（水力学及河流动力学专业论文）透水桩坝工程导流落淤效果和机理试验研究.pdf

独创性声明 秉承学校严谨的作风和优良的科学道德，本人声明所呈交的学位论文 是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知， 除了文中将爨加以标淀瓤致谢静地方外，论文中不包含其他入殴经发表 痰撰写过靛研究我暴，不毽含本人或毽入已审请学建或其他瘸途使用遘 的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已枉论文中作 了明确的说明并表泳致谢。 审谤学位论文与资辩若有不实之韪，本人承担一切鞠笑责任 论文作者签名：象弦j 哆年匆月，；日 保护知识产权声明 本人完全了解谣安理工大学有关保护知识产权的规定，即：研究生在 梭改读譬位期阗，论文工谗的知识产投攀豫属谣安理工大学。零入保证 肇渡离梭蘑，发表论文或使孀论文成鬃聪馨名单经仍然海薅安理王大学。 学辍宥权保整送交论文的复印件，允许论文被焱阅或潜阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 ( 僚密的学位谂文程解密屠应遴守戴巍宠) 论文作蠢签名：望越导师签名：；月。；日 摘要 透水桩坝工程导流落淤效果和机理 试验研究 学科名称：水力学及河流动力学答辩日期：2 0 3 研究生姓名：王普庆作者签名：形青、 导师姓名：陈刚姚文艺 导师签名：下南冈。1 撼要 o v j 随着黄河下游水涉条件不断变化，溺遵的边界条镡也淹之发生变化，主稽严 重萎缩，泄洪能力h 臻下降，防洪问题日益突出。因此，研究和开发新型的防洪上 稃显得十分迫切而重要。 逑水桩坝是河道整治。，【：张中的一种，由于其根藏深，强度大，施工榭序简使， 具有少抢险，易护理，同时具有控导河势帮i 在潍地缓流落淤等功效。在二叶逝纪六 七十年代，逢承桩坝工群蒋在装游。f 游的局帮酒段徽过尝试穗实黢，由于技术嗣题， 在洪承作用f ，不同程度缝出骢倒槛苯l 断稚现象，嚣份埔和效聚受翔一定影喻。为 了探索碴水襁坝在黄弼治磴r p 韵应用前景和应崩技术，避一步研究承 探讨该1 ：程的 透水落淤机理和导流效果，为胁洪治河提供理论依据。 透水桩坝的导流落淤效果与水沙条件、来流角度( 米流与工程的夹角) 以及遥 水察的大小簿闲素密切榴关，本文通过物理模型试验，应用水力学等捅关理论，分 拆和骈寇了其导流落淤效暴及橇璃。研究姥采显示，米漉和亲沙一定的条份f ，逶 永章强逶当的范匿内有秘予坝霹缓滚落淤，入瀛角丧一定范国内对控罨溺势寄街显 作用，不同方案组合所对应的缓流落淤效果和控导河势作用具有一定的嚣辨性。试 验的二= 种透水率桩坝，其导流效果与实体 坝群的毖本相唰，并未嘲部分避水及形 态不同而使其控导作用明最碱弱。当流量大于3 0 0 0 n 1 3 s 时，试验入流角条件”1 ：的送 溜长鹰町以达到22 3 5 k m ，舅随流量增大送溜汝度稠虑有所增加。不阔a 流条 件f 鸥主过浚区壤段鹩潦甄淤器l 体垮痿呵达到06 7 m 强上，最大淳皮可援诞i 9 m ， 淤积体艇犬宽度可选l k m 。槛嚣冲垅竣大深度可按近2 油，入流角和流量越天，冲坑 越深。以上列丁该项技术的研究，方面可完善其捌划、设计技术，还可加快实现 该项技术在黄河上的广泛廊i j | 和推广。 关键词透承桩导流落淤入漉角 西安理工大学丁程硼j 专业学位论文 s t h d yo 硅m e c 黾a n i s ma n de f 怒e to f f l o wc o 矬t l t o la n d a 驻精娃a 量i o 珏f o rp e r m e a b l ep 主l ed i k e m 萄o r ：h y d 汹j l i c s dr i v c fd 蛳踟i c s d a t e ：2 0 0 3 3 a u t h o r ：w a n gp u q - n g a u t h o rs i g n a t u r e s u p e r v i s o r ：p r o 砖s s o rc h e ng a n g & p r o f e s s o r 、氇o 、n - y i s l p e w s o rs i g n 最l n r 。： 如6 哆 a b s t r 馥c t 哳锄 s i n c eb o u n d a r yo f t h el o w e r1 沌1 l o wr i v e r b e d r i e sw i l ht h en o w n d 维o n s ，ma l n c h a n n e lo ft h es t r e a mc o m i l l l i a l l ys h r a n ka n df 1 0 0 dc o n t r o | b e c o m e sr a c l l e rd i 师c u l t i fi s i f ls i s t e n ta n di m p o r t a n tt os t u d ya n dd e v e 】叩n o v e l n t r 0 h e c h n i q u e so f t h er j v e r 翻o w p e r m e a b l ep i l ed i k ei sa ni m p o r t a n tm e t h o df o rs t r e a mc o n t li nr i v e rr e s l o r a t i o no r c o n s t 瑚c t i o n ，a n d 蟊s o m em a 康翻a d v a n 掘嚣e si n e l u 曲培d e e pg f 。u n d w o 呔，l a 嘻e s t 糖n 蛋h ，s i m p l e n s 讯l c t i o n ，i i 疆ee m e 毽e n c v ，e a s ym a 理捃蕊n c e ，e 岱搴c c o n t o 硼啦e n o w 豫嘲a n di n e 豫鲻i n gt 沁s e d i m e n t 融i o 丑1 n1 9 6 0 s 谴w 船t e s t e d 如b u 柏dp e 舯e 曲 ep 朝e d i k ea ts o m ep l a c e sa i o n gt h el o w e fy e l i o wr i v e nh o 、v e v e s o m es t a k e sw e r ed e s t r o v e d b y 妇o o dd u et ot e 曲n i q u e j l n i t h e 力，a n de 塌c j e n c y 、v a sd e c r e a s e d t bj m 讲口v 拳t h er i v 。f r o c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e ，“i sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t em e c h a n i s ma n de f 诧c lo fn o w c o n t r o la n da g g r a d a t i o nf o rp e r m e a b i ep i ed i k e e 衢c e n c yo fp e r m e a b l e 蝣kd i k ei sc l o s e l yr e l 8 f e dt ow a t e r - s a n d 拙 j o 讯u p s t r e a m 订。砥d i r e c t o no f 幽ec o m 耀曩o wa 堇i ds e e p 童g e 撼t et h 往p a p e ri n 垤s n 9 8 蕊m e o h 蚴穗n a n de 虢c to f 蟊a we o n t f o i8 n da g g f a d 氍j 硼粥i n gl 砖，d 1 a u l i e m o d o 珏n ga n dt h e 。糟t i c 巅 矗n a l y s s i t ss h o w nt h 拄ts h i t a b l es e e p 鹋er a 辩c a nh e l pa g g r a d a t i o 乳矗n ds u i i a b l e m i n g 稍o wd i r e c t i o nc a nh e i pt og o v e mm en o wt r e n d t h 犯ek i n d so f p e f r n e a b kp j l od i k e sw i l h d i 触r e n ts e e p a g er a t ea r et e s t e d ，a n de f f e c to f 蜘o wc o n t r o li sb a s i c a l l yt h e5 a m ew i mt h e s p u rd i k e ：t h et e s ts h o w st 1 1 a cw h e nn o wr a t 。i sg r e a t e rt h a n3 0 0 0m 3 s ，t h ee f f b c “v e d o w h s t r e a mf e n 鲜hm 州辩h2 2 3 5k ma n di n c s e sw i t hl h e 凡o wr a t o + f o rd i f f e r e n t u p s t f e a mc o n d 证o n s ，氇i o 虹1 e s so fs e d i m e n l 抽壤ep e 阱l e 8 b l e 茸 ed i 廷er 。g i o n 嫌鑫y 揩a c h 0 ，6 7m ，a n dl a 璃e 鼓穗i c k 牲霉s si sn e a r l y 9m ，鞠d 鹕e s w i d 出r 鼹c b e sl s c o l 哦n g d e 斑h 轴f o 糟癌e 龄稚弧。鑫b l op j j ed 莰e 撑矗o h 姆2 转m & 越 斑e 磕l 越ei n c r s o 聃4 啦出e u p s t r e a ma n 譬l ea n d 悄o wr a t eo fm ec o m i n g 锺o wt h ep 豫s e n tr e s e 8 m hs h o w st h a tt h e p o r m e a b i ep i l ed j k ei sr a t h e rv a l u a b l ei nt h ey e l l o wr i v e rr e s l o r a t i o n k e yw o r d s ：p e r m e a b l ep i ed i k e ，f l o wc o n l f o l ，a g g r a d a t i o n ，h y d r a u l i cm o d e l i n g 绪论 1 绪论 1 磺究的目的及意义 随赣黄河下游水沙条件的不断变化，河邀的边赛条件邑随之发生变化， 主槽严麓篓缩，泄洪能力目臻下降，防洪问题曰益突出。因此，研究和开 发新型的防洪工程材料和结构形式显得十分迫切而重要。 透东桩坝是河道是河道整治工程中的一释，它楚由数根混凝土缓柱或 钢管援桂按一定间隔丽构成昭一种河道整治工程。与黄河上通常的实体r 坝相比，透水桩坝的最大特点是具有透水性、基础埋深大、适宜于早地施 工等。从河道整治的角度m 发，提出该结构型式门里的设想就是期望利用 这些特点，能够通过透水缓溅落淤控制河势，并避免传统结构被动抢险的 太量擞石粒届蕊“1 。函丽，穗对于实体坝、垛工程丽言，透永拣坝佟为种 新结构型式的整治工程，近些年，在黄河河遂箍治中已被引起关注。为了 探索透水桩坝在黄河治理巾的应用前景和应用技术，通过物理模型试验， 应阁水力学等相关理论研究和探讨该工程的逑水落淤机理和导流效果，为 防洪治河提供理论依据。 同时，对于认识和攀攘。透承桩耱透承特性、落淤特性、迎溜送溜特 性、局部冲刷特性以及水流阻力特性具有积极的影响和推动作用。对于该 项技术的研究成果，一方面司为实际的生“ 一用应用提供理论依攒，完善 其搜划、设计技术，还可丰富黄河的防洪技术经验和提高黄河防洪的技术 承甲，确保黄河的长治久安。 1 2 研究的现状及存在问题 黄河上开展透水桩坝的现场试验研究始j 1 9 7 9 年，那时所照坝型主要 为透水桩丁坝。山东黄河河务岗首先在鄄城县苏洄庄险工修建了4 l 号、4 2 号两道镪筋混凝士透承靛丁坝。4 i 号埂长5 5 。i m ，东设营桩7 9 鬏，其中壤 前部l4 3 9 4 桩长2 。m ，每节管长4 m ，每根桩由5 节管组成；厝部4 0 4 7 9 4 两安理t 火学1 j 程硕+ 专业学位论文 桩长1 6 i i i ，簿根桩由4 节管组成。从运行情况器，这两道透水桩坝有一定的 挑溜和较好的缓流落淤作用，但倒椴断桩现象严重，如在1 9 8 2 年至1 9 8 5 年洪水中，4 l 号坝翻毒疰6 5 根，4 2 号坝倒桩3 3 校。河南黄河河务局在总结 苏涟庄透承桩坝经验的基础上，对逶承桩坝鹃平西布置和结构进行了改进， 于1 9 8 7 年在郑州花园口东大坝下延工程处修建了透水桩坝一道。该透水桩 坝的坝轴线沿治导线方向布设，工程跃度1 0 铀，布桩1 摄，桩经0 5 5 m ， 每掇穰长2 4 e 。桩顼离穰按造床浚i 羹5 。盈s 设计。 三 工程桥鼢方式蒋柱琰 联结起来。花园口透水桩坝采用透水率为5 0 和4 2 1 两种，用以比较工程 的运用效果。桩外经5 5 c m ，壁厚8 c m ，自上面下分为三节，长度分别为1 0 m 、 l 汹、4 m ，底中节为辫接，中、瑗节为螺栓连接。据统计，鑫1 9 8 8 年建成 以来，靠河机率在5 0 左右，经受了6 次5 0 0 0 m 3 s 以上洪峰流鬣的洪水考验， 没有出现倒桩和断桩现象，坝后缓溜落淤效果明姓。但是在驭型黄河上缺 乏详国的鼹潮资料，不能满足磷究商关透永拣窭琏豹透承、器流秘落淤等枫 理或特性的需要。 黄河水利科学研究院屈孟浩、划和清等学者曾分别在】9 8 2 年、1 9 8 圭# 对疆水桩丁颤陵繇开鼹过定臻和魂床的搂囊凌唆研究。“。主要探讨能西 利用透水桩坝缩窄宽河，达到控昏中水河槽的目的。同时，通过试验研究 在利用透水桩坝控寻中水河槽的基础上，再用低坝增加低水洞弯，使各河 弯深稽穗接，形成三级溺槽，以魏麓够减轻滔横淤积，增鸯n 河道的接洪熊 力的可行性。试验河段为艾山以下的大义屯至朱圈河段，河道长1 l k m 。透 水桩丁坝自大义屯至朱圈按治导线布设，在康口、周门前、望口山、朱圈 均在骧实体丁坝工稳鏊稳上增设或下延为透求援丁坝，同时，在大义屯、 康口对岸、湖溪渡增设了透水桩丁坝群。研究结粜表明，修建透水桩丁坝 以后，摊沙比有所增加，水位上升的速度有所减缓；小水时，坝后缓流落 淤成潍，中东时受到狰裁，滩面下降；在中、小承时，采用透承桩丁坝整 治河道，可以达到淤潍刷稽的醪的。该项研究为试图利用透水桩新坝型攘 治河道的设想提供了参考依据。但是该研究只考虑了中、枯水河道，且流 ， 鼍历时较短，最【丈的为l 0 0 ( ) m 3 s 级的2 6 个小时，巾水流量4 0 0 0 疗s 的只有 1 个多小时，再则，没有考虑洪水过程特况；另外，只拟定了一秘摭经为 l 拼、闻锺为l m 豹透永条 孛，两没有将透水率佟为一个试验羧素考虑；没有 详细磁测桩前冲利形态和过程；对_ 程的平面布镬也没有开展方案研究。 总的来讲，目前对透水桩坝的研究还不够系统和深入，有不少问题还 缺乏探讨。另外，无论是现场试验还是室内试验，以往研究的多为透水桩 r 坝，巅x 壹近年提出翳以单搏秘柱直接沿工程治导线布设联结丽戚的呈弧 线状貔透瘩桩坝更是缺少研究。隰丽，现有懿研究残巢还不能完全满足透 水桩坝在黄河河道整治巾进行推广应用的要求，有不少设训参数还缺乏科 学论证绒研究。尤其在黄河这类水流含沙量蒜河床冲淤变化大、河势摆动 剧烈、潍糟泥沙交换过程复杂的河流圣舞9 用遂水桩坝进行河道整治，必须 对透承槛坝豹承力特性、缭构形式、控导河势作用、缓滚落淤效聚等开震 深入系统地研究为工程的娥划设爿及管臻提供科学依据。 通过河工动床模型试验的方法对透水桩坝在黄河河道整治中的推广和 应用开展系统的基础研究，可以逐步达到和实现探索透水桩坝的导流作用、 不网遥水率妊竣的缓流落淤效聚、柱麴 的融承作用及坝翦冲坑形惑等强黔， 为黄河防洪翻河道治理提供搜术齄备。 3 研究的内容及方法 该项研究应用河工动床模型试验，应用水力学等相关理论，分析和研 究了其导流落淤效果及枫瑾= l 三要开展以下内容滟研究：1 ) 不同透水率璇坝 麴导流效鬃及坝霜潍岸冲淤形态：( 2 ) 刁i 嗣透水率桩坝的陋承特性及坝翦、 坝后水位差；( 3 ) 不同透水率桩坝的坝前冲刷坑形态及深度；导流落淤机理 的联论分析，包括坝 j 的水流流态、冲刷坑的形成、桩坝的阻阻水问题以 及桩坝厢滩面的缓流落淤等问题。 由予研究内容既涉及逐承桩埂灼整体导流效梁，又涉及其局部滚态和 冲剃，将分别运过焉豁模型稻整体模型对上述有关阀题开展相应研究。 西安理丁大学工程硕一i 专业学位论文 其中，整体模型试验主要用来研究不同透水率桩坝的导流效果及坝后 滩岸冲淤变化。局部模型试验则偏重于研究透水桩坝坝前冲刷坑形态、冲 深、桩坝前后水位差及有关水力学参数。 为尽量控制桩间隙可能因水流表面张力和边界层厚度影响，透水桩坝 的制作需进行必要的简化，简化模型桩与桩之间间隔不小于5 珊n 。简化的原 则是保证实际透水率不变，且使全坝各段透水率保持一致。 模型的模拟对象是拟建的黄河下游韦滩工程。透水桩坝的布置类型采用 单排桩柱护岸式，并按黄河现状治导线进行排列。桩坝的试验透水率拟定为 三种方案，即桩径为o 8 m ，净距为0 3 m ，透水率为2 7 ( 简称方案i ) ；桩 径为1 m ，净桩距为o 5m ，透7 k 率为3 3 ( 简称方案i i ) ；桩径为1 ，净桩 距为o7 5 m ，透水率为4 3 ( 简称方案i i i ) 。整恻试验模拟范围包括该弯段 下游的整个弯段。该河段上游有三官庙工程下游有大张庄工程，试验河段 总长约1 6 k m ，韦滩工程长约6 k m ，平面布置见图卜1 。 ! ! 窆型一! 查兰：! ：型些! ! 妻些堂垡堕垄一 匦啊忙阻舟魏箨群；量野嚣*缎一雕 试验设 千 2 试验设计 2 1 试验河段河道溅、冀 黄河下游三官庙至大张庄为透水桩坝熬体模型试验河段，中间的韦滩 工程布置为透水桩坝，其河段长度为1 6 k m ，蹲岸堤距5 。5 1 5 ) k 嘏，由于 溺道熬治工程还没有完成帮点，主流漩荡襁凌达5 5 k 臻，河势流路变化不 定，河遂心潍众多，河藤平均比降为l 。8 l 。该溜段海道的基本特征值见 表2 一l 。 表2 一l三官庙大张庄原型河道特征值 顼扫数镄备淀 河段长度 上= 1 6 k m 主措宽度 b = 1 2 0 0 m 按平潍流蟥5 0 0 0 m 3 坛考虑 平均水深口= 25 m 平均流速 y = 2 0 3 州s 瓣昧乎均毙降 l8 1 o 慧沙串羟 d 2 f ，0 1 5 0 1 2 5 m m 7 9 瓣傍澉辩 床沙中径 d 5 0 = o j o o 2 5 r n m 泥沙容重 ，。= 26 5 “m 3 主稽糙率 ”铷，o i o 0 y 0 1 5 潍拯髓享h = o 0 3 9 0 0 4 s 模型试验以拟修建的韦滩透水桩工程为研究对象，以该工程初步设计 方案作为制定试验方案及制模的基本依据。韦滩工程位予黄河下游九堡至大 张应河段，南岸在中牟县境内。工程上酋鼹丸堡f 延工程5 k m ，一f 酋距黑岗 口险j ：l o k m t 趣三富痿工程来滔，下送出滚至大张庄工程。该工稷 堕窒剖；! 二! 兰工黧 塑土p 、堂堡沦文 承担着控导丰流、稳定下游河势和护滩引水等方面的功能。韦滩工程初步 没诗总长s k 整治瀛鬃为5 0 m 3 s ，设魂+ 承位8 6 黥( 夫浩标蠢) ，桩顶商 程与设训水位利同，治导线弯道半径3 4 5 0 m ，弯道中心角为4 9 。( 表2 2 ) ， j 工程周罔滩面高程为8 4 6 8 5 2 m 。 表2 。2韦滩；玎段整沧工程治导线参数 j 寅瞒韦潍l = 程大张庄一1 程 直直 弯邀 直 弯蠛半径中心角 线 弯道半径串心角 线 中心角 线 段段 半径 段 见( m ) 尼) 矿( 。)机( 。) ( m ) 舟( m )尼( m )曲( o )庐，( 。)( m )斤( m )庐( 。)( m ) 2 4 ) o3 4 0 04 56 32 1 5 03 4 j o3 4 5 03 7 4 92 0 5 0 3 2 0 0 6 9 2 2 相似条件 由于试验河段宽浅、散、乱， 可凑冲淤变化大，困雨试验难度较太。根 据瑟爵承羁科学研究陵在黄河动瘴模堑嚣麟搏方蠢自多年舞究成果“t5 。“，考 虑试验水沙特点，取阕以下河工动床模型的相似条件开展模型设计。 水流重力相似条件 f a f2q h 水流m 力相似条件 五。：士五；，( 掣m 以 水流输沙能力相似条件 五q = 屯 对j ：器移质泥沙模型，上式变为缸= 五。南，l 玩。= 五。* 南，j l j ，= 五， ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) 试验设计 懋移质泥沙悬移相似条件 屯= 匆( 孕) 。7 5 噍 河床变形相似条件 剐予基移质泥沙模受，上式萤g 交为 九= 砉每 ； 滋沙起动及扬动摇叛条 孛 知= 知= 五， 河型相似条件 ( ! d 孙茸) m 兰 值2 7 3 lf 兰 兰玩m r 2 l 矿一 由予模型及豫型爨沙粒径较细 定怒移瘊涎沙粒径比尺为： 凡。恤 l ，2 l 一， ( 5 ) ( 6 ) ( 8 ) 般满足g ，g 。s t 。k e s 定律，爨两可磺 ( 1 0 ) 以上各式中，五为水平比足；五。为垂壹比尺：五，隽水滚滚遽比尺；以 为糙率比尺；五。为怒沙漉逮院尺；名。为水流输沙率比尺；气。为农流输沙 8 研安蝉工人学工程硕j 奶胪学位论文 能力比尺；以为水漉禽沙爨比尺；以为水流挟沙力比尺；丑为水流运动时 闽比尺；五，为泥涉扬动流速比尺；五。为河床冲淤变形时淘比尺：以为淤 积物二f 二容重比尺；以为泥沙起动流速比尺；咒，为水流运动粘滞性系数比尺； k 一，为泥沙与水的容篡差比尺；为床沙粒径比尺；以为悬沙粒径比尺； 嚣为造凑流量下河宽；嚣为造床流量下的乎均承澡；f 为 可庶比降；y 。、y 分剐为泥沙、水流容重：d ，。为床沙中值粒径：埘代表模型，p 代表原型。 此外，为保证模型与原型水流流态相似，还需满足如下两个限制条件： 1 ) 模型水流必须怒素漉，敬要求模餮承流雷诺数 ( 2 ) 模型水流运动q i 受表面张力二 ：扰，故模型水深应满足 2 3 主要比尺 l 。5 e m ( 1 2 ) 根据试验研究内容舱要求及场地条件，淑水平比尺五，= 3 6 0 ，由予原型 滔j 蔻宽深比较大，若穆模裂设 为正惫，刘j 舞设计弱模型承深较，l 、，将引 起一系列问题，直接影响试验成果的可靠性。根据大量的黄河动床模型试 验的实践经验，刘于河床冲淤变化大，水沙运动复杂的黄河游荡性河段而 吉，将模型做成变态的将更易于满足模型相似条件的要求。因此，我们取 变态模型进行试验研究。考虑到模型水溅豹深寝应滚是的表髓张力及试验 誊测懿要求，并藏模受交率限制等方瑟的瓣素经反复比较权循骺，取 扎= 6 0 ，其模祭几何变率d ，：3 6 0 6 0 = 6 。 要求。 一一避墼堕二一一 根据变率条件的论证。1 ，所选变率可以满足动床模型试验的变态限制 对于局部冲刷试验，根据试验任务及试验条件，采用正态模型，其几 何比尺选五，= 5 0 。 2 4 模型沙的选择 在动床河工模型试验中，模型沙特性对于正确模拟原型泥沙运动规律 具有重要作用。特别是本模型试验既要保证淤积相似，又要保证冲刷相似， 因此对模型沙的物理、化学等基本特性有更高的要求。根据长期的试验实 践，郑州热电厂粉煤灰的物理、化学性能较稳定，能够较好地满足黄河下 游河工动床模型冲淤相似及河型相似设计的要求。同时还具备造价低、宜 选配加工等特点。因此，该模型选用郑州热电厂粉煤灰作为本模型的模型 沙。此种粉煤灰的化学成份及土力学特性详见文献。1 。 依据式( 4 ) ，含沙量比尺可通过计算水流挟沙力比尺确定，经计算初步 选为2 o ，但最终还需结合验证或率定试验加以确定。 对于模型悬沙粒径比尺，根目联阱l 热电厂煤抛q 容重以= 2 1 t m 3 计算知 九= 妻篱= 1 2 6 ，九一，2 1 5 ，则根据式( 1 ) 、式( 5 ) 可得九2 2 0 2 。 依据试验进度时间安排，由原型及模型的水体温差分析结果，取旯。= o 7 1 8 则由式( 1 0 ) 即可推得九= o 9 8 3 。 关于时间比尺，一般来说，动床模型存在着两个比尺，即由水流连续 相似导出的水流运动时间比尺丑= ，以及由河床变形相似导出的河 床变形时间比尺丑，即公式( 7 ) 。若两者相差较大，会产生所谓的时间变 态问题。对于非恒定的原型状况，如果模型中出现过大的时间变态将难以 保证水力要素相似，进而还会影响泥沙运动的相似性，且河床冲淤变形也 堕窒型! 盔堂! 堡堡! 些堂焦堕蔓 难做到严格的相似。 众掰爝知，当模型月。褥吃尺确定后，水流时麓e 只五、即为定绞，对于 本模烈五，2 4 6 5 。丽河床冲淤变形时间比尺气还与泥沙千容重比尺a 。及含 沙量比尺旯。有关。根据郑州热电厂粉煤灰进行的沉积过程试验，测得模型 沙初期_ - 卜容重为o ，6 6 o 7 0 t m 3 ，取平均值为o 6 8 t 弛3 。对于本河段原型 混沙于枣霪可取1 4 t 1 1 ) 3 ，蠡l 诧可得氖= 2 。0 6 。由式( 7 ) 可班求褥河床变形 时问吃尺： 丑，：警。娑。兰：4 2 9 几“= 4 + 7 ( ) 。 五。乃 2 o7 t ”6 “ 可见，磊：与承流运动时闽比尺氏接近，这样，对子所要开震的动床模型试 验，可以避兔常遇到的两个时间比尺相差甚远所带来的时间变态闯题。 根据| 二述分析计算，可得模型设计主要比尺见表2 3 。 试验设计 表2 3 模型主要比尺汇总袭 毖冗数值依据 箍注 水孚比尺五， 3 6 0 试验鼯豹及场地条俸 垂直比尺如 6 0 依据水深和变率韵f 匣制要求 流速比尺五。 77 5 煎力相似条件 流量比尺如 1 6 7 3 1 3 x 2 = x v 乳h 入l 匕簿比足五， 0 1 7 氕j ：x h | x l 裢攀毙足五 o 8 l 阻力相议象俘 沉速比尺丸 2 0 2 悬涉运动相似条件 比重差比尺k 一， 1 5 0 模型沙为郑州热电厂粉煤灰 悬沙粒径比尺 09 8 悬移质粒径相似条件 v 暑= 2 ，1 0 床沙粒径比尺如 4 3 6 河型相 雌条件 起动流速e 足五 7 ? 5 起动褶议条件 翕沙量托足曩 2 。0 0 结台率定试验蕊 水流运动时闯比尺五、 4 6 ，5 0 水流运动时间榻议 河床变形对问比r 、 4 79 0 河床变形相似条件 2 。5 模型动力系统及测控方法 2 5 1 供水系统 横型供水系统主要由水库、水泵、输水管道、电磁流量计、调节阀、集 水池、退水渠等部分组成，详见图2 l 。 固2 _ 獯翌供示系缀雅蹿示意图 葺 两安理t 大学f 。程项。l + 协! k 学位沦文 2 5 2 供沙系统 供沙系统是浑水模型试验的重要组成部分，主要包括搅拌池、搅拌器、 泥浆泵、退沙管、调节阀、集浆池等，详见流程图2 2 。 2 5 3 测控方法 图2 2 模型供沙系统循环示意图 模型试验的供水系统是依据模型比尺计算所得实际流量，并按照电磁流 量计读数由调节阎调控确定。模型进口含沙量的控制，是在进口断面进行 取样，通过量测和比尺换算得到含沙量结果，控制的标准是原型与模型的 基本一致。 河势的观测主要是依据模型内布设的断面线，读取主流和水边位置，送 溜效果观测主要根据水流的流态变化，利用流速仪测取流速分布和流向的 变化( 浮标法等) 资料分析确定。尾门水位的控制是依据模型设计值逐级 调控，沿程水位由测针读取。流速的观测主要利用长江科学院研制的x 儿s2 型电导式旋桨直读式流速仪测量，浅水区通过跟踪法施测；地形测量主要 是在试验停水期间利用水准仪逐断面观测，局部地形也可靠测针观测。 2 6 模型验证 根据项曰专家论证会意见，为保证试验成果的可靠性，整体模型需进 圈南 竺一 字模一 叫 试验设计 行验证试验。但由于模拟河段较短，且距上游水文测站断面( 花园口断面) 太远，潮时，试验巍段内缺乏可以满足验证试验稼要静丽廉变形、水位交化 敲资辩，蕊此，进行实际意义上的验证试验具有缀大困难，蕊以，主要应以 水位率定为主。对于缺少的水位资料进行插补计算。另外，为补充验证试验 资料的不足和增加佐证依撼妃丽用数学模型对河段水位、冲淤变化进行了模 拟计算。 缀据磺究目的，骏 正试验的裙始边界条件袋雳l 9 4 年溺前地形，承 沙条件为1 9 9 4 年汛期一场洪水过程( 表2 4 ) 。出表2 4 可见，该次洪水过 程的来沙量相对偏高，最大来沙系数达到0 0 5 0 9 ( k g s ) m 6 ，除7 月9 日 1 0 曰两天外，目均来沙系数均达到o 0 2 8 9 ( 蚝s ) m 5 以上，总来沙量达 l ，1 7 4 5 亿t 。壤摄分褥，对于黄酒下游宽溺段，当来沙系数 s ，q 0 0 1 5 ( 瞻s ) m 8 霹滩槽均会发生淤积，由此可知，该次洪水为淤积性 的水沙过程。通过实测大断面资料计算，试骏河段自黑石至韦城，全汛期 淤积量约为o 1 4 6 亿m 3 。 表2 m 4验证试验水沙过程表 翻期漉麓“一汹 台涉量k m 3 )来沙系数f k g ，“m 6 ) 1 9 9 47 97 8 86 7oo 。0 0 5 1 9 9 77 1 04 1 0 03 2 40 ，0 0 7 9 9 9 4 7i l3 7 4 01 0 83o 0 2 8 9 1 9 9 47 。 22 8 啦! 4 0 5o 0 4 9 s 1 9 9 47 1 32 1 3 01 0 8 。5o 0 s 0 9 1 9 9 4 7 1 41 9 6 0 7 350 0 3 7 5 1 9 9 47 1 5 9 7 04 320 0 4 4 5 图争3 为各流量级1 f 模型与原型的对应沿穰水位，可以看出，在所列流 量级条件下，模型承霞与艨型实涮和数学攘型计算筮一致性较好，平均误 差为o 2 0 m ，最大误蓑为o 2 9 m ，这对于冲淤剃烈及水位变幅大的黄河下游 西安埋i 大学：程硕士专业学位论文 河道而苦，该模拟精度已能满足水位变化计算的要求，说明模型已撼本达 到了阻力捌似的要求。 根据数学模型计算结祭，该河段验证7 天滋水过后的淤积总量为o 0 2 3 亿m 、，由模型试验结果计算的冲淤量为o 0 2 0 亿m 3 ，可见，两者是接近的。 同时，从模型河床的冲淤演变趋势看，与原型大断面法计算结果相比，也 是基本一致的，即都是呈淤积状态。说明模型可基本满足河道冲淤变形楣 似的要求。 另外，根鼯涨【嚷薄峰期的河势圈来看其主漓变化符合黄河下游河道游 荡变化的特性表明模型可以反映黄河下游河道的游荡性。 8 3 5 0 8 3 o o 8 2 。5 0 8 6 5 0 含8 6 o o 毯8 5 秘 繁懿0 0 8 4 5 0 8 4 o o 8 3 5 0 8 3 d 0 8 也5 0 毒8 8 o o 霎8 s 5 0 8 。0 0 8 唾，翳 8 垂o o 8 3 5 0 8 3o o 试验设计 0毫 88i o1 21 41 8 越焦距( b ) o2461 0 1 2址t 6 起点照( 妇 o68 l o 图2 3 模型水位与原裂水位的比较 6 1 21 4 e 超点距( k m ) f ； 瓶 ：嚣 聪 鼬 0 缮甍 两东理堕! ! 程嘿生妻! ! 堂堡搀塞 2 7 边界条件 2 7 1 初始地形条件 透水桩坝整体物理模型试验所用溺道边界条件为1 9 9 8 年汛届遗形，由 于其流鼹聪离三宫唐秘韦潍工程，禳据委事卺部门建议，在试验中采取挖槽 措施将大河弓 至韦潍工程。挖槽线路粳据享敦定的水流与韦潍工程之间的入 流夹角确定，入流角拟定为1 5 。、3 0 。、6 0 。三个方案。 2 7 2 水沙条件 根据任务书要求及黄河东沙特点和韦滩工程设计的整治淡鬣，考虑小 浪底水库投入运碍以后调承调沙等方面情况，试验水沙条件采用如下三组 试验系列；流量为3 0 0 0 m 3 s ，含沙量取中常食沙量3 7 k g m 3 ，流缝历时取 为小浪底水文站棚应流摄级出现天数的多年平均值9 天；流量为 5 锄1 3 s ，含沙量取中鹭禽沙量3 7 k g 向3 ，流爨历时取为小浪底承文站相应 流鬟级出现天数的多年平均菹5 天；按不同流量级设计的球沙系列( 表 2 5 ) 。尾门水位按1 9 9 9 年黄河下游推算的水位流量关系，取内插后的大 张庄水位进行控制。 衰2 ，5不霹浚量级水涉系列疑橱应的尾门水位 廖原攀历愿塑含涉繁来沙系数尾| l 承越( m ) 原型流赫( m 。s ) 弓时( d ) ( k g m 。)( k g s ) m 。 ( 大张庄j f 。程) 】 5 1 0 0 0 3 0 o 0 3 0 8 3 ，6 7 233 0 0 04 0o o 38 4 1 l 325 0 5 0o 0 1 08 4 每o 4 33 0 4 0 0 o 3 8 4l l s51 0 0 03 000 3 08 3 ，6 7 试验设计 2 8 试验组次 零次试验拟定为3 令隽寨1 5 令试验缀次( 表2 6 ) 。 袭2 6不同透水率桩坝整体模型试验组次 试验 髓水率 试验 试验条件 方案 ( ) 组次 入流角( 。)原型流量( m 3 s )原型含沙量( k g m 3 )原型历时( d ) l3 03 0 9 03 79 23 05 0 0 03 75 l 2 736 03 0 0 03 7 9 46 05 0 0 03 75 51 5 第三组水沙系列，即表2 5 所列 1 8 6 3 03 0 0 03 了 9 73 05 0 3 75 i i3 38 6 03 0 0 03 79 96 05 0 0 03 75 1 01 5 第三组水沙系列，即表2 - 5 所列 1 8 1 13 03 0 0 03 79 1 2 3 05 0 0 03 7s 班 4 31 36 03 0 0 03 79 1 46 05 03 75 1 51 s 第三组水沙系列，即表2 5 所歹 1 8 8 、堕窭驾工冬堂三程霹j 丛。! ! 警何睦l 3 试验结果分析 3 1 导流效果 导流效聚是簿量河道工程整治整治效暴的重要 旨标，对予逶东性沟整 沿工程丽言是否具备嶷好的导流功效，蔻关系到工程能否实现燕治露鞠豹 关键技术问题。为此，在整体模型试验过程中，重点对工程段及其下游河 段的河势进行了观测，侧重分析了送溜长艘、出流河势、迎溜位嚣、透水 漫潍状汉等有关要素。 3 1 1 迎溜清况 试验结果表明，由于受设计升挖河槽所限( 模型上采用直接挖槽方法 确定来流方向) ，透水桩坝的靠河位置主要取决于工程的进流路条件，即 与入滚角有关，蕊与透永搴关系不大。不遭圈实体丁坝群整治工程相比， 其有一些鞠同的规律，躲入流角越太，工程纛溺位置越上移，等等。 根据河势图分析，工程的大溜顶冲位鼹与入流角也有关。由表3 1 可 见，随入流角增大，顶冲段有所上移，且各逐水率桩坝的顶冲段位茕基本 接近。在流量一定条传下，透隶率对顼、砷段位矍瓣影响不是太大。男辨， 由袭3 圣可见，在入瀛角一定条件下，虽然预冲段的位置与逡承率的大小关 系不大，但随流量增加，顶冲位锾则随之有所下搜( 图3 1 ) ，这与一般的实 体。r 坝的主流变化规律也是一致的。如限掘试验方案i ( 2 7 遘水率) 的试验 观测，髓蕾流量增大，在三个入漉角条件下，主流线均相应有所下挫。 试验结果分析 函瓤愆掰瓣刹辎鲢锻器鞯*燃 l _ n 飘 鞭黎*山000删擦毡接罐6岛讲*卿 袭3 1 3 0 0 0 m 流燕透水桩坝工程顶冲段范围 遁水率( )入漉角( 。)工程瑶冲段 3 0e s l 4 c s l 5 2 76 0 c s l 3 c s i 4 ，顼冲段匠约4 5 0 m 1 5 顶冲段不明冠，在c s l o 以下工程靠测 3 0c s l 4 c s l 5 3 36 0( 、s 1 4 上下 1 5 顶冲段习；孵礁，存c s l 。鞋下工程谍游 3 0 ( ：s l 上下，顶冲段长约4 5 0 m d 3e 0c s l 3 c s l 4 1 5 顼冲段不明髭，在e s l 0 以下工程靠涮 裘3 之3 0 。入流蘸不筒流量下王糕颓冲段位置 透水率( )流量( 1 s )工程硕冲段 3 0 0 0c s l 4 c s l 5 2 7 5 粥o e s l 5 - ：下，顼冲段长麴4 6 0 m 3 0c s l 4 e s l 5 3 0 5 0 0 0c s l 5i 一下，顶冲段艮约6 0 m 3 0 0 0 c ：= ：】4 上下 4 3 5 0 。oc s1 4 c s l 5 如当浚爨由3 0 m 3 ，s 上涨刘5 0 壤3 s 时，6 0 。的姣大下控长度约4 5 ：3 护 的下挫约1 0 0 m 左右；1 5 。的靠溜段也由c s l o c s i 】下移至c s l1 c s l 2 。另 如，刈j f 二遁水率为3 3 、入流角为6 0 。条件下，流燮由3 0 0 0 m 3 s 涨至5 0 0 0 m s 时，主流线下挫l o o 】8 0 m 。 在入流角定条伟f ，对j 二3 0 0 0 m 3 s 、5 ( ) m 。s 两流量级，隧流鳖历 时增拥，备透水率桩坝的麓溜位簧也均有所下挫。根据河势记录统汁 试验结栗分柝 ( 表3 3 ) ，从总体情况嚣，入流角较人时，在时段相近条件下，其f 挫距离 藏橱对较大。在同流量下，豢溜位置随历时增加两下挫的长短与透水率也 有定的趋势性关系，透承率越太，下拯长度有不同程度的减小。 由于1 5 。的入流角相对较小，所以，其入流条件下的工程顶冲段不太明 盥，从试验的总体情况看，工程的着溜靠河情况是较好的，在所有试验组 次条件f ，均未出现脱河、撇湾、入流不稳等现象。 表3 3不寓历时工稷簧溜位置下挫距离 逢术难( 篱)a 流角( 。)流量( s )对段( 天)下挫距离( m ) 3 03 0 0 0 2g2 2 8 2 7 6 05 0 0 0 1 63 6 5 6 03 0 0 0 3 62 2 8 3 00 0l03 0 0 3 3 6 05 0 0 0 2 34 6 0 3 03 0 0 03 67 2 3 05 0 0 05 o1 3 7 4 3 钓3 01 o2 3 0 6 05 0 0 02 2 7 0 3 1 2 送溜效果 送溜效果般可弼送溜长度及工程出溜海势爱缺。如果送潼长发较长， 出流平j | | 羹，下游对岸工程憋酒到位，刘送滔效莱就好。试验表嗡，不同透 水率桩坝的送溜效果均比较明显，基本上都可使主溜平顺送入下游对岸工 程。从：i 卜4 所列试验条件下工程的送溜长度来看，送溜长度基本上在2 2 0 0 3 5 0 0 m 之间，随透水率i 罄大，同流量同入流角条件下的送溜长稍商缩短。如 在嗣样滤量帮入流受条锋“f ，透永率4 3 静遴涮长凌范匿走为2 3 2 8 m ， 两透水率2 7 的刚为2 6 0 0 3 4 0 。m 。但总的米说，试验方案下的透水率对桩 两安理大学t 程倾十专业学位论文 坝送溜长度的影h 向并不是太大。 由表34 还可看出，在同一入流角条件下，随流量增加，送溜长度则 相廊增加，这与实体丁坝所反映出的规律也是一致的。例如，在入流角6 0 。 条件下，流量由3 0 0 0 i n 3 s 增至5 0 0 0 m 3 s 时，三种透水率桩坝的送溜长度都 有所增加，增加长度为3 0 0 8 0 0 m 。 表3 4不同试验条件下工程送溜长度 透水率( )入流角( 。)流量( m 3 s )送涮跃度( m )备注 3 0 0 03 2 0 0 3 0 5 0 0 03 4 0 0 3 0 0 0 2 7 0 0 2 76 0 5 0 0 03 0 0 0 3 0 0 02 6 0 0涨水期 1 5 5 0 0 03 0 0 0 洪峰期 3 0 0 03 0 0 0 3 0 5 0 0 03 5 0 0 3 0 0 02 5 0 0 3 36 0 5 0 0 03 0 0 0 3 0 0 02 2 0 0 涨水期 1 5 5 0 0 02 5 0 0 洪峰列 3 0 0 0 2 5 0 0 3 0 5 0 0 02 5 0 0 3 0 0 02 4 0 0 4 36 0 5 0 0 0 2 8 0 0 3 0 0 02 3 0 0 涨水期 1 5 5 0 0 02 5 0 0洪峰期 试验结果分析 试验还表明，随着过流历时延长和坝后滩地淤积不断发展，桩坝的送 溜长度则随之有所增加，尤其在坝后滩面心滩出露后，送溜长度增加较为 明显。如透水率为2 7 时，在3 0 0 0 m 3 s 流量下，根据三个入流角的试观测统 计，坝后滩地心滩出露后，坝的送溜长度都有增加，其增幅为l o o 4 0 0 m 。 增幅大小与入流角有关，3 0 。的可增加4 0 0 m ，6 0 0 的增加2 0 0 m ，1 5 0 的增加 1 0 0 m 。这就是说，随滩地淤