進行轉折進出口斷面的河床變形及其它要素的一致性分析。另外，其研究的河段河床比 較穩定，邊界條件相對較簡單。因此，為了進一步推動河工動床模型人工轉折設計方法的研究，亟待從設計理論、 設計原則和設計方法上開展系統研究，尤其對於像黃河這類含沙量高、河床變形劇烈的河 流，進行此方面的模型設計，存在有更多的關鍵技術性問題。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術中存在的不足而提供一種在模型場地長度不夠、 寬度比較富裕的情況下進行人工轉折河道模型，要求轉折前後的模型水流運動參數保持不 變的多沙河流河工動床模型人工轉折方法及人工轉折導流槽。一種多沙河流河工動床模型的人工轉折方法，按下列步驟進行步驟1 利用粉煤灰作為模型沙，選擇河勢平順穩定、斷面幾何形態相對對稱、河 床衝淤變化不大且水流水力要素橫向分布相對均勻的河段布設多沙河流河工動床模型的 人工轉折導流槽；步驟2 根據試驗場地寬度限制和下遊河勢條件對人工轉折導流槽進行平面布 置，確定人工轉折導流槽的轉折角度、轉折半徑、連接段長度和過渡段長度等幾何要素；步驟3 根據模型放水流量、流速、水深參數計算水流的磨損阻力，從而得出附加
4坡降，進而由河道原坡降和附加坡降計算設計導流槽進出口的最終比降；步驟4 通過放水試驗對布設好的人工轉折導流槽按照試驗要求進行率定，經不 同量級洪水的測試，對人工轉折導流槽的坡降進行調整，最終完成多沙河流河工動床模型 人工轉折導流槽的設計，導流槽率定調整後即可進行河道模型試驗。在步驟2中，根據人工轉折導流槽的轉折角度、轉折半徑、連接段長度、過渡段長 度布設人工轉折導流槽，其中床面和邊壁使用水泥粉煤灰沙漿，導流槽用相同的硬塑膠板 分隔成六個條渠；導流槽由進口動床過渡段、進口定床過渡段、導流槽進口段、導流槽進口 轉折段、導流槽順直連接段、導流槽出口轉折段、導流槽出口段、出口定床過渡段、出口動床 過渡段依次連接組成。步驟3中的磨損阻力和最終比降按如下方式確定磨損阻力人工轉折導流槽的總水頭損失Δ、為Δ、= hf+hw，根據試驗流量所對 應的水力參數和人工轉折導流槽尺寸運用如下公式計算人工轉折導流槽的沿程阻力損失 hf和局部阻力損失、，其中
權利要求
1.一種多沙河流河工動床模型的人工轉折方法，其特徵在於步驟1 利用粉煤灰作為模型沙，選擇河勢平順穩定、斷面幾何形態相對對稱、河床衝 淤變化不大且水流水力要素橫向分布相對均勻的河段布設多沙河流河工動床模型的人工 轉折導流槽；步驟2 根據試驗場地寬度限制和下遊河勢條件對人工轉折導流槽進行平面布置，確 定人工轉折導流槽的折轉角度、轉折半徑、連接段長度和過渡段長度幾何要素；步驟3 根據模型放水流量、流速、水深參數計算水流的磨損阻力，從而設計導流槽進 出口的最終比降，根據計算結果建造導流槽的不同段；步驟4 通過放水試驗對布設好的人工轉折導流槽按照試驗要求進行率定，經不同量 級洪水的測試，對人工轉折導流槽的坡降進行調整，最終完成多沙河流河工動床模型人工 轉折導流槽的設計，導流槽率定調整後即可進行河道模型試驗。
2.根據權利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉折方法，其特徵在於在步 驟2中，根據人工轉折導流槽的轉折角度、轉折半徑、連接段長度、過渡段長度布設人工轉 折導流槽，其中床面和邊壁使用水泥粉煤灰沙漿進行硬化，導流槽使用硬塑膠板進行分隔； 導流槽用相同的硬塑膠板分成六個條渠；導流槽由進口動床過渡段、進口定床過渡段、導流 槽進口段、導流槽進口轉折段、導流槽順直連接段、導流槽出口轉折段、導流槽出口段、出口 定床過渡段、出口動床過渡段依次連接組成。
3.根據權利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉折方法，其特徵在於步驟3 中的磨損阻力和最終比降按如下方式確定磨損阻力人工轉折導流槽的總水頭損失Δ、為A、= hf+hw，根據試驗流量所對應的 水力參數和人工轉折導流槽尺寸運用如下公式計算人工轉折導流槽的沿程阻力損失hf和 局部阻力損失hw，其中h -(Zn)2Lh =l^f1+3 ΙΚ) 式中i為條渠編號，Vi為條渠進口斷面的平均流速,Ri為條渠的水力半徑，Li為條渠轉 折長度，Ii為條渠彎段中心弧長，C為謝才係數，η為條渠糙率h和ri分別為第i條渠槽的 寬度和中心半徑；導流槽進出口的最終比降由人工轉折導流槽轉折彎道勢能增加高度Δ Z和裝置總水A 7頭損失Δ、的關係ΔΖ = Δ、，計算人工轉折所引起的附加坡降Ai為Δ/ =。-，由此得裝L·置的坡降i為i =、+Δ i，式中L為人工轉折導流槽的渠道軸線長度，i0為模型原坡降。
4.根據權利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉折方法，其特徵在於步驟4 中的導流槽率定調整中，具體按照如下步驟進行步驟(1)按照設計的放水流量進行放水，記錄河道模型在進入轉折導流槽進口動床 過渡段前的流速、水深、含沙量分布參數；步驟(2)記錄河道模型在轉折導流槽出口動床過渡段後的流速、水深、含沙量分布參 數，將之與進口動床過渡段的相應數據進行比較，根據結果對導流槽的比降進行適當調整， 直至二者的數據接近一致；步驟(3)變換河道模型的放水流量，繼續比較進出口的水力學參數是否一致，進而繼續調整比降，直至二者在不同情況下都能保持一致即達到目的。
5.一種多沙河流河工動床模型的人工轉折導流槽，其特徵在於採用具有固定邊界的 導流槽形式，導流槽由進口動床過渡段(1)、導流槽進口(2)、進口定床過渡段(3)、導流槽 進口段(4)、導流槽進口轉折段(5)、導流槽順直連接段(6)、導流槽出口轉折段(7)、導流槽 出口段(8)、出口定床過渡段(9)、導流槽出口(10)和出口動床過渡段(11)依次連接組成， 進出口間的附加比降所增加的勢能等於水流流經導流槽過程中所消耗的能量，其中床面和 邊壁使用水泥粉煤灰沙漿進行硬化，導流槽邊牆使用硬塑膠板進行分隔，導流槽用相同的 硬塑膠板分成六個條渠。
6.根據權利要求5所述的多沙河流河工動床模型的人工轉折導流槽，其特徵在於進 口動床過渡段(1)連接上遊銜接斷面與導流槽進口(2)，其作用是消除上遊動床試驗段與 定床進口處的局部衝刷坑，導流槽進口(2)是水流進入的斷面，其作用是使水流從此處進 入導流槽並由此開始對水流施以附加坡降；進口定床過渡段(3)連接導流槽進口(2)和導 流槽進口段(4)，其作用是完成進口到導流槽的過渡，使得進入的水流平順地以趨於均勻流 的狀態進入導流槽；導流槽進口段(4)連接進口定床過渡段(3)和導流槽進口轉折段(5)， 其作用是將進口定床過渡段(3)內的總流劃分為幾個導流槽中的支流，使得水流能夠按照 導流槽進口(2)的水沙橫向分布特點平穩傳送至導流槽進口轉折段(5)，保持水沙橫向分 布一致性；導流槽進口轉折段(5)連接導流槽進口段(4)和導流槽順直連接段(6)，其作用 是使導流槽內的水流按一定角度進行人工折轉，根據試驗場地的要求使模型在角度方面進 行初步調整為準確完成整個人工轉折做出先期準備；導流槽順直連接段(6)連接導流槽進 口轉折段(5)和導流槽出口轉折段(6)，其作用是根據試驗場地的要求在場地寬度方向對 人工轉折進行適當調整以滿足下遊銜接斷面和下遊模型試驗段合理布局的需求；導流槽出 口轉折段(7)連接導流槽順直連接段(6)和導流槽出口段(8)，其作用是使導流槽內的水 流完成最終轉折，配合導流槽進口轉折段(5)共同折轉水流以達到設計轉折角度的要求; 導流槽出口段(8)連接導流槽出口轉折段(7)和出口定床過渡段(9)，其作用是使完成人 工轉折的水流平順過渡至出口定床過渡段(9)；出口定床過渡段(9)連接導流槽出口段(8) 和出口動床過渡段(11)，其作用是使各個導流槽內的水流平順匯流，從而保持整個水流水 沙橫向分布在導流槽進口(2)和導流槽出口(10)處的一致性；導流槽出口(10)是水流流 出裝置的斷面，其作用是使完成人工轉折的水流從此處流出裝置並停止對水流施加附加比 降；出口動床過渡段(11)連接出口定床過渡段(9)與下遊銜接斷面，其作用是消除下遊動 床試驗段與定床出口處的衝刷坑，使流經導流槽的水流能夠以上遊銜接斷面的水力要素分 布規律平順進入下遊模型，實現上下段模型的相互影響和制約。
全文摘要
本發明涉及一種多沙河流河工動床模型人工轉折方法及人工轉折導流槽，選擇河勢平順穩定、斷面幾何形態對稱、河床衝淤變化不大且水流水力要素橫向分布均勻的河段布設人工轉折導流槽，確定人工轉折導流槽的轉折角度、轉折半徑、連接段長度和過渡段長度幾何要素，根據模型放水流量、流速、水深參數計算水流的磨損阻力得出坡降，由河道原坡降和附加坡降計算設計導流槽進出口的最終比降，按照試驗要求進行率定，經不同量級洪水的測試，對人工轉折導流槽的坡降進行調整，完成人工轉折導流槽設計，該方法及裝置可以在不用變換模型比尺的情況下解決模型長度不夠的限制。
文檔編號E02B5/00GK102002925SQ20101054647
公開日2011年4月6日 申請日期2010年11月17日 優先權日2010年11月17日
發明者侯志軍, 姚文藝, 王德昌 申請人:黃河水利委員會黃河水利科學研究院