CN113821862A - 一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，主要应用于水利工程、航道工程以及河道治理等领域，该方法认河床的泥沙粒径与水流的大小密切相关，且河道中水流的临底流速符合高斯分布。根据水流的分布概率，推导得到河床泥沙沙粒径的概率分布。在此基础上，统计河道的特征流量、特征水位、和河道特性参数、河床阻力系数等，并通过数值积分得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均粒径。通过室内试验，建立泥沙粒径与泥沙水坡角的关系式，采用该关系式得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体泥沙的水下坡角，该角度即为拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角。

Description

一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法
技术领域
本发明是一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，主要应用于水利工程、航道工程以及河道治理等领域。
背景技术
泥沙淤积问题是水利工程中需要解决的一项重大课题。河道中修船闸、大坝等建拦河建筑物后，改变的河道的流量过程，降低了流速，容易在上游发生淤积。对于拦河建筑物前的泥沙淤积形态，往往受到拦河建筑的运用方式决定，如：闸门的开启方式、排沙孔的控制运用规程等。拦河建筑物前的泥沙淤积体形态的预测对于建筑物功能的发挥以及后期的调度有重要的作用。
目前，大量的研究主要集中于水库坝前的泥沙淤积形态，常称为冲刷漏斗。例如，有相关学者调查过黄河上游刘家峡、八盘峡、青铜峡以及盐锅峡等水库坝前冲刷漏斗的形态，但就其坡度的确定尚无很有效的方法，这对于水库功能的充分发挥较为不利。对于部分通航河段，拦河建筑物前的泥沙淤积还会影响通航效率。
拦河建筑物前泥沙淤积体的平均坡角的影响因素主要包括：床沙的粒径、建筑物前的水流条件。如果能预估拦河建筑物修建后其上游的床沙粒径和代表性的水流条件，则可以计算得到拦河建筑物前泥沙淤积体最大的平均坡角，为工程设计、管理提供依据。因此，本发明分别提出拦河建筑物前泥沙淤积体粒径的确定方法，在此基础上计算泥沙淤积体平均坡角，该方法简单实用，可为相关设计提供依据。
发明内容
发明目的：本发明的目的在于提供一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，在实际情况中，需要收集河道的水文特征参数，在此基础上预测坝前泥沙颗粒的平均粒径，并针对性开展室内试验，建立泥沙粒径与水下坡角的关系，综合确定坝前泥沙淤积体的平均坡角。
技术方案：为了实现上述目的，本发明的一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，包括如下步骤：
步骤1.1，统计拦河建筑物上游河道的多年平均日流量和拦河建筑物前的平均水位，将其作为拦河建筑物的特征下泄流量Q和特征水位Z；
步骤1.2，统计拦河建筑物上游附近河道的平均宽度B和河床平均高程Z0；
步骤1.3，根据流速的概率分布，预测拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径D0；
步骤1.4，选取不同粒径的泥沙，开展均匀沙条件下的水下坡角实验，拟合得到泥沙粒径与泥沙水下坡角的关系；
步骤1.5，根据步骤1.4中的水下坡角与泥沙粒径的关系式，计算得到该粒径的水下坡角，即得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角。
进一步地，所述的预测拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径D0包括如下步骤：
步骤2.1，拦河建筑物坝前泥沙淤积体颗粒运动过程中粒径与水流紊动密切相关，符合如下概率分布
Figure BDA0003323910830000021
式中，D为拦河建筑物坝前泥沙淤积体的泥沙粒径，
Figure BDA0003323910830000022
为泥沙颗粒附近瞬时的平均流速，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度，u*为摩阻流速，
Figure BDA0003323910830000023
R为水力半径，J为能坡。
步骤2.2，根据泥沙粒径的概率分布确定平均粒径为：
Figure BDA0003323910830000024
式中，D0为拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径；φ(D)为淤积泥沙的概率分布函数。
积分后可得到泥沙的平均粒径表达式：
Figure BDA0003323910830000025
式中R为水力半径，u*为摩阻流速，J为能坡，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度。
进一步地，所述的拦河建筑物的特征下泄流量Q采用下式计算：
Figure BDA0003323910830000031
则变为：
Figure BDA0003323910830000032
式中n为河道糙率，A为特征下泄流量Q条件下坝前过水面积A＝B(Z-Z0)，水力半径R＝Z-Z0。
进一步地，根据所述的特征下泄流量Q计算得到拦河建筑物前泥沙淤积体的平均粒径：
Figure BDA0003323910830000033
进一步地，所述的拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角的计算过程如下：
在实验室中拟合出均匀沙粒径与水下坡角的关系，再根据该关系式确定泥沙堆积体平均坡角，均匀沙粒径与水下坡角的关系为：
y＝34+2.1lnD0
式中，y为泥沙水下坡角，D0的床面泥沙平均粒径；拦河建筑物前泥沙淤积体平均坡角的计算方法为：
Figure BDA0003323910830000034
有益效果：与现有技术相比，本发明的方法认河床的泥沙粒径与水流的大小密切相关，且河道中水流的临底流速符合高斯分布。根据水流的分布概率，推导得到河床泥沙沙粒径的概率分布。在此基础上，统计河道的特征流量、特征水位、和河道特性参数、河床阻力系数等，并通过数值积分得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均粒径。通过室内试验，建立泥沙粒径与泥沙水下坡角的关系式，采用该关系式得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体泥沙的水下坡角，该角度即为拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角。
附图说明
图1是本发明一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法流程图；
图2是本发明泥沙粒径与泥沙水下坡角的拟合关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，包括如下步骤：
步骤1.1，统计拦河建筑物上游河道的多年平均日流量和拦河建筑物前的平均水位，将其作为拦河建筑物的特征下泄流量Q(单位：m3/s)和特征水位Z(单位：m)；
步骤1.2，统计拦河建筑物上游附近河道的平均宽度B和河床平均高程Z0；
步骤1.3，根据流速的概率分布，预测拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径D0(单位：m)；
步骤1.4，选取不同粒径的泥沙，开展均匀沙条件下的水下坡角实验，拟合得到泥沙粒径与水下坡角的关系；
步骤1.5，根据步骤1.4中的水下坡角与泥沙粒径的关系式，计算得到该粒径的水下坡角，即得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角。
确定拦河建筑物坝前泥沙淤积体的粒径的步骤为：
步骤2.1，拦河建筑物坝前泥沙淤积体颗粒运动过程中粒径与水流紊动密切相关，符合如下概率分布
Figure BDA0003323910830000041
式中，D为拦河建筑物坝前泥沙淤积体的泥沙粒径，
Figure BDA0003323910830000042
为泥沙颗粒附近瞬时的平均流速，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度，u*为摩阻流速，
Figure BDA0003323910830000043
R为水力半径，J为能坡。
步骤2.2，根据泥沙粒径的概率分布确定平均粒径为：
Figure BDA0003323910830000044
式中，D0为拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径；φ(D)为淤积泥沙的概率分布函数。
积分后可得到泥沙的平均粒径表达式：
Figure BDA0003323910830000045
式中R为水力半径，u*为摩阻流速，J为能坡，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度。
步骤2.3：特征流量下拦河建筑物前的特征下泄流量Q采用下式计算：
Figure BDA0003323910830000051
则可变为：
Figure BDA0003323910830000052
式中n为河道糙率，可根据河道的特性确定，无实测资料条件下可采用
Figure BDA0003323910830000053
来进行计算，A为特征下泄流量Q条件下坝前过水面积A＝B(Z-Z0)，水力半径R可近似为R＝Z-Z0。
步骤2.4，将步骤2.3中的计算结果代入步骤2.2即可计算得到拦河建筑物前泥沙淤积体的平均粒径。
Figure BDA0003323910830000054
在实验室中拟合出均匀沙粒径与水下坡角的关系，再根据该关系式确定泥沙堆积体平均坡角。均匀沙粒径与水下坡角的关系为：
y＝34+2.1lnD0
式中，y为泥沙水下坡角，D0的床面泥沙平均粒径。拦河建筑物前泥沙淤积体平均坡角的计算方法为：
Figure BDA0003323910830000055
如图2所示，为泥沙颗粒的水下坡角的拟合公式，只要能预测拦河建筑物前泥沙淤积体的平均粒径，即可得到泥沙淤积体的坡度，能为拦河建筑物的运用方式和设计提供参考。天然河道拦河建筑物前泥沙淤积体的粒径与水流条件密切相关，具有不确定性，难以预测。本发明从水流的特征出发，认为河床泥沙的粒径与水流紊动的概率分布一致，通过水流的紊动概率分布得到了河床泥沙粒径的概率分布，并通过积分预测了平衡条件下河建筑物前泥沙淤积体的平均粒径，通过该方法得到了拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角，该方法简单实用，可以进行快速预测。
实施例
一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角方法，包括如下步骤：
步骤1，统计拦河建筑物上游河道的多年平均日流量350m3/s和拦河建筑物前的平均水位3m，将其作为拦河建筑物的特征下泄流量和特征水位；
步骤2，统计拦河建筑物上游附近河道的平均宽度40m和河床平均高程-4m；
步骤3，根据河道两侧植物覆盖度和阻水特性，确定河道的阻力系数n＝0.02；
步骤4，根据上述步骤中的参数取值，预测拦河建筑物坝前泥沙的平均粒径：
Figure BDA0003323910830000061
步骤5，选取不同粒径的泥沙，开展均匀沙条件下的水下坡角实验，拟合得到泥沙粒径与水下坡角的关系，本例得到的水下坡角关系为：
y＝34+2.1lnD
步骤6，根据步骤5中的水下坡角与泥沙粒径的关系式，计算得到该粒径的水下坡角为34.6度，即河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角为34.6度。

Claims (5)

1.一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1.1，统计拦河建筑物上游河道的多年平均日流量和拦河建筑物前的平均水位，将其作为拦河建筑物的特征下泄流量Q和特征水位Z；
步骤1.2，统计拦河建筑物上游附近河道的平均宽度B和河床平均高程Z0；
步骤1.3，根据流速的概率分布，预测拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径D0；
步骤1.4，选取不同粒径的泥沙，开展均匀沙条件下的水下坡角实验，拟合得到泥沙粒径与泥沙水下坡角的关系；
步骤1.5，根据步骤1.4中的水下坡角与泥沙粒径的关系式，计算得到该粒径的水下坡角，即得到拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角。
2.根据权利要求1所述的一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，其特征在于，所述的预测拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径D0包括如下步骤：
步骤2.1，拦河建筑物坝前泥沙淤积体颗粒运动过程中粒径与水流紊动密切相关，符合如下概率分布
Figure FDA0003323910820000011
式中，D为拦河建筑物坝前泥沙淤积体的泥沙粒径，
Figure FDA0003323910820000012
为泥沙颗粒附近瞬时的平均流速，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度，u*为摩阻流速，
Figure FDA0003323910820000013
R为水力半径，J为能坡。
步骤2.2，根据泥沙粒径的概率分布确定平均粒径为：
Figure FDA0003323910820000014
式中，D0为拦河建筑物前淤积泥沙的平均粒径；φ(D)为淤积泥沙的概率分布函数。
积分后可得到泥沙的平均粒径表达式：
Figure FDA0003323910820000015
式中R为水力半径，u*为摩阻流速，J为能坡，ρs为泥沙密度，ρ为水体密度，g为重力加速度。
3.根据权利要求2所述的一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，其特征在于，所述的拦河建筑物的特征下泄流量Q采用下式计算：
Figure FDA0003323910820000021
则变为：
Figure FDA0003323910820000022
式中n为河道糙率，A为特征下泄流量Q条件下坝前过水面积A＝B(Z-Z0)，水力半径R＝Z-Z0。
4.根据权利要求3所述的一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，其特征在于，根据所述的特征下泄流量Q计算得到拦河建筑物前泥沙淤积体的平均粒径：
Figure FDA0003323910820000023
5.根据权利要求4所述的一种拦河建筑物坝前泥沙淤积体平均坡角的确定方法，其特征在于，所述的拦河建筑物坝前泥沙淤积体的平均坡角的计算过程如下：
拟合出均匀沙粒径与水下坡角的关系，再根据该关系式确定泥沙堆积体平均坡角，均匀沙粒径与水下坡角的关系为：
y＝34+2.1lnD0
式中，y为泥沙水下坡角，D0的床面泥沙平均粒径；拦河建筑物前泥沙淤积体平均坡角的计算方法为：
Figure FDA0003323910820000024
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