CN103981833A - 高含沙量涌潮模拟试验方法 - Google Patents

Abstract

高含沙量涌潮试验方法，涉及一种在河口模型试验中模拟高含沙量涌潮的试验方法，尤其是一种在涌潮发生时，模拟涌潮潮头含沙量的装置及方法，属于海岸工程模型试验领域。所述的方法包括：一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置和利用该装置进行模拟试验的方法。一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置，包括可变水头高位水箱、试验水槽、地下水库。通过尾门和可变水头高位水箱调整水槽中流速达到预定值，关闭快速闸门，水流被截止后在水槽中产生涌潮，涌潮自闸门向上游上涌，带动沙槽中的泥沙，测量此时水槽中的垂向泥沙分布，获得天然状态的垂向泥沙分布特性。本发明提供了一种专门用于模拟在涌潮时垂向泥沙分布的装置和方法；本发明获得的泥沙分布与天然相似；本发明装置能够符合相似律规律。

Description

高含沙量涌潮模拟试验方法

技术领域

本发明涉及一种在河口模型试验中模拟高含沙量涌潮的试验方法，尤其是一种在涌潮发生时，模拟涌潮潮头含沙量的方法及装置，属于海岸工程模型试验领域。

背景技术

涌潮是入海河流河口段的一种潮水暴涨现象。地球上大约有450个河口受到涌潮的影响。涌潮有波状涌潮和漩滚涌潮之分，波状涌潮是一系列平行向前传播的涌波构成的波列，漩滚涌潮则是前锋陡立向前推进的水滚。钱塘江与南美亚马逊河、南亚恒河并列为“世界三大强涌潮河流”。钱塘江涌潮气势磅礴，蔚为壮观，但同时涌潮带来的巨大水动力也造成河床和海塘冲刷，威胁涉水建筑物的安全。既要保护涌潮这一独特的自然景观和宝贵的资源，又要预防和减免其灾害，需要了解涌潮传播机理及其水动力特性。钱塘江涌潮到达时，数十秒内，水位骤然上涨2m左右，高者3m以上，水流从落潮状态急速转化为涨潮状态。若遇河道急弯、建筑物阻挡，激起的水柱高达10m以上。涌潮过后的数分钟至数十分钟间，流速达到极值，一般为6～7m/s，实测最大测点流速达12m/s。因流速大，挟带泥沙的能力极强，与水位、流速相对应，涌潮到达时，河床受到激烈冲刷，垂线平均含沙量达每立方米数十千克，近底处可达每立方米数百千克，形成大含沙量区。

现有的涌潮实验装置大多采用清水定床设计，侧重于涌潮潮头或传播过程的模拟。未见对潮头中含沙量进行模拟的装置。

为了解决以上技术问题，本发明针对类似钱塘江涌潮这样高含沙量涌潮的特点，模拟涌潮传播过程中含沙量的沿程和垂向的变化。该装置能把一定含沙量的挟沙水流均匀的送入水槽，复演强涌潮水沙输移规律。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是提供一种模拟高含沙量涌潮的试验方法，该方法专门用于模拟类似钱塘江涌潮这样高含沙量涌潮在传播过程中含沙量的沿程和垂向变化。

所述的方法包括：高含沙量涌潮模拟试验装置和利用该装置进行模拟试验的方法。

高含沙量涌潮模拟试验装置，包括可变水头高位水箱、试验水槽、地下水库；

所述的可变水头高位水箱包括：箱体、平水槽、溢流内管、千斤顶、进水管、溢流外管、出水管；平水槽置于箱体内，由千斤顶支撑并调节溢水高度，溢流内管上端连接在平水槽底部，下段插入溢流外管内部，溢流内管与溢流外管相连接处可滑动并设置止水橡皮；

试验时调节千斤顶使平水槽达到预定高度，进水管进水量大于出水管的出水量，多余弃水自平水槽进入溢流内管、溢流外管返回地下水库。

所述的试验水槽包括：扩散段、整流段、沙槽、试验段、快速闸门、闸门电机、尾水段、尾门、支架；

所述的整流段连接在扩散段下游，试验段连接在整流段下游，沙槽位于试验段底部，快速闸门通过齿条与闸门电机的齿轮相互咬合，快速闸门门槽位于沙槽的下游端，尾门安装在尾水段末端；

所述的整流段、试验段、尾水段长度比为2：5：3；

所述的扩散段为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：3小于1：2，长度不小于整流段，若面积比小于1：3则扩散后水流仍然有较明显的高速区，会在沙槽上留下明显的冲刷痕迹，若面积比大于1：2则在小流量试验时会有泥沙停留管道中，造成总沙量不平衡，只有当扩散段满足以上面积比范围时，沙槽中的泥沙才不会出现明显的冲刷痕迹，并且在试验过程中不停留在管道中，一直随水流运动；

所述的整流段为一段矩形水槽；

所述的试验段为一段矩形水槽，水槽底部为深度为10～25cm的沙槽，沙槽铺沙表面与水槽底部持平；

所述的快速闸门背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度范围为2～10倍的水槽水流流速；

所述的尾水段为一段矩形水槽；

所述的尾门为插板式尾水门，所述的尾水门由8～12块插板和分割板组成；

所述的支架为钢支架用来支撑水槽。

所述的该装置进行模拟试验的方法包括以下步骤：

沙槽铺沙、调整水槽水位和流速、关闭闸门生潮、测量闸门上游悬沙分布；

所述的沙槽铺沙是指依据泥沙起动流速相似准则选择模拟用泥沙，将泥沙铺设在沙槽中，原型沙最大起动流速与沙槽深度关系为v<8d，即本试验装置使用10cm深沙槽时最大可模拟起动流速为0.8m/s的原型沙运动，在使用25cm沙槽时，最大可模拟起动流速为2.0m/s的原型沙运动。

所述的根据泥沙起动流速相似准则是指：

Vsm＝Vsp/Sv，Vsm是装置中的中值粒径模型泥沙的起动流速，Vsp是天然状态涌潮泥沙起动流速，Sv是速度比尺；

Vam＝Vap/Sv，Sv是速度比尺，Vam是装置中水流正向平均流速；Vap是天然状态河流正向平均流速；

所选择的泥沙满足上述的装置中的泥沙起动流速条件。

所述的调整水槽水位和流速是指，当设定需要模拟的潮头高度后，计算给定流速的公式为： $\mathrm{Vrm}=\sqrt{2\mathrm{gHw}/\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{Vam},$ α为水头损失系数0.95；

其中Hw为设定的需要模拟的潮头高度，其值与天然潮头高度间关系为Hw＝Hwp*Sv²，其中；Hwp为天然潮头高度，Sv为流速比尺；

所述的关闭闸门生潮是指，在流速和水位达到预定值后稳定15分钟后，驱动闸门电机关闭闸门，闸门的关闭速度为v＞2αVrm(m/s)，α为水头损失系数本发明取值为0.95。

本装置的模拟试验方法为：

通过尾门和可变水头高位水箱调整水槽中流速达到预定值，关闭快速闸门，水流被截止后在水槽中产生涌潮，涌潮自闸门向上游上涌，带动沙槽中的泥沙，测量此时水槽中的垂向泥沙分布，获得天然状态的垂向泥沙分布特性。

本发明有如下有益效果：

(1)本发明提供了一种专门用于模拟在涌潮时垂向泥沙分布的装置和方法；

(2)本发明获得的泥沙分布与天然相似；

(3)本发明装置能够符合相似律规律。

附图说明

图1为本发明装置的整体侧视示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例一

一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置，包括可变水头高位水箱1、试验水槽2、地下水库3；

所述的可变水头高位水箱1包括：箱体11、平水槽12、溢流内管13、千斤顶14、进水管15、溢流外管16、出水管18；平水槽12置于箱体11内，由千斤顶14支撑并调节溢水高度，溢流内管13上端连接在平水槽12底部，下段插入溢流外管16内部，溢流内管13与溢流外管16相连接处可滑动并设置止水橡皮；

试验时调节千斤顶14使平水槽12达到预定高度，进水管15进水量大于出水管18的出水量，多余弃水自平水槽12进入溢流内管13、溢流外管16返回地下水库3。

所述的试验水槽2包括：扩散段21、整流段22、沙槽23、试验段24、快速闸门25、闸门电机26、尾水段27、尾门29、支架28；

所述的整流段22连接在扩散段21下游，试验段24连接在整流段22下游，沙槽23位于试验段24底部，快速闸门25通过齿条与闸门电机26的齿轮相互咬合，快速闸门25门槽位于沙槽24的下游端，尾门29安装在尾水段27末端；

所述的整流段22、试验段24、尾水段27长度比为2：5：3；

所述的扩散段21为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：3小于1：2，长度不小于整流段22，若面积比小于1：3则扩散后水流仍然有较明显的高速区，会在沙槽上留下明显的冲刷痕迹，若面积比大于1：2则在小流量试验时会有泥沙停留管道中，造成总沙量不平衡，只有当扩散段满足以上面积比范围时，沙槽中的泥沙才不会出现明显的冲刷痕迹，并且在试验过程中不停留在管道中，一直随水流运动；

所述的整流段22为一段矩形水槽；

所述的试验段24为一段矩形水槽，水槽底部为深度为10cm的沙槽23，沙槽23铺沙表面与水槽底部持平；

所述的快速闸门25背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机26为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度为2倍的水槽水流流速；

所述的尾水段27为一段矩形水槽；

所述的尾门29为插板式尾水门，所述的尾门由8～12块插板和分割板组成；

所述的支架28为钢支架用来支撑水槽。

实施例二

一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置，包括可变水头高位水箱1、试验水槽2、地下水库3；

所述的可变水头高位水箱1包括：箱体11、平水槽12、溢流内管13、千斤顶14、进水管15、溢流外管16、出水管18；平水槽12置于箱体11内，由千斤顶14支撑并调节溢水高度，溢流内管13上端连接在平水槽12底部，下段插入溢流外管16内部，溢流内管13与溢流外管16相连接处可滑动并设置止水橡皮；

试验时调节千斤顶14使平水槽12达到预定高度，进水管15进水量大于出水管18的出水量，多余弃水自平水槽12进入溢流内管13、溢流外管16返回地下水库3。

所述的试验水槽2包括：扩散段21、整流段22、沙槽23、试验段24、快速闸门25、闸门电机26、尾水段27、尾门29、支架28；

所述的整流段22连接在扩散段21下游，试验段24连接在整流段22下游，沙槽23位于试验段24底部，快速闸门25通过齿条与闸门电机26的齿轮相互咬合，快速闸门25门槽位于沙槽24的下游端，尾门29安装在尾水段27末端；

所述的整流段22、试验段24、尾水段27长度比为2：5：3；

所述的扩散段21为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：2.5，长度不小于整流段22；

所述的整流段22为一段矩形水槽；

所述的试验段24为一段矩形水槽，水槽底部为深度为20cm的沙槽23，沙槽23铺沙表面与水槽底部持平；

所述的快速闸门25背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机26为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度为4倍的水槽水流流速；

所述的尾水段27为一段矩形水槽；

所述的尾门29为插板式尾水门，所述的尾门由8～12块插板和分割板组成；

所述的支架28为钢支架用来支撑水槽。

所述的该装置进行模拟试验的方法包括以下步骤：

沙槽铺沙、调整水槽水位和流速、关闭闸门生潮、测量闸门上游悬沙分布；

由于沙槽深度为20cm，所以可以模拟的天然沙起动流速为小于1.6m/s，v<8×d；

在原型天然涌潮中获得泥沙的起动流速为1.48m/s，可用20cm沙槽装置进行模拟，

所述的根据泥沙起动流速相似准则是指：

本次实验中模型流速比尺取为5，即Sv＝5；

Vsm＝Vsp/Sv，Vsm＝1.48/5＝0.296m/s；

Vsm是装置中的中值粒径模型泥沙的起动流速，Vsp是天然状态涌潮泥沙起动流速，Sv是速度比尺；

实测河道中的天然状态河流正向平均流速Vap＝5m/s，则模型中设置的水流流速为Vam＝Vap/Sv＝1m/s；

Sv是速度比尺，Vam是装置中水流正向平均流速；Vap是天然状态河流正向平均流速；

试验开始时沙槽23中铺设的中值粒径泥沙起动流速为Vsm＝1.48/5＝0.296m/s；

试验开始时试验段24部分调整的平均流速值为1m/s；

所述的调整水槽水位和流速是指，当设定需要模拟的潮头高度后，计算给定流速的公式为： $\mathrm{Vrm}=\sqrt{2\mathrm{gHw}/\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{Vam},$ α为水头损失系数0.95；

测得的天然涌潮Hwp＝10m，则设定的模拟涌潮高度为Hw＝Hwp/Sv²＝10/25＝0.4m。

其中Hw为设定的需要模拟的潮头高度，其值与天然潮头高度间关系为Hw＝Hwp/Sv²，其中；Hwp为天然潮头高度，Sv为流速比尺；

$\mathrm{Vrm}=\sqrt{2\mathrm{gHw}/\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{Vam}={(2*9.8*0.4/0.95)}^{0.5}+1=3.87m/s$

所述的关闭闸门生潮是指，在流速和水位达到预定值后稳定15分钟后，驱动闸门电机关闭闸门，闸门的关闭速度为v＞2αVrm(m/s)，α为水头损失系数本发明取值为0.95。

v＞2αVrm(m/s)＝7.353m/s，本实施例关门速度取为v＝7.5m/s。

本装置的模拟试验方法为：

通过尾门29和可变水头高位水箱1调整水槽中流速达到3.87m/s，关闭快速闸门，关门速度取为v＝7.5m/s，水流被截止后在水槽中产生涌潮，涌潮自闸门向上游上涌，带动沙槽23中的泥沙，测量此时水槽中的垂向泥沙分布，获得天然状态的垂向泥沙分布特性。

测得试验段24测得垂向泥沙含沙量换算后与天然含沙量列于下表：

相对深度h	试验段换算后含沙量(g/m3)	天然涌潮中含沙量(g/m3)
			0.1	2.27	2.26
0.3	2.35	2.32
			0.5	2.34	2.33
0.7	2.15	2.11
			0.9	3.07	2.98

由结果可见试验装置结果与天然状态基本一致。

Claims (4)

1.高含沙量涌潮模拟试验方法包括：高含沙量涌潮模拟试验装置和利用该装置进行模拟试验的方法，其特征在于：所述的高含沙量涌潮模拟试验装置，包括可变水头高位水箱、试验水槽、地下水库，顺序相连；

所述的可变水头高位水箱包括：箱体、平水槽、溢流内管、千斤顶、进水管、溢流外管、出水管；平水槽置于箱体内，由千斤顶支撑并调节溢水高度，溢流内管上端连接在平水槽底部，下段插入溢流外管内部，溢流内管与溢流外管相连接处可滑动并设置止水橡皮；

试验时调节千斤顶使平水槽达到预定高度，进水管进水量大于出水管的出水量，多余弃水自平水槽进入溢流内管、溢流外管返回地下水库。

2.根据权利要求1所述的高含沙量涌潮模拟试验装置，其特征在于：所述的试验水槽包括：扩散段、整流段、沙槽、试验段、快速闸门、闸门电机、尾水段、尾门、支架；

所述的整流段连接在扩散段下游，试验段连接在整流段下游，沙槽位于试验段底部，快速闸门通过齿条与闸门电机的齿轮相互咬合，快速闸门门槽位于沙槽的下游端，尾门安装在尾水段末端；

所述的整流段、试验段、尾水段长度比为2：5：3；

所述的扩散段为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：3小于1：2，长度不小于整流段，若面积比小于1：3则扩散后水流仍然有较明显的高速区，会在沙槽上留下明显的冲刷痕迹，若面积比大于1：2则在小流量试验时会有泥沙停留管道中，造成总沙量不平衡，只有当扩散段满足以上面积比范围时，沙槽中的泥沙才不会出现明显的冲刷痕迹，并且在试验过程中不停留在管道中，一直随水流运动；

所述的整流段为一段矩形水槽；

所述的试验段为一段矩形水槽，水槽底部为深度为10～25cm的沙槽，沙槽铺沙表面与水槽底部持平；

所述的快速闸门背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度范围为2～10倍的水槽水流流速；

所述的尾水段为一段矩形水槽；

所述的尾门为插板式尾水门，所述的尾水门由8～12块插板和分割板组成；

所述的支架为钢支架用来支撑水槽。

3.根据权利要求1所述利用该装置进行模拟试验的方法，其特征在于：所述的试验方法包括以下步骤：

沙槽铺沙、调整水槽水位和流速、关闭闸门生潮、测量闸门上游悬沙分布；

所述的沙槽铺沙是指依据泥沙起动流速相似准则选择模拟用泥沙，将泥沙铺设在沙槽中，原型沙最大起动流速与沙槽深度关系为v<8d，即本试验装置使用10cm深沙槽时最大可模拟起动流速为0.8m/s的原型沙运动，在使用25cm沙槽时，最大可模拟起动流速为2.0m/s的原型沙运动。

所述的根据泥沙起动流速相似准则是指：

Vsm＝Vsp/Sv，Vsm是装置中的中值粒径模型泥沙的起动流速，Vsp是天然状态涌潮泥沙起动流速，Sv是速度比尺；

Vam＝Vap/Sv，Sv是速度比尺，Vam是装置中水流正向平均流速；Vap是天然状态河流正向平均流速；

所选择的泥沙满足上述的装置中的泥沙起动流速条件。

所述的调整水槽水位和流速是指，当设定需要模拟的潮头高度后，计算给定流速的公式为： $\mathrm{Vrm}=\sqrt{2\mathrm{gHw}/\mathrm{\&alpha;}}+\mathrm{Vam},$ α为水头损失系数0.95；

其中Hw为设定的需要模拟的潮头高度，其值与天然潮头高度间关系为Hw＝Hwp*Sv²，其中；Hwp为天然潮头高度，Sv为流速比尺；

所述的关闭闸门生潮是指，在流速和水位达到预定值后稳定15分钟后，驱动闸门电机关闭闸门，闸门的关闭速度为v＞2αVrm(m/s)，α为水头损失系数本发明取值为0.95。

4.根据权利要求3所述利用该装置进行模拟试验的方法，其特征在于：模拟试验步骤为：通过尾门和可变水头高位水箱调整水槽中流速达到预定值，关闭快速闸门，水流被截止后在水槽中产生涌潮，涌潮自闸门向上游上涌，带动沙槽中的泥沙，测量此时水槽中的垂向泥沙分布，获得天然状态的垂向泥沙分布特性。