CN102002925A - 多沙河流河工动床模型人工转折方法及人工转折导流槽 - Google Patents

Abstract

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，选择河势平顺稳定、断面几何形态对称、河床冲淤变化不大且水流水力要素横向分布均匀的河段布设人工转折导流槽，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几何要素，根据模型放水流量、流速、水深参数计算水流的磨损阻力得出坡降，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，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，完成人工转折导流槽设计，该方法及装置可以在不用变换模型比尺的情况下解决模型长度不够的限制。

Description

多沙河流河工动床模型人工转折方法及人工转折导流槽

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

$h_{\mathrm{fi}}={\left(\frac{V_{i}n}{R_j^{2/3}}\right)}^2{L}_i,h_{\mathrm{\ωi}}=\frac{{19.62l}_i}{C^2{R}_i}(1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{b_i}{r_i}})\frac{{V_i}^2}{2g}$

式中i为条渠编号，V_i为条渠进口断面的平均流速，R_i为条渠的水力半径，L_i为条渠转折长度，l_i为条渠弯段中心弧长，C为谢才系数，n为条渠糙率，b_i和r_i分别为第i条渠槽的宽度和中心半径；

导流槽进出口的最终比降：由人工转折导流槽转折弯道的势能增加高度ΔZ和装置总水头损失Δh_e的关系ΔZ＝Δh_e，计算人工转折所引起的附加坡降Δi为

由此得装置的坡降i为i＝i₀+Δi，式中L为人工转折导流槽的渠道轴线长度，i₀为模型原坡降。

步骤4中的导流槽率定调整中，具体按照如下步骤进行：

步骤(1)：按照设计的放水流量进行放水，记录河道模型在进入转折导流槽进口动床过渡段前的流速、水深、含沙量分布参数；

步骤(2)：记录河道模型在转折导流槽出口动床过渡段后的流速、水深、含沙量分布参数，将之与进口动床过渡段的相应数据进行比较，并根据其对导流槽的比降进行适当调整，直至二者的数据接近一致；

步骤(3)：改变河道模型的放水流量，继续比较进出口的水力学参数是否一致，进而继续调整比降，直至二者在不同情况下都能保持基本一致即达到目的。

一种多沙河流河工动床模型的人工转折导流槽，其特征在于：采用具有固定边界的导流槽形式，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，导流槽进口和导流槽出口间的附加比降所增加的势能等于水流流经导流槽过程中所消耗的能量。

进口动床过渡段用于连接上游衔接断面与导流槽进口，其作用是消除上游动床试验段与定床进口处的局部冲刷坑；导流槽进口是水流流入的断面，其作用是使水流从此处进入导流槽并由此开始对水流施以附加坡降；进口定床过渡段用于连接导流槽进口和导流槽进口段，其作用是完成进口到导流槽条渠的过渡，使进入的水流平顺地以趋于均匀流的状态进入导流槽各条渠；导流槽进口段用于连接进口定床过渡段和导流槽进口转折段，其作用是将进口定床过渡段内的总流划分为几个导流槽条渠的支流，使得水流能够按照导流槽进口的水沙横向分布特点平稳传送至导流槽进口转折段，维持水沙横向分布的一致性；导流槽进口转折段用于连接导流槽进口段和导流槽顺直连接段，其作用是使导流槽内的水流按一定角度进行人工折转，根据试验场地的要求使模型在角度方面进行初步调整为准确完成整个人工转折做出先期准备；导流槽顺直连接段用于连接导流槽进口转折段和导流槽出口转折段，其作用是根据试验场地的要求在场地宽度方向对人工转折进行适当调整以满足下游衔接断面和下游模型试验段合理布局的需求；导流槽出口转折段用于连接导流槽顺直连接段和导流槽出口段，其作用是使导流槽内的水流完成最终转折，配合导流槽进口转折段共同折转水流以达到设计转折角度的要求；导流槽出口段用于连接导流槽出口转折段和出口定床过渡段，其作用是使完成人工转折的水流平顺过渡至出口定床过渡段；出口定床过渡段用于连接导流槽出口段和出口动床过渡段，其作用是使各个导流槽条渠内的水流平顺汇流，从而保持整个水流水沙横向分布在导流槽进口和导流槽出口处的一致性；导流槽出口是水流流出装置的断面，其作用是使完成人工转折的水流从此处流出装置并停止对水流施加附加比降；出口动床过渡段用于连接出口定床过渡段与下游衔接断面，其作用是消除下游动床试验段与定床出口处的冲刷坑，使流经导流槽的水流能够以上游衔接断面的水力要素分布规律平顺进入下游模型，实现上下段模型的相互影响和制约。

本发明具有如下积极效果：

本发明的主要优点是：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精度为代价的，本发明可以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，可以在不用变换模型比尺的情况下解决模型厅长度不够的限制。

河工动床模型人工转折的结果是人为地增加了模拟河段的河道长度，改变了局部河段的边界条件。因此，在模型设计中，若不进行特殊的处理，模型所反映的各项水流要素的水力规律和河床演变过程将会与原型的完全不同，这也就失去了模拟的意义。因而，河工模型人工转折设计的根本要求是要保证人工转弯段进出口断面的水流运动规律的一致性，且与原型具有相似性。另外，对于河工动床浑水模型试验，还应保证转弯段进出口断面水流输沙能力的一致性，即在弯段内水流挟沙力S*沿程不变，亦即

dS*/dx＝0                                       (1)

式中x为距离。就是说，所设计的人工转折弯道，应能满足在整个试验水沙过程中，每级流量和相应含沙量条件下都不发生泥沙的冲刷或淤积。

从理论上来说，要使水流在人工转弯段进出口断面的运动规律和力学规律满足一致性的要求，就应当保持弯段进出口断面处的水流能量是相等的。但是，由于人为地增加了流程和人为地进行了转弯，必然会增加水流的阻力损失，造成水流的能耗增加。因此，这就要求通过人为的方式增加弯段内的水流能量，用以补偿因克服各种阻力所需要的能量。根据能量一般性原理，所增加的能量应满足下式：ΔE＝E₂-E₁+E_f                           (2)

式中ΔE为人为向转弯段内水体所增加的能量；E₂-E₁为流体自转弯段进口至出口断面的内能变化；E_f为流体克服各种阻力所做的功(或能耗)。以整个弯段为脱离体考虑，如果不是通过改变压力、温度等途径增加流体能量的话，那么可以认为，就时段平均而言，内能不会发生变化，即E₂＝E₁(3)

则式(2)为ΔE＝E_f                                (4)

根据人工转折设计的基本要求，即弯段进出口断面的水流能量相等和保持弯段内的水流动能或水流输沙能力不变，那么，对弯段内流体所增加的能量还应满足均匀分配的原则，就是

ΔE₁＝ΔE₂＝ΔE₃…＝ΔE_i   i＝1，2…n           (5)

式中下标1，2...i表示将弯段分为若干个微小河段的编号。这就是说，增加人工转折弯段内的流体能量不能采取集中增能的方式。由流体动力学的原理知，对于任一微小河段，单位体积流体所具有的(相对)能量等于(相对)势能和动能之和，即：

式中ΔZ_i为第i微小河段的落差；V_i为第i微小河段的平均流速。

从时段平均考虑，应有：

$E=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{E}_i\mathrm{dt}=\frac{1}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\γ\Δ}{Z}_i\mathrm{dt}+\frac{1}{T}{\∫}_0^T\mathrm{\γ}\frac{{V_i}^2}{2g}\mathrm{dt}=C---\left(7\right)$

式中，t表示时间；T为时段长度；C为常数。式(7)表明，在某一时段内，对于单位体积的流体来说，系统内的能量调整是平衡的，即势能γΔZ_i的增加或减小，必然伴有其动能γV_i ²/2g的减小或增加。显然，要使γV_i ²/2g恒定的话，水流为克服人为造成流程加长和转弯所引起的附加阻力，必须以增加势能γΔZ_i的损失为代价。因而，为达到这种平衡关系，以及为满足上述设计要求，也就限制了人为增加能量的方式应当是增加水流的势能。调整势能的形式及调整量大小可由相关控制方程确定。

设原河道的比降为i₀，水流由人工转弯段进口(或上衔接)断面至出口(或下衔接)断面的能量损失为E_f，那么，可作其纵剖面图(图2)。根据前述分析，转折弯道增加的势能高度ΔZ应等于人工转折所附加的能耗E_f相对应的水头损失高度Δh_e，即可将式(4)写为

ΔZ＝Δh_e                         (8)

要使人工转弯段与原河道的上下衔接断面的水力要素保持一致，则要求转弯段内的水流为均匀流，那么，图2中的势能高度应符合下述关系

Z＝Z₀+ΔZ

写成能坡形式，则有i＝i₀+Δi       (9)

式中，i为转弯段的总坡降；i₀为原河道坡降；Δi为因人工转折所引起的附加比降。

由式(8)易知，若人工转弯段内的能量损失E_f所对应的比降为J_f，则Δi＝J_f(10)

式(10)中的Δi应为人工弯道附加比降的临界值。对比式(4)或式(8)知，为补偿水流在人工弯道中克服各种阻力的能耗，可以通过调整弯道比降的形式加以解决，比降调整的控制条件是应能保证其所增加的势能等价于水流在人工弯道内所增加的能耗，或附加比降等于人为能耗比降。

一般来说，水流在流动过程中受到的阻力主要有沙粒阻力、沙波阻力、河岸边界阻力、河槽形态阻力及人工建筑物阻力。但对于人工弯道水流而言，若要保证其为均匀流，弯道内不能出现床面的冲淤变形，需保证边界的稳定性，那么，所受到的阻力应主要为沿程边界阻力损失和渠弯形态阻力损失，即

Ef＝(α+ζ)V²/2g                    (11)

式中α、ζ分别为沿程边界阻力系数和局部阻力系数。

从理论上来说，在确定了转弯长度及场地所要求的转弯形态(如转角)后，由式(10)、式(11)即可进行人工转弯段的设计。但是，在设计中还应尽量使得人工弯道内的水流阻力在试验流量级范围内的变化规律与上下衔接河段的水流在相应流量级的变化规律具有较高的一致性，否则，就可能会使转弯段的水面线与上下游衔接断面的不相一致。所以，一般来说，最好使转弯段内的阻力损失在各试验流量级下的变化不大，即应通过采取诸如对转弯段的边界加以处理等措施尽量避免其阻力损失成为一个灵敏性的动态参数。这样，实际上是满足了下式的成立，即h_上＝h_下+Δh_e           (12)

式中，h_上、h_下分别为转弯段上下游衔接断面处的能头。只要式(12)成立，上下游断面的水面线就可以自然地得到衔接，不会出现较明显的转折或错断。

实际上，按式(10)设计的人工弯道，亦可自然满足式(1)的要求。因为式(10)保证了水流在人工弯道范围内的“能量恒定”，同时，与式(9)的联解控制了弯道内的水流处于均匀流状态。

附图说明

图1为人工转折导流槽平面布置图。

图2为人工转折段的纵剖面图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种多沙河流河工动床模型的人工转折方法，其特征在于：

步骤1：使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折转角度、转折半径、连接段长度和过渡段长度几何要素；

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，从而设计导流槽进出口的最终比降，根据计算结果建造导流槽的不同段；

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，导流槽使用硬塑胶板隔成；导流槽用相同的硬塑胶板分成六个条渠；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

$h_{\mathrm{fi}}={\left(\frac{V_{i}n}{R_j^{2/3}}\right)}^2{L}_i,h_{\mathrm{\ωi}}=\frac{{19.62l}_i}{C^2{R}_i}(1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{b_i}{r_i}})\frac{{V_i}^2}{2g}$

式中i为条渠编号，V_i为条渠进口断面的平均流速，R_i为条渠的水力半径，L_i为条渠转折长度，l_i为条渠弯段中心弧长，C为谢才系数，n为条渠糙率b_i和r_i分别为第i条渠槽的宽度和中心半径；

导流槽进出口的最终比降：由人工转折导流槽转折弯道势能增加高度ΔZ和装置总水头损失Δh_e的关系ΔZ＝Δh_e，计算人工转折所引起的附加坡降Δi为

由此得装置的坡降i为i＝i₀+Δi，式中L为人工转折导流槽的渠道轴线长度，i₀为模型原坡降。

步骤4中的导流率定调整中，具体按照如下步骤进行：

步骤(1)：按照设计的放水流量进行放水，记录河道模型在进入转折导流槽进口动床过渡段前的流速、水深、含沙量分布参数；

步骤(2)：记录河道模型在转折导流槽出口动床过渡段后的流速、水深、含沙量分布参数，将之与进口动床过渡段的相应数据进行比较，根据其对导流槽的比降进行适当调整，直至二者的数据接近一致；

步骤(3)：变换河道模型的放水流量，继续比较进出口的水力学参数是否一致，进而继续调整比降，直至二者在不同情况下都能保持一致即达到目的。

一种多沙河流河工动床模型的人工转折导流槽，其特征在于：采用具有固定边界的导流槽形式，

导流槽由进口动床过渡段1、导流槽进口2、进口定床过渡段3、导流槽进口段4、导流槽进口转折段5、导流槽顺直连接段6、导流槽出口转折段7、导流槽出口段8、出口定床过渡段9、导流槽出口10和出口动床过渡段11依次连接组成，导流槽进口2和导流槽出口10间的附加比降所增加的势能等于水流流经导流槽过程中所消耗的能量，其中床面和边壁使用水泥粉煤灰沙浆进行硬化，导流槽边墙使用硬塑胶板进行分隔，导流槽用相同的硬塑胶板分成六个条渠。

进口动床过渡段1连接上游衔接断面与导流槽进口2，其作用是消除上游动床试验段与定床进口处的局部冲刷坑；导流槽进口2是水流进入的断面，其作用是使水流从此处进入导流槽并由此开始对水流施以附加坡降，导流槽从此处有一坡度；进口定床过渡段3连接导流槽进口2和导流槽进口段4，其作用是完成进口到导流槽的过渡，使得进入的水流平顺地以趋于均匀流的状态进入导流槽各条渠；导流槽进口段4连接进口定床过渡段3和导流槽进口转折段5，其作用是将进口定床过渡段3内的总流划分为几个导流槽条渠的支流，使得水流能够按照导流槽进口2的水沙横向分布特点平稳传送至导流槽进口转折段5，维持水沙横向分布一致性，导流槽进口段4内设置有用相同的硬塑胶板分成六个条渠；导流槽进口转折段5连接导流槽进口段4和导流槽顺直连接段6，其作用是使导流槽内的水流按一定角度进行人工折转，根据试验场地的要求使模型在角度方面进行初步调整为准确完成整个人工转折做出先期准备；导流槽顺直连接段6连接导流槽进口转折段5和导流槽出口转折段6，其作用是根据试验场地的要求在场地宽度方向对人工转折进行适当调整以满足下游衔接断面和下游模型试验段合理布局的需求；导流槽出口转折段7连接导流槽顺直连接段6和导流槽出口段8，其作用是使导流槽内的水流完成最终转折，配合导流槽进口转折段5共同折转水流以达到设计转折角度的要求；导流槽出口段8连接导流槽出口转折段7和出口定床过渡段9，其作用是使完成人工转折的水流平顺过渡至出口定床过渡段9；出口定床过渡段9连接导流槽出口段8和出口动床过渡段11，其作用是使各个导流槽内的水流平顺汇流，从而保持整个水流水沙横向分布在导流槽进口2和导流槽出口10处的一致性；导流槽出口10是水流流出装置的断面，其作用是使完成人工转折的水流从此处流出装置并停止对水流施加附加比降；出口动床过渡段11连接出口定床过渡段9与下游衔接断面，其作用是消除下游动床试验段与定床出口处的冲刷坑，使流经导流槽的水流能够以上游衔接断面的水力要素分布规律平顺进入下游模型，实现上下段模型的相互影响和制约。

在具体实施之前，为保证模型模拟的相似性，必须制定人工转折设计方法的原则。人工转折法设计的总原则是设计的人工弯道应将转弯的上游河段模型出口的水沙过程、流场和含沙量分布在时空上基本无改变地输送至下游河段模型，即弯道进、出口断面的水力要素要相一致，上下段模型之间仍能相互影响和相互制约。为此，人工弯道的设计应满足下述几项主要原则。

原则一：水流横向分布均匀性原则：人工断开断面最好选在流势较平顺、水流水力要素的横向分布相对均匀的河段。因为对于河势复杂的水流，往往会给人工转弯设计带来诸多技术问题，不容易满足人工转折的基本限制条件。一般来说，在微弯河段或顺直的河段，水流水力要素的横向分布往往会相对均匀些。

原则二：流态一致性原则：转折导流槽流态应与上下段河道流态一致，这就是说，表征流态的弗汝德数应尽量接近原河道断开断面处的弗汝德数。

原则三：水流边界的相对稳定性原则：人工转弯段内的水流边界应满足相对稳定性的原则，以保证水流流态的平稳性和水流能量分布的一致性，因此，人工转折段最好设计为具有固定边界的导流槽形式。同时，人工转折导流槽在输水输沙过程中应不参与造床过程，即应设计为不冲不淤定床渠槽，严格来说，就是满足式(1)的要求。

另外，为使人工转折导流槽保持进出口上下衔接断面流场、含沙量分布场相同，以及上下衔接断面的冲淤变化和横断面形态达到基本相同，最好将断开断面处原河道水力要素的横向分布按均一性原则分割为若干段，据此，应把人工转折导流槽设计为相应的若干个独立的条渠。

原则四：水面线同步调整原则：人工导流槽的设计应能满足在试验放水过程中，随着流量的变化，上下衔接断面水位作同步等值的升降，避免上下河段的水面线不衔接。为此，设计的人工转折弯段在各级流量下的损失应相等，使上下衔接断面水位保持一固定关系，实际上就是满足式(12)的条件。

原则五：固定高差原则：在满足第四项设计原则情况下，转折下延接长的下段模型标高系统应比上段模型标高系统低一固定高差值，其值即是转折导流槽的阻力损失。

实施例：结合黄河下游利津至清7断面河段的河工动床模型试验，根据上述“人工转折”的原理和原则，进行了该河段河道模型的人工转折设计。

1、模拟河段河道概况：模拟河段长约80km，该河段属黄河河口段，河口河段的河道冲淤变化同时受来水来沙和尾闾段变迁两因素影响，河口段的上段多有工程控导，平面变化相对较小；其下段的河口尾闾段，地势平坦低洼，当尾闾段淤积延伸到一定程度时，在无工程控导情况下，很容易改道，平面上摆动变迁非常突出。根据选定的平面比尺1∶500布设模型时，选择的场地较短，尚短缺56m，因此，拟采取人工转折的方式布设模型。

2、人工转折导流槽的设计：

2.1人工转折断开断面的选择：为了满足转折导流槽设计原则一，河道转折断开的断面(以下简称衔接断面)宜选在河势比较稳定、断面几何形态相对对称、河床冲淤变化不大且水力要素横向相对均称之处。根据利津以下十八户至清7断面河段的河道图，可以看出，在充分利用场地条件下，断开断面应在西河口以下选择，其下附近河段中惟以护林工程至八连护滩工程之间的河段较平顺，为上下两工程弯道的过渡段。经比选，衔接断面选择在护林工程以下1.6km处。

2.2人工转折导流槽平面布置：根据场地情况，转折导流槽转折188°根据设计原则三，为保持上下衔接断面流场和含沙量分布场相同，根据地形等资料分析，选用6条相互平行的导流板将转弯段分割为6个条渠，这样，可使各条渠流量和含沙量不会相互交换。为消除转弯水流的影响和保持过渡河段顺直流势，在导流槽进口设一段直线段渠槽(3+4)，直线渠槽与上衔接断面又设一动床直线段1，以消除定床与动床衔接处可能形成的局部冲坑而对上下衔接断面的影响。出口处也设置一段直线段渠槽(8+9)，直线渠槽与下衔接断面又设一动床直线段11，转折导流槽中心距离为14.19m，相应原型7.10km。转折导流槽平面布置如附图1。转折导流槽的宽度应与河道模型的宽度保持一致，而转折导流槽每一段的具体长度和转折角度要根据具体河势情况来进行变化设定，要求是即能将河道模型进行转折，又不至于将转折后的河道模型与已有的上游河道模型交错，但要保证导流槽的进出口的比降保持不变。

2.3人工转折导流槽比降设计：由式(7)及式(10)知，从理论上讲，设计的导流槽附加比降应能保证水流在水槽中增加的势能恰与人工转折导流槽所增加的水流能耗相等。依据式(11)的分析，人工转折槽所增加的水流能耗主要包括沿程阻力损失h_f和渠弯局部阻力损失h_ω，即Δh_e＝h_f+h_ω。因为人工转折对势能调整的控制方程满足均匀流方程，沿程阻力损失可由

$h_{\mathrm{fi}}={\left(\frac{V_{i}n}{R_i^{2/3}}\right)}^2{L}_i---\left(13\right)$

进行估算。渠弯局部阻力损失可由下式估算

$h_{\mathrm{\ωi}}=\frac{19.62l_i}{C^2{R}_i}(1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{b_i}{r_i}})\frac{{V_i}^2}{2g}---\left(14\right)$

式中i为条渠编号；V_i为条渠进口的断面平均流速；R_i为条渠水力半径；L_i为转折条渠长度；l_i为条渠弯段中心弧长；C为谢才系数；n为条渠糙率；b_i和r_i分别为第i条渠槽的宽度和中心半径。导流槽的边墙选用硬塑胶板，厚2mm，床面为水泥煤灰沙浆。经试验率定，导流槽模型综合糙率为0.012(相当于原型0.0078)。作为估算，暂按上游邻近顺直河段代表断面的水力参数考虑，其中，取Q＝3000m³/s时河槽横断面的平均流速2m/s及平均水深2.5m，按式(13)、式(14)计算，可得到渠槽的附加阻力损失为0.430m，经初步估算，附加比降为0.072‰。那么，按原河段平均比降0.095‰考虑，渠槽的纵比降则应为0.167‰。该值仅是初步估算结果，经多次率定试验，最终确定的导流槽比降为0.150‰。

应当说明的是，虽然转弯导流槽内外侧条渠长度不同，即内侧的条渠短，外侧的长，但根据计算，其能量损失不会相差太大。因为内侧转弯半径小，而外侧的转弯半径大，总体而言，内外侧条渠总的能量损失是相近的。实际上，率定试验证明，经对糙率的适当调整，完全可以保证各级流量下，整个转弯段各条渠的阻力损失可基本达到一致性的要求。

3、转折导流槽率定试验结果：为了达到转折导流槽设计预期目的，进行了多次清、浑水率定试验。率定试验的河床边界条件采用1997年汛后河道地形，浑水率定试验水沙过程采用了1993年利津断面汛期第一个洪水过程。率定结果表明，设计的人工导流槽，在一个洪水过程中的各流量级下可以保持上下衔接断面流速横向分布、含沙量横向分布的一致性，可以使得上下衔接断面形态及冲淤变化保持相近。同时，上下衔接断面的水位符合相同的水位～流量关系，即同流量级下的水位基本相同，最大误差不超过10％。试验河段的水面线没有出现明显的转折或突变现象。经验证后发现，设计的人工导流槽达到了设计目的，满足了使上下衔接断面水流水力要素基本一致性的要求，同时，保证了转折段上下游河段河床演变规律的一致性。

Claims (6)

1.一种多沙河流河工动床模型的人工转折方法，其特征在于：

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折转角度、转折半径、连接段长度和过渡段长度几何要素；

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，从而设计导流槽进出口的最终比降，根据计算结果建造导流槽的不同段；

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。

2.根据权利要求1所述的多沙河流河工动床模型的人工转折方法，其特征在于：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进行硬化，导流槽使用硬塑胶板进行分隔；导流槽用相同的硬塑胶板分成六个条渠；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。

3.根据权利要求1所述的多沙河流河工动床模型的人工转折方法，其特征在于：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

$h_{\mathrm{fi}}={\left(\frac{V_{i}n}{R_i^{2/3}}\right)}^2{L}_i$ $h_{\mathrm{\ωi}}=\frac{19.62l_i}{C^2{R}_i}(1+\frac{3}{4}\sqrt{\frac{b_i}{r_i}})\frac{{V_i}^2}{2g}$

式中i为条渠编号，V_i为条渠进口断面的平均流速，R_i为条渠的水力半径，L_i为条渠转折长度，l_i为条渠弯段中心弧长，C为谢才系数，n为条渠糙率b_i和r_i分别为第i条渠槽的宽度和中心半径；

导流槽进出口的最终比降：由人工转折导流槽转折弯道势能增加高度ΔZ和装置总水头损失Δh_e的关系ΔZ＝Δh_e，计算人工转折所引起的附加坡降Δi为

由此得装置的坡降i为i＝i₀+Δi，式中L为人工转折导流槽的渠道轴线长度，i₀为模型原坡降。

4.根据权利要求1所述的多沙河流河工动床模型的人工转折方法，其特征在于：步骤4中的导流槽率定调整中，具体按照如下步骤进行：

步骤(1)：按照设计的放水流量进行放水，记录河道模型在进入转折导流槽进口动床过渡段前的流速、水深、含沙量分布参数；

步骤(2)：记录河道模型在转折导流槽出口动床过渡段后的流速、水深、含沙量分布参数，将之与进口动床过渡段的相应数据进行比较，根据结果对导流槽的比降进行适当调整，直至二者的数据接近一致；

步骤(3)：变换河道模型的放水流量，继续比较进出口的水力学参数是否一致，进而继续调整比降，直至二者在不同情况下都能保持一致即达到目的。

5.一种多沙河流河工动床模型的人工转折导流槽，其特征在于：采用具有固定边界的导流槽形式，导流槽由进口动床过渡段(1)、导流槽进口(2)、进口定床过渡段(3)、导流槽进口段(4)、导流槽进口转折段(5)、导流槽顺直连接段(6)、导流槽出口转折段(7)、导流槽出口段(8)、出口定床过渡段(9)、导流槽出口(10)和出口动床过渡段(11)依次连接组成，进出口间的附加比降所增加的势能等于水流流经导流槽过程中所消耗的能量，其中床面和边壁使用水泥粉煤灰沙浆进行硬化，导流槽边墙使用硬塑胶板进行分隔，导流槽用相同的硬塑胶板分成六个条渠。

6.根据权利要求5所述的多沙河流河工动床模型的人工转折导流槽，其特征在于：进口动床过渡段(1)连接上游衔接断面与导流槽进口(2)，其作用是消除上游动床试验段与定床进口处的局部冲刷坑，导流槽进口(2)是水流进入的断面，其作用是使水流从此处进入导流槽并由此开始对水流施以附加坡降；进口定床过渡段(3)连接导流槽进口(2)和导流槽进口段(4)，其作用是完成进口到导流槽的过渡，使得进入的水流平顺地以趋于均匀流的状态进入导流槽；导流槽进口段(4)连接进口定床过渡段(3)和导流槽进口转折段(5)，其作用是将进口定床过渡段(3)内的总流划分为几个导流槽中的支流，使得水流能够按照导流槽进口(2)的水沙横向分布特点平稳传送至导流槽进口转折段(5)，保持水沙横向分布一致性；导流槽进口转折段(5)连接导流槽进口段(4)和导流槽顺直连接段(6)，其作用是使导流槽内的水流按一定角度进行人工折转，根据试验场地的要求使模型在角度方面进行初步调整为准确完成整个人工转折做出先期准备；导流槽顺直连接段(6)连接导流槽进口转折段(5)和导流槽出口转折段(6)，其作用是根据试验场地的要求在场地宽度方向对人工转折进行适当调整以满足下游衔接断面和下游模型试验段合理布局的需求；导流槽出口转折段(7)连接导流槽顺直连接段(6)和导流槽出口段(8)，其作用是使导流槽内的水流完成最终转折，配合导流槽进口转折段(5)共同折转水流以达到设计转折角度的要求；导流槽出口段(8)连接导流槽出口转折段(7)和出口定床过渡段(9)，其作用是使完成人工转折的水流平顺过渡至出口定床过渡段(9)；出口定床过渡段(9)连接导流槽出口段(8)和出口动床过渡段(11)，其作用是使各个导流槽内的水流平顺汇流，从而保持整个水流水沙横向分布在导流槽进口(2)和导流槽出口(10)处的一致性；导流槽出口(10)是水流流出装置的断面，其作用是使完成人工转折的水流从此处流出装置并停止对水流施加附加比降；出口动床过渡段(11)连接出口定床过渡段(9)与下游衔接断面，其作用是消除下游动床试验段与定床出口处的冲刷坑，使流经导流槽的水流能够以上游衔接断面的水力要素分布规律平顺进入下游模型，实现上下段模型的相互影响和制约。

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