一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種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(tài)。本發(fā)明通過對輕質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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。
【專利說明】一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于河流卵石研究【技術領域】，尤其涉及一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法。
【背景技術】
[0002]由于天然山區(qū)河流卵礫石運動的復雜性，因而在進行整治工程以前，對整治方案進行充分的論證研究十分必要，目前，對于長江上游地區(qū)復雜卵石淺灘的整治，一般采用物理模型模擬整治效果的方法對方案進行論證研究，在對以前長江宜賓至重慶河段三級航道整治時共進行了 15個灘的物理模型試驗，從工程實踐效果來看，沒有哪一個灘是一次研究方案實施后就整治成功的，其中有5個灘經(jīng)過2次整治才取得成功，4個灘經(jīng)過3次整治才取得成功，有4個灘經(jīng)過5次整治才取得成功，而三角磧、豬兒磧至目前也沒有取得成功，另夕卜，還有2個灘險先后做過2個物理模型。
[0003]造成這些差異的原因，一方面是因為天然山區(qū)河流卵礫石運動的復雜性；另一方面則是物理模型的模擬方法上，通常來說，物理模型試驗在模擬卵石淺灘整治前后的水流變化情況時，有較好的效果；但是考慮到物理模型設計過程中，多數(shù)采用了輕質(zhì)沙(如精煤)、變態(tài)模型等，在模擬卵石的沖刷及回淤方面的效果與實際差異較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明實施例的目的在于提供一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，旨在解決現(xiàn)有模擬卵石的沖刷及回淤方面的效果與實際差異較大的問題。
[0005]本發(fā)明實施例是這樣實現(xiàn)的，一種長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，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:
[0006]選擇適合的模型沙；
[0007]確定適合模型比尺；
[0008]確定模型幾何形態(tài)。
[0009]進一步、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:
[0010]第一步、選擇適合的模型沙:
[0011]由于三峽水庫變動回水末端段在消落期航槽內(nèi)普遍存在沙波運動，在模擬有沙波形態(tài)的推移質(zhì)運動時，天然模型沙優(yōu)于輕質(zhì)模型沙，在模型設計時應優(yōu)先考慮選擇天然沙作為模型沙；
[0012]第二步、確定適合模型比尺:
[0013]三峽水庫變動回水區(qū)末端段航槽內(nèi)卵礫石中值粒徑D50為52mm，因水流強度較大，推移質(zhì)運動形態(tài)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;
[0014]第三步、模型幾何形態(tài)的確定:
[0015]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(zhì)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(shù)Fr相當敏感，當模型河床比降較原型增加e倍后，水流參數(shù)相差很大，直接導致水流和泥沙的相似準數(shù)相差很大，影響推移質(zhì)泥沙的起動、輸沙路徑和沖淤狀態(tài)的模擬相似性，因此宜采用正態(tài)模型。
[0016]進一步、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:
[0017]對輕質(zhì)模型沙和天然沙的物理特性進行比較研究；
[0018]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(zhì)沙兩種模型沙的運動特性；
[0019]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(zhì)模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；
[0020]對兩種模型沙在推移質(zhì)動床物理模型中的適應性進行分析；
[0021]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。
[0022]進一步、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:
[0023]第一步、輕質(zhì)模型沙和天然沙的物理特性比較研究:
[0024]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(zhì)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(zhì)量，采用形狀系數(shù)、扁平度、球度參數(shù)進行統(tǒng)計，
[0025]第二步、運動特性比較研究:
[0026]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(zhì)沙兩種模型沙的運動特性；
[0027]第三步、模型沙模擬沖淤特性的對比研究:
[0028]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(zhì)模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；
[0029]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
I: 60的正態(tài)局部物理模型進行航槽的沖淤對比試驗；
[0030]模型試驗結果表明，采用天然模型沙進行試驗時，其推移質(zhì)輸移路徑、沖淤部位基本與原型航槽的情況相符；采用輕質(zhì)模型沙進行試驗時，模型推移質(zhì)輸沙路徑基本與原型航槽相符，但是泥沙快速經(jīng)過航槽及灘面，難以在航槽內(nèi)淤積下來形成淤積體，航槽回淤現(xiàn)象與實際相距甚遠；
[0031]第四步、兩種模型沙在推移質(zhì)動床物理模型中的適應性分析:
[0032]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(zhì)模型沙應用于推移質(zhì)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(zhì)運動更能反映天然河流卵礫石的運動狀態(tài)；
[0033]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:
[0034]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。
[0035]進一步、所述第二步的具體步驟為:[0036]步驟一、起動規(guī)律比較:
[0037]在水槽內(nèi)共進行了 2種天然沙、一種輕質(zhì)沙的起動試驗，以Parker的無量綱輸沙率S = 今4.002作為起動判別標準，得到天然沙和輕質(zhì)沙的起動條件試驗結果，
[0038]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(zhì)沙的起動條件數(shù)據(jù)點基本分布在同一直線上，均符合同一起動功率公式，
[0039]天然沙和輕質(zhì)沙兩種模型沙的起動條件均可用單寬無量綱流量數(shù)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(zhì)泥沙的起動時均適用；
[0040]步驟二、輸沙率的比較:
[0041]在水槽試驗中，采用2種粒徑的天然沙、3種粒徑的輕質(zhì)沙，控制水槽比降J、流量Q，測量水位H和單寬推移質(zhì)輸沙率gb，共進行共87組推移質(zhì)輸沙率試驗，采用通過長江上游實測數(shù)據(jù)進行修正的Einstein公式分析所測得的試驗數(shù)據(jù)，將處理好的水流參數(shù)Ψ和輸沙強度Φ點，可見，天然沙和輕質(zhì)沙的輸沙強度均基本符合Einstein修正公式，試驗數(shù)據(jù)點均在公式計算值附近緊密分布；
[0042]輕質(zhì)沙和天然沙在輸沙強度遵循相同的規(guī)律，也可采用同樣的公式表達，天然沙和輕質(zhì)沙都在進行推移質(zhì)動床模型的輸沙強度試驗時差別不大；
[0043]步驟三、推移質(zhì)運動形態(tài)的比較:
[0044]當水流強度較大，推移質(zhì)泥沙將以沙波形態(tài)運動，為了對比輕質(zhì)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(zhì)沙和天然沙進行沙波形態(tài)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(tài)方面進行對比；
[0045]從沙波形成的臨界條件來看，粒徑相同的輕質(zhì)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(zhì)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(tài)參數(shù)Θ = λ a7M/x胃7_隨水流強度的增加變化范圍較大，而輕質(zhì)沙形態(tài)參數(shù)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(zhì)沙較天然沙更容易形成沙波形態(tài)，且天然沙與輕質(zhì)沙之間的波長、波高以及沙波形態(tài)均存在明顯的差異，故在床面出現(xiàn)沙波階段盡量選用天然沙作為模型沙。
[0046]本發(fā)明的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，通過對輕質(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0047]圖1是本發(fā)明實施例提供的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流程圖；[0048]圖2是本發(fā)明實施例提供的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法的流程圖；
[0049]圖3是本發(fā)明實施例提供的輕質(zhì)沙與天然沙起動規(guī)律比較的示意圖；
[0050]圖4是本發(fā)明實施例提供的輕質(zhì)沙與天然沙輸沙率的比較的巖體；
[0051]圖5是本發(fā)明實施例提供的天然沙和輕質(zhì)沙沙波波長及波高的對比分析的示意圖；
[0052]圖6是本發(fā)明實施例提供的重慶主城區(qū)豬兒磧河段河勢示意圖。
【具體實施方式】
[0053]為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0054]圖2示出了本發(fā)明提供的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法的流程。為了便于說明，僅僅示出了與本發(fā)明相關的部分。
[0055]本發(fā)明的長江上游卵石灘險航道整治動床物理模型設計方法，該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:
[0056]選擇適合的模型沙；
[0057]確定適合模型比尺；
[0058]確定模型幾何形態(tài)。
[0059]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，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:
[0060]第一步、選擇適合的模型沙:
[0061]由于三峽水庫變動回水末端段在消落期航槽內(nèi)普遍存在沙波運動，在模擬有沙波形態(tài)的推移質(zhì)運動時，天然模型沙優(yōu)于輕質(zhì)模型沙，在模型設計時應優(yōu)先考慮選擇天然沙作為模型沙；
[0062]第二步、確定適合模型比尺:
[0063]三峽水庫變動回水區(qū)末端段航槽內(nèi)卵礫石中值粒徑D50為52mm，因水流強度較大，推移質(zhì)運動形態(tài)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;
[0064]第三步、模型幾何形態(tài)的確定:
[0065]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(zhì)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(shù)Fr相當敏感，當模型河床比降較原型增加e倍后，水流參數(shù)相差很大，直接導致水流和泥沙的相似準數(shù)相差很大，影響推移質(zhì)泥沙的起動、輸沙路徑和沖淤狀態(tài)的模擬相似性，因此宜采用正態(tài)模型。
[0066]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，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:
[0067]對輕質(zhì)模型沙和天然沙的物理特性進行比較研究；
[0068]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(zhì)沙兩種模型沙的運動特性；[0069]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(zhì)模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；
[0070]對兩種模型沙在推移質(zhì)動床物理模型中的適應性進行分析；
[0071]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。
[0072]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，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:
[0073]第一步、輕質(zhì)模型沙和天然沙的物理特性比較研究:
[0074]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(zhì)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(zhì)量，采用形狀系數(shù)、扁平度、球度參數(shù)進行統(tǒng)計，
[0075]第二步、運動特性比較研究:
[0076]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(zhì)沙兩種模型沙的運動特性；
[0077]第三步、模型沙模擬沖淤特性的對比研究:
[0078]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(zhì)模型沙在模擬航槽沖刷與回淤時的適應性；
[0079]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I: 60的正態(tài)局部物理模型進行航槽的沖淤對比試驗；
[0080]模型試驗結果表明，采用天然模型沙進行試驗時，其推移質(zhì)輸移路徑、沖淤部位基本與原型航槽的情況相符；采用輕質(zhì)模型沙進行試驗時，模型推移質(zhì)輸沙路徑基本與原型航槽相符，但是泥沙快速經(jīng)過航槽及灘面，難以在航槽內(nèi)淤積下來形成淤積體，航槽回淤現(xiàn)象與實際相距甚遠；
[0081]第四步、兩種模型沙在推移質(zhì)動床物理模型中的適應性分析:
[0082]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(zhì)模型沙應用于推移質(zhì)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(zhì)運動更能反映天然河流卵礫石的運動狀態(tài)；
[0083]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:
[0084]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。
[0085]作為本發(fā)明實施例的一優(yōu)化方案，第二步的具體步驟為:
[0086]步驟一、起動規(guī)律比較:
[0087]在水槽內(nèi)共進行了 2種天然沙、一種輕質(zhì)沙的起動試驗，以Parker的無量綱輸沙
率
【權利要求】
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(tài)。
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(nèi)普遍存在沙波運動，在模擬有沙波形態(tài)的推移質(zhì)運動時，天然模型沙優(yōu)于輕質(zhì)模型沙，在模型設計時應優(yōu)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(qū)末端段航槽內(nèi)卵礫石中值粒徑D50為52mm，因水流強度較大，推移質(zhì)運動形態(tài)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(tài)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(zhì)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(shù)Fr相當敏感，當模型河床比降較原型增加e倍后，水流參數(shù)相差很大，直接導致水流和泥沙的相似準數(shù)相差很大，影響推移質(zhì)泥沙的起動、輸沙路徑和沖 淤狀態(tài)的模擬相似性，因此宜采用正態(tài)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量，采用形狀系數(shù)、扁平度、球度參數(shù)進行統(tǒng)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(zhì)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(zhì)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I: 60的正態(tài)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(zhì)輸移路徑、沖淤部位基本與原型航槽的情況相符；采用輕質(zhì)模型沙進行試驗時，模型推移質(zhì)輸沙路徑基本與原型航槽相符，但是泥沙快速經(jīng)過航槽及灘面，難以在航槽內(nèi)淤積下來形成淤積體，航槽回淤現(xiàn)象與實際相距甚遠；第四步、兩種模型沙在推移質(zhì)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(zhì)模型沙應用于推移質(zhì)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(zhì)運動更能反映天然河流卵礫石的運動狀態(tài)；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(guī)律比較:在水槽內(nèi)共進行了 2種天然沙、一種輕質(zhì)沙的起動試驗，以Parker的無量綱輸沙率
【文檔編號】E02B1/02GK103437319SQ201310204255
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年5月24日 優(yōu)先權日:2013年5月24日
【發(fā)明者】楊勝發(fā), 胡江, 付旭輝, 李文杰, 陳陽, 徐芳, 徐威震 申請人:重慶交通大學