[發(fā)明專利]兼顧床面穩(wěn)定和快速排水的河工模型排水系統(tǒng)及設(shè)計方法

有效

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• 申請日: 2017-03-09
• 公開（公告）號: CN106759072B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 周銀軍;盧金友;姚仕明;吳華莉;王軍;金中武;鄧彩云;閆霞;李志晶;周若;劉小斌;周森;李健;程傳國;馬秀琴
• 申請（專利權(quán)）人: 長江水利委員會長江科學(xué)院
• 主分類號: E02B1/02
• 分類號: E02B1/02
• 代理公司: 北京康達聯(lián)禾知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11461
• 代理人: 楊文淵

本發(fā)明提供一種兼顧床面穩(wěn)定和快速排水的河工模型排水系統(tǒng)及其設(shè)計方法，屬于河流動力學(xué)、河流模擬領(lǐng)域。本發(fā)明在一般河工模型底部設(shè)置滲管、流量計及閥門，在需要將模型存水排干時可通過滲管將常規(guī)的縱向尾門排水改為垂向滲管排水。這樣由于垂向排水時過水面積明顯大于縱向排水的過水面積，在流量一致的情況下，前者流速會明顯小于后者，可避免排水時泥沙起動，將有利于保持床面形態(tài)的穩(wěn)定，并推導(dǎo)了斜坡泥沙垂向起動流速公式，通過滲管流量、垂向流速及泥沙起動流速三者間的關(guān)系，提出了泥沙止動下的滲管流量最大閾值和滲管管徑的計算方法，以兼顧床面穩(wěn)定與快速排水。相對傳統(tǒng)模型水下地形測量，該發(fā)明提出的模型排水系統(tǒng)及設(shè)計方法是河工模型干河床形態(tài)保真的重要前提，可有效解決模型河床地形快速測量的瓶頸。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及河流動力學(xué)學(xué)科的河流模擬領(lǐng)域，具體涉及一種兼顧床面穩(wěn)定和快速排水的河工模型排水系統(tǒng)及設(shè)計方法。

背景技術(shù)

河工模型是一種重要河流模擬手段，是近幾十年研究河床演變與泥沙運動規(guī)律的成熟工具，目前關(guān)于其模型原理、制作過程、測量控制及成果分析已形成了行業(yè)規(guī)程，即《河工模型試驗規(guī)程(SL99-2012)》。

其中，對河工模型河床地形測量的一般采用需要在模型尾門封閉、模型中有一定水深情況下進行測量，其主要原因在于，模型在經(jīng)尾門把水排干的過程中，會因為流速較大、水深較小產(chǎn)生“小水拉沙”效應(yīng)使得床面模型沙再次起動，床面因此變形，引起整個河床演變過程模擬的失真。由于縱向排水會引起河床變形，所以就不能進行排水，這樣河床就會保持一定的水深。同時，傳統(tǒng)模型地形測量一般按照斷面法進行，每個斷面上的測點間距按不超過20cm進行控制，相應(yīng)的測量儀器多為電阻抗式地形儀，測量方式為逐點測量。而水深的存在就會讓光學(xué)測量儀器產(chǎn)生因折射而引起的誤差，導(dǎo)致目前較先進的全站儀和激光地形掃描儀等光學(xué)測量儀器無法在模型地形測量中進行應(yīng)用，使得目前模型河床地形測量效率較低。

所以，由于縱向排水極易引起河床變形，先進光學(xué)測量儀器無法在河工模型地形測量上應(yīng)用的主要原因仍是模型因不能進行縱向排水而必須保持的一定深度的水體，而模型上水體的存在則會引起光的折射使得先進光學(xué)測量儀器無法應(yīng)用于水下地形測量。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本發(fā)明提供一種兼顧床面穩(wěn)定和?快速排水的河工模型排水系統(tǒng)及設(shè)計方法，其將模型常規(guī)的縱向尾門排水改為垂向滲管排水，在一般河工模型底部設(shè)置滲管、流量計及閥門等裝置，利用排水流量相同情況下垂向流速遠小于縱向流速、泥沙不易起動的特點，實現(xiàn)模型快速排水和床面穩(wěn)定兼顧，以有效解決模型河床地形快速測量的技術(shù)瓶頸。

一種兼顧床面穩(wěn)定和快速排水的河工模型排水系統(tǒng)，河工模型概化為一矩形水槽，平面上水流方向為從左至右依次為進口段、試驗段、尾門及出口段、尾水池，試驗段從上至下依次為水體、模型沙、天然散體沙、礫石，所述排水系統(tǒng)包括橫向埋設(shè)于礫石中的滲管，滲管上設(shè)有多個滲水孔，用于將河工模型中的水導(dǎo)入滲管，滲管下方設(shè)有連通回水渠的排水管，排水管上設(shè)有流量計和閥門，回水渠的出水口與尾水池連通。

進一步的，滲管管壁上的滲水孔的孔眼選用圓形孔，孔徑一般采用10～20mm，布置成梅花狀。

進一步的，滲水孔的孔眼布置范圍在1/3～1/2滲管的管徑以上的管周壁上。

進一步的，流量計和閥門根據(jù)排水流量閾值實現(xiàn)排水流量的控制，所述排水流量閾值Q，即泥沙不起動時的流量最大限值計算公式為：

其中θ為模型沙波坡面與水平面的夾角，一般可參考該模型沙水下休止角進行取值，d為模型沙代表粒徑，γ_s為模型沙容重，γ為模型水體容重，A為垂向過水面積。

進一步的，為滿足排水量需求，滲管的管徑計算公式如下：