一種閘下水流挾沙模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種閘下水流挾沙模擬方法，設(shè)置一裝置，包括：蓄水區(qū)、閘門、沙槽區(qū)和尾水池；所述蓄水區(qū)的出口處設(shè)置閘門，緊鄰出口延續(xù)設(shè)置沙槽區(qū)，沙槽區(qū)內(nèi)放置有粗細(xì)不均勻的顆粒物，代表淤積物和防護(hù)石料；在沙槽區(qū)的下游端連接尾水池；尾水池中含有過濾裝置。通過計算一定蓄水量下，一定閘門開度下，一定流速下的水流工況中沖刷的顆粒物所占蓄水區(qū)水量的百分比含量，衡量水流的挾沙能力。本發(fā)明模擬閘下水流對細(xì)顆粒的淤積物和粗顆粒的防護(hù)石料的輸移機理，可操作性強，具有工程實用價值。
【專利說明】一種閘下水流挾沙模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及水利工程【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是一種用于測試閘下水流挾沙輸移能力的模 擬方法，該方法包括對細(xì)質(zhì)淤積物和粗質(zhì)防護(hù)石的輸移能力的研究。

【背景技術(shù)】
[0002] 水閘是用于控制過水通道的水工建筑物，在水利工程中應(yīng)用廣泛，多建于河道、渠 系、水庫、湖泊及濱海地區(qū)。從20世紀(jì)50年代開始，應(yīng)工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和人民生活的需要，在我 國沿海大部分中小入海河口都已建閘以擋潮御鹵、蓄淡灌溉、排洪除澇以及防臺抗暴。
[0003] 河口內(nèi)建閘后，潮波受閘門阻擋發(fā)生反射，增強了駐波特征。由于潮波變形使閘口 處漲潮流速增加，而落潮流速相對減小，這樣就會使?jié)q潮輸沙量大于落潮輸沙量。由漲、落 潮不平衡導(dǎo)致的輸沙結(jié)果，就是漲潮期多輸入的泥沙會落淤在閘下河道內(nèi)。當(dāng)水閘泄水時， 蓄水部分勢能轉(zhuǎn)為動能，流速增加，因此，閘下出流具有單寬流量大、能量集中的特點，沖刷 能力很強，會挾帶閘下游沙隨之流走。
[0004] 水流挾沙能力就是指在一定水流和邊界條件下，蓄水能夠輸移的泥、沙、石的量。 閘下泥沙來源主要為海相來沙，常以懸沙及浮泥形式進(jìn)入河道。分析閘下水流對懸移質(zhì)泥 沙的輸移能力對于擋潮閘的沖淤計算具有重要意義。
[0005] 同時，擋潮閘運行一段時間后，下游保護(hù)段末端由于沖刷影響，有的護(hù)坦、海漫會 受到破壞，特別是堤岸邊坡的沖刷更為嚴(yán)重。拋石護(hù)底是常用的防沖加固措施，其做法一般 是自開始沖刷的地方向外拋石，沿沖刷河底以同一厚度拋填石塊。因此，研究閘下水流的對 推移質(zhì)塊石的輸移能力對于擋潮閘的加固設(shè)計也同樣具有指導(dǎo)意義。
[0006] 對于實際河流的挾沙測試，我們沒有辦法一一實測，只能摸索一套模擬系統(tǒng)和方 法，通過不同的水量，水速等推演出實際河道的挾沙能力。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就是如何準(zhǔn)確測得一定流量、一定流速、一定勢能的閘 下水流，流經(jīng)河道一段時間后，所能挾帶的泥沙含量。因此，本發(fā)明提供一種閘下水流挾沙 模擬方法，能同時模擬閘下水流對細(xì)顆粒的淤積物和粗顆粒的防護(hù)石料的輸移機理，可操 作性強，具有工程實用價值。
[0008] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：
[0009] -種閘下水流挾沙模擬方法，基于以下裝置實現(xiàn)挾沙測量，該裝置包括：
[0010] 蓄水區(qū)、閘門、沙槽區(qū)和尾水池；所述蓄水區(qū)的出口處設(shè)置閘門，緊鄰出口延續(xù)設(shè) 置沙槽區(qū)，沙槽區(qū)內(nèi)放置有粗細(xì)不均勻的顆粒物，代表淤積物和防護(hù)石料；在沙槽區(qū)的下游 端連接尾水池；尾水池中含有過濾裝置。
[0011] 設(shè)蓄水區(qū)里的水量為Q，閘門的開度為S，放水時間為t，則流過閘門的水流速度 為：
[0012] v = Q/St
[0013] 通過設(shè)定上述Q、S、t的值，可以模擬不同的水流工況；
[0014] 通過計算過濾裝置中留下的顆粒物所占蓄水區(qū)水量的百分比含量，衡量一定水量 Q，一定流速v，一定勢能下的水流的挾沙能力，所述勢能E計算為：
[0015] E = mv2/2
[0016] m指蓄水池水的質(zhì)量。
[0017] 所述裝置中，所述蓄水區(qū)比沙槽區(qū)的水位高。
[0018] 所述裝置還包括水塔、閥門，所述水塔與蓄水區(qū)通過輸水管路連接，在輸水管路上 設(shè)置所述閥門，由閥門控制進(jìn)水量。
[0019] 所述閘門為對開式閘門，或升降式閘門中的一種，每一種閘門都有自動開啟機構(gòu) 控制其開度。
[0020] 所述過濾裝置包括濾網(wǎng)和取樣瓶，設(shè)置在尾水池中，所述濾網(wǎng)過濾所有從沙槽區(qū) 流過的水，濾網(wǎng)孔徑介于所放置的顆粒物的最大直徑與最小直徑之間；所述取樣瓶吊掛在 濾網(wǎng)的下方，接取部分濾網(wǎng)過濾后的濁水。
[0021] 所述取樣瓶有多個，在濾網(wǎng)下方同一截面高度吊掛，以及在不同的截面高度也吊 掛。
[0022] 通過過濾裝置計算挾沙能力的方法為：
[0023] 首先計算濾網(wǎng)上留下的顆粒物占總水量的百分比含量，
[0024] 然后計算所有取樣瓶濁水中的含沙量的平均值，進(jìn)而估算總池中的含沙量，設(shè)有η 個瓶子，對應(yīng)的水量分別為％、QfQn，每個瓶子中的含沙量為Ap AfAn，則可計算該池中 單位流量下的挾沙百分含量為：
[0025] Ai+A2+…+An/Q1+Q2+...+Q n
[0026] 本發(fā)明獲得的有益效果是：本發(fā)明模擬閘下水流對細(xì)顆粒的淤積物和粗顆粒的 防護(hù)石料的輸移機理，提供了專門用于研究閘下水流的對推移質(zhì)塊石的輸移能力的實驗裝 置，在該實驗裝置下，通過設(shè)定一系列的參數(shù)，就可以計算出水流的挾沙量。裝置的可操作 性強，具有工程實用價值。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0027] 圖1為本發(fā)明裝置的整體俯視示意圖；
[0028] 圖2為本發(fā)明裝置的取樣瓶分布示意圖。
[0029] 1-水塔、2-閥門、3-蓄水區(qū)、4-閘門、5-沙槽區(qū)、6-濾網(wǎng)、7-取樣瓶、8-尾水池。

【具體實施方式】
[0030] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖及具體實施例，對 本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全 部的實施例。
[0031] 如圖1所示，本發(fā)明提供的方法基于這樣一種裝置而實現(xiàn)，該裝置模擬閘下水流 對細(xì)顆粒的淤積物和粗顆粒的防護(hù)石料的輸移機理，包括水塔1、閥門2、蓄水蓄水區(qū)3、閘 門4、沙槽區(qū)5、濾網(wǎng)6、取樣瓶7和尾水池8。
[0032] 水塔1位于上游區(qū)，濾網(wǎng)6位于下游區(qū)。其中，水塔1的出水管路上設(shè)置閥門2,同 時出水管路盡端連接到蓄水區(qū)3,向蓄水區(qū)3輸水，通過設(shè)置計量型閥門2,或蓄水區(qū)3,都 可以計算蓄水區(qū)3的儲水量。閘門4設(shè)置在蓄水區(qū)3與沙槽區(qū)5之間，較佳的設(shè)計是蓄水 區(qū)3比沙槽區(qū)5的水位高，這樣可以在蓄水區(qū)與沙槽區(qū)之間造成一定的水位差。通過調(diào)節(jié) 閘門4的開度，以及蓄水區(qū)3里的水放盡的時間，可以計算出水的流速。
[0033] 設(shè)蓄水區(qū)里的水量為Q，閘門的開度即截面積為S，放水時間為t，則流過閘門的水 流速度可計算為：
[0034] v = Q/St
[0035] 通過設(shè)定上述Q、S、t的值，可以模擬不同的工況。
[0036] 閘門4可選為對開式閘門，或升降式閘門都可以。進(jìn)一步講，閘門可通過一套自動 開啟機構(gòu)，自動控制其開度，使得開度準(zhǔn)確。對于對開式閘門，可以在閘門的兩扇門上各設(shè) 置一套電機帶動的水平推移機構(gòu)；對于升降式閘門，可以在閘門的頂部設(shè)置一套電機帶動 的上下推移機構(gòu)。水平推移機構(gòu)和上下推移機構(gòu)都屬于現(xiàn)有技術(shù)中成熟的設(shè)計，對其結(jié)構(gòu) 不做限制性描述。
[0037] 沙槽區(qū)5里散放有粗細(xì)不均勻的顆粒物，代表淤積物和防護(hù)石料。通過設(shè)計沙槽 區(qū)5不同的長度，來模擬不同長度的河道，由此可以計算出水經(jīng)過一定距離的河道之后，所 攜帶的泥沙量。因為沙槽區(qū)的長短不同，可能造成挾帶的沙石量不同，一般來講，水道越長， 最后帶走的沙石會少，水道越短，最后帶走的沙石會越多，這是自然現(xiàn)象。沙槽區(qū)5的底平 面標(biāo)高要低于蓄水區(qū)的水位標(biāo)高，這樣才能造出一定的水勢。水的勢能E可近似由水速計 算出：
[0038] E = mv2/2
[0039] m指流過的水的質(zhì)量。
[0040] 在沙槽區(qū)5的末端出水處連接有尾水池8,尾水池8中有水平放置的濾網(wǎng)6,保證 流過沙槽區(qū)的水能夠全部經(jīng)過濾網(wǎng)6滲流。在濾網(wǎng)6的下方吊掛有多個取樣瓶7,除取樣瓶 接的水外，其余的水經(jīng)過尾水池8回收。
[0041] 上述的濾網(wǎng)6孔徑可以根據(jù)所放置的顆粒物大小確定，一般來講，濾網(wǎng)的目地是 回收除懸沙及浮泥等細(xì)顆粒物以外的顆粒物。通過計算濾網(wǎng)6上留下的顆粒物的量，來計 算粗顆粒物相對于一定體積的水的含量。
[0042] 由于將尾水池8的水全部回收測量水中的剩余顆粒物，工作量比較大。我們采取 的較佳方法是在尾水池8中設(shè)置多個取樣瓶7接收部分濁水。通過計算所有瓶子的濁水中 的含沙量的平均值，估算總池中的含沙量。比如有η個瓶子，對應(yīng)的水量分別為QpQf Qn， 每個瓶子中的含沙量為4、Α^··Αη，則可模擬計算該池中單位流量下的挾沙百分比含量為：
[0043] Ai+A2+…+An/Q1+Q 2+...+Qn
[0044] 對于大顆粒物的含量，則可以直接稱量濾網(wǎng)上的物體的質(zhì)量，與總水量作比較而 獲得其百分含量。
[0045] 為了測量的準(zhǔn)確性，取樣瓶優(yōu)選在濾網(wǎng)下方同一截面懸掛多個，同時在垂直方向 也可以懸掛多個，如圖2所示。
[〇〇46] 鑒于以上裝置，就可以模擬某一河床的閘下挾沙狀況。模擬測量的工作流程是：將 各設(shè)備安裝就位，預(yù)先在水塔中上水，在沙槽區(qū)放好一些粗細(xì)不等的顆粒物（模擬泥沙和 河底石料），此時閘門關(guān)閉。然后打開閥門，讓水定量流進(jìn)蓄水區(qū)。當(dāng)蓄水區(qū)的水存儲到一 定量（也就是有一定的高度）的時候，打開閘門，讓水流出，根據(jù)閘門的敞開面積，蓄水區(qū)的 體積，以及水流盡的時間，可以計算流速。在水流過水槽區(qū)的過程中，由于沖刷會帶走部分 泥沙和石料。在沙槽區(qū)末端，由濾網(wǎng)截住粒徑大于網(wǎng)眼的顆粒物；懸浮沙、浮泥等隨水流流 走，部分被濾網(wǎng)下的取樣瓶接收。通過計算濾網(wǎng)上面的截取顆粒物量，和測定取樣瓶中的水 濁度，可以最終測試出該水流在特定河床下的挾沙能力。
【權(quán)利要求】
1. 一種閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：基于以下裝置實現(xiàn)挾沙測量，包括： 蓄水區(qū)、閘門、沙槽區(qū)和尾水池；所述蓄水區(qū)的出口處設(shè)置閘門，緊鄰出口延續(xù)設(shè)置沙 槽區(qū)，沙槽區(qū)內(nèi)放置有粗細(xì)不均勻的顆粒物，代表淤積物和防護(hù)石料；在沙槽區(qū)的下游端連 接尾水池；尾水池中含有過濾裝置； 設(shè)蓄水區(qū)里的水量為Q，閘門的開度為S，放水時間為t，則流過閘門的水流速度為： v = Q/St 通過設(shè)定上述Q、S、t的值，可以模擬不同的水流工況； 通過計算過濾裝置中留下的顆粒物所占蓄水區(qū)水量的百分比含量，衡量一定水量Q，一 定流速V，一定勢能下的水流的挾沙能力，所述勢能E計算為： E = mv2/2 m指蓄水池水的質(zhì)量。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：所述裝置中，所述蓄水 區(qū)比沙槽區(qū)的水位高。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：所述裝置還包括水塔、 閥門，所述水塔與蓄水區(qū)通過輸水管路連接，在輸水管路上設(shè)置所述閥門，由閥門控制進(jìn)水 量。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：所述過濾裝置包括濾 網(wǎng)和取樣瓶，設(shè)置在尾水池中，所述濾網(wǎng)過濾所有從沙槽區(qū)流過的水，濾網(wǎng)孔徑介于所放置 的顆粒物的最大直徑與最小直徑之間；所述取樣瓶吊掛在濾網(wǎng)的下方，接取部分濾網(wǎng)過濾 后的濁水。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：所述取樣瓶有多個，在 濾網(wǎng)下方同一截面高度吊掛，以及在不同的截面高度也吊掛。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：通過過濾裝置計 算挾沙能力的方法為： 首先計算濾網(wǎng)上留下的顆粒物占總水量的百分比含量， 然后計算所有取樣瓶濁水中的含沙量的平均值，進(jìn)而估算總池中的含沙量，設(shè)有η個 瓶子，對應(yīng)的水量分別為仏、QfQn，每個瓶子中的含沙量為Ap AfAn，則可計算該池中單 位流量下的挾沙百分含量為： Ai+A2+…+An/Q1+Q2+... +Qn。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的閘下水流挾沙模擬方法，其特征在于：所述閘門為對開式閘 門，或升降式閘門中的一種，每一種閘門都有自動開啟機構(gòu)控制其開度。
【文檔編號】E02B1/00GK104060570SQ201410322811
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年7月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月8日
【發(fā)明者】潘冬子, 潘存鴻, 曾劍, 吳輝 申請人:浙江省水利河口研究院