專利名稱：多沙河流河工動床模型人工轉(zhuǎn)折方法及人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種多沙河流河工動床模型人工轉(zhuǎn)折方法及人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)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(shè)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(guī)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(zhuǎn)彎布設(shè)的模型設(shè)計技術(shù)。
背景技術(shù)：
河道系統(tǒng)是河流在一定的地理環(huán)境和社會環(huán)境下，按其固有的自身規(guī)律經(jīng)長期的 演變和調(diào)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(fā)育的方位等諸項 特征要素都是在特定自然環(huán)境下河流過程的規(guī)律性表現(xiàn)。顯然，在模擬試驗中，若將河道進 行人為轉(zhuǎn)折，而又不破壞原有的河流水力規(guī)律，這將是一個理論性很強的技術(shù)問題。從目前研究現(xiàn)狀看，對此問題的研究非常鮮見，僅有清華大學(xué)水利系于1976年在 《河工模型試驗中人為拐彎和輕質(zhì)沙的應(yīng)用》中所述及的初步研究成果，其研究是結(jié)合某河 流上游山區(qū)河段的一項河工模型試驗開展的。此項研究成果對于進一步開展河工動床模型 人工轉(zhuǎn)折方法的研究具有一定的啟發(fā)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(jù)，未提出具體的設(shè)計原理與設(shè)計方法；(2)沒有考慮流速及含沙量的 橫向分布問題。對于河床沖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(zhuǎn)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(wěn)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(zhuǎn)折設(shè)計方法的研究，亟待從設(shè)計理論、 設(shè)計原則和設(shè)計方法上開展系統(tǒng)研究，尤其對于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(shè)計，存在有更多的關(guān)鍵技術(shù)性問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(zhuǎn)折河道模型，要求轉(zhuǎn)折前后的模型水流運動參數(shù)保持不 變的多沙河流河工動床模型人工轉(zhuǎn)折方法及人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽。一種多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)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(wěn)定、斷面幾何形態(tài)相對對稱、河 床沖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(shè)多沙河流河工動床模型的 人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽；步驟2 根據(jù)試驗場地寬度限制和下游河勢條件對人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽進行平面布 置，確定人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的轉(zhuǎn)折角度、轉(zhuǎn)折半徑、連接段長度和過渡段長度等幾何要素；步驟3 根據(jù)模型放水流量、流速、水深參數(shù)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(shè)計導(dǎo)流槽進出口的最終比降；步驟4 通過放水試驗對布設(shè)好的人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽按照試驗要求進行率定，經(jīng)不 同量級洪水的測試，對人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的坡降進行調(diào)整，最終完成多沙河流河工動床模型 人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的設(shè)計，導(dǎo)流槽率定調(diào)整后即可進行河道模型試驗。在步驟2中，根據(jù)人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的轉(zhuǎn)折角度、轉(zhuǎn)折半徑、連接段長度、過渡段長 度布設(shè)人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽，其中床面和邊壁使用水泥粉煤灰沙漿，導(dǎo)流槽用相同的硬塑膠板 分隔成六個條渠；導(dǎo)流槽由進口動床過渡段、進口定床過渡段、導(dǎo)流槽進口段、導(dǎo)流槽進口 轉(zhuǎn)折段、導(dǎo)流槽順直連接段、導(dǎo)流槽出口轉(zhuǎn)折段、導(dǎo)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(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的總水頭損失Δ、為Δ、= hf+hw，根據(jù)試驗流量所對 應(yīng)的水力參數(shù)和人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽尺寸運用如下公式計算人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的沿程阻力損失 hf和局部阻力損失、，其中
權(quán)利要求
1.一種多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)折方法，其特征在于步驟1 利用粉煤灰作為模型沙，選擇河勢平順穩(wěn)定、斷面幾何形態(tài)相對對稱、河床沖 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(shè)多沙河流河工動床模型的人工 轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽；步驟2 根據(jù)試驗場地寬度限制和下游河勢條件對人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽進行平面布置，確 定人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的折轉(zhuǎn)角度、轉(zhuǎn)折半徑、連接段長度和過渡段長度幾何要素；步驟3 根據(jù)模型放水流量、流速、水深參數(shù)計算水流的磨損阻力，從而設(shè)計導(dǎo)流槽進 出口的最終比降，根據(jù)計算結(jié)果建造導(dǎo)流槽的不同段；步驟4 通過放水試驗對布設(shè)好的人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽按照試驗要求進行率定，經(jīng)不同量 級洪水的測試，對人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的坡降進行調(diào)整，最終完成多沙河流河工動床模型人工 轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的設(shè)計，導(dǎo)流槽率定調(diào)整后即可進行河道模型試驗。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)折方法，其特征在于在步 驟2中，根據(jù)人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的轉(zhuǎn)折角度、轉(zhuǎn)折半徑、連接段長度、過渡段長度布設(shè)人工轉(zhuǎn) 折導(dǎo)流槽，其中床面和邊壁使用水泥粉煤灰沙漿進行硬化，導(dǎo)流槽使用硬塑膠板進行分隔； 導(dǎo)流槽用相同的硬塑膠板分成六個條渠；導(dǎo)流槽由進口動床過渡段、進口定床過渡段、導(dǎo)流 槽進口段、導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段、導(dǎo)流槽順直連接段、導(dǎo)流槽出口轉(zhuǎn)折段、導(dǎo)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(jù)權(quán)利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)折方法，其特征在于步驟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(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的總水頭損失Δ、為A、= hf+hw，根據(jù)試驗流量所對應(yīng)的 水力參數(shù)和人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽尺寸運用如下公式計算人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)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(zhuǎn) 折長度，Ii為條渠彎段中心弧長，C為謝才系數(shù)，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(dǎo)流槽進出口的最終比降由人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽轉(zhuǎn)折彎道勢能增加高度Δ Z和裝置總水A 7頭損失Δ、的關(guān)系ΔΖ = Δ、，計算人工轉(zhuǎn)折所引起的附加坡降A(chǔ)i為Δ/ =。-，由此得裝L·置的坡降i為i =、+Δ i，式中L為人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的渠道軸線長度，i0為模型原坡降。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)折方法，其特征在于步驟4 中的導(dǎo)流槽率定調(diào)整中，具體按照如下步驟進行步驟(1)按照設(shè)計的放水流量進行放水，記錄河道模型在進入轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽進口動床 過渡段前的流速、水深、含沙量分布參數(shù)；步驟(2)記錄河道模型在轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽出口動床過渡段后的流速、水深、含沙量分布參 數(shù)，將之與進口動床過渡段的相應(yīng)數(shù)據(jù)進行比較，根據(jù)結(jié)果對導(dǎo)流槽的比降進行適當調(diào)整， 直至二者的數(shù)據(jù)接近一致；步驟(3)變換河道模型的放水流量，繼續(xù)比較進出口的水力學(xué)參數(shù)是否一致，進而繼續(xù)調(diào)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(zhuǎn)折導(dǎo)流槽，其特征在于采用具有固定邊界的 導(dǎo)流槽形式，導(dǎo)流槽由進口動床過渡段(1)、導(dǎo)流槽進口(2)、進口定床過渡段(3)、導(dǎo)流槽 進口段(4)、導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段(5)、導(dǎo)流槽順直連接段(6)、導(dǎo)流槽出口轉(zhuǎn)折段(7)、導(dǎo)流槽 出口段(8)、出口定床過渡段(9)、導(dǎo)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于水流流經(jīng)導(dǎo)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(dǎo)流槽邊墻使用硬塑膠板進行分隔，導(dǎo)流槽用相同的 硬塑膠板分成六個條渠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多沙河流河工動床模型的人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽，其特征在于進 口動床過渡段(1)連接上游銜接斷面與導(dǎo)流槽進口(2)，其作用是消除上游動床試驗段與 定床進口處的局部沖刷坑，導(dǎo)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(dǎo)流槽并由此開始對水流施以附加坡降；進口定床過渡段(3)連接導(dǎo)流槽進口(2)和導(dǎo) 流槽進口段(4)，其作用是完成進口到導(dǎo)流槽的過渡，使得進入的水流平順地以趨于均勻流 的狀態(tài)進入導(dǎo)流槽；導(dǎo)流槽進口段(4)連接進口定床過渡段(3)和導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段(5)， 其作用是將進口定床過渡段(3)內(nèi)的總流劃分為幾個導(dǎo)流槽中的支流，使得水流能夠按照 導(dǎo)流槽進口(2)的水沙橫向分布特點平穩(wěn)傳送至導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段(5)，保持水沙橫向分 布一致性；導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段(5)連接導(dǎo)流槽進口段(4)和導(dǎo)流槽順直連接段(6)，其作用 是使導(dǎo)流槽內(nèi)的水流按一定角度進行人工折轉(zhuǎn)，根據(jù)試驗場地的要求使模型在角度方面進 行初步調(diào)整為準確完成整個人工轉(zhuǎn)折做出先期準備；導(dǎo)流槽順直連接段(6)連接導(dǎo)流槽進 口轉(zhuǎn)折段(5)和導(dǎo)流槽出口轉(zhuǎn)折段(6)，其作用是根據(jù)試驗場地的要求在場地寬度方向?qū)?人工轉(zhuǎn)折進行適當調(diào)整以滿足下游銜接斷面和下游模型試驗段合理布局的需求；導(dǎo)流槽出 口轉(zhuǎn)折段(7)連接導(dǎo)流槽順直連接段(6)和導(dǎo)流槽出口段(8)，其作用是使導(dǎo)流槽內(nèi)的水 流完成最終轉(zhuǎn)折，配合導(dǎo)流槽進口轉(zhuǎn)折段(5)共同折轉(zhuǎn)水流以達到設(shè)計轉(zhuǎn)折角度的要求; 導(dǎo)流槽出口段(8)連接導(dǎo)流槽出口轉(zhuǎn)折段(7)和出口定床過渡段(9)，其作用是使完成人 工轉(zhuǎn)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(dǎo)流槽出口段(8) 和出口動床過渡段(11)，其作用是使各個導(dǎo)流槽內(nèi)的水流平順匯流，從而保持整個水流水 沙橫向分布在導(dǎo)流槽進口(2)和導(dǎo)流槽出口(10)處的一致性；導(dǎo)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(zhuǎn)折的水流從此處流出裝置并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)與下游銜接斷面，其作用是消除下游動 床試驗段與定床出口處的沖刷坑，使流經(jīng)導(dǎo)流槽的水流能夠以上游銜接斷面的水力要素分 布規(guī)律平順進入下游模型，實現(xiàn)上下段模型的相互影響和制約。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種多沙河流河工動床模型人工轉(zhuǎn)折方法及人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽，選擇河勢平順穩(wěn)定、斷面幾何形態(tài)對稱、河床沖淤變化不大且水流水力要素橫向分布均勻的河段布設(shè)人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽，確定人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的轉(zhuǎn)折角度、轉(zhuǎn)折半徑、連接段長度和過渡段長度幾何要素，根據(jù)模型放水流量、流速、水深參數(shù)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(shè)計導(dǎo)流槽進出口的最終比降，按照試驗要求進行率定，經(jīng)不同量級洪水的測試，對人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽的坡降進行調(diào)整，完成人工轉(zhuǎn)折導(dǎo)流槽設(shè)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(yōu)先權(quán)日2010年11月17日
發(fā)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(xué)研究院