CN108560480B - 一种变曲率明渠弯道 - Google Patents

一种变曲率明渠弯道 Download PDF

Info

Publication number
CN108560480B
CN108560480B CN201810215458.7A CN201810215458A CN108560480B CN 108560480 B CN108560480 B CN 108560480B CN 201810215458 A CN201810215458 A CN 201810215458A CN 108560480 B CN108560480 B CN 108560480B
Authority
CN
China
Prior art keywords
bottom plate
curve
curvature
open channel
bend
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201810215458.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN108560480A (zh
Inventor
王韦
丁灿
田忠
许唯临
刘善均
张建民
邓军
曲景学
余挺
张法星
周茂林
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sichuan University
Original Assignee
Sichuan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sichuan University filed Critical Sichuan University
Priority to CN201810215458.7A priority Critical patent/CN108560480B/zh
Publication of CN108560480A publication Critical patent/CN108560480A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN108560480B publication Critical patent/CN108560480B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B1/00—Equipment or apparatus for, or methods of, general hydraulic engineering, e.g. protection of constructions against ice-strains
    • E02B1/02—Hydraulic models
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02B—HYDRAULIC ENGINEERING
    • E02B8/00—Details of barrages or weirs ; Energy dissipating devices carried by lock or dry-dock gates
    • E02B8/06—Spillways; Devices for dissipation of energy, e.g. for reducing eddies also for lock or dry-dock gates

Abstract

本发明所述变曲率明渠弯道，由沿水流方向弯曲的底板和沿底板两侧设置的边墙构成，以弯道进口断面底板中点与弯道出口断面底板中点的连线为x轴，以上述连线的中点为坐标原点，以通过坐标原点且垂直于x轴的直线为y轴建立平面直角坐标系，在上述坐标系下，底板的凸岸边缘曲线方程为：
Figure DDA0001598460910000011
底板的凹岸边缘曲线方程为：
Figure DDA0001598460910000012
所述变曲率明渠弯道可解决弯道水流流态紊乱，水面超高大，压强分布不均等问题，同时不影响弯道过流能力，减小空化空蚀可能性。

Description

一种变曲率明渠弯道
技术领域
本发明属于水利工程中导流及河道治理领域，具体涉及一种可控制急流水流流态、水面超高及压强分布的明渠弯道。
背景技术
由于地形地质及枢纽布置等原因，明渠弯道在水利工程中大量存在，例如溢洪道、引水工程及治河工程。水流进入弯道后受重力和离心力作用，会产生水面超高、螺旋流和急流冲击波等现象，从而引发凹岸冲刷、凸岸露底、压强分布不均等现象，影响过流效果，严重时会产生空化空蚀，危及结构安全。出现上述问题的根本原因是弯道入口处存在曲率突变，水流受力不连续，进而失去平衡。现有的解决上述问题的主要方法是设置超高或在弯道入口处设置导流坎，这不可避免会影响过流效果，水流流态也会受到影响，并且导流坎处产生空蚀可能性较大。此外，对于弯道水流压强分布不均问题，目前尚无有效解决措施。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种变曲率明渠弯道，在不影响弯道过流能力的情况下，解决弯道水流流态紊乱，水面超高大，压强分布不均等问题，并减小空化空蚀的可能性。
本发明所述变曲率明渠弯道，由沿水流方向弯曲的底板和沿底板两侧设置的边墙构成，以弯道进口断面底板中点与弯道出口断面底板中点的连线为x轴，以上述连线的中点为坐标原点，以通过坐标原点且垂直于x轴的直线为y轴建立平面直角坐标系，在上述坐标系下，底板的凸岸边缘曲线方程为：
Figure BDA0001598460890000011
底板的凹岸边缘曲线方程为：
Figure BDA0001598460890000012
上述(a)、(b)两式中，
Figure BDA0001598460890000021
为底板凸岸曲线或凹岸曲线上任意点的切线与x轴正向所成夹角，M为底板长度(以底板中心线长度代表底板长度)，ω为
Figure BDA0001598460890000022
的最大值，B为底板宽度。实际弯道修建中，需根据工况设定ω和B。
将弯道看作河流，将弯道行进方向两侧看作河岸部分，河岸部分凹进去的则为弯道的凹岸，河岸部分凸出来的则为弯道凸岸，底板凸岸边缘曲线或凹岸边缘曲线也以该规则确定。
所述底板凸岸边缘曲线方程和凹岸边缘曲线方程的推导如下：
Langbcin等人研究表明天然河流前进一段距离ΔS后发生一定角度偏离，设偏转角度为
Figure BDA0001598460890000023
则概率最大流路为：
Figure BDA0001598460890000024
此时，满足上述条件的方向角
Figure BDA0001598460890000025
是沿河槽距离S的正弦函数，其方程为：
Figure BDA0001598460890000026
式(2)表明河槽流路为正弦派生曲线，其结果与实测资料可以良好的吻合。以上参考自Walter B.Langbein,Luna B.Leopold.(1966)."River meanders--theory ofminimum variance".U.S.Geological Survey Prof.Paper 422-H,1-15.。
以弯道进口断面底板中点与弯道出口断面底板中点的连线为x轴，以上述连线的中点为坐标原点，以通过坐标原点且垂直于x轴的直线为y轴建立xoy平面直角坐标系，则有：
Figure BDA0001598460890000027
将式(1)、(2)代入式(3)得：
Figure BDA0001598460890000028
两边同时对x求导得：
Figure BDA0001598460890000029
又
Figure BDA00015984608900000210
由式(5)、(6)得：
Figure BDA00015984608900000211
对式(5)、(7)积分得：
Figure BDA0001598460890000031
式(8)即为本发明所述弯道底板的凸岸曲线方程，则弯道底板的凹岸曲线方程为：
Figure BDA0001598460890000032
弯道底板凸岸曲线上任意一点的曲率半径由式(8)和曲线曲率求解公式求得，为下式：
Figure BDA0001598460890000033
弯道底板凸岸曲线的平均曲率半径由式(8)和曲线积分公式求得，为下式：
Figure BDA0001598460890000034
弯道底板凹岸曲线的平均曲率半径由式(11)求得，为下式：
Figure BDA0001598460890000035
以上各式中，方向角
Figure BDA0001598460890000036
即为弯道底板凸岸曲线或凹岸曲线上任意点的切线与x轴正向所成夹角，S为沿弯道前进的距离(路程)，M为底板长度(以底板中心线长度代表底板长度)，ω为
Figure BDA0001598460890000037
的最大值，B为底板宽度。
本发明所述变曲率明渠弯道，底板垂直于水流方向的坡度(即底板宽度方向的坡度)为0，底板顺水流方向的坡度(即底板长度方向的坡度)为0～30°，根据工程实际情况确定。整个变曲率弯道的底板宽度不变。
本发明所述变曲率明渠弯道，在与上下游明渠衔接时，衔接方式可视具体情况而定，弯道进口端可接前过渡直段，弯道出口端可接后过渡直段或挑流坎。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明所述变曲率明渠弯道与前后过渡直段水流衔接顺畅，由进口经弯顶至出口处，其曲率由0逐渐增大至最大值再逐渐减小，不会出现曲率突变现象，从而水流受力连续，流态平稳。
2、本发明所述变曲率明渠弯道由于曲率是渐变的，实验数据表明，与传统的定曲率弯道相比，其横向水面超高减小15％～64％。
3、与传统定曲率弯道相比，本发明所述变曲率弯道由于水流流态平稳，水面超高大大减小，从而压强分布更加均匀，最大压强值也相应减小，因此弯道侧壁及底板不容易遭受破坏，使用寿命提高。
4、由于本发明所述变曲率明渠弯道未设置导流坎等凸体，因而相比传统方法出现空化空蚀破坏的几率减小。
附图说明
图1是本发明所述变曲率明渠弯道的平面结构示意图；
图2是本发明所述变曲率明渠弯道的横断面示意图；
图3是本发明所述变曲率明渠弯道两端与前过渡直段和后过渡直段衔接的示意图；
图4是本发明所述变曲率明渠弯道所建立的坐标系示意图；
图5是对比例中定曲率弯道中心角示意图。
图中，1弯道边墙、2弯道底板、2-1底板凸岸边缘曲线、2-2底板凹岸边缘曲线、3弯道底板中心线、4前过渡直段、5后过渡直段、B底板宽度、b边墙高度、c边墙厚度、d底板厚度、α定曲率弯道中心角。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明所述变曲率弯道作进一步详细说明。
实施例1
本实施例中的变曲率明渠弯道应用于某工程的左岸泄洪洞，结构如图1、图2所示，由沿水流方向弯曲的底板2和沿底板两侧设置的边墙1构成，弯道进口端接前过渡直段4，弯道出口端接后过渡直段5，见图3。
模型试验中取变曲率弯道底板长度M＝5m，根据实际工程状况，设定该变曲率弯道的最大方向角ω＝45°，底板宽度B＝0.3m。
以弯道进口断面底板中点与弯道出口断面底板中点的连线为x轴，以上述连线的中点为坐标原点，以通过坐标原点且垂直于x轴的直线为y轴建立平面直角坐标系，在该坐标系下，底板凸岸边缘曲线起点方向角
Figure BDA0001598460890000041
底板的凸岸边缘曲线方程为：
Figure BDA0001598460890000051
底板的凹岸边缘曲线方程为：
Figure BDA0001598460890000052
根据上述底板凸岸边缘曲线、底板凹岸边缘曲线方程计算出凸岸边缘曲线及凹岸边缘曲线上各控制点的坐标，计算时方向角
Figure BDA0001598460890000053
每变化1°取一个控制点，各控制点坐标见表1。
表1
Figure BDA0001598460890000054
Figure BDA0001598460890000061
将各控制点连接起来即得到弯道底板的凸岸边缘曲线2-1和凹岸边缘曲线2-2，见图4。根据下式计算底板凸岸边缘曲线2-1的平均曲率半径：
Figure BDA0001598460890000071
底板凸岸边缘曲线的平均曲率半径为1.48m。
根据下式计算底板凹岸边缘曲线2-2的平均曲率半径：
Figure BDA0001598460890000072
底板凹岸边缘曲线的平曲率半径为1.78m。底板中心线3的平均曲率为(1.48m+1.78m)/2＝1.63m。
在底板的凸岸边缘曲线2-1和凹岸边缘曲线2-2得到后，设计底板2的厚度和两侧边墙1的高度与厚度，以及底板垂直于水流方向的坡度和底板顺水流方向的坡度。本实施例中，根据实际工程，底板2的厚度d为5mm，两侧边墙1的高度b为0.3m，两侧边墙1的厚度c为5mm，底板垂直于水流方向的坡度为0，底板顺水流方向的坡度为1°
本实施例中，前过渡直段4长2.2m，其两侧边墙的高度为0.3m，后过渡直段5长0.5m，其两侧边墙的高度为0.5m。
对比例
对比例为定曲率明渠弯道，其底板凸岸边缘曲线和凹岸边缘曲线的曲率半径分别等于实施例1中变曲率弯道的底板凸岸边缘曲线的平均曲率半径(1.48m)和底板凹岸边缘曲线的平均曲率半径(1.78m)，两侧边墙高度及底板宽度与实施例1中变曲率弯道的对应参数相同，底板垂直于水流方向的坡度和顺水流方向的坡度与实施例1中变曲率弯道的对应参数相同，前过渡直段、后过渡直段的各参数也与实施例1中的前过渡直段、后过渡直段参数相同。
试验结果：
对比例定曲率明渠弯道试验中，弯道进口断面处凹岸水流高度上升较快，凸岸水流下降较快，表明定曲率明渠弯道中水流衔接较差，不能平稳过渡；水流进入该弯道后，在惯性力和边墙共同作用下，水流转向，冲击凸岸，致使弯道中心角α＝40°～60°断面之间凸岸水面壅高；弯道进口处有冲击波扰动线，且随流量增大扰动现象更加明显，并且出现凸岸露底现象。
实施例1变曲率明渠弯道试验中，
Figure BDA0001598460890000073
断面凸岸水流高度逐渐降低，凹岸水流高度逐渐上升；
Figure BDA0001598460890000074
～至出口断面，凹岸水流高度逐渐降低，水流在出口直线段与弯道段之间过渡平稳，流态较好，表明边墙对水流作用力明显减小。试验中未出现露底现象。
试验数据表明，本发明所述变曲率明渠弯道对减小水面超高效果十分明显，与定曲率明渠弯道相比，弯道进口断面水面超高减小幅度最大达64.7％。本发明所述变曲率明渠弯道底板及边墙压强分布更加均匀，与定曲率明渠弯道相比，其底板压强变幅最大降幅可达46.4％。

Claims (2)

1.一种变曲率明渠弯道，由沿水流方向弯曲的底板和沿底板两侧设置的边墙构成，其特征在于以弯道进口断面底板中点与弯道出口断面底板中点的连线为x轴，以上述连线的中点为坐标原点，以通过坐标原点且垂直于x轴的直线为y轴建立平面直角坐标系，在上述坐标系下，底板的凸岸边缘曲线方程为：
Figure FDA0001598460880000011
底板的凹岸边缘曲线方程为：
Figure FDA0001598460880000012
上述(a)、(b)两式中，
Figure FDA0001598460880000013
为底板凸岸曲线或凹岸曲线上任意点的切线与x轴正向所成夹角，M为底板长度，ω为
Figure FDA0001598460880000014
的最大值，B为底板宽度。
2.根据权利要求1所述变曲率明渠弯道，其特征在于所述底板垂直于水流方向的坡度为0，底板顺水流方向的坡度为0～30°。
CN201810215458.7A 2018-03-15 2018-03-15 一种变曲率明渠弯道 Expired - Fee Related CN108560480B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810215458.7A CN108560480B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种变曲率明渠弯道

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201810215458.7A CN108560480B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种变曲率明渠弯道

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN108560480A CN108560480A (zh) 2018-09-21
CN108560480B true CN108560480B (zh) 2020-06-12

Family

ID=63531804

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201810215458.7A Expired - Fee Related CN108560480B (zh) 2018-03-15 2018-03-15 一种变曲率明渠弯道

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN108560480B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109706899A (zh) * 2018-11-21 2019-05-03 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司 斜切扭曲挑坎结构

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1323644A1 (ru) * 1985-07-08 1987-07-15 Государственный Институт По Проектированию Лесозаготовительных,Лесосплавных,Деревообрабатывающих Предприятий И Путей Лесотранспорта "Гипролестранс" Быстроток с виражом
CN205100180U (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种溢洪道泄槽段弯道结构
CN104615831B (zh) * 2015-02-10 2016-11-30 扬州大学 低驼峰式出水流道三维形体4次曲线方程成形计算方法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100603498B1 (ko) * 2005-11-09 2006-07-20 (주)대호엔지니어링 택지에 인접하는 비탈면용 제방의 하천에서 유수 보호구조물

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU1323644A1 (ru) * 1985-07-08 1987-07-15 Государственный Институт По Проектированию Лесозаготовительных,Лесосплавных,Деревообрабатывающих Предприятий И Путей Лесотранспорта "Гипролестранс" Быстроток с виражом
CN104615831B (zh) * 2015-02-10 2016-11-30 扬州大学 低驼峰式出水流道三维形体4次曲线方程成形计算方法
CN205100180U (zh) * 2015-11-05 2016-03-23 中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司 一种溢洪道泄槽段弯道结构

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中咀坡水电站溢洪道弯曲段改造设计试验研究;周锡发等;《重庆交通大学学报(自然科学版)》;20131015;第32卷(第05期);第1027-1030页 *
河湾流路方程在黄河下游河道整治中的应用;万强等;《人民黄河》;20090220;第32卷(第02期);第19-20、117页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN108560480A (zh) 2018-09-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Khodashenas et al. A geometrical method for computing the distribution of boundary shear stress across irregular straight open channels
CN106120673B (zh) 适用于高弗劳德数下的转弯溢洪道
CN108560480B (zh) 一种变曲率明渠弯道
Hajikandi et al. Y-shaped and T-shaped slots in river bridge piers as scour countermeasures
CN101864754A (zh) 用于溢洪道或泄洪洞出口的挑流斜鼻坎
Tison Local scour in rivers
CN217784544U (zh) 一种有压输水管道弯道
CN209114438U (zh) 一种斜底槛布置方法建立的导流装置
CN208235448U (zh) 一种埋件结构及其闸门系统
CN109594533B (zh) 一种涡流室消力池
Reese et al. Design of spillway crests
Zhang et al. Numerical simulation of the hydraulic performances and flow pattern of swallow-tailed flip bucket
Jahani et al. Effect of using guide walls and piers with different geometries on the flow at entrance of a spillway
Gandomi et al. Simulation of Ogee Spillway by FLOW3D Software (Case Study: Shahid Abbaspour Dam)
Gur’yev et al. Improvement of the theory of shaft spillway calculations
Guryev et al. Calculation of capacity of spillway№ 2 Boguchanskoye HPP with free water overflow
CN110457848B (zh) 无压尾水系统中尾水闸室静水位计算方法
CN111931276B (zh) 一种快速优选跌坎消力池体型的方法
Li et al. Numerical Simulation of Stepped Spillways with Front Step Deformation
Salmasi et al. Ogee Crest Weir Head-discharge Relationships
Kobayashi et al. The Characteristics of Dam Break Flows in a Meandering Channel
CN116644499B (zh) 适用于运河浪岸坡击区作用范围的确定方法及船行波模型试验装置
CN113718727B (zh) 一种适用于高水头大单宽泄量的突扩跌坎消力池
Ahmed et al. Characteristics of flow over the crest of a siphon spillway
Yin et al. Numerical simulation of the flow field at stepped spillway dam faces

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20200612

Termination date: 20210315