高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的測算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明涉及一種水工數(shù)學(xué)模型應(yīng)用方法，特別涉及一種高含沙水流作用下，利用 水工數(shù)學(xué)模型測算河道沉積塊起動流速的方法，其IPC國際專利分類號E02B1/00, E02B 1/02,屬于水利領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】：
[0002] 起動流速相關(guān)研宄多集中于河道泥沙研宄方面，國內(nèi)外學(xué)者通過多年的研宄，已 經(jīng)提出了多個泥沙起動流速測算方法和計算公式。但泥沙在膠結(jié)之前的運動規(guī)律不同 于膠結(jié)成塊之后，物理狀態(tài)和受力情況發(fā)生較大改變，因此，現(xiàn)有的泥沙起動流速公式不 能應(yīng)用到河道沉積塊上。近年來，國內(nèi)一些學(xué)者專門針對河道沉積塊（膠泥塊）的進行 了相關(guān)研宄，并獲得了多個國家專利，如CN101713175B、CN102605738B、CN103422460B和 CN103422461B等，這些研宄結(jié)果發(fā)現(xiàn)，河床淤積物層理結(jié)構(gòu)中膠泥層（塊）的存在為"揭河 底"發(fā)生提供了必要的前期條件，而高含沙洪水期水流作用于膠泥塊引起上下表面脈動壓 力波傳播速度不同形成瞬時上舉力，是發(fā)生"揭河底"現(xiàn)象的直接原因，并建立了揭河底現(xiàn) 象發(fā)生的臨界判別指標(biāo)，但對沉積塊（膠泥塊）的起動流速還沒有提出解析解或者理論計 算方法。
[0003] 由于每個河段淤積的泥沙的粒徑級配、化學(xué)成分不同，導(dǎo)致河道沉積塊的物理性 質(zhì)存在差異，使得沉積塊的啟動流速在各個河段上也存在較大差異。但是，現(xiàn)有的關(guān)于河道 沉積塊的研宄中，并沒有考慮到沉積塊本身的物理性質(zhì)這一影響因素，缺乏一種根據(jù)實測 數(shù)據(jù)直接計算高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的計算方法。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種采用實驗方法獲得河道特性及河道沉積塊物理及力 學(xué)參數(shù)相關(guān)數(shù)據(jù)后，用于確定高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的測算方法。
[0005] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案。
[0006] 高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的測算方法，包括以下步驟：
[0007] (一）建立高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的數(shù)學(xué)模型：
[0008] Ffflax+Ff-G-Fs= 0 (1)
【主權(quán)項】
1.高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的測算方法，包括w下步驟： (一） 建立高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的數(shù)學(xué)模型：
式中；Fm。,為高含沙水流作用下沉積塊起動時的最大脈動上舉力；Ff為沉積塊受到的浮 力；Fs為沉積塊受到的剪斷力；G為沉積塊重力；丫m為渾水容重；d、h分別為沉積塊的直徑 與高；丫S為沉積塊的濕容重J為河道比降；K為河道沉積塊起動臨界系數(shù)；VS為沉積塊起 動時的水流速度；g為重力加速度；C為沉積塊±體粘聚力；(1)為沉積塊±體內(nèi)摩擦角； (二） 選取"揭河底"現(xiàn)象易發(fā)的河段作為試驗河段，應(yīng)當(dāng)選取河道比降J和沉積塊物 理性質(zhì)相似的河段作為一個單元試驗河段，每個試驗河段根據(jù)河道比降J和沉積塊物理性 質(zhì)的不同，可W分成一個或多個單元試驗河段；在每個單元試驗河段的河道布置視頻監(jiān)控 設(shè)備和流速測定儀； (=)通過試驗或現(xiàn)場實測獲得如下參數(shù)：河道沉積塊的形狀參數(shù)、沉積塊的濕容重 丫 ,、沉積塊的強度參數(shù)、渾水容重丫m和河道比降J;方法如下：
1. 河道沉積塊的形狀參數(shù)；沉積塊的高度h和直徑d 根據(jù)河道沉積塊的高度和面積，將每個河段的沉積塊分為多個類別，選取其中數(shù)量最 多的一類沉積塊作為試驗沉積塊；測量從現(xiàn)場獲得的試驗沉積塊，得到所有塊體的高度，采 用取平均值或中值的方法確定試驗沉積塊的高度h;測量每個試驗沉積塊的周長以并采用 等效周長法確定每個沉積塊的直徑，然后采用取平均值或中值的方法確定試驗沉積塊直徑 d；
2. 進行室內(nèi)±工試驗確定沉積塊的濕容重丫，；
3. 進行室內(nèi)±工試驗確定河道沉積塊強度參數(shù)；±體粘聚力〇和±體內(nèi)摩擦角4 ;
4. 提取發(fā)生沉積塊起動時的水樣，測量水樣的渾水容重丫m;
5. 通過現(xiàn)場實測或參考河流地形資料確定河道比降J; (四） 實測河道內(nèi)試驗沉積塊的實際起動流速V,。 利用視頻監(jiān)控設(shè)備和流速測定儀，測定所述試驗沉積塊實際起動流速V,。，（測定3~5 次），計算其平均值 (五） 確定河道沉積塊起動臨界系數(shù)K: 將步驟（=)得到的各項參數(shù)和步驟（四）得到的實際起動流速平均值代入步驟 (一）的數(shù)學(xué)模型中，聯(lián)立求解，得到河道沉積塊起動臨界系數(shù)K; (六） 將步驟（五）得到河道沉積塊起動臨界系數(shù)K代入步驟（一）的數(shù)學(xué)模型中，聯(lián) 立求解，即得到該單元試驗河段或類似河段的河道沉積塊起動臨界流速測算公式： (15) (走）重復(fù)步驟（二）~（六六六六），即可得到全河段的河道沉積塊起動臨界流速測 算公式；將待測算的沉積塊的高度h和直徑t濕容重丫 ,、沉積塊±體內(nèi)摩擦角4及±體 粘聚力C、渾水容重丫m和河道比降J代入公式（15)，計算得到沉積塊起動臨界流速Vs。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種水工數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用方法，特別涉及一種高含沙水流作用下，利用水工數(shù)學(xué)模型測算河道沉積塊起動流速的方法，屬于水利領(lǐng)域。本發(fā)明提供的高含沙水流作用下河道沉積塊起動流速的測算方法，在建立數(shù)學(xué)模型時，引入了代表沉積塊本身物理特性的參數(shù)，并結(jié)合待測算河段的試驗及實測數(shù)據(jù)計算河道沉積塊起動臨界系數(shù)，能夠更真實地反映沉積塊起動時的受力情況，準(zhǔn)確測算不同大小的沉積塊的起動流速。
【IPC分類】E02B1-02
【公開號】CN104846772
【申請?zhí)枴緾N201510260413
【發(fā)明人】張慧, 范北林, 朱勇輝, 岳紅艷, 李會云, 甘孝清, 劉心愿, 張文二
【申請人】長江水利委員會長江科學(xué)院
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月20日