多沙河流河工动床模型 人工转折设计方法.pdfVIP

泥 沙 研 究 2002 年 10 月 Journal of Sediment Research 第 5 期 多沙河流河工动床模型“人工转折设计方法”研究 1 2 1 1 姚文艺 王德昌 侯志军 (1. 河海大学 江苏 南京 210024 2. 黄河水利科学研究院 河南 郑州 450003) 摘要 基于能量守衡原理和水动力学的方法 探讨了多沙河流河工动床模型人工转折设计原理 原则和方法 并给 出了黄河下游河道河工动床模型的设计实例 通过设计率定试验表明 所提出的河工动床模型人工转折设计方法 能够保证模型河道转折前后的水流水力规律及河床冲淤变形的一致性 关键词 河工动床模型 动床模型设计 模型转折设计 多沙河流 中图分类号:TV1316 文献标识码:A 文章编号:0468-155X(2002)05-0025-07 河工模型“人工转折设计方法”是指当试验场地长度所限 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一种模型设计技术 在模型试验的实践中 当模拟的河段较长时 往往会遇到因模型试验场地太短而难以按照较佳的设计 比尺布设模型的情况 为此 大多不得不采取选择缩小模型平面比尺的办法加以解决 显然 这种方法是 以舍弃模型某方面的相似性和降低模拟的精度为代价的 也正因如此 常常对一些原预定的研究内容无法 开展试验 因而 解决这类关键技术问题 实乃河工模型试验中的迫切需要 开展这一问题的研究 对于 丰富河工模型设计的基础理论也具有很大的科学意义 1 研究现状 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 就作者所能收集到的文献资料而言 仅见到清华大学 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[1] 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 研究河段河面狭窄 谷坡陡峭 河道宽深比很小 河 道阻力主要受两岸边壁形状阻力控制 总的来说 在整个试验河段内 河床比较稳定 床面基本上保持年 内冲淤平衡 同时 水流含沙量比较低 一般不足10kg/m3 上述河流特征与诸如黄河等多沙河流河道冲淤 变化大 河势演变剧烈 含沙量高 河床阻力构成复杂等诸多特性是迥然不同的 此项试验在140km长的 河段上 共设计了三个人工转弯段 转弯角度在90 180 之间 人为拐弯的率定试验中 主要针对转 弯断面的水位变化 转弯弯道出口断面代表垂线的流速分布及一个流量级下的代表垂线平均含沙量与转弯 前的进行了对比验证 从验证结果看 转弯影响的范围一般在转弯出口以下原型长度1.0 2.0km之间 流 量越大 影响河段的范围越长 此项研究成果对于进一步开展河工动床模型“人工转折设计方法”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