兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统及设计方法技术方案

本发明专利技术提供一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统及其设计方法，属于河流动力学、河流模拟领域。本发明专利技术在一般河工模型底部设置渗管、流量计及阀门，在需要将模型存水排干时可通过渗管将常规的纵向尾门排水改为垂向渗管排水。这样由于垂向排水时过水面积明显大于纵向排水的过水面积，在流量一致的情况下，前者流速会明显小于后者，可避免排水时泥沙起动，将有利于保持床面形态的稳定，并推导了斜坡泥沙垂向起动流速公式，通过渗管流量、垂向流速及泥沙起动流速三者间的关系，提出了泥沙止动下的渗管流量最大阈值和渗管管径的计算方法，以兼顾床面稳定与快速排水。相对传统模型水下地形测量，该发明专利技术提出的模型排水系统及设计方法是河工模型干河床形态保真的重要前提，可有效解决模型河床地形快速测量的瓶颈。

Both the physical model of drainage system of bed surface stability and rapid drainage and design method

The invention provides a hydraulic model of drainage system considering bed surface stability and rapid drainage and its design method, which belongs to the field of river dynamics, river simulation. The invention is provided with permeability tube flow meter and a valve in the general physical model in the bottom water needs to be drained when the model through the infiltration pipe vertical tail gate to drain normal vertical seepage drainage pipe. Such as a water area of water to the drainage area of the vertical is larger than the longitudinal drainage, in the case of the same flow velocity, the former will be significantly less than the latter, can avoid starting sediment drainage, will help to maintain a stable bed form, and derive the slope sediment starting velocity formula by infiltration pipe flow, vertical velocity and sediment velocity relationship between the three, the infiltration pipe flow and seepage maximum threshold calculation method of tube diameter of sediment stop under, with consideration of bed surface stability and rapid drainage. Compared with the traditional model of underwater topographic survey, model design of drainage system and the method provided by the invention is an important prerequisite for river model dry riverbed form fidelity, which can effectively solve the bottleneck of rapid measurement model of riverbed terrain.

【技术实现步骤摘要】
兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统及设计方法
本专利技术涉及河流动力学学科的河流模拟领域，具体涉及一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统及设计方法。
技术介绍
河工模型是一种重要河流模拟手段，是近几十年研究河床演变与泥沙运动规律的成熟工具，目前关于其模型原理、制作过程、测量控制及成果分析已形成了行业规程，即《河工模型试验规程(SL99-2012)》。其中，对河工模型河床地形测量的一般采用需要在模型尾门封闭、模型中有一定水深情况下进行测量，其主要原因在于，模型在经尾门把水排干的过程中，会因为流速较大、水深较小产生“小水拉沙”效应使得床面模型沙再次起动，床面因此变形，引起整个河床演变过程模拟的失真。由于纵向排水会引起河床变形，所以就不能进行排水，这样河床就会保持一定的水深。同时，传统模型地形测量一般按照断面法进行，每个断面上的测点间距按不超过20cm进行控制，相应的测量仪器多为电阻抗式地形仪，测量方式为逐点测量。而水深的存在就会让光学测量仪器产生因折射而引起的误差，导致目前较先进的全站仪和激光地形扫描仪等光学测量仪器无法在模型地形测量中进行应用，使得目前模型河床地形测量效率较低。所以，由于纵向排水极易引起河床变形，先进光学测量仪器无法在河工模型地形测量上应用的主要原因仍是模型因不能进行纵向排水而必须保持的一定深度的水体，而模型上水体的存在则会引起光的折射使得先进光学测量仪器无法应用于水下地形测量。
技术实现思路
针对现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统及设计方法，其将模型常规的纵向尾门排水改为垂向渗管排水，在一般河工模型底部设置渗管、流量计及阀门等装置，利用排水流量相同情况下垂向流速远小于纵向流速、泥沙不易起动的特点，实现模型快速排水和床面稳定兼顾，以有效解决模型河床地形快速测量的技术瓶颈。一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右依次为进口段、试验段、尾门及出口段、尾水池，试验段从上至下依次为水体、模型沙、天然散体沙、砾石，所述排水系统包括横向埋设于砾石中的渗管，渗管上设有多个渗水孔，用于将河工模型中的水导入渗管，渗管下方设有连通回水渠的排水管，排水管上设有流量计和阀门，回水渠的出水口与尾水池连通。进一步的，渗管管壁上的渗水孔的孔眼选用圆形孔，孔径一般采用10～20mm，布置成梅花状。进一步的，渗水孔的孔眼布置范围在1/3～1/2渗管的管径以上的管周壁上。进一步的，流量计和阀门根据排水流量阈值实现排水流量的控制，所述排水流量阈值Q，即泥沙不起动时的流量最大限值计算公式为：其中θ为模型沙波坡面与水平面的夹角，一般可参考该模型沙水下休止角进行取值，d为模型沙代表粒径，γs为模型沙容重，γ为模型水体容重，A为垂向过水面积。进一步的，为满足排水量需求，渗管的管径计算公式如下：其中，D为渗管宽度或直径，T为含水层厚度，H为地表水头，α为淤塞系数，L为渗管长度，k为渗透系数，Q为渗管排水量。一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统的设计方法，包括如下步骤：在常规河工模型底部加设渗管、流量计及阀门，在需要将模型存水排干时通过渗管将纵向尾门排水改为垂向渗管排水，将渗管横向设于河工模型底部，渗管上开设多个渗水孔，用于将河工模型中的水导入渗管，渗管下方设置连通回水渠的排水管，排水管上设置流量计和阀门，回水渠的出水口与尾水池连通。进一步的，河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右依次为进口段、试验段、尾门及出口段、尾水池，试验段从上至下依次为水体、模型沙、天然散体沙、砾石，渗管埋设于砾石中，流量计和阀门根据排水流量阈值实现排水流量的控制，所述排水流量阈值Q，即泥沙不起动时的流量最大限值计算公式为：其中θ为模型沙波坡面与水平面的夹角，一般可参考该模型沙水下休止角进行取值，d为模型沙代表粒径，γs为模型沙容重，γ为模型水体容重，A为垂向过水面积。进一步的，为满足排水量需求，渗管的管径计算公式如下：其中，D为渗管宽度或直径，T为含水层厚度，H为地表水头，α为淤塞系数，L为渗管长度，k为渗透系数，Q为渗管排水量。本专利技术将纵向尾门排水改为垂向渗管排水，这样在排水流量一致的情况下，由于垂向排水时过水面积明显大于纵向排水的过水面积，前者流速会明显小于后者，同时可通过流量计和阀门配合有效调节流量大小，可保证模型沙不起动，床面形态保持稳定，并通过渗管流量、模型流速及泥沙起动流速三者间的关系，可以给出泥沙不动下的渗管流量最大阈值，以兼顾床面稳定与快速排水。附图说明图1为本专利技术兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统的平面图；图2为图1中A-A向剖面图；图3为图1中B-B向剖面图；图4为斜坡泥沙受力分析示意图。附图标记：1—渗管，2—排水管，3—流量计，4—阀门，5—回水渠，6—渗水孔，7—进口，8—尾门。具体实施方式下面将结合本专利技术中的附图，对本专利技术中的技术方案进行清楚、完整地描述。请参考图1-3，本专利技术提供一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，包括横向设于河工模型底部的渗管1，渗管1上设有多个渗水孔6，用于将河工模型中的水导入渗管1。渗管1下方设有连通回水渠5的排水管2，排水管2上设有流量计3和阀门4，回水渠5的出水口与尾水池连通。本专利技术在常规河工模型底部加设渗管1、流量计3及阀门4，在需要将模型存水排干时通过渗管1将纵向尾门排水改为垂向渗管排水。这样在排水流量一致的情况下，由于垂向排水时过水面积明显大于纵向排水的过水面积，前者流速会明显小于后者，同时可通过流量计3和阀门4配合有效调节流量大小，可保证模型沙不起动，床面形态保持稳定，根据斜坡泥沙起动受力分析，推导得出了斜坡泥沙垂向起动流速公式，并通过渗管流量、模型流速及泥沙起动流速三者间的关系，给出泥沙不动下的渗管最大流量阈值及相应管径的计算方法，以兼顾床面稳定与快速排水。如图1所示，常规的河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右，依次有进口段(末端设有进口7)、试验段、尾门8及出口段、尾水池，本专利技术由尾门8排水改为垂向排水，在模型沙铺设厚度以下设置一个渗管1，同时渗管1平接一个排水管2，排水管2出口设有流量计3和阀门4以控制排水流量，阀门下接回水渠5将水流引向尾水池。关于模型沙铺设厚度及渗管周边铺埋散体沙分层等都依据有关规程规范执行，《河工模型试验规程》规定河工模型模型沙一般铺设厚度为10cm，水深不小于5cm；《水工建筑物反滤层设计规范》规定一般傍河取水建筑物砂石反滤层粒径设计原则为上细下粗。以6.5m长、1m宽、1.4m高的试验水槽为例，其主要结构尺寸为：进口段长0.6m，试验段长5.2m，出口段长0.7m，尾水池为1.2m(长)×1.4m(宽)×1.3m(深)；模型水深平均为30cm，模型沙铺设厚度为10cm，其下设天然散体沙40cm厚，再下为粒径大于1cm的60cm厚的砾石，渗管1埋设于砾石中(如图2和图3所示)，管径为20cm，最下方为不透水地基。其中，渗管1管壁上的渗水孔眼一般选用圆形孔，孔径一般采用10～20mm，布置成梅花状，孔眼净距为2～2.5D(D为孔眼直径)。渗管1上的渗水孔6的孔眼一般布置范围在1/3～1/2管径以上(从管底本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右依次为进口段、试验段、尾门(8)及出口段、尾水池，试验段从上至下依次为水体、模型沙、天然散体沙、砾石，其特征在于：所述排水系统包括横向埋设于砾石中的渗管(1)，渗管(1)上设有多个渗水孔(6)，用于将河工模型中的水导入渗管(1)，渗管(1)下方设有连通回水渠(5)的排水管(2)，排水管(2)上设有流量计(3)和阀门(4)，回水渠(5)的出水口与尾水池连通。

【技术特征摘要】
1.一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右依次为进口段、试验段、尾门(8)及出口段、尾水池，试验段从上至下依次为水体、模型沙、天然散体沙、砾石，其特征在于：所述排水系统包括横向埋设于砾石中的渗管(1)，渗管(1)上设有多个渗水孔(6)，用于将河工模型中的水导入渗管(1)，渗管(1)下方设有连通回水渠(5)的排水管(2)，排水管(2)上设有流量计(3)和阀门(4)，回水渠(5)的出水口与尾水池连通。2.如权利要求1所述的河工模型排水系统，其特征在于：渗管(1)管壁上的渗水孔(6)的孔眼选用圆形孔，孔径一般采用10～20mm，布置成梅花状。3.如权利要求1所述的河工模型排水系统，其特征在于：渗水孔(6)的孔眼布置范围在1/3～1/2渗管(1)的管径以上的管周壁上。4.如权利要求1所述的河工模型排水系统，其特征在于：流量计(3)和阀门(4)根据排水流量阈值实现排水流量的准确控制，所述排水流量阈值Q，即泥沙不起动时的流量最大限值计算公式为：其中θ为模型沙波坡面与水平面的夹角，d为模型沙代表粒径，γs为模型沙容重，γ为模型水体容重，A为垂向过水面积。5.如权利要求1所述的河工模型排水系统，其特征在于：为满足排水量需求，渗管(1)的管径计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：周银军，卢金友，姚仕明，吴华莉，王军，金中武，邓彩云，闫霞，李志晶，周若，刘小斌，周森，李健，程传国，马秀琴，
申请(专利权)人：长江水利委员会长江科学院，
类型：发明
国别省市：湖北,42