呼图壁河动床模型设计

9.2　呼图壁河动床模型设计

9.2.1　验证区域

2002年对呼图壁河公路桥河段水流和地形资料进行测量，在该年的水文过程内，洪水流量较小，且主要集中于左岸通过。实测桥位河段地形资料表明，沿河宽方向的地形变化范围最远达到左起导流堤105 m处。而根据新疆宽浅变迁河流的水沙运动特性：只要有水流的地方，就会引起河床变形。2002年桥位河段的水流变化范围沿河宽方向未超过距导流堤105 m处。因而，本次选取D～E断面之间总长约450 m的河段、沿河宽方向为左岸导流堤起105 m内的区域作为呼图壁河动床模型验证河段，如图9.1中的阴影部分。

9.2.2　相似比尺计算

1）几何比尺

为了能模拟出呼图壁河公路桥河段宽浅河床的变迁特性，该河段的动床模型设计为正态模型。根据2002年7—9月呼图壁河公路桥河段宽浅河床的变迁范围，可确定出几何比尺为15，即：

平面比尺：λ_L＝15。

垂直比尺：λ_H＝15。

2）水流运动相似

重力相似：λ_V＝＝3.87。

图9.1　模型验证部位

定床阻力相似：λ_n1＝＝1.57。

动床阻力相似：λ_n2＝＝1.57。

流量比尺：λ_Q＝＝871。

水流时间比尺：λ_tw＝＝3.87。

表面张力影响：实测呼图壁推移质运动时的最小水深为30 cm，则模型最小水深H_min＝30 cm/15＝2 cm＞1.5 cm，满足规范中不受表面张力影响的要求。

紊流区要求：以原型呼图壁河的最小水深H＝30 cm，比降J＝1%，中值粒径D₅₀＝17 mm，水流黏性系数υ＝1.0×10^-6计算，则雷诺数为：

Re_p＝VH/υ＝0.087＝5.49×10⁵＞2 000，原型水流为紊流，说明原型水流处于阻力平方区要求。

＝6 000＞2 000，模型水流为紊流，满足模型水流处于阻力平方区要求。

3）泥沙起动相似

为保证模型与原型的泥沙颗粒活动性相似，要求泥沙起动现象相似。泥沙起动一般有2种表达方式：一种是用起动流速，一种是用临界拖曳力。根据大量的泥沙起动试验数据，得出大比降粗颗粒泥沙起动流速公式，见式（6.26）。

由于相对光滑度较小的河流不宜选用轻质沙。本次呼图壁河模型沙选用天然沙，即：λ_{（γs-γ）/γ}＝1。

根据无量纲临界起动拖曳力公式，可导出粒径比尺为：

λ_D＝λ_H/（λ_{（γs-γ）/γ}λ_Fr＝λ_H＝15

推移质输沙的相似条件，可以从推移质输沙率公式导出。

根据Ackres＆White推移质公式的推导原理，结合变坡水槽试验数据，得出适合内流河宽浅变迁河段输沙率公式，见式（7.19）。

可得输沙率比尺：

输沙率比尺随水流强度而变。水流强度，即输沙率比尺随单宽流量的变化而变化，在模型设计时，可将流量过程分级，分别求得各级流量下的推移质输沙率比尺。

当水流强度很大，输沙率强度很大时，可以考虑在比尺（Θ-0.0275Fr）₁^.₂₅中忽略0.029FrF（β），这种情况下输沙率比尺为：

对于粗沙，从沉速公式，可得沉速比尺为：

则输沙率比尺为：

动床模型试验的最终目的，是要达到河床变形相似，即河床冲淤变化相似。河床变形相似包括推移质和悬移质河床变形相似。

4）河床变形相似

模型设计时，在选定模型沙，根据推移质运动的相似确定出各相似比尺后，欲达到河床变形的相似，问题就归结为推求河床冲淤变形时间比尺。

根据输沙量连续原则，可得河床输沙平衡方程式，也称为河床变形方程式：

式中　Q_s——断面输沙率，且以体积计（包含空隙率）；

　B——河床宽度；

　G——推移质单宽输沙率；

　γ_s′——泥沙干容重；

　x——沿水流方向的河段长度；

　Z——河床高程；

　t_G——冲淤变化时间。

根据模型相似律以及新疆宽浅变迁河流的定床阻力、动床阻力、无量纲起动拖曳力公式和输沙率公式^[6]，分别计算出其他各项相似比尺，见表9.1。

表9.1　呼图壁河动床模型设计相似比尺

9.2.3　试验布置

动床模型的范围为30 m×7 m。进口段经过7次调整，确定为宽顶堰式入口，地形横向水平，纵向坡度为1%，长度为3 m，人工加沙。试验段铺制20 cm厚的模型沙。出口段采用自由出流方法，淤积地形自动调整水位。根据实测呼图壁河洪水流量过程将流量过程进行概化，共12级流量。

9.2.4　流量过程的概化

为真实反映呼图壁河验证区域地形与实际的相似性，必须保证来水过程与原型的相似。试验根据2002年7—8月呼图壁河洪水流量过程进行概化，如图9.2所示。试验中流量过程由重庆交通大学研制开发的电子流量自控系统进行控制。

图9.2　呼图壁河典型洪水流量过程及其概化