CN110188412A - 大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法 - Google Patents

Abstract

一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，该方法包括以下步骤：步骤1：得到起动流速理论公式；步骤2：对钢筋石笼块体进行起动流速进行测量；步骤3：读取流速及式(1)所需参数；步骤4：列出超定量方程组；步骤5：确定经验公式中理论起动流速，用实测流速代入方程组求解参数，反推理论流速；步骤6：针对条形六面体钢筋石笼块体进行起动流速下的三维数值模拟，分析钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布，即完成大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟。本发明提供的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，可以解决计算有偏差、缺乏相互验证的问题，提高了起动流速计算的精准性。

Description

大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，尤其是一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法。

背景技术

水利工程截流是堵截原河道水流而迫使其流向预定通道的一种工程措施。截流的成功与否不仅影响水利水电工程的施工安全、施工工期及工程造价，还涉及坝址下游地区的防洪安全。钢筋石笼作为一种截流的人工材料，以其抛投难度小，材料获取和制作方便，有较好的稳定性和透水性，被广泛运用到大型水利水电工程截流实践中。

为了实现安全经济的科学截流，在大江大河上进行大型水电工程截流之前，通常需要进行模型试验，尤其是要进行截流抛投材料的起动流速试验，为截流材料的稳定性做充分的论证。一方面可减少不必要的抛投损失，另一方面可保障截流安全进占。现有的截流材料起动流速试验和流速公式推导通常针对截流块体，如块石、混凝土块、混合石渣料等，适用范围有限。而现有针对钢筋石笼起动流速试验又忽略了上举力系数对起动流速的影响，缺乏专门对上举系数和拖曳系数的试验，起动流速公式推导也简化为只与拖曳系数相关，这会对底面积较大的钢筋石笼块体流速计算产生偏差。此外，以起动流速作为上游来流流速边界的钢筋石笼流场模拟也缺乏与起动试验相互验证的数值方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，可以解决计算有偏差、缺乏相互验证的问题，提高了起动流速计算的精准性。

为了解决上述技术问题，本发明采用技术方案是：

一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，进行流速试验及流场模拟所采用的装置包括有机玻璃水槽主体，有机玻璃水槽主体一侧与带直流式流速仪的进水管连通，有机玻璃水槽主体另一侧内部设置有尾门，有机玻璃水槽主体内部放置有钢筋石笼块体；

该方法包括以下步骤：

步骤1：分析钢筋石笼块体在水体中受力，列出以流速为变量的力学平衡方程式，变换形式得到起动流速理论公式如下：

式中，V_D为钢筋石笼块体起动流速，n为孔隙率，f为糙率系数，γ为水容重，γ_s为钢筋石笼块体容重，l₁和l₃为钢筋石笼块体的长和高；C_D为拖曳系数，C_L为上举力系数，g 为重力加速度；

步骤2：对钢筋石笼块体进行起动流速进行测量，采用电磁流量计控制上游来流量不变，通过下游尾门调节水位，以钢筋石笼块体开始滑动为测量时点，采用直读式流速仪读取流速；

步骤3：制作不同扁度系数的钢筋石笼块体，并测量其孔隙率，制作不同糙率系数的试验基面，重复步骤2，读取流速及式(1)所需参数；

步骤4：将试验所得起动流速以及其它相关参数带入式(1)，可得(1)式变形如下：

a_mC_D+a_nC_L＝b (2)

式中，a_m、a_n、b均为已知值，C_D，C_L为待求解参数，运用不同糙率的试验基面下测得结果，代入公式(2)列出超定量方程组；

步骤5：采用矩阵左除法对步骤4得到的超定量方程组进行求解，给出钢筋石笼扁度系数λ和雷诺系数R_e ^*和C_D，C_L的关系分布，寻求C_D，C_L最优范围，从而确定从而确定经验公式中理论起动流速(公式1)，用实测流速代入方程组求解参数，反推理论流速；

步骤6：针对条形六面体钢筋石笼块体进行起动流速下的三维数值模拟，分析钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布，即完成大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟。

有机玻璃水槽主体内部放置的钢筋石笼块体为条形六面体钢筋石笼块体，条形六面体钢筋石笼块体摆放方式均为中轴b与短轴c所在面为迎水面，长轴a沿水流方向，短轴c垂直于试验基面的方式摆放。

步骤3中，糙率系数的测量方法为：

将钢筋石笼块体置于基面，并在钢筋石笼块体侧面系上细线，用弹簧秤勾住细线，水平拖动钢筋石笼块体作匀速运动，记录弹簧秤度数，即为F_f；

利用公式

式中，f为基面糙率，F_f为摩擦力，m为钢筋石笼质量，g为重力加速度，计算得到该尺寸的钢筋石笼块体的糙率系数f；

将不同尺寸的钢筋石笼块体按上述方法进行多次测量，将计算所得的糙率f取平均值，得出各个试验基面的糙率。

步骤3中，钢筋石笼块体的孔隙率采用排水法进行测量，根据孔隙率公式如下：

式中，n为空隙率，V为钢筋石笼块体外观体积，V₁为放入烧杯中测得钢筋石笼块体的排水体积。

步骤6具体为：

步骤6-1：以连续方程、动量方程、能量方程、组分质量守恒方程为原理为模拟控制方程，选用RNG模型为紊流模型；

步骤6-2：选用条形六面体钢筋石笼块体作为模拟对象，将所有钢筋石笼内的石子简化为半径为0.1m的球体，在Rhinoceros软件中绘制出条形六面体钢筋石笼块体；

步骤6-3：将绘制好的条形六面体钢筋石笼块体三维模型导入Flow-3D软件，采用FAVOR法定义几何体和划分网格，模拟以条形六面体钢筋石笼块体底面中心作为坐标原点，并设置水域，将条形六面体钢筋石笼块体单独建立网格局部加密；

步骤6-4：设定条形六面体钢筋石笼块体的起动流速作为上游来流流速边界，下游出口设为自由出流边界，模型上表面与空气接触的部分设为大气压力边界，其余设为壁面边界，分析条形六面体钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布。

本发明所提供的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，有益效果如下：

1、以钢筋石笼在水体中受力分析为基础，推导出考虑上举系数和拖曳系数的钢筋石笼起动流速公式，并设计了相应的起动流速试验装置，通过试验数据解超定量方程组，计算出该公式中上举系数和拖曳系数的取值范围，提高了起动流速计算的精准性。

2、与已有的起动流速试验方法相比，本发明适用范围更广，除了常规的钢筋石笼，也适合底面积较大块体的钢筋石笼。

3、提出了以该起动流速为上游来流流速边界的钢筋石笼周围流场数值模拟方法，进一步提高了其流场模拟的精确性，更有利于分析钢筋石笼的稳定性。

可以解决计算有偏差、缺乏相互验证的问题，提高了起动流速计算的精准性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明进行流速试验及流场模拟所采用的装置的俯视图；

图2为本发明进行流速试验及流场模拟所采用的装置的侧视图；

图3为本发明所用条形六面体钢筋石笼块体的俯视图；

图4为本发明所用条形六面体钢筋石笼块体的侧视图；

图5为本发明实施例中理论计算两组钢筋石笼的起动流速V_D，与实验值进行对比的示意图；

图6为本发明实施例中0.1m的球体，在Rhinoceros软件中绘制出的钢筋石笼模型的示意图；

图7为本发明实施例中流速分布计算结果选取了t＝50s时，钢筋石笼中心所在平面的俯视流速分布图；

图8为本发明实施例中流速分布计算结果选取了t＝50s时，钢筋石笼中心所在平面的侧视流速分布图；

图9为本发明实施例中紊动能分布计算结果选取了t＝50s时，钢筋石笼中心所在平面的俯视紊动能分布图；

图10为本发明实施例中紊动能分布计算结果选取了t＝50s时，钢筋石笼中心所在平面的侧视紊动能分布图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

实施例

如图1和图2所示，一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，进行流速试验及流场模拟所采用的装置包括有机玻璃水槽主体1，有机玻璃水槽主体1一侧与带直流式流速仪4的进水管连通，有机玻璃水槽主体1另一侧内部设置有尾门3，用以调节下游水位及水流流速；

有机玻璃水槽主体1内部放置有钢筋石笼块体2，钢筋石笼块体2为条形六面体截流钢筋石笼块体。

有机玻璃水槽主体两侧壁及底部均为有机玻璃制成，并进行了加厚处理，以便于试验观测。

由于受铁丝网的空隙间距以及容重要求，钢筋石笼块体2内选用石子必须在5～10mm 之间，防止石子从钢筋笼空隙漏出并能相对较好的满足所有钢筋石笼空隙率均保持在一个常数值。

条形六面体钢筋石笼摆放方式均为中轴b与短轴c所在面为迎水面，长轴a沿水流方向，短轴c垂直于试验基面的方式摆放。如图2-图4所示。

模型相似比尺为：

试验基面分为：有机玻璃基面(f＝0.28)，光滑水泥板基面(f＝0.48)，粗糙水泥板基面 (f＝0.69)，其中f为基面糙率。

一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，包括以下步骤。

步骤1：分析钢筋石笼在水体中受力，列出以流速为变量的力学平衡方程式，变换形式得到起动流速理论公式如下：

式中，V_D为钢筋石笼起动流速，n为孔隙率，f为糙率系数，γ为水容重，γ_s为块体容重， l₁和l₃为钢筋石笼的长和高；C_D为拖曳系数，C_L为上举力系数。

步骤2：对钢筋石笼块体2进行起动流速进行测量，采用电磁流量计5控制上游来流量不变，通过下游尾门3调节水位，以钢筋石笼块体2开始滑动为测量时点，采用直读式流速仪4读取流速。流速仪原理可用以下直线方程表示：

V_D＝Km/T+C (5)

式中，V_D为流速仪测速结果，即钢筋石笼块体起动流速，K为检定曲线斜率，T为测量时间(秒)，m为测量时间T内的流速信号数目，C为与阻力有关的系数(m/s)。

步骤3：制作不同扁度系数的条形六面体截流钢筋石笼块体，并测量其孔隙率，制作不同糙率系数的试验基面，重复步骤2，读取流速及式(1)所需参数。

其中糙率系数测量原理遵循以下公式：

式中，f为基面糙率，F_f为摩擦力，m为钢筋石笼质量，g为重力加速度。

糙率系数的测量方法为：将钢筋石笼块体2置于基面，并在钢筋石笼块体2侧面系上细线，用弹簧秤勾住细线，水平拖动钢筋石笼块体2作匀速运动，记录弹簧秤度数，即为F_f。

将不同尺寸的钢筋石笼块体2按上述方法进行多次测量，将计算所得的糙率f取平均值，得出3个试验基面的糙率。

钢筋石笼块体2的孔隙率采用排水法进行测量，根据孔隙率公式如下：

式中，n为空隙率，V为钢筋石笼外观体积，V₁为放入烧杯中测得钢筋石笼排水体积。

该步骤测得流速值及其他相关值，以有机玻璃基面为例，结果如表1。

表1钢筋石笼起动流速值及其他相关取值(f＝0.28有机玻璃基面)

步骤4：将试验所得起动流速以及其它相关参数带入式(1)，可得(1)式变形如下：

a_mC_D+a_nC_L＝b (2)

式中，a_m、a_n、b均为已知值，C_D，C_L为待求解参数。运用不同糙率的试验基面下测得结果，代入公式(2)列出超定量方程组。

步骤5：采用Matlab矩阵左除法对超定方程进行求解，给出钢筋石笼扁度系数λ和雷诺系数R_e*和C_D，C_L的散点分布，对散点分布图进行插值使之连续分布。对分布图颜色分布分析，得到C_D，C_L最优范围分别为：0.2～0.4，0.2～0.5。C_D取值变化平缓，C_L取值变化明显。

根据式(1)，结合λ和R_e ^*与C_D，C_L连续分布图，采用试算法得到钢筋石笼理论起动流速。用另两组规格钢筋石笼进行起动流速实验，验证公式所用钢筋石笼规格如表2 所示。试验基面为f＝0.21的有机玻璃底板。

表2验证公式所用钢筋石笼规格(f＝0.21有机玻璃基面)

理论计算两组钢筋石笼的起动流速V_D，与实验值进行对比，如图5所示。

步骤6：针对条形六面体钢筋石笼块体进行起动流速下的三维数值模拟，分析钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布，具体如下：

步骤6-1：以连续方程、动量方程、能量方程、组分质量守恒方程为原理为模拟控制方程。选用RNG模型为紊流模型，模型中包含了计算湍流Prandtl数的解析公式，并对近壁区进行适当处理后可计算低雷诺数效应，模型包括：

紊动能k方程：

紊动耗散率ε方程：

式中，k为紊动能；ρ为密度；ε为紊动耗散率；t为时间(s)；μ为动力粘性系数；μ_t为湍流粘性系数；α_k，α_ε，C_1ε和C_2ε为经验常数；α_k＝α_ε＝1.39；其中，η₀＝4.377，β＝0.012；C_1ε＝1.42；常数 C_2ε＝1.68；G_k为由平均速度梯度引起的紊动能产生项，可由式定义；x_i，y_i分别为各坐标分量；u_i，u_j(i＝1，2，3，j＝1，2，3)分别为x，y，z方向的速度分量。

步骤6-2：选用条形六面体钢筋石笼块体作为模拟对象，所有钢筋石笼内的石子简化为半径为0.1m的球体，在Rhinoceros软件中绘制出钢筋石笼，以条形六面体为例，模型如图6所示。

步骤6-3：将绘制好的条形六面体钢筋石笼块体三维模型导入Flow-3D，采用FAVOR法定义几何体和划分网格。模拟以钢筋石笼底面中心作为坐标原点，并设置 50m×30m×15m的水域，将钢筋石笼单独建立网格局部加密。

步骤6-4：设定条形六面体钢筋石笼块体的起动流速作为上游来流流速边界，下游出口设为自由出流边界，模型上表面与空气接触的部分设为大气压力边界，其余设为壁面边界。

流速分布计算结果选取了t＝50s时，条形六面体钢筋石笼块体中心所在平面的俯视流速分布和侧视流速分布，如图7和图8所示，结果表明，条形六面体钢筋石笼块体迎水面流速相较于其起动流速有一定减小，流速约为4.2m/s；其背水面在较长的一段范围内，流速有较为明显的下降，但并未产生回流，流速约为2.7m/s。条形六面体钢筋石笼块体左右两侧并未产生涡流，流态较为稳定。

紊动能可以利用湍流强度估算，其计算公式为：

式中，K为紊动能，l为湍流强度，V_D为平均流速。

紊动能分布计算结果选取了t＝50s时，条形六面体钢筋石笼块体中心所在平面的俯视紊动能分布和侧视紊动能分布。结果表明，条形六面体钢筋石笼块体中心所在水位高程，石笼迎水面紊动能相较于背水面紊动能更高；石笼迎水面一定区域范围内，随着水深增加，紊动能显著增大；石笼背水面的附近区域内，紊动能大小趋近于0，随着X方向距离的增加，紊动能逐渐增加，最后趋于稳定；同样，由条形六面体钢筋石笼块体迎水面至背水面，水位高程上后者相较于前者紊动能影响范围更大。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟方法，进行流速试验及流场模拟所采用的装置包括有机玻璃水槽主体(1)，有机玻璃水槽主体(1)一侧与带直流式流速仪(4)的进水管连通，有机玻璃水槽主体(1)另一侧内部设置有尾门(3)，有机玻璃水槽主体(1)内部放置有钢筋石笼块体(2)；

其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1：分析钢筋石笼块体(2)在水体中受力，列出以流速为变量的力学平衡方程式，变换形式得到起动流速理论公式如下：

式中，V_D为钢筋石笼块体起动流速，n为孔隙率，f为糙率系数，γ为水容重，γ_s为钢筋石笼块体容重，l₁和l₃为钢筋石笼块体的长和高；C_D为拖曳系数，C_L为上举力系数，g为重力加速度；

步骤2：对钢筋石笼块体(2)进行起动流速进行测量，采用电磁流量计(5)控制上游来流量不变，通过下游尾门(3)调节水位，以钢筋石笼块体(2)开始滑动为测量时点，采用直读式流速仪读取流速；

步骤3：制作不同扁度系数的钢筋石笼块体(2)，并测量其孔隙率，制作不同糙率系数的试验基面，重复步骤2，读取流速及式(1)所需参数；

步骤4：将试验所得起动流速以及其它相关参数带入式(1)，可得(1)式变形如下：

a_mC_D+a_nC_L＝b (2)

式中，a_m、a_n、b均为已知值，C_D，C_L为待求解参数，运用不同糙率的试验基面下测得结果，代入公式(2)列出超定量方程组；

步骤5：采用矩阵左除法对步骤4得到的超定量方程组进行求解，给出钢筋石笼扁度系数λ和雷诺系数R_e ^*和C_D，C_L的关系分布，寻求C_D，C_L最优范围，从而确定从而确定经验公式中理论起动流速(公式1)，用实测流速代入方程组求解参数，反推理论流速；

步骤6：针对条形六面体钢筋石笼块体进行起动流速下的三维数值模拟，分析钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布，即完成大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验及流场模拟。

2.根据权利要求1所述的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验和流场模拟方法，其特征在于：有机玻璃水槽主体(1)内部放置的钢筋石笼块体(2)为条形六面体钢筋石笼块体，条形六面体钢筋石笼块体摆放方式均为中轴b与短轴c所在面为迎水面，长轴a沿水流方向，短轴c垂直于试验基面的方式摆放。

3.根据权利要求1所述的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验和流场模拟方法，其特征在于步骤3中，糙率系数的测量方法为：

将钢筋石笼块体(2)置于基面，并在钢筋石笼块体(2)侧面系上细线，用弹簧秤勾住细线，水平拖动钢筋石笼块体(2)作匀速运动，记录弹簧秤度数，即为F_f；

利用公式

式中，f为基面糙率，F_f为摩擦力，m为钢筋石笼质量，g为重力加速度，计算得到该尺寸的钢筋石笼块体2的糙率系数f；

将不同尺寸的钢筋石笼块体(2)按上述方法进行多次测量，将计算所得的糙率f取平均值，得出各个试验基面的糙率。

4.根据权利要求1所述的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验和流场模拟方法，其特征在于步骤3中，钢筋石笼块体(2)的孔隙率采用排水法进行测量，根据孔隙率公式如下：

式中，n为空隙率，V为钢筋石笼块体(2)外观体积，V₁为放入烧杯中测得钢筋石笼块体(2)的排水体积。

5.根据权利要求1所述的大坝施工截流钢筋石笼起动流速试验和流场模拟方法，其特征在于步骤6具体为：

步骤6-1：以连续方程、动量方程、能量方程、组分质量守恒方程为原理为模拟控制方程，选用RNG模型为紊流模型；

步骤6-2：选用条形六面体钢筋石笼块体作为模拟对象，将所有钢筋石笼内的石子简化为半径为0.1m的球体，在Rhinoceros软件中绘制出条形六面体钢筋石笼块体；

步骤6-3：将绘制好的条形六面体钢筋石笼块体三维模型导入Flow-3D软件，采用FAVOR法定义几何体和划分网格，模拟以条形六面体钢筋石笼块体底面中心作为坐标原点，并设置水域，将条形六面体钢筋石笼块体单独建立网格局部加密；

步骤6-4：设定条形六面体钢筋石笼块体的起动流速作为上游来流流速边界，下游出口设为自由出流边界，模型上表面与空气接触的部分设为大气压力边界，其余设为壁面边界，分析条形六面体钢筋石笼周围流速分布和紊动能分布。