[發明專利]河工動床實體模型耦合試驗方法

無效

• 申請號: 201110227187.5
• 申請日: 2011-08-09
• 公開（公告）號: CN102383394A
• 公開（公告）日: 2012-03-21
• 發明（設計）人: 姚文藝;侯志軍;申震洲;肖培青;王玲玲
• 申請（專利權）人: 黃河水利委員會黃河水利科學研究院
• 主分類號: E02B1/02
• 分類號: E02B1/02
• 代理公司: 北京鑫浩聯德專利代理事務所(普通合伙) 11380
• 代理人: 李荷香

1.一種河工動床實體模型耦合試驗方法，其特征在于：

步驟1：首先進行模型試驗的前期準備工作，包括收集整理有關試驗資料，插補斷面，塑制地形，概化試驗水沙過程；

步驟2：準備工作完成后，進行模型驗證試驗；

步驟3：驗證滿足要求后，按整治工程初步設計方案在模型上布設工程，此時的工程設計參數值完全取用設計方案所確定的數值；

步驟4：在初步設計方案布設后的河道邊界初始條件下，根據試驗水沙條件，估算河床通過調整后，可能達到的動平衡邊界形態，包括河寬、水深及河灣半徑各項的參數；

步驟5：依據上述估算參數，通過人工塑造方法，模擬塑制出新的河道邊界；

步驟6：在人為形成的河床邊界即河床可能達到的新的動平衡狀態下放水試驗，觀測各項控導效果參數，分析是否達到設計目的，否則調整方案，從第三步再進行試驗；若已基本達到設計目的，則提出修正或調整的推薦方案，并再進行試驗，與初步設計方案作進一步比較，至此試驗結束。

2.根據權利要求1所述的河工動床實體模型耦合試驗方法，其特征在于：步驟4中各項參數的估算方式為：

?設丁壩未建前，河道平均水面寬為B₀、水深為h₀、斷面面積為A₀、水流挾沙力為S₀、流速為V₀；丁壩建成后，即整治方案布設后，河道平均水面寬B、水深為h、斷面面積為A、水流挾沙力為S、流速為V，假定丁壩建成前后，分析所采用的流量Q、糙率n、河岸坡降m三個參數的值不變，那么，取用

水流連續方程

Q?=?BhV????????????????????????????????(2)

?河床變形方程

???????????????????????????(3)

?式中：A_b為沖淤面積，在下游基準面不發生變化的條件下，可以認為本河段水位變化不大，則有A_b=A–A₀；為水深，對于黃河下游又可認為=，為水力半徑；為泥沙干密度；G為斷面輸沙率，G=QS，S根據有關的水流挾沙力公式

?S?=????????????????????????????(4)

?計算式中：、分別為泥沙及渾水容重，為泥沙沉速，為重力加速度，、分別為系數和指數，對于試驗河段，若考慮輸沙率沿程變化項()較斷面含沙量時間變化項()小，忽略其影響，對式(3)積分，并由初始條件，可得河道過水面積隨水流挾沙力變化關系式

?A–A_0?=–(AS–A₀S₀)??????????????????????(5a)

?或

???????????????????????????????(5b)

?丁壩布設前及布設后的河道過水面積可根據水深、河寬和河岸坡降確定，在丁壩一側，河岸可近似為垂直邊岸，對岸為邊坡為m的斜面，由此得

?A_0?=?(B_0?–?0.5mh₀)?h₀????????????????????????(6a)?????????

和A_?=?(B_?–?0.5mh)?h??????????????????????????(6b)?????????????????????

?考慮丁壩對河道束窄作用，其影響寬度為B_d，以及河道在丁壩作用下的展寬或束窄寬度為，則修建工程后河寬為

?B=B₀–B_d+B???????????????????(7)

?上式中B_d的計算將考慮丁壩伸入河道長度、挑流角度及丁壩群沿河岸布置長度(L_g)，以及丁壩群中單個丁壩的平均布置長度(L_d)等因素，設丁壩群沿河岸布置角度與上游來流的夾角為，則有

?B_d?=?C_gL_gsin+L_d?cos??????????????????(8)

?式中：C_g為丁壩群影響過水斷面寬度折減系數，取C_g=0.5，

丁壩作用下，水深變化為

?h?=?h_0?+h?????????????????????????(9)

?及河寬變化為

??????????????????????B?=mh?????????????????????????(10)

?式中：為平面丁壩布置彎曲半徑對河寬影響的參數，取決于河寬和彎曲半徑之比，現給出一個量綱和諧的計算公式，1.0+c₁，其中c₁、c₂分別為考慮丁壩布置彎曲性影響的系數和指數；為丁壩群聯壩的彎曲半徑；

河道彎曲半徑與河寬存在以下關系

?R=B????????????????????????????????(11)

?式中：為系數，根據黃河下游的統計經驗，可取=3；為河道彎曲半徑，

由上述關系可以確定丁壩作用下的河寬，水深，彎曲半徑，具體求解步驟如下：

(1)令B=0.0；h=0.0，由式(9)計算h；

(2)由式(10)、式(7)和式(8)計算B；

(3)由式(2)計算V；

(4)由式(4)計算S；

(5)由式(6)計算A；

(6)由式(6)計算h，若前后兩次h之差較小，則進入下一步驟(7)，否則由式(8)計算h，并返回(2)；

(7)由式(11)計算河道彎曲半徑；

隨后進行公式率定和驗證，水流挾沙力公式因河道而異，同時，出于形式較為簡單考慮，選用布設工程前后的水流挾沙力公式分別為：

????????????????????????????????????(12)

????????????????????????????????????(13)

?式中：S₀為工程布設前的水流挾沙力；S為工程布設后的水流挾沙力；、m分別為系數和指數，由利津站實測資料率定得到=0.44，=0.7414；=(1–S_V)^6.0，為單顆粒泥沙在清水中的沉速；S_V為體積泥沙濃度；為泥沙的密度；?為渾水的密度，，其中是清水的密度，在進行“模型邊界”試驗方法設計之前，首先需對式(10)中的參數進行率定，率定試驗是在驗證好的河工模型上進行的；在驗證過的河工模型上布置丁壩群，丁壩群的可調參數為丁壩長度、丁壩群的聯壩彎曲半徑以及挑流角度，試驗觀測控導工程布置后的河床沖淤變化。