CN107727355B - 一种流体挑出水平距离测算方法及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种流体挑出水平距离测算方法及其应用。所述测算方法首先通过确定流体容重和流体中固体物质容重，计算得到流体体积含沙量；然后通过确定流体挑出点流深和流体挑出点流速，计算得到挑出点流体傅汝德数；接着根据流体体积含沙量和挑出点流体傅汝德数，计算流体挑出水平距离修正系数；最后根据流体挑出水平距离修正系数，计算得到流体挑出水平距离。该方法适用于清水、含沙水流、泥石流等不同性质流体，能够合理确定不同流体性质、不同挑出点流体流深、不同流体挑出速度、不同流体挑出角度、不同挑出点流体垂向深度、不同挑出点与下游床面高差下的流体挑出水平距离，且计算方法简便有效，适应实际工程需要。

Description

一种流体挑出水平距离测算方法及其应用

技术领域

本发明涉及一种适用于不同性质流体的流体挑出水平距离测算方法，及其在水利水电枢纽工程、水土保持工程以及泥石流防治工程中的应用。

背景技术

在泥石流防治措施中，拦砂坝和排导槽具有防治效果良好、施工维护简便、使用周期长、费效比高等特点，是目前泥石流防治实践中使用最为广泛的工程措施。

随着拦砂坝和排导槽大量实施，遇到了许多新的工程实际问题。如，在采用拦砂坝对泥石流沟开展工程治理时，为保证拦砂坝的安全，通常在拦砂坝下游设置消能工以消耗上游流体能量，这就需要科学合理地测算流体流舌的水平挑距(即流体挑出水平距离)，以确定冲刷坑的位置，进而在此基础上确定消能工的长度。此外，对于梯潭结构排导槽，也需科学合理地测算流体流舌的水平挑距，从而确定消能工(潭)的长度。

目前，中华人民共和国水利行业标准《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)对水舌水平挑距作出明确说明该公式经由大量清水室内试验数据和实际工程数据验证，计算效果较好，但该公式仅针对清水，而对于含沙水流和泥石流，由于流体内固体物质含量较高，体积含沙量大，流体容重最大可达清水的2-3倍，流体自身物理性质发生显著改变，如果仍然采用该公式计算含沙水流和泥石流的流舌水平挑距，计算值通常偏大，在实际应用中存在较大问题。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种适用于清水、含沙水流、泥石流等不同性质流体的流体挑出水平距离测算方法其在水利工程、水土保持工程和泥石流防治工程中的应用，该方法基于理论推导，能够合理确定不同流体性质、不同挑出点流体流深、不同流体挑出速度、不同流体挑出角度、不同挑出点流体垂向深度、不同挑出点与下游床面高差下的流体流舌水平挑距(即流体挑出水平距离)，且计算方法简便有效，适应实际工程需要。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种流体挑出水平距离测算方法，所述测算方法的技术思想及理论推导过程如下：

1)建立适用不同流体性质的流体流舌水平挑距计算公式(即流体挑出水平距离计算公式)

首先，通过查阅文献、实际调查、比较分析，确定除流体挑出速度v、流体挑出角度θ、挑出点流体垂向深度h₁、挑出点与下游床面高差h₂等因素外，影响流体流舌挑距的主要是流体的流变参数和傅汝德数(Fr)，而流体的体积含沙量(C_V)是影响流体流变参数的关键因素，因此影响流体流舌挑距的主要是流体体积含沙量(C_V)和傅汝德数(Fr)。本发明采用η作为修正系数来反映体积含沙量和傅汝德数对流体流舌水平挑距的影响，在考虑了易于获取的两个参量C_V和Fr基础上，为了获得较高的计算精度且保证量纲和谐，采用不完全自相似理论进行η的建模，η可表达为：

η＝Φ((1-C_V),Fr)(1)

假定(1-C_V)和Fr满足不完全自相似，则η可表达为如下两种形式：

式中，f₁和f₂是F_r的函数；g₁和g₂是(1-C_V)的函数。对公式(2)和(3)取对数，然后对F_r求微分得到如下两个公式

公式(4)和公式(5)左边的偏微分是相等的，则得到：

进一步，我们注意到g₂是(1-C_V)的函数、f₁和f₂是F_r的函数，那么我们可以得到.

式(7)和(8)中const是常数，对式(7)和式(8)分别积分，得到

f₂＝m₃ln(F_r)+m₄ (10)

将公式(9)和公式(10)代入公式(2)，可得到修正系数η的计算公式

式中，m₁、m₂、m₃和m₄为待定参数；结合自由抛射体理论，则不同性质流体流舌水平挑距(即流体挑出水平距离)测算公式为：

然后，搜集大量清水、含沙水流、泥石流三种流体流舌水平挑距室内试验观测数据和原型观测数据，通过对以上数据的回归分析，确定待定参数m₁＝0.887，m₂＝-0.008，m₃＝0.518，m₄＝0.004。

误差分析表明，本发明提出的流体挑出水平距离计算值误差绝对值的均值为9.0％，如果采用《混凝土重力坝设计规范》(SL319-2005)推荐的流体流舌水平挑距计算值误差绝对值的均值为18.5％，本发明提出的测算方法误差绝对值的均值较已有方法减小约9.5％。更重要的是，本发明提出的方法克服了已有方法(即《混凝土重力坝设计规范》中仅适用于清水水舌水平挑距的计算方法)高估含沙水流和泥石流流体流舌水平挑距的问题。

2)通过不同性质流体流舌水平挑距计算公式，计算出流体流舌水平挑距后，再乘以相应的安全系数，即可确定下游消能工的长度。

具体而言，所述适用于不同性质流体的流体挑出水平距离测算方法具体步骤如下：

(一)通过野外容重试验，确定流体容重γ_d、单位kN/m³；通过室内试验，确定流体中固体物质容重γ_S、单位kN/m³；将γ_d、γ_S代入公式计算得到流体体积含沙量C_V，式中，γ_w为水的容重、取值9810kN/m³；

(二)通过现场调查，确定流体挑出点的流深h、单位m；通过现场调查，确定流体挑出点的流速v、单位m/s；将h、v代入公式计算得到挑出点流体傅汝德数F_r，式中，g为重力加速度、取值9.81m/s²；

(三)通过以下公式确定流体挑出水平距离修正系数η

式中，η—流体挑出水平距离修正系数；

C_V—流体体积含沙量，由步骤(一)确定；

F_r—挑出点流体傅汝德数，由步骤(二)确定；

(四)通过以下公式确定流体挑出水平距离L

式中，L—流体挑出水平距离，单位m；

η—流体挑出水平距离修正系数，由步骤(三)确定；

g—重力加速度，取值9.81m/s²；

v—流体挑出点的流速，单位m/s，由步骤(二)确定；

θ—流体挑出角度，单位度，通过现场调查确定；

h₁—挑出点流体垂向深度，单位m，通过现场调查确定；

h₂—挑出点与下游床面高差，单位m，通过现场调查确定。

为了保证大坝或拦砂坝的安全，所述适用于不同性质流体的流体挑出水平距离测算方法可用于确定不同性质流体坝后(槛后)的下游消能工长度。通过公式L_e＝kL，计算得到下游消能工长度L_e、单位m；式中，k为安全系数、取值1.4-1.6，L为流体挑出水平距离、单位m、由上述步骤(四)确定。

所述流体挑出水平距离测算方法适用于流体挑出点的流速v小于40m/s、流体容重γ_d大于等于9810kN/m³同时小于等于22563kN/m³的清水或含沙水流或泥石流的挑出水平距离测算。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：仅考虑了易于获取的两个参量(即流体体积含沙量和挑出点流体傅汝德数)对流体运动的影响，通过理论推导得到水平挑距修正系数和水平挑距计算公式，能够唯一确定流体挑出水平距离修正系数，进而能沟合理确定不同性质流体挑出水平距离，避免了采用水舌水平挑距计算方法导致的高估含沙水流和泥石流流体流舌水平挑距的缺陷；本发明方法适用性广泛，适用流体容重范围为9810kN/m³-22563kN/m³的清水、或含沙水流、或泥石流，能够为不同性质流体坝后(槛后)消能工的优化设计提供有效的技术支撑，并且计算方法简便，适应实际工程需要。

附图说明

图1是流体挑出示意图。

图中标号如下：

v流体挑出点的流速 h流体挑出点的流深

L流体挑出水平距离 θ流体挑出角度

h₁挑出点流体垂向深度 h₂挑出点与下游床面高差

L_e下游消能工长度

具体实施方式

下面对本发明的优选实施例作进一步的描述。

如图1所示。某泥石流流域面积1.76km²，主沟长度2.95km，主沟沟床比降为387‰，流域宽度约在310～850m之间，流域内坡度较陡、在25°～65°。近年来，该流域多次暴发大规模泥石流，对沟口公路造成严重损毁，多次堵断主河并形成堰塞湖。为减轻泥石流灾害，拟在泥石流沟主沟修建拦砂坝。拦砂坝采用主坝加副坝的形式，主坝和副坝之间的部分就是消能工，为保证拦砂坝安全，采用本发明的流体挑出水平距离测算方法确定消能工长度。具体步骤如下：

第一步，通过野外容重试验，确定该沟流体容重γ_d＝19620kN/m³；通过室内试验，确定流体中固体物质容重γ_s＝25996.5kN/m³；将γ_d、γ_S代入公式计算得到流体体积含沙量C_V＝0.606。

第二步，通过现场调查，确定流体挑出点的流深h＝0.70m；通过现场调查，确定流体挑出点的流速v＝5.0m/s；将h、v代入公式计算得到挑出点流体傅汝德数F_r＝1.908。

第三步，通过以下公式，确定流体挑出水平距离修正系数η

第四步，通过现场调查，确定流体挑出角度θ＝0°，挑出点流体垂向深度h₁＝0.70m，挑出点与下游床面高差h₂＝6.50m。通过以下公式确定流体挑出水平距离L

第五步，通过公式L_e＝kL＝1.5×2.77＝4.16m，计算得到下游消能工长度L_e为4.16m。

Claims (4)

1.一种流体挑出水平距离测算方法，其特征在于：所述流体挑出水平距离测算方法步骤如下：

(一)通过野外容重试验，确定流体容重γ_d、单位kN/m³；通过室内试验，确定流体中固体物质容重γ_S、单位kN/m³；将γ_d、γ_S代入公式计算得到流体体积含沙量C_V，式中，γ_w为水的容重、取值9810kN/m³；

(二)通过现场调查，确定流体挑出点的流深h、单位m；通过现场调查，确定流体挑出点的流速v、单位m/s；将h、v代入公式计算得到挑出点流体傅汝德数F_r，式中，g为重力加速度、取值9.81m/s²；

(三)通过以下公式确定流体挑出水平距离修正系数η

式中，η—流体挑出水平距离修正系数；

C_V—流体体积含沙量，由步骤(一)确定；

F_r—挑出点流体傅汝德数，由步骤(二)确定；

(四)通过以下公式确定流体挑出水平距离L

式中，L—流体挑出水平距离，单位m；

η—流体挑出水平距离修正系数，由步骤(三)确定；

g—重力加速度，取值9.81m/s²；

v—流体挑出点的流速，单位m/s，由步骤(二)确定；

θ—流体挑出角度，单位度，通过现场调查确定；

h₁—挑出点流体垂向深度，单位m，通过现场调查确定；

h₂—挑出点与下游床面高差，单位m，通过现场调查确定。

2.如权利要求1所述流体挑出水平距离测算方法的应用，其特征在于：适用于确定下游消能工长度。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于：通过公式L_e＝kL，计算得到下游消能工长度L_e、单位m；式中，k为安全系数、取值1.4-1.6，L为流体挑出水平距离、单位m、由步骤(四)确定。

4.如权利要求1所述流体挑出水平距离测算方法的应用，其特征在于：适用于流体挑出点的流速v小于40m/s、流体容重γ_d大于等于9810kN/m³同时小于等于22563kN/m³的清水或含沙水流或泥石流的挑出水平距离测算。