CN114218768A - 一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，包括确定基岩每一岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1...；确定基岩整体的抗冲流速ΔV₁；根据重力相似定律将原型抗冲流速值换算成模型抗冲流速从而得到模型散粒体的抗冲流速ΔV₂；由依兹巴什公式结合抗冲流速ΔV₂确定模拟散粒体材料粒径大小d的计算公式；根据冲刷相似选定模型散粒体材料，在材料选定后，依据其容重γ_s等数据带入前一步所确定公式中，确定散粒体粒径范围Δd。本发明解决目前河工模型试验中基岩的抗冲特性无法直观描述，基岩模型冲料材质和粒径无法快速确定选择，以及模型的冲料材质和粒径之间的对应关系表述不够准确等问题。

Description

一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法

技术领域

本申请涉及水利工程物理模型技术领域，具体是一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法。

背景技术

基岩模型冲料材质选择和粒径的确定历来是水工物理模型制作中的重点和难点。一旦选定基岩模型冲料材质，则冲料材质的粒径就必须与之对应，目前的试验多是在确定基岩模型冲料材质后，仍存有大量较为繁杂的粒径确定过程，且确定过程中需耗费大量的人力、物力和时间，无法直观地对模型冲料材质和粒径之间的关系进行快速准确地表述和确定。若能将物理模型构建过程中基岩模型冲料材质和粒径之间的关系直观地表述出来，那么将大大提高工作效率和试验成本。

此外，准确描述基岩的抗冲特性是一个较为复杂的问题,在模型试验中若不对基岩冲刷机理做出简化将对后续的研究造成极大的障碍，加大对基岩模型冲料材质和粒径之间关系的表述工作的难度，若能简化基岩冲刷机理的表述(如用起动流速等进行描述)，将使试验分析过程更为直观简洁。故需要对基岩的抗冲刷能力以另一种简化的形式做出表达。

发明内容

本申请实施例的目的在于针对前述背景技术存在的不足，本发明的目的是提供一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，以解决目前河工模型试验中基岩的抗冲特性无法直观描述，基岩模型冲料材质和粒径无法快速确定选择，以及模型的冲料材质和粒径之间的对应关系表述不够准确等问题。

为实现上述目的，本申请提供如下技术方案：

第一方面，本申请实施例提供一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，包括以下具体步骤：

S1、利用基岩冲刷模型装置确定基岩同一岩性岩体在不同风化条件下冲刷临界起动状态流速，确定基岩每一岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1...；

S2、由基岩不同岩性岩体的抗冲流速确定对冲刷影响大的岩体类别作为分析对象，并确定基岩整体的抗冲流速ΔV₁为原型抗冲流速；

S3、根据重力相似定律将原型抗冲流速值换算成模型抗冲流速从而得到模型散粒体的抗冲流速ΔV₂为模型抗冲流速；

S4、由依兹巴什公式结合抗冲流速ΔV₂确定模拟散粒体材料粒径大小d₂的计算公式；

S5、根据冲刷相似选定模型散粒体材料，在材料选定后，依据其容重γ_s数据代入前一步所确定公式中，确定散粒体粒径范围。

所述步骤S1中的基岩冲刷模型装置包括由有机玻璃制成的试验水槽，试验水槽由连接高水头水箱的管道段、明渠试验段以及出水段组成，基岩冲刷模型装置还包括水泵循环系统、高水头水箱、水位调控器、多通道粒子摄像系统、声速多普勒测速仪、测压管、顶样装置及计算机，高水头水箱最大水头8m，最大出口流量1m³/s。

所述步骤S1中的在明渠试验段，设有用于固定基岩样品凹槽，每次水槽运行前，先将基岩样本插入凹槽，并通过顶样装置使样本表面与水槽底部齐平，圆柱形顶样装置圆筒卡槽内直径为7cm，试验系统运行时，通过水泵循环系统将水输送到高处的高水头水箱内，再从高处向下输送水，产生一个高速水流，在低处设有明渠试验段，通过高速水流对顶样装置上方的基岩进行冲刷试验，并记录相关数据。

所述步骤S1中的基岩的不同岩性组成分别为粉砂质粘土岩A、粘土质粉砂岩B和长石岩屑砂岩C，每种岩性的岩体依照不同的风化状态进行冲刷试验；基岩起动的临界状态设定为普遍微团起动，通过多通道粒子摄像系统观测基岩表面微团运动状态判别基岩是否正处于冲刷临界状态，并用声速多普勒测速仪记录不同风化状态下的同一岩性岩体在处于临界状态时的冲刷流速。

所述试验水槽中的水流速度从1.0m/s开始逐级增加，流速增加的量级为0.2m/s，在恒定的流速条件下持续冲刷30分钟，若观察到基岩试样未被冲刷，则继续增加到下一流速级，直至观察到在某一流速条件下，30分钟内岩体表面受到水流冲刷破坏达到划定的临界状态判别标准，则确定当时的流速为该组别基岩试样的抗冲流速；根据得到的每组4个临界流速分别综合确定A、B和C三种岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1。

所述每种岩性的岩体依照不同的风化状态分为微风化和弱风化，其中弱风化又分为天然敞露、水下浸泡和干湿交替。

所述步骤S3中通过模型水流运动相似中的重力相似准则

将基岩原型抗冲流速ΔV₁转化为模型散粒体的模型抗冲流速ΔV₂。

所述步骤S4中依兹巴什公式

依兹巴什公式等式两边同时取平方并将重力相似准则带入，其中

易得

其中ΔV₁和ΔV₂分别代表原型抗冲流速和模型抗冲流速；γ_s、γ分别代表模型散粒体的容重和水的容重；K为散粒体的抗动系数；d₂为模型散粒体粒径；g为重力加速度；λ_h为垂直比尺，表征模型在垂直方向上相对于原型的缩小倍数；

为流速比尺，表征模型中的流速相对于原型的缩小倍数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，可直观且较为准确描述河工模型试验中基岩的抗冲特性，提高基岩模型冲料材质和粒径的选择确定效率，同时也可明确建立冲料材质和粒径之间的对应关系，大大提高河工模型试验的效率，有效降低冲料材质及粒径确定过程中的试验成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1本发明的方法流程示意图。

图2本发明基岩冲刷模型装置结构示意图。

图3本发明试验基岩组别划分图。

图4本发明基岩抗冲流速试验结果图。

图5本发明基岩模拟材料粒径范围图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

术语“第一”、“第二”等仅用于将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不能理解为指示或暗示相对重要性，也不能理解为要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

如图1-图5所示，针对现有技术中存在的不足，本申请实施例提供实施例一

如图1，一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，包括以下具体步骤：

S1：基岩冲刷模型装置如附图2所示，其中水槽由有机玻璃制成，试验水槽由连接高水头水箱的管道段、明渠试验段以及出水段组成。模型装置主要设备另包括水泵循环系统、高水头水箱、水位调控器、多通道粒子摄像系统、声速多普勒测速仪(ADV)、测压管、顶样装置及计算机等。试验水箱最大水头可达到8m，最大出口流量1m³/s。

在水槽的明渠试验段，有一凹槽，用于固定基岩样品，每次水槽运行前，先将基岩样本插入凹槽，并通过顶样装置使样本表面与水槽底部齐平，圆柱形顶样装置圆筒卡槽内直径为7cm。试验系统运行时，通过水泵将水输送到高处的水箱内，然后再从高处向下输送水，产生一个高速水流，在低处设有模拟明渠，然后通过高速水流对顶样装置上方的基岩进行冲刷试验，并记录相关数据，此处主要是按照基岩起动的临界状态来判别确定同一岩性岩体在不同风化状态下的上下限流速，从而得到不同岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1...。

本次试验中基岩的不同岩性组成主要有三种，分别为粉砂质粘土岩(A)、粘土质粉砂岩(B)和长石岩屑砂岩(C)，每种岩性的岩体依照不同的风化状态：微风化和弱风化(其中弱风化又分为天然敞露、水下浸泡和干湿交替)，分为4组进行冲刷试验，共12组(A-1、A-2...)，组别划分如附图3所示。

基岩起动的临界状态设定为普遍微团起动。普遍微团起动指基岩表面出现较多大小不等的凹陷，平整表面的微团较少，凹陷的表面微团较多，且微团基本呈现出连续运动。通过多通道粒子摄像系统观测基岩表面微团运动状态判别基岩是否正处于冲刷临界状态，并用声速多普勒测速仪(ADV)记录不同风化状态下的同一岩性岩体在处于临界状态时的冲刷流速。

试验开始时，水槽中的水流速度从相对较小的1.0m/s开始逐级增加，流速增加的量级为0.2m/s，在恒定的流速条件下持续冲刷30分钟，若观察到基岩试样未被冲刷，则继续增加到下一流速级，直至观察到在某一流速条件下，30分钟内岩体表面受到水流冲刷破坏达到如S13所划定的临界状态判别标准，则确定当时的流速为该组别基岩试样的抗冲流速。根据得到的每组4个临界流速分别综合确定A、B和C三种岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1。

S2：基岩中A、B和C三种不同岩性岩体在不同风化情况下的抗冲流速(共计12组)如附图4所示，易得粉砂质粘土岩(A)抗冲流速要小于粘土质粉砂岩(B)，而长石岩屑砂岩(C)的抗冲流速最大，另外风化作用使得各类基岩抗冲流速都呈现变小的趋势，风化越强烈，则抗冲流速越小。

本次试验A、B和C三种不同岩性岩体的抗冲流速由步骤S1结合附图4可综合得为软质岩中粉砂质粘土岩(A)抗冲流速ΔV_A1为1.8～3.2m/s，粘土质粉砂岩(B)抗冲流速ΔV_B1为3～4.2m/s,中硬岩长石岩屑砂岩(C)抗冲流速ΔV_B1为6.0m/s以上，故对基岩冲刷影响较大的应是抗冲流速较小的粉砂质粘土岩(A)和粘土质粉砂岩(B)，选定此两种岩性岩体为本次试验的主要分析对象。同时考虑明渠定床模型水流试验结果，在明渠设计导流流量为50年一遇洪水流量条件下，明渠渠底流速大小主要集中在4.0m/s～6.0m/s间，6.5m/s以上的流速点很少。故综合考虑抗冲流速和渠底流速得出基岩整体的抗冲流速ΔV₁为1.8m/s～6.5m/s。

S3：由步骤S2获得的基岩原型抗冲流速ΔV₁为1.8m/s～6.5m/s，通过模型水流运动相似中的重力相似准则

(其中λ_h＝150)将基岩原型抗冲流速ΔV₁转化为模型散粒体的模型抗冲流速ΔV₂，此模型抗冲流速ΔV₂取为模型散粒体的起动流速。

S4：采用依兹巴什公式

和步骤S3相结合来确定基岩冲料粒径的最终表达形式。

依兹巴什公式等式两边同时取平方并将重力相似准则带入，其中

易得

其中ΔV₁、ΔV₂分别代表原型抗冲流速和模型抗冲流速(m/s)；γ_s、γ分别代表模型散粒体的容重和水的容重(kg/m³)；K为散粒体的抗动系数，此处K取1.2时为抗滚动系数；d₂为模型散粒体粒径(m)；g为重力加速度，取9.8m/s²；λ_h为垂直比尺，取150。

S5：根据上述分析，若模型散粒体材料选定为黄沙模拟，确定其容重γ_s为2.65t/m³。

由步骤S4模型散粒体粒径d₂计算表达式带入容重等数据可确定满足相应原型基岩抗冲流速为1.8m/s～6.5m/s的黄沙粒径范围为0.46mm～11.7mm，各分段流速的黄沙粒径范围见附图5，粉砂质粘土岩(A)对应的黄沙粒径为0.46～2.84mm，粘土质粉砂岩(B)对应的黄沙粒径为1.28～4.89mm，长石岩屑砂岩(C)对应的黄沙粒径为5.12～11.70mm。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

S1、利用基岩冲刷模型装置确定基岩同一岩性岩体在不同风化条件下冲刷临界起动状态流速，确定基岩每一岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1...；

S2、由基岩不同岩性岩体的抗冲流速确定对冲刷影响大的岩体类别作为分析对象，并确定基岩整体的抗冲流速ΔV₁为原型抗冲流速；

S3、根据重力相似定律将原型抗冲流速值换算成模型抗冲流速从而得到模型散粒体的抗冲流速ΔV₂为模型抗冲流速；

S4、由依兹巴什公式结合抗冲流速ΔV₂确定模拟散粒体材料粒径大小d₂的计算公式；

S5、根据冲刷相似选定模型散粒体材料，在材料选定后，依据其容重γ_s数据代入前一步所确定公式中，确定散粒体粒径范围。

2.根据权利要求1所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述步骤S1中的基岩冲刷模型装置包括由有机玻璃制成的试验水槽，试验水槽由连接高水头水箱的管道段、明渠试验段以及出水段组成，基岩冲刷模型装置还包括水泵循环系统、高水头水箱、水位调控器、多通道粒子摄像系统、声速多普勒测速仪、测压管、顶样装置及计算机，高水头水箱最大水头8m，最大出口流量1m³/s。

3.根据权利要求2所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述步骤S1中的在明渠试验段，设有用于固定基岩样品凹槽，每次水槽运行前，先将基岩样本插入凹槽，并通过顶样装置使样本表面与水槽底部齐平，圆柱形顶样装置圆筒卡槽内直径为7cm，试验系统运行时，通过水泵循环系统将水输送到高处的高水头水箱内，再从高处向下输送水，产生一个高速水流，在低处设有明渠试验段，通过高速水流对顶样装置上方的基岩进行冲刷试验，并记录相关数据。

4.根据权利要求3所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述步骤S1中的基岩的不同岩性组成分别为粉砂质粘土岩A、粘土质粉砂岩B和长石岩屑砂岩C，每种岩性的岩体依照不同的风化状态进行冲刷试验；基岩起动的临界状态设定为普遍微团起动，通过多通道粒子摄像系统观测基岩表面微团运动状态判别基岩是否正处于冲刷临界状态，并用声速多普勒测速仪记录不同风化状态下的同一岩性岩体在处于临界状态时的冲刷流速。

5.根据权利要求4所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述试验水槽中的水流速度从1.0m/s开始逐级增加，流速增加的量级为0.2m/s，在恒定的流速条件下持续冲刷30分钟，若观察到基岩试样未被冲刷，则继续增加到下一流速级，直至观察到在某一流速条件下，30分钟内岩体表面受到水流冲刷破坏达到划定的临界状态判别标准，则确定当时的流速为该组别基岩试样的抗冲流速；根据得到的每组4个临界流速分别综合确定A、B和C三种岩性岩体的抗冲流速ΔV_A1、ΔV_B1、ΔV_C1。

6.根据权利要求4所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述每种岩性的岩体依照不同的风化状态分为微风化和弱风化，其中弱风化又分为天然敞露、水下浸泡和干湿交替。

7.根据权利要求2所述的一种基岩模型冲料材质及粒径确定方法，其特征在于，所述步骤S4中依兹巴什公式

依兹巴什公式等式两边同时取平方并将重力相似准则带入，其中

易得

其中ΔV₁和ΔV₂分别代表原型抗冲流速和模型抗冲流速；γ_s、γ分别代表模型散粒体的容重和水的容重；K为散粒体的抗动系数；d₂为模型散粒体粒径；g为重力加速度；λ_h为垂直比尺，表征模型在垂直方向上相对于原型的缩小倍数；

为流速比尺，表征模型中的流速相对于原型的缩小倍数。

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