[發(fā)明專利]一種變曲率明渠彎道

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810215458.7
• 申請(qǐng)日: 2018-03-15
• 公開（公告）號(hào): CN108560480B
• 公開（公告）日: 2020-06-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王韋;丁燦;田忠;許唯臨;劉善均;張建民;鄧軍;曲景學(xué);余挺;張法星;周茂林
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 四川大學(xué)
• 主分類號(hào): E02B1/02
• 分類號(hào): E02B1/02;E02B8/06
• 代理公司: 成都科海專利事務(wù)有限責(zé)任公司 51202
• 代理人: 黃幼陵

本發(fā)明所述變曲率明渠彎道，由沿水流方向彎曲的底板和沿底板兩側(cè)設(shè)置的邊墻構(gòu)成，以彎道進(jìn)口斷面底板中點(diǎn)與彎道出口斷面底板中點(diǎn)的連線為x軸，以上述連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于x軸的直線為y軸建立平面直角坐標(biāo)系，在上述坐標(biāo)系下，底板的凸岸邊緣曲線方程為：底板的凹岸邊緣曲線方程為：所述變曲率明渠彎道可解決彎道水流流態(tài)紊亂，水面超高大，壓強(qiáng)分布不均等問(wèn)題，同時(shí)不影響彎道過(guò)流能力，減小空化空蝕可能性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于水利工程中導(dǎo)流及河道治理領(lǐng)域，具體涉及一種可控制急流水流流態(tài)、水面超高及壓強(qiáng)分布的明渠彎道。

背景技術(shù)

由于地形地質(zhì)及樞紐布置等原因，明渠彎道在水利工程中大量存在，例如溢洪道、引水工程及治河工程。水流進(jìn)入彎道后受重力和離心力作用，會(huì)產(chǎn)生水面超高、螺旋流和急流沖擊波等現(xiàn)象，從而引發(fā)凹岸沖刷、凸岸露底、壓強(qiáng)分布不均等現(xiàn)象，影響過(guò)流效果，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生空化空蝕，危及結(jié)構(gòu)安全。出現(xiàn)上述問(wèn)題的根本原因是彎道入口處存在曲率突變，水流受力不連續(xù)，進(jìn)而失去平衡。現(xiàn)有的解決上述問(wèn)題的主要方法是設(shè)置超高或在彎道入口處設(shè)置導(dǎo)流坎，這不可避免會(huì)影響過(guò)流效果，水流流態(tài)也會(huì)受到影響，并且導(dǎo)流坎處產(chǎn)生空蝕可能性較大。此外，對(duì)于彎道水流壓強(qiáng)分布不均問(wèn)題，目前尚無(wú)有效解決措施。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種變曲率明渠彎道，在不影響彎道過(guò)流能力的情況下，解決彎道水流流態(tài)紊亂，水面超高大，壓強(qiáng)分布不均等問(wèn)題，并減小空化空蝕的可能性。

本發(fā)明所述變曲率明渠彎道，由沿水流方向彎曲的底板和沿底板兩側(cè)設(shè)置的邊墻構(gòu)成，以彎道進(jìn)口斷面底板中點(diǎn)與彎道出口斷面底板中點(diǎn)的連線為x軸，以上述連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于x軸的直線為y軸建立平面直角坐標(biāo)系，在上述坐標(biāo)系下，底板的凸岸邊緣曲線方程為：

底板的凹岸邊緣曲線方程為：

上述(a)、(b)兩式中，為底板凸岸曲線或凹岸曲線上任意點(diǎn)的切線與x軸正向所成夾角，M為底板長(zhǎng)度(以底板中心線長(zhǎng)度代表底板長(zhǎng)度)，ω為的最大值，B為底板寬度。實(shí)際彎道修建中，需根據(jù)工況設(shè)定ω和B。

將彎道看作河流，將彎道行進(jìn)方向兩側(cè)看作河岸部分，河岸部分凹進(jìn)去的則為彎道的凹岸，河岸部分凸出來(lái)的則為彎道凸岸，底板凸岸邊緣曲線或凹岸邊緣曲線也以該規(guī)則確定。

所述底板凸岸邊緣曲線方程和凹岸邊緣曲線方程的推導(dǎo)如下：

Langbcin等人研究表明天然河流前進(jìn)一段距離ΔS后發(fā)生一定角度偏離，設(shè)偏轉(zhuǎn)角度為則概率最大流路為：

此時(shí)，滿足上述條件的方向角是沿河槽距離S的正弦函數(shù)，其方程為：

式(2)表明河槽流路為正弦派生曲線，其結(jié)果與實(shí)測(cè)資料可以良好的吻合。以上參考自Walter B.Langbein,Luna B.Leopold.(1966).River meanders--theory ofminimum variance.U.S.Geological Survey Prof.Paper 422-H,1-15.。

以彎道進(jìn)口斷面底板中點(diǎn)與彎道出口斷面底板中點(diǎn)的連線為x軸，以上述連線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)且垂直于x軸的直線為y軸建立xoy平面直角坐標(biāo)系，則有：

將式(1)、(2)代入式(3)得：

兩邊同時(shí)對(duì)x求導(dǎo)得：

又