黄河包头河段泥沙模型设计

1、黄河包头河段泥沙模型设计            摘要：针对黄河泥沙多且变化大的特点,采用泥沙运动相似条件的最新研究成果,完成了黄河包头河段动床模型沙选择和比尺设计。利用原型实测资料进行的验证试验,表明模型小河较好地复演了原型河势、水沙运动规律及河床冲淤变形等。 关键词：泥沙模型 模型设计 黄河  1 模拟河段河道概况黄河包头段位于著名的河套地区。包头画匠营子河段位于包头市新市区略偏东处，距新市区约12km，在昭君坟和磴口之间（昭君坟水文站与磴口水文站相距约53km）

2、。试验河段包括包头黄河公路桥下游1800m，两桥间800m，铁路桥上游3200m，共计约6000m。对昭君坟水文站1934年以来的水文资料整理分析后，按中水3000m3/s的流量考虑，得到原型河段代表性资料如表1。表1 原型河道水流要素特征值Characteristic values of river flow in prototype项 目取 值项 目取 值河段长度L6000m河段比降i0.10.2河道宽度B1000m悬移质中径d500.028mm主河道平均宽度b400m河床床沙中径D500.18mm平均水深H4.5m最大流量Q1%6200m3/s平均流速   

3、 2007-04-23        V1.7m/s最小流量Qmin48m3/s河床糙率nb0.0150.020泥沙比重s2.652.70河滩糙率nt0.0200.030泥沙沉速0.22cm/s2 河流泥沙模型相似条件目前黄河动床模型相似律的研究较多14，并结合黄河包头河段的特性，采用下列相似比尺关系作为本模型设计的依据。重力相似V=h1/2 (1)阻力相似n=H 2/3/L 1/2(2)由水流连续方程,可分别得出流量及时间比尺关系式Q=VLH(3)t1=L/V(4)悬移质相似=V(H/L)3/4(5)对

4、于细沙河流,当悬沙粒径d<0.15mm时(原形悬沙均能满足这一些条件    2007-04-23        ),悬沙沉速用滞留区公式计算,由此得悬沙粒径比尺d=(V/s-)1/2(6) 底沙起动及扬动相似V=Vc=Vf(7)水流输沙率相似S=S*(8)河床冲淤变形相似t2=o2LH/Gs(9)对于悬沙模型,上式又可表示为t2=o/st1(10)河型相似(s-/D50H)1/3/iB2/3m(s-/D50H)1/3/iB2/3p(11)3 几何比尺及模型沙选

5、取3.1 几何比尺及模型变率根据试验河段平面范围及试验场地条件，选取水平比尺L =150。考虑到模型水流深度应满足表面张力及试验量测的要求，对模型几何变率前期的研究成果和模型沙特性等方面权衡后，取垂直比尺H=50，则几何变率Dt=3。采用张红武3提出的变态模型相对保证率的公式求得Dt5.6；利用张瑞瑾4提出的模型变态限制指标求得Dt6.9。验算结果表明本模型采用的变率在各家公式限制的范围之内,几何变态的影响有限，可以满足工程需要。    3.2 模型沙选取根据式(2)求得n=1.11(取R    2007-04-2

6、3        =H),因而模型糙率nm=0.0140.018,经比选后，决定采用经过专门加工处理的兰州煤厂精煤粉作为试验模型沙。该材料不仅比重小，而且密实度及凝聚力也较小(试验测得凝聚力C=0.018kg/m2,内摩擦角=35°，容重s=1.401.42kg/m3，干容重00.620.71kg/m3，含水量为60%，D50=0.030.05mm)，因而能保证模型河床的活动性，以适应原型河床冲淤变化幅度较大的特点。原型沙容重sp=2.662.70 kg/m3,干容重op=1.401.50kg/m3。模型

7、设计时,取模型沙sm=1.41kg/m3, om=0.67kg/m3；取原型沙sp=2.68 kg/m3,op=1.45 kg/m3。则s-=4.09o=2.16由式(5)得：=3.10；由式(6)得,d=0.78(根据对原型及模型水流的温差分析，取=0.8)。要求模型悬沙中径 d50=0.028/0.78=0.036mm。对模型底沙，为保证模型小河的综合稳定性与原型相近，需按照河型相似条件进行选择，即将原型及模型的有关数据代入式(11)，得模型床沙中径D50=0.042mm。所对应的床沙粒径比尺D=0.18/0.042=4.29。为检查底沙的糙率，选用D50=0.040.06mm的煤粉作为模

8、型沙进行预备试验，其动床河床糙率为0.0150.018，下限0.015为静平床糙率，上限0.018为河床出现沙纹后的动床糙率，故可满足阻力相似条件。为检查所选模型沙能否满足底沙起动及扬动相似条件，需分别确定模型沙及原型沙的起动流速和扬动流速。为此，采用煤粉进行了水槽试验，所得起动及扬动流速试验结果见表2。表2 模型沙起动流速试验结果The experiment result of threshold velocity of model sediment 速度V(m/s) 水深    2007-04-23  

9、0;     备注(cm)弱动普动扬动 24.506.009.58sm=1.401.4245.507.5012.40 66.508.5013.78d50=0.040.06mm87.209.2014.30  为确定原型底沙的起动流速，点绘了黄河磴口、昭君坟、巴彦高勒及三湖河口水位站资料和引黄渠道沙土不冲流速与含沙量野外资料的关系(见图1)，以分析不冲流速与含沙量的关系，曲线与纵轴的交点，即为清水时的不冲流速。一般认为清水时的不冲流速等于起动流速6，因而得到原型沙的起动流速Vcp=0.68m/s，相应水深范围内的模型沙起动流