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河工动床模型试验的含沙量比尺

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第3章 河工模型试验

第3章 河工模型试验

由此求得模型糙率为： 由此求得模型糙率为： 上游： 上游： 下游： 下游：
nm = 0.0232 ~ 0.0371 nm = 0.0107 ~ 0.0186
坝下游来说，采用水泥沙浆粉面； 坝下游来说，采用水泥沙浆粉面；坝上游采用水泥 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方， 沙浆粉面加适当打毛。在基岩出露的局部地方，进行小 范围的梅花加糙。 范围的梅花加糙。
12
3.2 变态定床河工模型
采用变态河工模型的原因
实验场地的限制 水流条件的限制 模型沙选择的限制 实验量测精度和时间的限制
13
3.2 变态定床河工模型
相似条件
满足重力相似
流速比尺：λu = λ 流速比尺：
1/ 2 h
λQ = λl λ3 / 2 h 流量比尺： 流量比尺：
λ n = λ l1 2 λ h− 2 3 重力相似和阻力相似同时满足： 重力相似和阻力相似同时满足：
h uc = k d
y
γs −γ gd γ
γ s――泥沙、水的容重； , γ 泥沙 水的容重； 泥沙、
――泥沙粒径 d 泥沙粒径 得起动流速比尺
λu
c
1 λh 1 2 2 λγ s −γ λd = λu = λ d γ
y
23
推移质运动的相似条件
输沙条件相似
由窦国仁推移质输沙率公式 式中： 式中：
k0 γ s u3 (u − uc′ ) gb = 2 C0 γ s − γ gω
γ
′ 止动流速 u――止动流速，一般取 止动流速， c
g b ――单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率； 单宽推移质输沙率 k――综合系数，对于全部底沙取为0.1； 综合系数， 0.1； 综合系数 对于全部底沙取为0.1 0

长江澄通河段横港沙演变规律及整治效果预测

长江澄通河段横港沙演变规律及整治效果预测

了定 床 和 动 床 试 验 研 究 。 结 果 表 明 ， 工程 实施 后 ， 涨 潮 水 流 的 障碍 作 用 明显 ， 落 潮 水 流 影 响较 小 ， 响 主 对 对 影
要 限 于 工 程 附近 水 域 ， 工程 的 实施 有 利 于 整 体 河 势 的 稳 定 。 研 究 成 果 为 该 河 段 的 综 合 整 治 提 供 了技 术 支 且
此 ， 合南 通 市对 土 地 资 源 、 水 岸 结 深 线 资源 的迫切 需求 ， 出 了横港 沙整 提 治 的工程 方案 。
１ 工 程 河 段 概 况
福 姜 沙 汊 道 为稳 定 性 较 好 的双
分汊河 道 。如 皋 沙 群 段 为 多 分 汊 河
道 ， 道 内 沙 洲 罗 列 ， 流 分 散 。如 河 水
２ 横港沙及其附 近河 段近期演变概况
２ １ 水 动 力及 深 泓 线 近 期 变 化 ．
２ ０世纪 ９ ０年 代 以 后 ， 皋 中 汉 分 流 比长 期 维 持 如 在 ３ ％ 左 右 ， 海 沙水 道 分 流 比维持 在 ７ ％ 左 右 ， ０ 浏 ０ 天 生港 水道 落潮 分 流 比基 本 稳 定在 １ 左 右 。各 汊道 分 ％
ｍ， 大潮 差 ４ １ 最小 潮差 为 ０ Ｏ 最 ．０ ｍ， ． ０ｍ。
体淤 涨 发 育 ， 山沙 主要 表 现 为淤 涨 下 移 、 狼 西偏 ，９ ２ １９ 年 以后通 州沙 沙体 平 面形态 、 度总 体变 化不 大 ， 山 高 狼 沙 主要表 现为 缓慢 西偏 下移 状态 ， 处于 不稳 定状 态 。 仍
恶 化和东 水 道进 口主流 顶 冲 点 的变 化 ， 稳 定 河 势 的角 度 考 虑 ， 要 在 从 需
离南岸 过 渡到南 通 姚 港 至任 港 一 带 ， 流 紧 贴左 岸 顺 主 通州 沙东 水道 下泄 （ 图 １ 。浏 海沙水 道 下段 左侧 横 见 ） 港沙低 潮 位局部 露 滩 、 潮 位 淹 浸 于水 下 。北 侧 天 生 高 港水道 内涨 潮 动力 大于落 潮 动力 。九圩 港 以下为 天生 港水道 下段 ， 岸 为 固定 边 界 ， 侧 为横 港 沙 边 滩 ， 左 右 该

滦河迁西县城段河工模型试验的模型沙设计

滦河迁西县城段河工模型试验的模型沙设计
ｌｗ， ｅ ｍ ｏ ｌｓｎｄｄ ｓｇ ｓａ ｏ ｅ ． ａ ａ ｎ ｗ ｄｅ ａ ｅ ｉｎ ｉ ｄ ｐｔｄ Ｔｈｅｎ ｗ ｅ ｉｎ，ｗｈｃ ｅ ｔ ｈ ｏ ｄｔｏ ｓｉｃｕ ｉｇｔ ｅｓｍ ｉ ｒｔｅ ｆｉ ｉｉｎｔａ ｄ ｒｖ ｒｂｅ ｌｏ — ｅ ｄ ｓｇ ｉｈｍ ｅｓｔ ｅｃ ｎ ｉｉｎ ｎ ｌｄｎ ｈ ｉ ｌ ｉ ｓｏ ｎｃｐｅ ｎ ｉｅ ｄ ｍａｆ ｒ ａ ｉ ｍａｉｎ， ｅｓｍｏ ｅ ａ ｄ ａ ｃ ｒ ｉｇｔ ｈ ｅ ｅ ｔｏ ｏ ｇ ｎ ｓ ｏｅｆ ｉｎ ｉ ｕａｉｎａ ｄｔ ｒ ｕ ｈ ｆｕ ｈｎ ｎ ｒｎ ｉｇａ ｄｃ ｌｕａｉｇ ｔ ｒ ｐ ｒ ｔ ｏ ｇ ｔ ｄ ｌｓｎ ｃ ｏ ｄｎ ｏｔ ｅｒｑｕ ｓ ｆｒ ｕ ｈ ｅ ｓｃ ｆｉ ｅ ｔｓｍ ｌｔｏ ｎ ｈ ｏ ｇ ｌ ｓ ｉｇａ ｄｇ ｉｄｎ ｎ ａｃ ｌｔ ｈｅｐ ｏ ｏ — ｃ ｎ ｔ ｎ Ｏ ａ ｌ ａ ｄ ｗｉ ｔ ｅ ａｉｓｍｅｈ ｄ ａ ｄ ｏ ｔｍｕ ｐ ｏ ｒｍｍ ｉｇ Ａｃｏ ｄｎ ｏ ｔ ｅｔｏ ｇ ｎ ｉｉｎ ｅｔａ ｄ ｔ ｅｐ ｓｃ ｌ ｄ ｌ ｅ ｔ ｔ ｉ ｆｓ ｍｐｅｓ ｎ ｔ ｍａ ｈ ｍ ｔｃ ｔ ｏ ｎ ｐ ｉ ｍ ｒ ｇ ａ ｏ ｈ ｎ ． ｃ ｒ ｉｇ ｔ ｈ ｒ ｕ ｈ ｉｃｐｅ ｔｔｓ ｎ ｈ ｈｙ ｉａ ｍｏ ｅ ｓ，ｈｅ ｔ
ＹＩ Ｊａ ｉ ＣＨＥＮＧ ｕ ｑ ｎ ， Ｎ ｉｎ ｍｅ 。 Ｗ — ｕ ＹＡＮ ｉ Ｓ Ｌｅ ， ＨＥＮＧ —ｉ Ｗ Ｕ ａ — ｉｇ Ｍ ＥＮＧ ａ ， ＡＮＧ ｉ— ｕ。 Ｌｉ ， ｌ Ｘｉｎ ｂｎ ， Ｘｉｏ Ｗ Ｊｎ ｇ ｉ，
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动床模型泥沙运动相似问题_乐培九

动床模型泥沙运动相似问题_乐培九

动床模型泥沙运动相似问题乐培九(交通部天津水运工程科学研究所,天津300456)摘 要:根据阻力相似要求,导出泥沙运动相似比尺,如床沙起动粒径比尺,悬沙粒径比尺,推移质输沙率比尺和悬移质含沙量比尺等。

使得用起动流速和起动拖曳力来演绎的上述比尺异途同归,得到统一。

指出阻力相似是泥沙运动相似的必要条件,动床模型因加减糙困难,阻力相似与弗氏数相似一般难以同时满足,弗氏数相似适当偏离是不可避免的。

关键词:泥沙模型;阻力相似;粒径比尺;模型变率中图分类号:TV142 文献标识码:A 文章编号:1005-8443(2005)01-0001-05收稿日期:2004-09-10作者简介:乐培九(1937-),男,安徽省无为县人,研究员,1962年毕业于武汉水电学院,主要从事港航泥沙研究。

泥沙运动相似是以水流运动相似为前提。

水流运动相似有两个基本条件:一是惯性力重力比相似条件,简称弗氏数相似;另一是惯性力阻力比相似条件,简称阻力相似。

由这两个条件所得的流速比尺常常不能统一,定床模型可通过加、减糙使其统一;动床模型由于模型砂粒径受泥沙运动相似条件制约,一旦确定,阻力大小也就随之确定,减糙不可能,加糙不仅影响河底紊动结构,而且还影响床沙可动数量,使推移质和悬移质运动都不能与原型相似,因此,动床模型不宜加糙。

阻力偏离,使模型流速增大或减小,相应同流量水深会减小或增大,同时弗氏数相似也发生偏离。

通过调节流量比尺,增、减模型流量,不仅可以满足阻力相似要求,而且也可使弗氏数相似偏离程度减弱。

水流阻力反映水流对河床作用力的大小,决定着泥沙运动的强度,保证泥沙运动相似阻力相似应是主要的,决定性的,理应遵守。

前人根据弗氏数相似原则,得到的起动流速相似条件和其他一些泥沙运动相似条件,通常偏离阻力相似,与起动拖曳力相似条件所得结果不一致。

笔者在文献[1],[2]和[3]中虽已注意到这个问题,引入了阻力相似概念,但在公式演绎过程中仍然没有摆脱弗氏数相似条件的影响,这里亦代作更正。

临汾市城区汾河段蓄水工程物理模型的设计方法

临汾市城区汾河段蓄水工程物理模型的设计方法

问题 ， 产生 不可 忽视 的缩 尺效应 ， 接影响试验 成果 的可靠 直
性， 因此需采取变态模 型进行试验研究 ， Ａ － ０ 即变率 ｅ 取 ｎ６ ， ＝
Ａ ／Ｈ３相 应 其 他 有 关 物 理 量 的 比 尺为 ： ＬＡ ＝ ，
流 速 比尺 Ａ ＝ Ｈ” ．５ Ａ ７７
ｍ ／，全河道过水能力按 原标准 ５ ３ ｓ ０年一 遇洪水标准设计 ， 洪
沙 。清徐精煤比重 。 １ ， ． 天然 沙的比重 ： ．５ 因而 ： ＝４ ２ ， ６
比重 比尺 Ａ ／ ＝ ． ／． １８ ＝ ｙ ２６ １ ５ ４＝ ．９
试验结果表 明上述设计是可行的 ， 模型 中的水流平顺 、 稳 定， 河床冲淤 基本平衡 ， 该工程整治后 ， 不但不会影响河道过 流能力 ， 而会使其过流能力增大。通过试验可以看出河道 反 进 出口体型设计合理， 泄洪时水流均 比较平顺， 没有出现 回流 和折冲现象， 也无严重的水流集中和波动。从冲淤地形看 ， 在 橡胶坝及 中隔墙 上 、 下游的头部 冲刷 比较严重 ， 应采取必要
∞ 舳 ∞ ∞ 加 ０
临汾 市 城 区汾 河 段 蓄 水 工 程 物 理 模 型 的设 计 方 法
赵 晋 侯 佩 瑾
（ 山西 省 水 利 水 电科 学 研 究 院 太 原 ０ ０ ０ ） ３０ ２ 摘 要 ： 绍 临 汾 市城 区汾 河段 闸坝 蓄水 工程 河 道 动 床 模 型 试验 设 计 方 法 ， 究 了 变 态动 床 介 研
应该采用同一种模 型沙 ，选择一种既符合悬沙运动相似 ， 又
符合床沙运动相似的材料做为模型沙。动床模型试验主要研 究治理段河道行洪期河床变化 ， 首先应保证河床冲淤变形 故 相似 ， 要求 满足床沙 的起 动相似 、 挟沙能力相似及 泥沙粒径

天池抽水蓄能电站上、下水库整体动床泥沙模型的设计与验证

天池抽水蓄能电站上、下水库整体动床泥沙模型的设计与验证

天池抽水蓄能电站上、下水库整体动床泥沙模型的设计与验证张国良;孙东坡;胡祥伟;张羽;张兵【摘要】抽水蓄能电站上、下水库联合运用时,库区及电站进、出水口附近的水流与泥沙淤积规律十分复杂,通常要进行泥沙模型试验研究.针对天池抽水蓄能电站,进行了上、下水库整体动床模型设计,分析确定了满足水流泥沙运动相似与河床变形相似的控制比尺;根据相应比尺确定了模型沙的种类和粒径,并进行了预备试验.利用专门设计的双向管、泵系统,实现了可以进行抽水蓄能和发电两种运行工况的上、下水库连接段的模拟;设计采用VDMS流场实时监测系统对库区与进出、水口的流速及流态进行精细观测.验证试验表明,整体模型的设计、制作满足模拟库区的水流泥沙运动相似与河床变形相似的要求,设计方法可为类似的整体泥沙模型设计提供参考和借鉴.【期刊名称】《华北水利水电学院学报》【年(卷),期】2017(038)003【总页数】6页(P70-75)【关键词】抽水蓄能电站;动床模型;相似比尺;连接段;模型验证【作者】张国良;孙东坡;胡祥伟;张羽;张兵【作者单位】河南天池抽水蓄能有限公司,河南南阳 473000;华北水利水电大学,河南郑州 450045;河南天池抽水蓄能有限公司,河南南阳 473000;华北水利水电大学,河南郑州 450045;郑州澍青医学高等专科学校,河南郑州 450011【正文语种】中文【中图分类】TV147相对常规水电站,抽水蓄能电站水库的库容较小,且上、下水库间循环抽、放水运行。

如果抽水蓄能电站所在河段的汛期洪水的泥沙含量较高，将会造成水库库容的损失和电站机电设备的磨蚀。

因此,对抽水蓄能电站水库泥沙问题的研究很有必要[1]。

目前主要的研究手段是动床泥沙模型试验,而上、下水库整体模型的设计与验证是这类河流模拟试验的关键技术。

本文以天池抽水蓄能电站为例，探讨上、下水库整体动床泥沙模型设计与验证的相关技术问题。

1.1 河道及水文状况天池抽水蓄能电站所在的黄鸭河流域地处石山林区,山高坡陡,植被良好,受人类活动影响较小,上、下库位置如图1所示。

河工模型实习报告

河工模型实习报告班级：2010级港航一班姓名：__________学号：_____________指导老师：____________二。

一四年六月一实习目的及模型背景 (1)1.1实习的目的和意义 (1)1.2武桥水道物理模型背景 (1)1.2.1模型简介及模型范围 (1)1.2.2河段概况 (1)1.2.3航道问题及整治现状 (2)二模型设计 (3)2.1导墙确定及断面划分 (3)2.2基本原理及约束条件 (3)2.3比尺确定...................................................... .4 2.4模型选沙 (4)三模型制作 (5)3.1内业工作一一断面数据读取 (5)3.2导线放样及模板架设............................................ .6 3.3模型塑造 (6)四模型测控系统.......................................... .74.1控制系统 (7)4.1.1流量控制系统 (7)4.1.2出口水位控制系统 (7)4.2测量手段 (7)4.2.1水位计 (7)4.2.2流速测量 (7)五流速验证 (9)六实习总结............................................. .14实习目的及模型背景1.1实习的目的和意义本次实习内容为定床河工模型设计、制作及验证试验。

通过模拟河段范围及断面的划分、各比尺的确定、断面的读取、模板的架设及模型验证等步骤，初步掌握河工模型设计、制作及试验的基本原理、方法和主要工作流程；了解河工模型试验系统及各附属设备的主要功用。

1.2武桥水道物理模型背景1.2.1模型简介及模型范围模型的范围上起蛤蟆矶，下迄武汉长江二桥，全长约21km。

模型的动床范围上起白沙洲大桥上游，下到汉江河口止，动床范围约10km。

动床河工模型主要研究航道整治工程实施以后汉阳边滩及附近河床的冲淤变化以及局部河势变化，同时还要反映鹦鹉洲长江大桥、杨泗港大桥的影响。

芦家河河段全沙动床模型模型沙的选择

面向二十一世纪的泥沙研究 成都 2000330芦家河河段全沙动床模型模型沙的选择1陈立 崔承章 谢葆玲（武汉水利电力大学 武汉 430072）摘 要 芦家河河段为卵石夹沙河床，河床组成包括卵石推移质、沙质推移质及床沙质，因此在进行全沙动床模型的设计时必须模拟推移质及悬移质泥沙。

模型沙的选择应该同时考虑沉降相似、起动相似。

芦家河河段床沙质粒径范围为0.05mm~0.5mm ，满足沉降相似和起动相似的模型沙只能选塑料沙；原型卵石的粒径范围为10mm~200mm ，满足起动相似、并且能够与床沙质模型沙粒径衔接的模型沙则须选择山西煤或者株洲煤。

即悬移质泥沙与推移质泥沙只能用两种模型沙。

关键词 卵石推移质 沙质推移质 沉降相似 起动相似 选沙 动床模型1 芦家河河段河床组成特征芦家河河段位于三峡下游120km 、葛洲坝水利枢纽下游约80km 处，属于低山丘陵区河流向平原型河流转化的过渡型河段。

芦家河河段床面主要由沙、卵石组成，是典型的卵石夹沙河床。

芦家河河段床面沙质淤积物的中值粒径范围在0.14mm~0.52mm 之间，0.1mm 以上的颗粒应占全部沙重的90%以上，来自悬移质中的床沙质和沙质推移质。

统计资料分析表明：宜昌水文断面的多年平均输沙量为5.26亿吨，其中d >0.1mm 的泥沙含量占12.1%，即6300万吨；而通过宜昌水文断面的沙质推移质至90年代每年仅有100万吨左右，沙质推移质泥沙中90%以上为0.1~0.5mm 的沙质，即沙质推移质泥沙仅相当于悬移质相同粒径泥沙输沙量的不到2%。

卵石层的中值粒径d 50变化范围为24mm~62mm [1]。

2 相似比尺的确定如上所述，芦家河河段来沙不仅有悬移质，而且有推移质；不仅有沙质推移质，而且有卵石推移质；不仅同时存在着推移质、悬移质的泥沙运动，而且存在着推移质与悬移质泥沙之间的交换。

因此所选的模型沙应该满足悬移运动和推移运动相似，即满足沉降、起动相似。

黄河包头河段泥沙模型设计

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）。

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i0.1～0.2‰河道宽度B1000m悬移质中径d500.028mm主河道平均宽度b 400m河床床沙中径D500.18mm平均水深H 4.5m最大流量Q1%6200m3/s平均流速V 1.7m/s最小流量Q min48m3/s河床糙率n b0.015～0.020泥沙比重γs 2.65～2.70河滩糙率n t0.020～0.030泥沙沉速ω0.22cm/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[1～4]，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λV=λh1/2 (1)阻力相似λn=λH 2/3/λL 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λQ=λVλLλH(3)λt1=λL/λV(4)悬移质相似λω=λV(λH/λL)3/4(5)对于细沙河流，当悬沙粒径d<0.15mm时(原形悬沙均能满足这一些条件)，悬沙沉速用滞留区公式计算，由此得悬沙粒径比尺λd=(λωλV/λγs-γ)1/2(6)底沙起动及扬动λV=λVc=λVf(7) 相似水流输沙率相似λS=λS*(8)河床冲淤变形相λt2=λλoλ2LλH/λG s(9) 似对于悬沙模型，上式又可表示为λt2=λλo/λsλt1(10) 河型相似[(γs-γ/γD50H)1/3/iB2/3]m≈[(γs-(11)γ/γD50H)1/3/iB2/3]p3 几何比尺及模型沙选取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λL =150。

大同御河城区段河道治理工程动床模型试验研究

２ 动 床模 型 试 验 的 内容 ． ２
２ ． 模 型设 计 及 比尺 汇 总 ．１ ２
图 ２为床沙颗粒级配 曲线 图 ，是将治理段 工程地质勘察报
告 中河床 内埋深 小于 ４５ｍ的钻孔 颗分资料 及模型床 沙颗分资 ． 料 绘集 而成 的。 由图 ２可查 得原 型床沙 平均 中值 粒径 ｄ ２ ‰＝ ． ０ ｍｍ，也就是说相应模型床沙 中值粒径与所 选模 型沙 的中值粒径
流 域 面积 ３ ２ ｍ 。 工程 设计 防洪 标 准 为 ５ 一 遇 ， 计 洪 峰 ０ｋ ２ ６ Ｏ年 设
流量 １４ Ｖ。 ０ｍ ｓ ８
Ａ＝ ０ 其模 型几何变率 ｅ ２ 其余模型的各项 比尺见表 ｌ ｈ６ ， ＝， 。
２ ． 动床 试验 模 型 沙 的选 择 ．２ ２ 表 １ 模 型 比尺 汇 总 表
科技情报开发与经济
文 章编 号 ：０５ ６ ３ （ ０ ０ 】 — ｌ３ Ｏ １０ — ０ ３ ２ １ ）５ ０ ４ 一 ３
Ｓ ＩＴ Ｃ Ｎ ＯＲ ＴＯＮ Ｄ Ｖ Ｌ ＭＥ Ｔ＆ Ｅ Ｏ ＭＹ Ｃ － Ｅ Ｈ Ｉ Ｆ ＭＡ Ｉ Ｅ Ｅ ＯＰ Ｎ Ｃ ＮＯ
２１ ０ ０年
第２ Ｏ卷
第 ｌ ５期
一
根据参照文献并结合御河河段 的特点 ，采用相似 比尺关 系 式作 为本模 型设计 的依据 ，按试验任 务要 求及所包括 的河 段范
围结 合 试 验 场 地 条 件 、 验 室 供 水 能 力 和 时 间等 因 素 ， 水 平 比 试 取
致 ， 型 沙组 成 与 原 型 沙 形 态 相 似 ， 以所 选 床 沙 可 满 足 设 计 模 所
计 及 工程 管理 提 供 参 考依 据 。
关 键 词 ： 道 治 理 工程 ； 河 动床 模 型试 验 ； 河 城 区段 ； 同市 御 大 中 图分 类 号 ：Ｖ ５ Ｔ ８ 文献 标 识 码 ： Ａ
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万方数据
— H$ —
相似律一直以式 （!） 作为水流挟沙相似条件， 但在开展黄河小浪底坝区模型试验时， 所取含沙量比尺都 远大于 " 。也表明含沙量比尺小于 " 是难以满足河床冲淤变形相似条件的!。 此外， 长江模型也有不采用上式确定含沙量比尺的。例如长江科学院唐日长及殷瑞兰等在开展葛 洲坝工程坝区泥沙模型设计时， 指出利用水流挟沙力公式推求比尺关系式， 不能简单地取挟沙系数等于 " 。选株州精煤为模型沙， 在难以确切推求挟沙力比尺形式的前提下， 确定的含沙量比尺 ! ! # " ， 显然这 种处理相对于盲目地采用式 （" ） 确定含沙量比尺的做法是明智的。近些年梁中贤、 魏国远等开展的三 获得了较好的试验结 峡水库泥沙模型也采用了与上述葛洲坝枢纽坝区模型相同的设计方法， 取 !! # "， 果。而殷瑞兰、 范北林等在南水北调中线穿黄工程研究进行的多沙河流模型试验， 证明 ! ! 必须大于 " 。 进一步从式 （!） 看出， 含沙量比尺只与模型沙容重相关， 而与模型几何比尺以及正态、 变态无关。 意味着模型只要采取相同模型沙材料， 不管模型尺度或几何变率大小， 也不管模型沙粒径的粗细， 模型 的水流挟沙能力都是相同的。显然该式在物理概念上也是错误的。 从前人推导该含沙量比尺关系式的过程， 可看出导致上述状况的原因所在。例如， 文献 ［$ ］ 为了求
摘要： 本文在评述目前关于含沙量比尺确定方法的基础上， 指出前人采用 ! ! 确定的含沙量比尺， 不能满足水流挟 沙相似条件。剖析所找的原因是相似分析时， 采用了不能同时适用于原型和模型且简化成指数等于 % 的半经验水 流挟沙力公式， 推导过程中又引入系数比尺等于 % 的假定， 并以不考虑紊动扩散作用影响的 ! " 作为泥沙悬移相似 条件。选用容重适中的模型沙所开展的试验论证结果表明， 含沙量比尺的大小对河床变形相似有直接影响， 该比 尺小于 % 时河床变形与原型偏差较大， 该比尺与淤积物干容重比尺相近时， 模型同原型才较为相似。此外， 文中还 认为， 目前确定含沙量比尺的办法最好是通过分别确定原型和模型水流挟沙力的途径来实现。 关键词： 河工模型； 含沙量比尺； 水流挟沙力 中图分类号： CK%I 文献标识码： .
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)’ （ &$ &&## ’ ! ( ） () , & #$ % * # # * -%& % " " +,$ " #%
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) 为流速； , 为水深； -%& 为床沙中径； !) 式中： $ " 为泥沙在浑水中的沉速； " 为卡门常数； # % 为浑水容重； 为以体积百分比表示的含沙量。
水! ! 利! ! 学! ! 报
! "##$ 年 % 月 文章编号： #2243402# （ "##$ ） #%3##H$3#$
&’()*)! ! +(,-./
第 01 卷! 第 % 期
河工动床模型试验的含沙量比尺
" 张羽% ， ，张红武% ，钟德钰% （ %B 清华大学 水沙科学与水利水电工程国家重点实验室， 北京! %###1I ； "J 太原理工大学 山西 太原， ! #0##"I ）
［ "］ 对于绝大部分动床模型试验， 水流挟沙相似是最重要的相似条件之一 。 ［ 0］ 按照水流挟沙相似条件 ， 含沙量比尺 ! " & 必须等于水流挟沙力比尺 ! " & ， 即
! " # ! "&
（%）
! ! 因为只有如此， 才能保证动床模型河床冲淤相似。由式 （% ） 知， 含沙量比尺可通过计算水流挟沙力 比尺来确定。显然， 悬移质泥沙模型试验中一个重要而且十分棘手的问题是如何确定含沙量比尺 ! " 。
%! 研究现状
在自然界的河流输沙总量中， 悬移质泥沙所占百分数总是大于 4#L ， 尤其是平原河流更是占绝大 部分
［ %］ ［ %］ 。因而天然河流由悬移质运动所引起的冲淤变形， 往往构成河床变形的主体部分 。又由于沙
质推移质经常与悬移质中的床沙质发生变换， 这一部分推移质泥沙也可概括在悬移质之内。于是， 除了 山区河流河床变形主要是由卵石和砾石运动造成的少数情况之外， 动床模型试验只模拟悬移质运动即 能满足工程实际需要 （ 实际上， 在同三峡河段类似的山区河流修建水库后， 决定库容淤积变化的仍主要 是悬移质泥沙的运动） 。由于水流挟沙力是解决悬移质泥沙运动所引起的冲淤变形问题的钥匙， 因此
［ I］ （ 或含沙量比尺 ! ! ） ， 的取值存在着很大分歧 。本文拟通过分析和模 而长期以来， 水流挟沙力比尺 ! ! &
型试验相结合的途径， 研究悬移质动床模型的含沙量比尺的确定问题。
［ "， 0］ 现有各家泥沙动床模型相似律大都取下式来确定含沙量比尺或直接作为水流挟沙相似条件 ：
! " # ! " & # ! # " $ ! # ! %&
［ ,］ 。图 - 为本文采用永定河、 长江、 黄河、 式 （+） 经过长期检验， 被认为是最符合黄河和长江实际的
渭河、 辽河、 泾河等天然资料对上式进行的验证结果。可以看出， 该式不仅适用于一般挟沙水流， 也适用 于高含沙水流。 对于模型， 水流挟沙力公式可表示为 !& 式中： 可表示为 % 为容重影响系数， % & *% ( #-$ * #)
［ &］ 对悬移质运动相似影响的式 （*） 作为泥沙悬移相似条件 。
!’ 含沙量比尺的确定
确定动床模型含沙量比尺 ! ! 最简单的办法， 是选符合原型和模型水流挟沙力实际的公式进行计 算。在难以找到这种公式之前， 由于原型水流挟沙能力能够通过分析天然资料得出， 在模型小河中也可
窦国仁， 王国兵等/ 黄河小浪底枢纽泥沙研究 （ 报告汇编） / 南京水利科学研究院， "00$
!" #$ 原型概况/ 说明上述确定含沙量比尺的方法， 并研究不同含沙量比尺对试验结果的影响规律， 专 门通过动床模型试验进行了论证。其范围在冲和观至新厂水文站之间的荆江河段选取 （ 见图 ’ ） ， 最后 所取的河段从 0** 断面到新厂水文站， 全长约 ’&12， 包括郝穴站和新厂站两个水文站。以 #&&# 年 , 月 的地形为初始地形， 以 #&&# 年 , 月 - 日 3 #&&’ 年 -- 月 ’& 日的来水来沙过程为试验的水沙条件， 本时 段内最大流量为 ’, *&&2’ 4 5， 最大含沙量为 -$ ",16 4 2’ ， 历时 "%*7。进口的水沙过程见图 " ， 对应河段 悬移质泥沙中值粒径约为 &$ &##22。 原型累积冲刷量为 + +## 万 2’ 。床沙中值粒径为 &$ ##22， 万方数据 — *, —
图 -/ 原型水流挟沙力公式的验证
图 #/ 模型水流挟沙力公式的验证
/ / 依上两式分别计算原型和模型的挟沙力值， 把这两者之比即可作为初步的含沙量比尺。待模型制 作完成后， 通过专门的验证试验， 率定含沙量比尺及其相应的河床冲淤时间比尺， 以保证模型水流挟沙 和河床冲淤变形同原型相似。
’/ 模型试验论证
’ ’ 假定指数 ( # " ， 上式即相当于前苏联维利坎诺夫公式的结构形式， 并将体积含沙量 ! ) 改为以单位 体积重量计的含沙量 !， 则上式又将改造成为 !& * #, #$ （ . - ., ） %& " #, - # & +" # （(）
’ ’ 假定上式同时适用于原型和模型， 在推求比尺关系式时再假定系数比尺 ! +" # " ， 并取消清浑水阻力 系数比尺相等， 水力半径比尺等于水深比尺， 水流容重比尺为 " ， 即 !# # "， 利用式 （"） ! . , # ! ./ ， !& # !0 ， 及上式即推求出含沙量比尺为 ! ! * ! !& * ! !, ! !, - ! !. * !# !% !0 !"
收稿日期： "##23#23%% 基金项目： 国家自然科学基金委员会和水利部黄河水利委员会黄河联合基金项目 （ 2#004#"# ） 作者简介： 张羽 （ %4$# 5 ） ， 男， 山西阳高人， 博士生， 主要研究方向为河流模拟。,36789： :;<7=>?;@ 6789AB CA8=><D7B EFDB G=
（"）
! ! 对于容重小于原型沙的模型沙， 由该式计算得到的 ! " 或 ! " & 小于 % ， 意味着模型水流挟沙力大于原 型， 亦即远较原型水流强度为弱的模型小河要挟带更多的模型沙， 显然这是不符合实际的。文献 ［I M H］ 经过大量河床变形验证的动床模型试验表明， 多沙河流模型的含沙量比尺必须大于 % 。河海大学及 西北水科所在开展黄河壶口通航工程有关泥沙模型的率定试验时， 也不得不将含沙量比尺由小到大进 表明多沙河流悬沙模型， 不能采用式 （"） 求含沙量比尺。窦国仁的全沙模型 行调整， 最后甚至确定为 2 ，
［ %］ ’ 得含沙量比尺的表达式，将张瑞瑾悬移质挟沙能力的水流挟沙力公式 !& # " （ #$ $ %&" ） 表征为 （其
目的是为了反映水流阻力及泥沙重率的有关因素， 前者对确定变态模型的水流挟沙力比尺， 后者对确定 轻质沙的水流挟沙力比尺有重大影响） ： !( ) * #$ # （ . - ., ） & +（ %& " " # , - #） （$）