CN114491747A - 一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，包括以下步骤：收集新开挖梯形航道的断面形态参数；根据断面形态参数计算最低通航水位下航道断面的起点距和高程；根据高程数据计算最低通航水位下航道断面每个点的水深；根据最低通航水位下航道断面每个点的水深数据计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数；根据断面形态参数计算最低通航水位下坡脚处的水深；根据最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数和最低通航水位下坡脚处的水深计算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。本发明简单易行，操作性强，能够快速估算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。

Description

一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法

技术领域

本发明属于水利工程技术领域，具体涉及一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法。

背景技术

岸坡是航道的重要组成部分，岸坡的稳定与航槽的稳定密切相关。为了防止水流对岸坡的冲刷，通常需要在岸坡坡脚附近进行防护。抛石是一种较为生态的坡脚防护措施，在工程中应用较为普遍。抛石粒径的选择是抛石护坡成败的关键，若抛石粒径偏小，易被水流输送到下游，失去对岸坡防护的作用。

现有的抛石粒径的确定方法是根据河道中历史的水文资料，确定抛石区域的最大流速，然后结合石块的起动流速反算得到抛石的粒径。这种方法有个前提条件，需要知道抛石区域的最大流速。通常，可以分析实测的流速资料或数值模拟计算来得到最大流速。实测资料分析需要较全的水文资料；数值模拟计算既需要实测的验证资料，如：水位、流速分布、水下地形，也需要编制相关的计算程序。无论是哪种方法都是针对已经存在的航道。但在实际工程中，为了航道网的联通，通常需要新开挖航道，此类航道属于人工的限制新航道，尚未开通前，无历史的水文资料，难以确定最大流速。尤其是岸坡附近的流速与断面平均流速存在明显差异，确定更为困难。事实上，抛石后，抛石体在坡脚处也会形成一定的角度，坡脚上的石块起动和平面上的起动规律存在差异，虽然已有方法计算坡脚上的石块起动，但考虑因素较多，导致在工程中应用存在较大的困难。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，简单易行，操作性强，能够快速估算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。

本发明提供了如下的技术方案：

一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，包括以下步骤：

收集新开挖梯形航道的断面形态参数；

根据断面形态参数计算最低通航水位下航道断面的起点距和高程；

根据高程数据计算最低通航水位下航道断面每个点的水深；

根据最低通航水位下航道断面每个点的水深数据计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数；

根据断面形态参数计算最低通航水位下坡脚处的水深；

根据最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数和最低通航水位下坡脚处的水深计算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。

进一步的，收集的新开挖梯形航道的断面形态参数包括：断面底宽、河底高程、两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比、航道最大通航流量和航道最低通航水位。

进一步的，以航道断面左侧的第一个点为原点，断面上任意一点至原点的距离为起点距x_i，起点距x_i的计算公式为：

式中，i取1，2……n的自然数，n为航道断面的总点数，B为断面底宽，Z为航道最低通航水位，Z₀为河底高程，s为两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比。

进一步的，当x_i<(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

当(Z-Z₀)*s<x_i<B+(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

y_i＝Z₀ (3)；

当B+(Z-Z₀)*s<x_i<B+2(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

进一步的，最低通航水位下航道断面第i个点的水深h_i的计算公式为：

h_i＝Z-y_i (5)。

进一步的，最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数c的计算公式为：

式中，Q为航道最大通航流量。

进一步的，航道断面任意一点的流速u_i的计算公式为：

进一步的，最低通航水位下坡脚处的水深H的计算公式为：

H＝Z-Z₀ (8)。

进一步的，最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c的计算公式为：

u_c＝cH^2/3 (9)。

进一步的，考虑抛石坡度的影响，建立石块滚动时的临界流速u_l的计算公式：

式中，g为重力加速度，ρ_s为石块密度，ρ为水的密度，d为抛石粒径；

以最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c作为临界流速，反推获得新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径d_min的计算公式为：

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明通过收集新开挖梯形航道的断面形态参数，计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数以及最低通航水位下坡脚处的水深，从而获得新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径的计算方法，克服了传统方法需要历史水文资料的不足，方法简单易行，操作性强，可供工程设计参考。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是新开挖梯形航道的断面结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

如图1和2所示，本实施例提供一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，包括以下步骤：

步骤1、收集新开挖梯形航道的断面形态参数，包括：断面底宽B、河底高程Z₀、两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比s、航道最大通航流量Q和航道最低通航水位Z。

步骤2、根据断面形态参数计算最低通航水位下航道断面的起点距和高程。

(1)起点距的计算

假设航道断面上共有n个点，以航道断面左侧的第一个点为原点，断面上任意一点至原点的距离为起点距x_i，起点距x_i的计算公式为：

式中，i取1，2……n的自然数，n为航道断面的总点数。

(2)高程的计算

当x_i<(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

当(Z-Z₀)*s<x_i<B+(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

y_i＝Z₀ (3)；

当B+(Z-Z₀)*s<x_i<B+2(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

步骤3、根据高程y_i数据计算最低通航水位下航道断面每个点的水深，其中，第i个点的水深h_i的计算公式为：

h_i＝Z-y_i (5)。

步骤4、根据最低通航水位下航道断面每个点的水深h_i数据计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数c：

步骤5、航道断面任意一点的流速u_i的计算公式为：

步骤6、根据断面形态参数计算最低通航水位下坡脚处的水深H：

H＝Z-Z₀ (8)；

则最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c的计算公式为：

u_c＝cH^2/3 (9)。

步骤7、考虑抛石坡度的影响，建立石块滚动时的临界流速u_l的计算公式：

式中，g为重力加速度，ρ_s为石块密度，ρ为水的密度，d为抛石粒径；

以最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c作为临界流速，反推获得新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径d_min的计算公式为：

实施例2

采用实施例1中的方法计算某新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。

步骤1、收集新开挖梯形航道的断面形态参数，包括：断面底宽B＝60m、河底高程Z₀＝-2m、两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比s＝2、航道最大通航流量Q＝300m³/s和航道最低通航水位Z＝2m。

步骤2、以最低通航水位2m为标准，确定断面的起点距和高程。选取51个点，则起点距

高程y_i采用下式计算：

当x_i<8时，

当8<x_i<68时，y_i＝-2；

当68<x_i<76时，

步骤3、计算最低通航水位下航道断面51个点的水深h_i＝Z-y_i。

步骤4、计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数

步骤5、航道断面任意一点的流速u_i的计算式为

步骤6、计算最低通航水位下坡脚处的水深H＝4m；最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c＝1.73m/s。

步骤7、水的密度取1000kg/m³，石块的密度取2650kg/m³，根据公式

计算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径为12.7cm。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，包括以下步骤：

收集新开挖梯形航道的断面形态参数；

根据断面形态参数计算最低通航水位下航道断面的起点距和高程；

根据高程数据计算最低通航水位下航道断面每个点的水深；

根据最低通航水位下航道断面每个点的水深数据计算最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数；

根据断面形态参数计算最低通航水位下坡脚处的水深；

根据最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数和最低通航水位下坡脚处的水深计算新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径。

2.根据权利要求1所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，收集的新开挖梯形航道的断面形态参数包括：断面底宽、河底高程、两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比、航道最大通航流量和航道最低通航水位。

3.根据权利要求1所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，以航道断面左侧的第一个点为原点，断面上任意一点至原点的距离为起点距x_i，起点距x_i的计算公式为：

式中，i取1，2……n的自然数，n为航道断面的总点数，B为断面底宽，Z为航道最低通航水位，Z₀为河底高程，s为两侧边坡的斜坡投影长与斜坡高度之比。

4.根据权利要求3所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，当x_i<(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

当(Z-Z₀)*s<x_i<B+(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

y_i＝Z₀ (3)；

当B+(Z-Z₀)*s<x_i<B+2(Z-Z₀)*s时，高程y_i的计算公式为：

5.根据权利要求4所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，最低通航水位下航道断面第i个点的水深h_i的计算公式为：

h_i＝Z-y_i (5)。

6.根据权利要求5所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，最大通航流量和最低通航水位下的综合流速系数c的计算公式为：

式中，Q为航道最大通航流量。

7.根据权利要求6所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，航道断面任意一点的流速u_i的计算公式为：

8.根据权利要求7所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，最低通航水位下坡脚处的水深H的计算公式为：

H＝Z-Z₀ (8)。

9.根据权利要求8所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c的计算公式为：

u_c＝cH^2/3 (9)。

10.根据权利要求9所述的新开挖梯形航道坡脚抛石粒径的估算方法，其特征在于，考虑抛石坡度的影响，建立石块滚动时的临界流速u_l的计算公式：

式中，g为重力加速度，ρ_s为石块密度，ρ为水的密度，d为抛石粒径；

以最低通航水位下坡脚处的最大流速u_c作为临界流速，反推获得新开挖梯形航道坡脚最小抛石粒径d_min的计算公式为：

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