[发明专利]多沙河流河工动床模型人工转折方法及人工转折导流槽

说明书

技术领域

本发明涉及一种多沙河流河工动床模型人工转折方法及人工转折导流槽，该方法及装置是一种当试验场地长度不够，难以按照原型河道走势布设模型的全部河段时，若试验场地宽度允许，在保证模拟河段原河道水流水力规律不变条件下，将模拟河段某一合适断面以下的河段按适当角度进行转弯布设的模型设计技术。

背景技术

河道系统是河流在一定的地理环境和社会环境下，按其固有的自身规律经长期的演变和调整所形成的一种自然地貌单元。因此，包括河流的走向及河道发育的方位等诸项特征要素都是在特定自然环境下河流过程的规律性表现。显然，在模拟试验中，若将河道进行人为转折，而又不破坏原有的河流水力规律，这将是一个理论性很强的技术问题。

从目前研究现状看，对此问题的研究非常鲜见，仅有清华大学水利系于1976年在《河工模型试验中人为拐弯和轻质沙的应用》中所述及的初步研究成果，其研究是结合某河流上游山区河段的一项河工模型试验开展的。此项研究成果对于进一步开展河工动床模型人工转折方法的研究具有一定的启发意义。但是，其研究还有一些明显不足之处，主要为：(1)缺乏理论分析依据，未提出具体的设计原理与设计方法；(2)没有考虑流速及含沙量的横向分布问题。对于河床冲淤演变剧烈的试验河段而言，水沙要素横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断面上进行了单一垂线的验证，且垂线平均含沙量只选择了一个流量级的，不能说明平均含沙量及流速的横向分布一致性的问题；(4)未进行转折进出口断面的河床变形及其它要素的一致性分析。另外，其研究的河段河床比较稳定，边界条件相对较简单。

因此，为了进一步推动河工动床模型人工转折设计方法的研究，亟待从设计理论、设计原则和设计方法上开展系统研究，尤其对于像黄河这类含沙量高、河床变形剧烈的河流，进行此方面的模型设计，存在有更多的关键技术性问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的不足而提供一种在模型场地长度不够、宽度比较富裕的情况下进行人工转折河道模型，要求转折前后的模型水流运动参数保持不变的多沙河流河工动床模型人工转折方法及人工转折导流槽。

一种多沙河流河工动床模型的人工转折方法，按下列步骤进行：

步骤1：利用粉煤灰作为模型沙，选择河势平顺稳定、断面几何形态相对对称、河床冲淤变化不大且水流水力要素横向分布相对均匀的河段布设多沙河流河工动床模型的人工转折导流槽；

步骤2：根据试验场地宽度限制和下游河势条件对人工转折导流槽进行平面布置，确定人工转折导流槽的转折角度、转折半径、连接段长度和过渡段长度等几何要素；

步骤3：根据模型放水流量、流速、水深参数计算水流的磨损阻力，从而得出附加坡降，进而由河道原坡降和附加坡降计算设计导流槽进出口的最终比降；

步骤4：通过放水试验对布设好的人工转折导流槽按照试验要求进行率定，经不同量级洪水的测试，对人工转折导流槽的坡降进行调整，最终完成多沙河流河工动床模型人工转折导流槽的设计，导流槽率定调整后即可进行河道模型试验。

在步骤2中，根据人工转折导流槽的转折角度、转折半径、连接段长度、过渡段长度布设人工转折导流槽，其中床面和边壁使用水泥粉煤灰沙浆，导流槽用相同的硬塑胶板分隔成六个条渠；导流槽由进口动床过渡段、进口定床过渡段、导流槽进口段、导流槽进口转折段、导流槽顺直连接段、导流槽出口转折段、导流槽出口段、出口定床过渡段、出口动床过渡段依次连接组成。

步骤3中的磨损阻力和最终比降按如下方式确定：

磨损阻力：人工转折导流槽的总水头损失Δh_e为Δh_e＝h_f+h_w，根据试验流量所对应的水力参数和人工转折导流槽尺寸运用如下公式计算人工转折导流槽的沿程阻力损失h_f和局部阻力损失h_w，其中