[發明專利]一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法

無效

• 申請號: 201310204255.5
• 申請日: 2013-05-24
• 公開（公告）號: CN103437319A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 楊勝發;胡江;付旭輝;李文杰;陳陽;徐芳;徐威震
• 申請（專利權）人: 重慶交通大學
• 主分類號: E02B1/02
• 分類號: E02B1/02
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，其特征在于，所述長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法包括以下步驟：

選擇適合的模型沙；

確定適合模型比尺；

確定模型幾何形態。

2.如權利要求1所述的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，其特征在于，所述長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法具體步驟為：

第一步、選擇適合的模型沙：

由于三峽水庫變動回水末端段在消落期航槽內普遍存在沙波運動，在模擬有沙波形態的推移質運動時，天然模型沙優于輕質模型沙，在模型設計時應優先考慮選擇天然沙作為模型沙；

第二步、確定適合模型比尺：

三峽水庫變動回水區末端段航槽內卵礫石中值粒徑D50為52mm，因水流強度較大，推移質運動形態通常由平整床面直接過渡到沙壟階段，在模型試驗時，模型沙的粒徑不應小于0.6mm，則模型比尺宜大于1∶90；

第三步、模型幾何形態的確定：

三峽水庫變動回水段河床及水面比降均較大，且河床推移質為粗顆粒的卵礫石，粗顆粒的泥沙運動對相對光滑度h/D、河床比降J和弗汝德數Fr相當敏感，當模型河床比降較原型增加e倍后，水流參數相差很大，直接導致水流和泥沙的相似準數相差很大，影響推移質泥沙的起動、輸沙路徑和沖淤狀態的模擬相似性，因此宜采用正態模型。

3.如權利要求1所述的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，其特征在于，所述長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法的研究過程，包括以下步驟：

對輕質模型沙和天然沙的物理特性進行比較研究；

通過28m水槽試驗，從泥沙的起動、輸沙率和沙波運動三個方面研究對比了天然沙、輕質沙兩種模型沙的運動特性；

選擇位于三峽變動回水末端的重慶主城豬兒磧河段并通過物理模型試驗，研究對比天然模型沙和輕質模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；

對兩種模型沙在推移質動床物理模型中的適應性進行分析；

結合不同模型沙的特性以及長江上游卵石灘險的水流和航槽泥沙運動特點分析，得出長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法。

4.如權利要求3所述的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，其特征在于，所述長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法的研究過程具體步驟為：

第一步、輕質模型沙和天然沙的物理特性比較研究：

在重慶主城的九堆子河段隨機選擇47個邊灘天然卵石樣本，與天然模型沙、輕質模型沙中隨機抽取的196個、198個樣本，測量對比其幾何尺度和質量，采用形狀系數、扁平度、球度參數進行統計，

第二步、運動特性比較研究：

通過28m水槽試驗，從泥沙的起動、輸沙率和沙波運動三個方面研究對比了天然沙、輕質沙兩種模型沙的運動特性；

第三步、模型沙模擬沖淤特性的對比研究：

選擇位于三峽變動回水末端的重慶主城豬兒磧河段并通過物理模型試驗，研究對比天然模型沙和輕質模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；

考慮到模型沙、場地以及模擬對象原因，主要針對消落期豬兒磧河段主航槽建立1∶60的正態局部物理模型進行航槽的沖淤對比試驗；

模型試驗結果表明，采用天然模型沙進行試驗時，其推移質輸移路徑、沖淤部位基本與原型航槽的情況相符；采用輕質模型沙進行試驗時，模型推移質輸沙路徑基本與原型航槽相符，但是泥沙快速經過航槽及灘面，難以在航槽內淤積下來形成淤積體，航槽回淤現象與實際相距甚遠；

第四步、兩種模型沙在推移質動床物理模型中的適應性分析：

從模型沙物理特性、運動特性和沖淤特性方面的對比試驗分析，當天然模型沙和輕質模型沙應用于推移質動床模型時，因長江上游河段水流強度較大、床沙組成較粗，天然模型沙物理特性、運動特性及沖淤特性方面具有更好的相似性，用天然沙來模擬推移質運動更能反映天然河流卵礫石的運動狀態；

第五步、長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法：

結合不同模型沙的特性以及長江上游卵石灘險的水流和航槽泥沙運動特點分析。

5.如權利要求要求4所述的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，其特征在于，所述第二步的具體步驟為：

步驟一、起動規律比較：

在水槽內共進行了2種天然沙、一種輕質沙的起動試驗，以Parker的無量綱輸沙率作為起動判別標準，得到天然沙和輕質沙的起動條件試驗結果，

將試驗水流條件按照轉換為無量綱起動功率，可以看出天然沙與輕質沙的起動條件數據點基本分布在同一直線上，均符合同一起動功率公式，

天然沙和輕質沙兩種模型沙的起動條件均可用單寬無量綱流量數q^*表示，這和長江上游卵礫石的起動公式一致，說明兩種模型沙在物理模型試驗中模擬推移質泥沙的起動時均適用；

步驟二、輸沙率的比較：

在水槽試驗中，采用2種粒徑的天然沙、3種粒徑的輕質沙，控制水槽比降J、流量Q，測量水位H和單寬推移質輸沙率g_b，共進行共87組推移質輸沙率試驗，采用通過長江上游實測數據進行修正的Einstein公式分析所測得的試驗數據，將處理好的水流參數Ψ和輸沙強度Φ點，可見，天然沙和輕質沙的輸沙強度均基本符合Einstein修正公式，試驗數據點均在公式計算值附近緊密分布；

輕質沙和天然沙在輸沙強度遵循相同的規律，也可采用同樣的公式表達，天然沙和輕質沙都在進行推移質動床模型的輸沙強度試驗時差別不大；

步驟三、推移質運動形態的比較：

當水流強度較大，推移質泥沙將以沙波形態運動，為了對比輕質模型沙和天然沙在沙波運動時的相似性，在28m變坡水槽中利用輕質沙和天然沙進行沙波形態對比試驗，從二者形成沙波的臨界水流條件、波高、波長、沙波形態方面進行對比；

從沙波形成的臨界條件來看，粒徑相同的輕質沙與天然沙相比較，形成沙波運動的水流強度遠小于天然沙；在水流強度逐漸增大時，天然沙沙波的波高有逐漸增大而波長減小的趨勢，但輕質沙的沙波波高及波長隨水流強度增加變化趨勢較緩慢；天然沙形態參數θ＝λ_迎水面/λ_背水面隨水流強度的增加變化范圍較大，而輕質沙形態參數隨水流強度的增加變化范圍較小，隨著水流強度的加強，輕質沙較天然沙更容易形成沙波形態，且天然沙與輕質沙之間的波長、波高以及沙波形態均存在明顯的差異，故在床面出現沙波階段盡量選用天然沙作為模型沙。