一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法技术

本发明专利技术公开了一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，属于水利水电工程中的高坝泄水工程模拟技术领域；本发明专利技术这种方法将整个模拟过程分为两个步骤，首先采用基岩模拟方法保证冲坑相似，之后在此基础上对冲坑后方的堆丘体进行处理，并进一步进行冲刷试验，试验结果同时保证了冲坑深度相似及堆丘体体积及分布形态相似，本发明专利技术的优越性在于，将两种不同的动床模拟方式相结合，通过分步骤模拟，兼顾了泄洪冲刷地形的冲坑和堆丘相似，对研究泄洪冲刷后的河道地形有较好的参考价值。

【技术实现步骤摘要】
一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法
本专利技术涉及水利水电工程中的高坝泄水工程模拟
，尤其涉及一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法。
技术介绍
目前，随着高水头水利水电工程的兴建，拱坝坝体高度及泄洪流量一再提高，各泄洪建筑物的泄洪流速超过30m/s，高速水流下泄对下游河道造成严重冲刷。为了避免冲刷影响水电工程的安全，泄洪水舌对河道的冲刷程度，尤其是冲坑深度需要经过反复论证，大多通过水工模型试验来验证；大量的模型试验与原型观测数据表明，按照折算的颗粒粒径能较好的模拟原型的冲坑深度，但同时也发现这种方法得出的堆丘形态不相似，这是由于冲坑的形成是由高速水流的大尺度紊动形成，使用折算的颗粒粒径相对较大，以重力模拟了基岩之间的相互作用力，因而能达到冲坑相似的结果；但当在冲坑以外，颗粒的运动主要由水流流速带动，该部分颗粒由于粒径偏大而更容易沉积，导致冲坑后方的堆丘偏高偏窄。以往的试验主要注重冲坑对工程稳定的影响，所以虽知道堆丘不相似，但并未给予太多关注；近年的某些水电工程中，由于泄量大，河谷窄，堆丘对河谷的堵塞也引发一系列水力学问题，因此需要一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过模拟泄洪水舌对河道模型冲刷，进而探究水舌冲刷对河道冲坑和堆丘形态的影响，对研究泄洪冲刷后的河道地形有较好的参考价值。为了实现上述目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，包括以下步骤；S1、根据河道基岩的抗冲流速选择动床模拟颗粒，确定河道的模型比尺然后按照河道基岩的抗冲流速，根据河道模型比尺λ换算得出河道模型抗冲流速；S2、再根据S1中所得出的河道模型抗冲流速，计算得出模型散粒料的粒径，将选定的相应粒径大小的动床模拟颗粒堆积成河道模型；S3、根据河道模型抗冲流速模拟出泄洪水舌，然后利用模拟水舌对S2中建立的河道模型进行动床冲刷实验，形成冲坑；S4、冲刷实验完成后，停止对河道模型的水舌冲刷，将冲刷实验形成的堆丘部分模拟颗粒清除，替换成另外一种模拟颗粒；S5、模拟颗粒替换完，重复进行S3的模拟水舌冲刷实验，冲刷时间与S3相同；S6、对模拟实验的过程和数据进行记录和汇总，整理分离后得出实验结果。优选的，所述S1-S5中提到的模拟实验采用Fr相似准则对泄洪水舌、模拟河道水位以及河道地形进行模拟，所建立的模型为正态模型，河道模型的比尺不小于1:100，河道模型宽度不小于1m。优选的，所述河道模型模拟范围长度不小于10倍河道宽度，所述模拟水舌的落水点上游河道长度不少于6倍河道宽度，所述模拟水舌的落水点下游河道模拟长度不小于4倍河道宽度。优选的，所述S1中所提及的河道模型抗冲流速以及S2中所提及的模型散粒料的粒径采用下述经验公式确定：其中，V为模型抗冲流速，单位m/s；D为模型散粒料的粒径，单位m。优选的，所述S3和S5中所述的冲刷模拟实验，其冲刷时长不得少于小时，其中λ为模型比尺。优选的，所述S4中提到的替代模拟颗粒采用沙莫夫经验公式计算：VK＝4.6(λd)1/3h1/6式中：d为模型粒径(m)，h为水深(m)，VK为原型抗冲流速(m/s)，λ为模型比尺。与现有技术相比，本专利技术提供了一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，具备以下有益效果：(1)本专利技术模拟过程分为两个步骤，第一步模拟泄洪水舌对河道的冲刷，水舌落水形成的冲坑相似；第二步模拟冲坑后方的堆丘形态，在保证冲坑相似的前提下模拟水流对堆丘的影响，最终达到冲坑深度与堆丘形态均与原型相似。(2)本专利技术提出的模拟泄洪水舌对河道的冲刷，由于冲坑的形成主要由高速水流的大尺度紊动造成，根据公式计算所得的模拟颗粒粒径考虑了基岩岩体之间的相互作用力，试验所得的冲坑与原型有较高的相似度。(3)本专利技术提出的模拟冲坑后方的堆丘形态，由于在堆丘形成的区域水流紊动较小，决定堆丘形态的主要是水流对颗粒的输运能力，因此堆丘的形态模拟应在保证冲坑地形的基础上，将堆丘地形的颗粒替换为另一种级配的模拟颗粒，新的模拟颗粒粒径通过计算；替换后按照原水流条件重新进行冲刷，由于水流条件相同，冲坑已经稳定不会再变化，堆丘则会在水流作用下继续变形，最终平衡状态的堆丘与原型达到较高的相似度。本专利技术的优越性在于，将两种不同的动床模拟方式相结合，通过分步骤模拟，兼顾了泄洪冲刷地形的冲坑和堆丘相似，对研究泄洪冲刷后的河道地形有较好的参考价值附图说明图1为本专利技术提出的一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法的流程图；图2为本专利技术提出的一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法的冲坑模拟方法示意图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。实施例1：请参阅图1，一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，包括以下步骤；S1、根据河道基岩的抗冲流速选择动床模拟颗粒，确定河道的模型比尺然后按照河道基岩的抗冲流速，根据河道模型比尺λ换算得出河道模型抗冲流速；S2、再根据S1中所得出的河道模型抗冲流速，计算得出模型散粒料的粒径，将选定的相应粒径大小的动床模拟颗粒堆积成河道模型；S3、根据河道模型抗冲流速模拟出泄洪水舌，然后利用模拟水舌对S2中建立的河道模型进行动床冲刷实验，形成冲坑；S4、冲刷实验完成后，停止对河道模型的水舌冲刷，将冲刷实验形成的堆丘部分模拟颗粒清除，替换成另外一种模拟颗粒；S5、模拟颗粒替换完，重复进行S3的模拟水舌冲刷实验，冲刷时间与S3相同；S6、对模拟实验的过程和数据进行记录和汇总，整理分离后得出实验结果。本专利技术模拟过程分为两个步骤，第一步模拟泄洪水舌对河道的冲刷，水舌落水形成的冲坑相似；第二步模拟冲坑后方的堆丘形态，在保证冲坑相似的前提下模拟水流对堆丘的影响，最终达到冲坑深度与堆丘形态均与原型相似。实施例2：基于实施例1但有所不同的是；所述S1-S5中提到的模拟实验采用Fr相似准则对泄洪水舌、模拟河道水位以及河道地形进行模拟，所建立的模型为正态模型，河道模型的比尺不小于1:100，河道模型宽度不小于1m。所述河道模型模拟范围长度不小于10倍河道宽度，所述模拟水舌的落水点上游河道长度不少于6倍河道宽度，所述模拟水舌的落水点下游河道模拟长度不小于4倍河道宽度。所述S1中所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，其特征在于：包括以下步骤；/nS1、根据河道基岩的抗冲流速选择动床模拟颗粒，确定河道的模型比尺然后按照河道基岩的抗冲流速，根据河道模型比尺λ换算得出河道模型抗冲流速；/nS2、再根据S1中所得出的河道模型抗冲流速，计算得出模型散粒料的粒径，将选定的相应粒径大小的动床模拟颗粒堆积成河道模型；/nS3、根据河道模型抗冲流速模拟出泄洪水舌，然后利用模拟水舌对S2中建立的河道模型进行动床冲刷实验，形成冲坑；/nS4、冲刷实验完成后，停止对河道模型的水舌冲刷，将冲刷实验形成的堆丘部分模拟颗粒清除，替换成另外一种模拟颗粒；/nS5、模拟颗粒替换完，重复进行S3的模拟水舌冲刷实验，冲刷时间与S3相同；/nS6、对模拟实验的过程和数据进行记录和汇总，整理分离后得出实验结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，其特征在于：包括以下步骤；
S1、根据河道基岩的抗冲流速选择动床模拟颗粒，确定河道的模型比尺然后按照河道基岩的抗冲流速，根据河道模型比尺λ换算得出河道模型抗冲流速；
S2、再根据S1中所得出的河道模型抗冲流速，计算得出模型散粒料的粒径，将选定的相应粒径大小的动床模拟颗粒堆积成河道模型；
S3、根据河道模型抗冲流速模拟出泄洪水舌，然后利用模拟水舌对S2中建立的河道模型进行动床冲刷实验，形成冲坑；
S4、冲刷实验完成后，停止对河道模型的水舌冲刷，将冲刷实验形成的堆丘部分模拟颗粒清除，替换成另外一种模拟颗粒；
S5、模拟颗粒替换完，重复进行S3的模拟水舌冲刷实验，冲刷时间与S3相同；
S6、对模拟实验的过程和数据进行记录和汇总，整理分离后得出实验结果。


2.根据权利要求1所述的一种模拟泄洪水舌对河道和堆丘形态影响的方法，其特征在于：所述S1-S5中提到的模拟实验采用Fr相似准则对泄洪水舌、模拟河道水位以及河道地形进行模拟，所建立的模型为正态模型，河道模型的比尺不小于1:100，河道模型宽度不小于1m。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡亚安，辜晋德，赵建钧，徐建荣，彭育，薛阳，王宇，安建峰，赵建平，
申请(专利权)人：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32