CN117034527B - 一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法，根据全域河网范围及场地条件确定全域物理模型比尺。确定全域河网中不满足阻力相似的局部河道/局部闸门，获得实际沿程水头损失/实际局部水头损失；开展局部河道/闸门变比尺物理模型过流能力试验，确定适宜的局部河道/闸门比尺；建立适宜的局部河道/闸门比尺与局部河道/闸门宽度的相关关系，提出局部河道/闸门比尺相似律。本发明提供了能够满足过流能力相似的局部变比尺设计方法，突破了全域河网物理模型局部河道及闸门尺度过小带来的阻力效应壁垒。利用本发明的方法建立的物理模型所测数据与实测数据高度吻合，实现了全域河网物理模型水动力的准确模拟。

Description

一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法
技术领域
本发明涉及河网水动力物理模型模拟领域，为全域河网物理模型局部河道/闸门提供一种保证阻力相似的变比尺设计方法。
背景技术
对于城镇河网物理模型，河道规模较小，河道数目众多，同时受场地条件约束，通常物理模型比尺受限，物理模型中部分河道及闸门尺度过小而不满足阻力相似，从而河网整体水动力难以保证全域过流能力相似，这导致现有城镇河网模型建设以水体流动沙盘演示为主，尚无法作为相似物理模型用于水环境及防洪排涝的实际调度。如何克服局部河道及闸门尺度过小带来的阻力效应，并发展一套局部变比尺阻力相似设计方法，是目前全域河网物理模型建设的难题。
发明内容
本发明的目的在于克服局部河道及闸门尺度过小带来的阻力效应，提供一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法。
为实现上述技术目的，本发明采用如下方案：
一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法，包括：
根据全域河网范围及物理模型搭建场地尺寸确定全域物理模型比尺；
统计全域物理模型中不满足阻力相似的河道，计算河道实际河宽下沿程水头损失J；
对所述不满足阻力相似的河道建立局部河道变比尺物理模型，试验不同模型河宽下河道沿程水头损失与对应河宽比尺之间的相关关系，选取J对应的河宽比尺为适宜的局部比尺；试验的模型河宽大于基于原全域物理模型比尺得到的河宽；
建立河道实际河宽与对应的适宜局部比尺之间的相关关系曲线，获得全域阻力不相似河道的局部变比尺；
统计全域物理模型中不满足阻力相似的闸门，计算其闸门实际闸宽下局部水头损失ΔH；基于相同的方式试验不同模型闸宽下局部水头损失与对应闸宽比尺之间的相关关系，确定ΔH对应的闸宽比尺为适宜的局部比尺，并基于闸门实际闸宽与对应的适宜局部比尺之间的相关关系曲线，获得全域阻力不相似闸门的局部变比尺；
基于全域物理模型比尺及不满足阻力相似河道、闸门的变比尺，确定物理模型施工尺寸及局部河道/闸门比尺相似律。
作为一种优选的实施方式，所述全域物理模型比尺确定时，以物理模型铺满场地且周边预留水库空间为原则确定平面比尺λl，以物理模型中河道及闸坎最小水深≥0.03m为原则确定垂直比尺λh，基于确定后的平面比尺λl、垂直比尺λh确定流速比尺流量比尺/>和时间比尺/>从而形成全域河网物理模型相似律。
进一步的，垂直比尺λh根据城镇河网河道底高程及闸底坎高程，结合洪中枯水文条件确定。
作为一种优选的实施方式，所述不满足阻力相似的河道/闸门指物理模型中宽度小于0.06m的河道/闸门。
作为一种优选的实施方式，河道的过流能力取决于沿程水头损失，河道沿程水头损失基于下式计算：
J＝Δhλh/Δlλl
其中J为河道沿程水头损失，Δh为两个水位测针的水头差，所述两个水位测针分别布设于模型进口及出口水流平稳处，Δl为两测针距离，λh为模型垂向比尺，λl为模型水平比尺；
所述闸门的过流能力取决闸门局部水头损失，闸门局部水头损失基于下式计算：
ΔH＝Δhλh
其中ΔH为闸门实际局部水头损失，Δh为两个水位测针的水头差，所述两个水位测针分别布设于模型闸上及闸下水流平稳处，λh为模型垂向比尺。
作为一种优选的实施方式，对物理模型中不满足阻力相似的河道/闸门建立局部河道/闸门正态物理模型，通过对河道/闸门正态物理模型开展过流能力试验，以获得河道实际河宽下沿程水头损失/闸门实际局部水头损失。
作为一种优选的实施方式，局部河道正态物理模型中模型河道长度大于4倍宽度，局部闸门正态物理模型中闸上、闸下河道长度均大于2倍宽度，使得模型中水体流动能够充分发展均匀。
作为一种优选的实施方式，对不满足阻力相似的河道建立局部河道/闸门正态物理模型，模型平面比尺和垂向比尺均等于全域物理模型比尺中的垂向比尺λh。
作为一种优选的实施方式，局部河道/闸门变比尺物理模型中试验的模型河宽/闸宽在原全域物理模型比尺得到河宽的基础上逐级增加。
进一步的，针对河宽/闸宽，在物理模型非变比尺河宽/闸宽x的基础上，河宽/闸宽逐级增加，各级增值为a，直至河宽/闸宽增加至b，河宽/闸宽系列局部比尺为：
其中j为系列局部变比尺数；优选a＝0.005m，b＝0.06m。
作为一种优选的实施方式，获得全域阻力不相似河道/闸门局部变比尺后，根据局部变比尺确定局部河道/闸门流速比尺λv＝λl 3/2/λx、流量比尺及时间比尺λt＝λx/λl 1/2，形成局部河道/闸门比尺相似律。
本发明提供了能够满足过流能力相似的局部变比尺设计方法，突破了全域河网物理模型局部河道及闸门尺度过小带来的阻力效应壁垒。利用本发明的方法建立的物理模型所测数据与实测数据高度吻合，形成了全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法。
附图说明
图1为泰州市九龙片区水利工程体系模型场地布置CAD图。
图2为河道正态模型布置图。
图3为河道变比尺物理模型布置及试验结果图。
图4为河宽变比尺λb与非变比尺河宽b的关系图。
图5为闸门正态模型布置图。
图6闸门变比尺物理模型布置及试验结果图。
图7为闸门变比尺λB与非变比尺闸宽B的关系图。
图8全域河网物理模型建成后的照片。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，实施例中以泰州市九龙片区水网物理模型建设为例，并结合附图和具体实施措施来解释本发明。
实施例
九龙片区是泰州市海陵区下辖镇，地处海陵区西大门，片区南北向6.5km，东西向7.5km，片区外四面环水，片区内河网密布，闸站众多；共有河道59条，长27.8公里，河道宽度较小，最小河道宽度为6m；共有闸站19座，闸站宽度较小，最小闸门尺度为4m。
该物理模型拟建设于泰州市新能源产业园区中心露天场地，场地长度为25m，宽度为17m，物理模型铺满场地，模型四周作为水库，确定物理模型制作平面比尺λl＝300。该河网北片区河道底高程为0m，平时保证水位为1.5m，水深为1.5m；河网南片区河道底高程为-0.5m，平时保证水位为3m，水深为3.5m，按照物理模型最小水深不小于0.03m的原则，确定物理模型的垂直比尺λh＝50。进一步计算出流速比尺流量比尺时间比尺/>模型场地布置结果如图1所示。
统计全域物理模型中河道的宽度，宽度小于0.06m河道，即原型宽度小于18m，为不满足阻力相似河道。针对原型10m宽河道，原型设计流量为10m3/s，水位为3m，建立局部河道正态物理模型，如图2。正态模型水平比尺及垂向比尺均为1：50，长度为1m，进口释放流量5.66×10-4m3/s，出口控制水位0.06m，进口及出口水流平稳处均布设水位测针，两测针距离为Δl1＝1m，记录得到两测针水头差Δh1＝0.36cm。从而获得河道实际河宽下沿程水头损失J1＝Δh1/Δl1＝0.0036。
表1阻力不相似河道汇总
河段名称 底高程 河底宽度
西大河北段 -1.0m 12m
西大河中段 -1.0m 8m
大寨河 -1.0m 8m
通南一支河 -1.0m 6m
三村干河 -1.0m 10m
生产河一 -1.0m 6m
黄舍河 -1.0m 6m
孙庙河 -1.0m 6m
后塘河 -1.0m 6m
张家河 -1.0m 6m
马家沟 -1.0m 6m
针对原型10m宽河道，流量为10m3/s，水位为3m，建立河道变比尺物理模型。模型长度比尺及垂向比尺分别为1：300及1：50，模型长度为1m；模型宽度为在非变比尺模型河宽0.033m的基础上，河宽逐级增加0.005m，模型系列宽度为0.033m、0.038m、0.043m、0.048m、0.053m、0.058m、0.063m，对应的模型系列河宽比尺λ′b为1:300、1:263、1:232、1:208、1:188、1:172、1:158。物理模型进口释放流量9.43×10-5m3/s，出口控制水位0.06m，进口及出口水流平稳处均布设水位测针，两测针距离Δl1＝1m，记录两测针水头差Δh2，获得不同河宽比尺河道沿程水头损失J2＝Δh2λh/Δl2λl。建立J2与λb'之间的相关关系，如图3所示，确定J2＝J1＝0.0036对应的λb值为适宜的局部比尺，得到实际10m宽河道对应的局部比尺为1：240。
针对原型河宽b为3m、4.5m、6m、7.5m、9m、10.5m、12m、13.5m、15m、16.5m、18m的河道，其模型河宽为0.01m、0.015m、0.02m、0.025m、0.03m、0.035m、0.04m、0.045m、0.05m、0.055m、0.06m，重复上述步骤获得对应的适宜变比尺λb，建立λb与b之间的关系曲线，如图4，获得全域阻力不相似河道的局部变比尺。以原型10m为例，全域平面比尺为1：300，局部河宽比尺为1：240，局部河道宽度变比尺后，增大了断面面积，流量不变情形下，减小了流速，增大了水流流动时间，则流量比尺为流速比尺λv＝λl 3/2/λb＝23.62，时间比尺λt＝λb/λl 1/2＝12.7，从而获得全域阻力不相似的河道其它相似比尺。
表2阻力不相似河道变比尺汇总
河段名称 底高程 河底宽度 变比尺
西大河北段 -1.0m 12m 1：267
西大河中段 -1.0m 8m 1：224
大寨河 -1.0m 8m 1：224
通南一支河 -1.0m 6m 1：210
三村干河 -1.0m 10m 1：240
生产河一 -1.0m 6m 1：210
黄舍河 -1.0m 6m 1：210
孙庙河 -1.0m 6m 1：210
后塘河 -1.0m 6m 1：210
张家河 -1.0m 6m 1：210
马家沟 -1.0m 6m 1：210
统计全域物理模型中闸门的宽度，确定闸门宽度小于0.06m，即原型闸门宽度小于18m，为不满足阻力相似闸门。针对原型6m宽闸门，原型设计流量为6m3/s，闸上水位为2.5m，正态模型水平比尺及垂向比尺均为λh＝50，模型闸上及闸下河道长度为1m。建立局部闸门正态物理模型，如图5，进口释放流量3.4×10-4m3/s，出口控制水位为0.05m，闸上及闸下水流平稳处均布设水位测针，开展设计流量及设计水位下的水动力试验，记录两测针水头差Δh1＝0.49cm，从而获得闸门实际闸宽下的局部水头损失ΔH1＝Δh1λh＝24.5cm。
表3阻力不相似闸门汇总
针对原型6m宽闸门，流量为6m3/s，水位为3m，建立河道变比尺物理模型，如图6。模型长度比尺及垂向比尺分别为1：300及1：50，模型长度为1m；模型宽度为在非变比尺闸宽0.02m的基础上，闸宽逐级增加0.005m，模型系列宽度为0.02m、0.025m、0.03m、0.035m、0.04m、0.045m、0.05m，模型系列闸宽比尺λ'B为1:300、1:240、1:200、1:171、1:150、1:133、1:120。物理模型进口释放流量5.66×10-5m3/s，出口控制水位0.06m，进口及出口水流平稳处均布设水位测针，记录两测针水头差Δh2，获得闸门局部水头损失ΔH2＝Δh2λh。建立ΔH2与λ'B之间的相关关系，确定ΔH2＝ΔH1＝24.5cm对应的λB值为适宜的局部比尺，得到实际6m宽闸门对应的局部比尺为1：200。
针对原型闸宽B为3m、4m、5m、6m、7m、8m、9m、10m、11m、12m、13m、14m的闸门，其模型宽度为0.01m、0.013m、0.017m、0.02m、0.023m、0.027m、0.03m、0.033m、0.037m、0.04m，重复(5)及(6)步骤获得对应的适宜变比尺λB，建立λB与闸宽B之间的关系曲线，如图7，获得全域阻力不相似的闸门局部变比尺。以原型6m宽闸门为例，全域平面比尺为1：300，局部河宽比尺为1：200，局部闸门宽度变比尺后，增大了断面面积，流量不变情形下，减小了流速，增大了水流流动时间；从而流量比尺为流速比尺λv＝λl 3/2/λB＝25.98，时间比尺λt＝λB/λl 1/2＝11.55，从而获得全域阻力不相似闸门的其它相似比尺。
表4阻力不相似闸门变比尺汇总
闸 宽度/直径 底高程 变比尺
三村干河防洪闸 4m -0.5m 1：183
通南一支河闸 4m -0.5m 1：183
黄舍东河闸 4m -0.5m 1：183
西舍庄沟闸 4m -0.5m 1：183
孙庙闸(站) 4m -0.5m 1：183
西大河闸(站) 4m -2m 1：183
黄舍西河节制闸 2×1.5m -0.5m 1：174
董家节制闸 2×1.5m -0.5m 1：174
黄舍庄沟闸 4m -0.5m 1：183
大寨河防洪闸 6m -1.0m 1：200
大寨河涵闸 3m -4.5m 1：174
后塘河涵闸 2m -2.7m 1：167
张家河闸 4×3.5m 0m 1：271
大寨河南闸 4×3.5m 0m 1：271
马家沟闸(站) 3×2.5m 0m 1：232
马家沟西闸 3×3m 2.5m 1：247
老通西闸 5m -1m 1：194
马家沟北涵闸 1×1m 3.5m 1：160
界沟闸 4×3m -1m 1：271
通过对九龙片区全域河网物理模型局部变比尺的研究，确定了模型各河道及闸门的施工尺寸；后续开展了降雨、供水系统等系列准备工作，最终九龙片区全域河网物理模型于泰州市新能源产业园区场地建成如图8；此模型已开展系列水动力及水质调度试验，结合局部河道/闸门比尺相似律，物理模型所测数据与实测数据高度吻合，突破了全域河网物理模型局部河道及闸门尺度过小带来的阻力效应壁垒，实现了全域河网物理模型水动力的准确模拟。

Claims (9)

1.一种全域河网物理模型局部变比尺阻力相似设计方法，其特征在于，包括：
根据全域河网范围及物理模型搭建场地尺寸确定全域物理模型比尺；
统计全域物理模型中不满足阻力相似的河道，计算河道实际河宽下沿程水头损失J；
对所述不满足阻力相似的河道建立局部河道变比尺物理模型，试验不同模型河宽下河道沿程水头损失与对应河宽比尺之间的相关关系，选取J对应的河宽比尺为适宜的局部比尺；试验的模型河宽大于基于原全域物理模型比尺得到的河宽；
建立河道实际河宽与对应的适宜局部比尺之间的相关关系曲线，获得全域阻力不相似河道的局部变比尺；
统计全域物理模型中不满足阻力相似的闸门，计算其闸门实际闸宽下局部水头损失ΔH；对所述不满足阻力相似的闸门建立局部闸门变比尺物理模型，试验不同模型闸宽下局部水头损失与对应闸宽比尺之间的相关关系，确定ΔH对应的闸宽比尺为适宜的局部比尺，并基于闸门实际闸宽与对应的适宜局部比尺之间的相关关系曲线，获得全域阻力不相似闸门的局部变比尺；
基于全域物理模型比尺及不满足阻力相似河道、闸门的变比尺，根据局部变比尺确定局部河道/闸门流速比尺λv＝λl 3/2/λx、流量比尺及时间比尺λt＝λx/λl 1/2，形成局部河道/闸门比尺相似律；其中λl为平面比尺，λh为垂直比尺，λx为局部比尺。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述全域物理模型比尺确定时，以物理模型铺满场地且周边预留水库空间为原则确定平面比尺λl，以物理模型中河道及闸坎最小水深≥0.03m为原则确定垂直比尺λh，基于确定后的平面比尺λl、垂直比尺λh确定流速比尺流量比尺/>和时间比尺/>
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不满足阻力相似的河道/闸门指物理模型中宽度小于0.06m的河道/闸门。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，河道沿程实际水头损失基于下式计算：
J＝Δhλh/Δlλl
其中J为河道沿程实际水头损失，Δh为两个水位测针的水头差，所述两个水位测针分别布设于模型进口及出口水流平稳处，Δl为两测针距离，λh为模型垂向比尺，λl为模型水平比尺；
所述闸门实际局部水头损失基于下式计算：
ΔH＝Δhλh
其中ΔH为闸门实际局部水头损失，Δh为两个水位测针的水头差，所述两个水位测针分别布设于模型闸上及闸下水流平稳处，λh为模型垂向比尺。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对物理模型中不满足阻力相似的河道/闸门建立局部河道/闸门正态物理模型，通过对河道/闸门正态物理模型开展过流能力试验，以获得河道实际河宽下沿程水头损失/闸门实际局部水头损失。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，局部河道正态物理模型中模型河道长度大于4倍宽度，局部闸门正态物理模型中闸上、闸下河道长度均大于2倍宽度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，对不满足阻力相似的河道建立局部河道/闸门正态物理模型，模型平面比尺和垂向比尺均等于全域物理模型比尺中的垂向比尺λh。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，局部河道/闸门变比尺物理模型中试验的模型河宽/闸宽在原全域物理模型比尺得到河宽的基础上逐级增加。
9.根据权利要求1或8所述的方法，其特征在于，针对河宽/闸宽，在物理模型非变比尺河宽/闸宽x的基础上，河宽/闸宽逐级增加，各级增值为a，直至河宽/闸宽增加至b，河宽/闸宽系列局部比尺为：
其中j为系列局部变比尺数；a＝0.005m，b＝0.06m。
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