CN113111418B - 一种径潮流河段抛石落距的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种径潮流河段抛石落距的预测方法，通过开展抛石沉降过程水槽试验，率定抛石落距公式及确定抛投控制条件，同时基于一维长河段潮流预报数学模型、二维水动力数学模型建立径潮流河段水流条件预测模型，最后基于径潮流河段水流条件预测模型、落距公式及抛投施工控制条件预测径潮流过程抛石落距。采用本发明的方法，可准确预测径潮流河段抛石落距，大幅提升施工作业效率和质量，为以后类似感潮河段抛石落距预测的提供了借鉴和依据。

Description

一种径潮流河段抛石落距的预测方法

技术领域

本发明涉及河道治理工程、航道整治工程领域，特别是涉及径潮流河段河道治理、航道整治抛石工程领域。

背景技术

抛石工程一直广泛应用于岸堤加固、洲滩守护、河势控导等河道治理及航道整治中，对于长江中上游河段，主要受径流控制，水流呈单向，且在较长时段内流速与水深维持稳定，在这类河段的抛石施工中，施工前可以预开展现场抛石落距试验，绘制抛石落距与流速、水深关系曲线，结合抛石坝体水下目标位置，确定水面的抛石抛投位置。

在长江下游感潮河段中，受到径流和潮流的共同作用，径潮流动力强弱变化使得水流方向、流速大小、水深均实时变化，仅通过现场抛投试验无法准确预测抛石落距，这将导致实际施工中抛石落点偏离设计位置，造成块石超抛和浪费，特别是在坝体成型的精抛阶段，只有在转潮时刻才能进行抛投施工，降低了施工效率。因此，建立径潮流河段抛石落距与水流条件关系、准确预测实时水流信息、形成抛石落距预测窗口是解决径潮河段抛石落距预测问题的难点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种径潮流河段抛石落距的预测方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案。

一种径潮流河段抛石落距预测方法，包括如下步骤：

(1)利用单块石抛投水槽试验确定抛石落距公式；

(2)利用群体块石抛投水槽试验确定可进行抛投施工的控制条件；

(3)构建径潮流河段水流条件预测模型；

所述径潮流河段水流条件预测模型由一维长河段潮流预报数学模型和二维水动力数学模型，组成，以一维长河段潮流预报数学模型的输出作为二维水动力数学模型的边界条件，预测径潮流河段水流条件；

(5)基于径潮流河段水流条件预测模型、落距公式及抛投施工控制条件预测径潮流过程抛石落距。

所述水槽试验在透明壁面水槽中进行，优选玻璃壁面；设置6自由度机械臂位于水面上自动升降平台，用于模拟块石抛投，设置记录频率高于10000帧的高速摄像机位于水槽侧面，用于追踪块石轨迹。水槽试验需设计为正态，需综合现场及水槽水深、流速、块石尺度特征确定几何比尺λ_L，进而确定相应流速比尺λ_v＝λ_L ^0.5，糙率比尺λ_n＝λ_L ^1/6，流量比尺λ_Q＝λ_L ^2.5，时间比尺λ_t＝λ_L ^0.5。

所述单块石抛投试验中，根据现场块石尺度水深、流速，依据几何比尺，确定试验块石粒径范围、水深范围，依据流速比尺，确定试验流速范围。选择覆盖粒径范围的4种典型粒径块石，形状与原型保持相似；选择覆盖水深范围的2种典型水深，在水深变化较小时，可选择1种水深；选择覆盖流速范围2种流速。按照预设组次开展试验，利用机械臂模拟块石的抛投，利用高速摄像机器追踪块石沉降漂移过程，对图像进行处理获得垂向及水平向块石速度、加速度、位移过程。垂向过程数据用于率定块石沉降理论表达式系数，水平向过程数据用于率定块石水平位移过程理论表达式系数，从而获得块石落距表达式。

所述群体石抛投试验中，根据现场块石尺度、网兜尺度、水深、流速，依据几何比尺，确定试验块石粒径范围、网兜尺度、水深范围，依据流速比尺，确定试验流速范围。选择要求尺度布质网兜；配置相同级配的群体块石，块石形状与原型保持相似；选择覆盖水深范围2种典型水深，在水深变化较小时，可选择1种水深；选择覆盖流速范围的3-4种典型流速。按照预测组次，操纵机械臂手柄采用网兜进行群体抛落，用高速摄像机跟踪追踪块石沉降漂移过程，辨析图像，粗细颗粒出现明显分离且抛落至床面石块散乱范围超过2.4/λ_L m时，认为不利于坝体成型及不满足稳定性要求，此时中值粒径抛石对应的落距为抛投施工控制条件。

所述径潮流河段水流条件预测模型的构建方式为：利用Fortran语言开发潮区界至河口段长河段一维潮流数学模型，上边界选取为潮区界末端控制水文站，下边界选取河口潮流控制水文站，其范围包含工程河段，从而对工程的区域潮位潮流过程进行预报。同时利用Fortran语言开发工程河段二维精细化水动力数学模型，上边界不小于工程区域上游3-4倍河宽，下边界不小于工程区域下游3-4倍河宽，若工程区域位于分汊河段，上边界不小于分汊河段分流点，下边界不小于分汊河段的汇流点，模拟预测工程区域的水深、流速条件。一维数学模型为二维数学模型提供边界条件；

径潮流过程抛石落距预测方式为：根据抛石信息包括目的地位置、抛投时间、群体抛石中值粒径等，依据径潮流河段水流条件预测模型模拟预测的工程区域水深、流速条件，提取目的地位置流速和水深，利用抛石落距公式计算落距，结合抛投控制条件，判断是否可进行抛投施工。若可进行施工，进一步推求出水面起抛地位置，供施工人员采用。

进一步的，所述发明还包括：还包括，建立径潮流过程抛石落距预测的可视化人机交互界面。基于Microsoft Visual Studio建立抛石落距预测窗口系统，将一维潮流数学模型、二维水动力数学模型、抛石落距计算程序进行集成，通过一个主界面实现相互调用和人机交互。界面可输入一维潮流数学模型上边界流量和下边界潮位文件，设置第一按键驱动一维潮流数学模型自动运行计算，自动输出工程河段所需的边界条件；设置第二按键驱动工程河段水动力数学模型自动运行计算，自动输出流场信息；界面可输入抛石目的位置、时间、重量等文件，设置第三按键驱动抛石落距公式自动运行计算，自动输出抛距及抛投点位置等信息。

本发明提供的技术方案有益效果是：

(1)通过机械臂抛投及高速摄像机追踪的方法开展块石抛投水槽试验，并利用单块石漂移过程率定抛石漂移距表达式，该表达式充分考虑工程区域的水动力特征、块石形态、抛投随机误差等影响，具有较高的计算精度；利用群体块体漂移过程，给出了群体抛投的散落范围及抛投控制条件，该散落范围及其控制条件充分考虑了群体抛石级配组成、抛投块体之间相互作用等影响，具有较高的控制精度。

(2)采用一维长河段潮流预报数学模型和二维水动力数学模型耦合构建径潮流河段水流条件预测模型，结合率定的抛石落距公式和抛投施工控制条件共同预测径潮流河段抛石落距，提高了起抛点定位的精度。

(3)利用抛石落距预测窗口程序，可实现未来三天各时刻施工区域抛石精细化施工作业窗口预报，避免了施工过程中实时水流条件测量、抛石落距的人工计算、抛石位置的水下扫侧等，利于提前进行施工计划组织，拓展了施工作业时间，提高了起抛点定位的精度，大幅提升施工作业效率和质量。

附图说明

图1示出了扬中河段河势图及工程位置。

图2示出了径潮流河段抛石落距预测方法流程。

图3示出了抛石水槽试验装置图。

图4示出了抛石落距预测窗口界面。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例来解说本发明的各个方面。。

图1示出了扬中河段河势图及工程位置。

长江南京以下12.5米深水航道二期工程口岸直水道整治工程位于扬中河段左汊(主汊)，扬中河段位于长江下游，上起五峰山，下至界河口，处于潮流界变动区段，属非正规半日浅海潮，一天中有两涨两落，每日涨潮历时3小时左右，落潮历时8小时左右，多年平均潮差在1.6m左右。本河段内枯季大潮平均涨潮流速为0.2～0.5m/s，平均落潮流速为0.37～0.82m/s，当上游流量大于40000m³/s，洪季小潮不存在涨潮流，呈单向水流运动特征，平均流速为1.0～1.5m/s，为典型感潮河段。

本次整治工程通过建设鳗鱼沙潜堤及护滩带(总长14845米)守护鳗鱼沙滩体，保持滩体和航槽的稳定，潜堤及护滩带断面均成梯型，堤高1-2m，潜堤堤顶宽度4-8m不等，护滩带堤顶宽度25m左右，均为抛石结构水下潜堤。抛石成堤具体施工方法为根据工程布置、水深、船型划分施工网格，结合设计断面计算网格工程量，采用自航甲板驳及网兜进行分层逐网格抛投，从而完成潜堤施工，其中径流潮流作用下抛石落距预测是抛石成堤成功的关键。

现以该工程为例，说明本发明的具体实施步骤。

图2示出了径潮流河段抛石落距预测方法流程。

图3示出了抛石水槽试验装置图。

在步骤101，本实施例中，选择南京水利科学研究院大型变坡水槽201，所述水槽长42m，宽0.8m，高0.8m，可产生1m/s单向流。采用6个伺服电机组成机械臂202进行抛投试验，所述机械臂布置在水面上方自动升降架204，可以进行前后、上下及左右抓取抛投，保证抛投随机性特征。采用记录频率10000帧的HIGHSPEED高速摄像机203追踪块石运动过程，所述摄像机布设于水槽侧面，在水槽玻璃壁面及底面标记刻度，以方便辨析抛石的运动轨迹。

试验比尺需综合现场水深、流速、块石尺度来确定。本实施例中，现场扬中河段鳗鱼沙处流速为0-1.7m/s，水深约为10-15m，块石粒径0.09-0.52m，采用2m×2m网兜进行抛石，确定试验中几何比尺λ_L为1∶30，相应其他比尺为：

流速比尺：λ_L＝λ_L ^0.5＝5.47

糙率比尺：λ_n＝λ_L ^1/6＝1.76

流量比尺：λ_Q＝λ_L ^2.5＝4929.5

时间比尺：λ_t＝λ_L ^0.5＝5.47

在步骤102，根据现场块石、水流条件，依据相似比尺，确定试验块石及水流条件。单抛石试验，选择4种能够覆盖粒径范围的典型粒径，块石形状与原型保持相似；选择能够覆盖水深范围的1-2种典型水深，在水深变化不大情形下，可选择1种水深开展试验；在流速范围内选择尽可能大的2种流速开展试验。本试验中，根据几何相似，试验块石粒径范围为0.003m-0.017m，选择0.009m、0.0129m、0.0153m以及17.2mm共计4种粒径块石开展试验，块石形状近似现场抛投椭球状加棱角块石；根据几何比尺，试验水深范围为0.33-0.50m，选择0.40m水深开展试验；根据流速比尺，试验流速范围为0-0.31m/s，选择0.2m/s、0.3m/s开展试验，试验组次见表1所示。

表1试验组次

针对每一组次，调节好预设水流条件，调节机械臂升降平台，使得机械臂位于水面上方，操纵机械臂手柄使其抓持预设块石并进行抛落，抛落同时用高速摄像机全过程跟踪拍摄块石入水后运行轨迹，直至块石落至水槽床面，每个组次进行3次重复试验，依次完成所有组次试验。提取每1帧图像中块石坐标，获得块石位移矢量，结合2帧图像时间间隔，可以获得抛石的垂向及水平向的位移、速度、加速度数值，相关数值取其三次试验的平均值，以减少块石起抛及水流随机紊动团对块石沉降过程造成的影响。

本实施例中，块石垂向的沉降速度计算采用如下公式：

其中γ_s、γ分别为块石、水体容重，g为重力加速度，通过对各组实测沉降速度反推求出k₁，并取其平均值获得k₁＝1.11。

块石水平向位移计算采用如下公式：

其中，A、B、C为系数，

ρ_s、ρ分别为块石、水体密度，t为沉降时间，T为沉降总时间，v为水流运动粘滞系数，ω为块石沉降速度。通过对各组实测沉降水平位移过程进行对比反推求出k₂，并取其平均值获得k₂＝0.88。

当t＝T时，从而获得适用于该工程河段的抛石落距公式：

在步骤103，根据现场块石、水流条件，依据相似比尺，确实试验块石及水流条件。群体抛石试验，选择1种与现场抛投网兜几何相似的抛投网兜；选择4种能够覆盖粒径范围的典型粒径，配制同样中值粒径和非均匀系数的群体块石，块石形状与原型保持相似；选择能够覆盖水深范围的1-2种典型水深，在水深变化不大情形下，可选择1种水深开展试验；在3种能够覆盖流速范围的典型流速开展试验。本次试验，根据几何比尺，采用6cm×6cm的网兜进行试验；根据几何比尺，试验块石粒径范围为0.003m-0.017m，中值粒径为0.008mm，非均匀系数为6，选择0.009m、0.0129m、0.0153m以及17.2mm共计4种粒径块石，配制同样中值粒径和非均匀系数的群体块石进行试验，块石形状近似现场抛投椭球状加棱角；根据几何比尺，试验水深范围为0.33-0.50m，选择0.40m水深开展试验；根据流速比尺，试验流速范围为0-0.31m/s，选择0.1m/s、0.2m/s、0.3m/s开展试验，试验组次如表2所示。

表2群体抛投试验组次

注：D₅₀、D₉₀、D₁₀为分别对应于级配曲线上50％、90％、10％的粒径。

针对每一组次，调节好预设水流条件，调节机械臂升降平台，使得机械臂位于水面上方，网兜包持散抛石，操纵机械臂手柄使其抓持预设网兜并进行抛落，抛落同时用高速摄像机全过程跟踪拍摄块石的入水后的运行轨迹，直至块石落至水槽床面，每个组次进行3次重复试验，依次完成所有组次试验。观察拍摄图像，确定粗细颗粒出现明显分离且床面散乱范围超过0.08m(原型2.4m)时的抛石落距值作为抛投控制条件，认为该散落范围过大，不利于坝体成型及不满足稳定性要求。本实施例中确定的抛投控制条件为抛石落距0.2m(原型6m)，现场施工中，当计算出群体块石中值粒径块石落距小于6m时，可进行抛投作业，当大于6m时停止施工。

在步骤104，利用Fortran语言开发长河段一维潮区界至和河口段潮流数学模型，计算区域确定遵循以下原则，上边界选取为潮区界末端控制水文站，下边界选取河口潮汐控制水文站，本实施例中选取了大通站及吴淞站作为计算区域上下游边界，计算区域长约1300km，根据大通流量和吴淞站潮汐预报，预测扬中河段未来三天内潮位过程，为二维水动力数学模型提供边界条件。

利用Fortran语言开发工程河段二维精细化水动力数学模型，计算区域确定遵循以下原则，上边界不小于工程区域上游3-4倍河宽，下边界不小于工程区域下游3-4倍河宽，若工程区域位于分汊河段，上边界不小于分汊河段分流点，下边界不小于分汊河段的汇流点。本案例位于分汊河段，上边界位于分流点上游的五峰山，下边界位于汇流点下游的江阴鹅鼻嘴，计算区域长约86km。利用一维潮流模型提供的边界条件，开展二维水动力计算，获取工程区域的水深、流速等水动力条件。

一维潮流数学模型的控制方程、离散方法、定解条件如下：

(1)基本方程

连续性方程及动量方程分别如下：

式中，t和x分别是时间和空间坐标；A过水断面面积；Q是流量；q时单位长度河道的旁侧入流；Q_j旁侧集中如流；β是动量修正系数；h是水深；S₀是底坡源项；S_f是摩擦阻力项为：

式中，K为流量模数；n为糙率；P为湿周。

(2)基本方程的离散

采用四点偏心隐格式离散求解。该格式具有较好的稳定性，能够满足计算的要求。

式中，f为离散变量，如A，Q等；θ为隐式求解系数，ψ为偏心系数。

离散格式的稳定性条件为，

当ψ＞1/2和θ＞1/2时具有无条件稳定性。

则连续性方程和动量方程最终可以离散为：

连续性方程：a_jΔh_j+b_jΔQ_j+c_jΔh_j+1+d_jΔQ_j+1＝p_j (11)

动量方程：e_jΔh_j+f_jΔQ_j+g_jΔh_j+1+w_jΔQ_j+1＝r_j (12)

式中，a_j,b_j,c_j,d_j,p_j，e_j,f_j,g_j,w_j,r_j为离散系数

(3)定解条件

水位、流量初始条件：

z＝z(x)|_t＝0 (14)

Q＝Q(x)|_t＝0 (15)

流量、水位、水位流量关系边界条件为：

二维水动力数学模型控制方程、离散方法和定解条件如下：

(1)基本方程

其中

式中，h为水深；u为x方向的流速；v为y方向的流速；φ为孔隙率，反应不过水建筑物影响，φ＝1代表没有阻水建筑物，φ＝0代表阻水建筑物占据整个控制体；n_m为曼宁系数，c_s为建筑物局部阻力系数。

(2)模型的数值离散

空间采用非结构网格系统克服复杂边界和计算尺度悬殊所引起的困难，并可以进行局部加密。采用CC方式(Cell Center)的有限体积方法，把变量存在单元的中心，单元的边界为控制体。

积分控制方程应用格林公式把面积分转变为线积分，可得到空间离散方程为：

式中，F＝(E,H)，ΔV_i为单元i的面积，

为单元的边界，

为源项的单元积分值，n＝(n_x,n_y)为单元边界的外法线方向。

对流项采用Roe格式的近似Riemann解离散，底坡源项采用笔者提出的迎风特征分解离散，其它源项采用半隐式离散，得到最后的空间离散方程为

采用MP法则，利用空间重构和两步Runge-Kutta法，可以得到时空均为二阶精度的离散方程，

式中，G为变量在单元内的分布梯度；

为中间变量，W(…)为空间离散后的右端项。

(3)定解条件

水位、流速初始条件为

h(x,y)|_t＝0＝h₀(x,y) (24)

u(x,y)|_t＝0＝u₀(x,y) (25)

v(x,y)|_t＝0＝v₀(x,y) (26)

固壁及开边界条件为

开边界给定水位过程线

H＝H(t) (28)

在步骤105，采用Fortran语言编写抛石落距计算程序，根据输入的抛石信息包括目的地位置、时间、石块重量等，提取目的地位置流速和水深，结合率定的抛石落距公式计算落距，进一步结合抛投控制条件，判断是否可进行抛投施工。若可进行施工，进一步反推出水面处抛投位置，输出到界面和文件，供施工人员采用。

在步骤106，基于Microsoft Visual Studio建立抛石落距预测窗口发布系统，将一维潮流数学模型、二维水动力数学模型、抛石落距计算程序进行了封装，只需提供一维潮流数学模型上边界流量和下边界潮位，点击“长河段潮流数学模型”即自动运行计算，自动输出工程河段所需的边界条件；然后点击“工程河段水动力数学模型”自动运行计算，自动输出流场信息；提供抛石目的位置、时间、重量等文件后，点击“计算抛距”自动运行计算，自动输出抛距及抛投点位置等信息。从而完成了径潮流河段抛石落距的预测。图4示出了抛石落距预测窗口界面。

Claims (9)

1.一种径潮流河段抛石落距的预测方法，其特征在于，包括：

(1)利用单块石抛投水槽试验确定抛石落距公式；

(2)利用群体块石抛投水槽试验确定可进行抛投施工的控制条件；

(3)构建径潮流河段水流条件预测模型；

所述径潮流河段水流条件预测模型由一维长河段潮流预报数学模型和二维水动力数学模型组成，以一维长河段潮流预报数学模型的输出作为二维水动力数学模型的边界条件，预测径潮流河段水流条件；

所述二维水动力数学模型的控制方程为：

其中：

式中，h为水深；t为时间坐标；x、y为空间坐标；u为x方向的流速；v为y方向的流速；φ为孔隙率，反应不过水建筑物影响，φ＝1代表没有阻水建筑物，φ＝0代表阻水建筑物占据整个控制体；n_m为曼宁系数，C_s为建筑物局部阻力系数；S₀是底坡源项；S_f是摩擦阻力项；

采用基于非结构网格的有限体积方法求解所述控制方程；

(4)基于径潮流河段水流条件预测模型、落距公式及抛投施工控制条件预测径潮流过程抛石落距。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述水槽试验在透明壁面水槽中进行；采用机械臂模拟块石抛投，高速摄像机追踪块石轨迹；水槽试验综合工程区域现场条件及水槽水深、流速、块石尺度特征确定比尺。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单块石抛投水槽试验中，利用高速摄像机器追踪块石轨迹，获得垂向及水平向块石速度、加速度、位移过程；率定块石沉降速度公式及水平位移过程公式系数，从而获得抛石落距公式；所述单块石抛投水槽试验中，选择4种能覆盖工程区域粒径范围的典型粒径；能够覆盖工程区域水深范围的1-2种典型水深；在工程区域流速范围内选择尽可能大的2种流速开展试验。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述群体块石抛投水槽试验中，利用高速摄像机跟踪追踪块石轨迹，辨析粗细颗粒分离特征及抛落至床面石块散乱范围，确定抛投施工控制条件；群体抛石水槽试验中，选择1种与现场抛投网兜几何相似的抛投网兜；4种能够覆盖粒径范围的典型粒径；能够覆盖水深范围的1-2种典型水深；配制同样中值粒径和非均匀系数的群体块石；在3种能够覆盖流速范围的典型流速开展试验。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径潮流过程抛石落距预测方式为：根据抛石信息，利用径潮流河段水流条件预测模型获取目的地位置流速和水深，利用抛石落距公式计算落距，结合抛投控制条件，判断是否可进行抛投施工；若可进行施工，进一步推求出水面起抛地位置。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述径潮流河段水流条件预测模型的构建方式为：

开发潮区界至河口段一维长河段潮流预报数学模型及工程河段二维水动力数学模型；

一维长河段潮流预报数学模型上边界选取为潮区界末端控制水文站，下边界选取河口潮流控制水文站，对工程区域的潮位潮流过程进行预报；

二维水动力数学模型上边界不小于工程区域上游3-4倍河宽，下边界不小于工程区域下游3-4倍河宽；若工程区域位于分汊河段，上边界不小于分汊河段分流点，下边界不小于分汊河段的汇流点。

7.根据权利要求1或6所述的方法，其特征在于，所述一维长河段潮流预报数学模型的控制方程为：

式中，t和x分别是时间和空间坐标；A过水断面面积；Q是流量；q时单位长度河道的旁侧入流；Q_j旁侧集中入流；β是动量修正系数；h是水深；S₀是底坡源项；S_f是摩擦阻力项；

采用四点偏心隐格式离散求解上述控制方程。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述控制条件的确定方式为：按照组次进行群体抛投试验，用高速摄像机跟踪追踪块石沉降漂移过程，拍摄图像中粗细颗粒出现明显分离且抛落至床面石块散乱范围超过2.4/λ_Lm时，认为不利于坝体成型及不满足稳定性要求，此时中值粒径抛石对应的落距为抛投施工控制条件；所述λ_L为几何比尺。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括，建立径潮流过程抛石落距预测的可视化人机交互界面。

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