兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统的制作方法

本实用新型涉及河流动力学学科的河流模拟领域，具体涉及一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统。

背景技术：

河工模型是一种重要河流模拟手段，是近几十年研究河床演变与泥沙运动规律的成熟工具，目前关于其模型原理、制作过程、测量控制及成果分析已形成了行业规程，即《河工模型试验规程(SL99-2012)》。

其中，对河工模型河床地形测量的一般采用需要在模型尾门封闭、模型中有一定水深情况下进行测量，其主要原因在于，模型在经尾门把水排干的过程中，会因为流速较大、水深较小产生“小水拉沙”效应使得床面模型沙再次起动，床面因此变形，引起整个河床演变过程模拟的失真。由于纵向排水会引起河床变形，所以就不能进行排水，这样河床就会保持一定的水深。同时，传统模型地形测量一般按照断面法进行，每个断面上的测点间距按不超过20cm进行控制，相应的测量仪器多为电阻抗式地形仪，测量方式为逐点测量。而水深的存在就会让光学测量仪器产生因折射而引起的误差，导致目前较先进的全站仪和激光地形扫描仪等光学测量仪器无法在模型地形测量中进行应用，使得目前模型河床地形测量效率较低。

所以，由于纵向排水极易引起河床变形，先进光学测量仪器无法在河工模型地形测量上应用的主要原因仍是模型因不能进行纵向排水而必须保持的一定深度的水体，而模型上水体的存在则会引起光的折射使得先进光学测量仪器无法应用于水下地形测量。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述不足，本实用新型提供一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，其将模型常规的纵向尾门排水改为垂向渗管排水，在一般河工模型底部设置渗管、流量计及阀门等装置，利用排水流量相同情况下垂向流速远小于纵向流速、泥沙不易起动的特点，实现模型快速排水和床面稳定兼顾，以有效解决模型河床地形快速测量的技术瓶颈。

一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右依次为进口段、试验段、尾门及出口段、尾水池，试验段从上至下依次为水体、模型沙、天然散体沙、砾石，所述排水系统包括横向埋设于砾石中的渗管，渗管上设有多个渗水孔，用于将河工模型中的水导入渗管，渗管下方设有连通回水渠的排水管，排水管上设有流量计和阀门，回水渠的出水口与尾水池连通。

进一步的，渗管管壁上的渗水孔的孔眼选用圆形孔，孔径一般采用10～20mm，布置成梅花状。

进一步的，渗水孔的孔眼布置范围在1/3～1/2渗管的管径以上的管周壁上。

进一步的，为满足排水量需求，渗管的管径计算公式如下：

其中，D为渗管宽度或直径，T为含水层厚度，H为地表水头，α为淤塞系数，L为渗管长度，k为渗透系数，Q为渗管排水量。

本实用新型将纵向尾门排水改为垂向渗管排水，这样在排水流量一致的情况下，由于垂向排水时过水面积明显大于纵向排水的过水面积，前者流速会明显小于后者，同时可通过流量计和阀门配合有效调节流量大小，可保证模型沙不起动，床面形态保持稳定，并通过渗管流量、模型流速及泥沙起动流速三者间的关系，可以给出泥沙不动下的渗管流量最大阈值，以兼顾床面稳定与快速排水。

附图说明

图1为本实用新型兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统的平面图；

图2为图1中A-A向剖面图；

图3为图1中B-B向剖面图；

图4为斜坡泥沙受力分析示意图。

附图标记：1—渗管，2—排水管，3—流量计，4—阀门，5—回水渠，6—渗水孔，7—进口，8—尾门。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参考图1-3，本实用新型提供一种兼顾床面稳定和快速排水的河工模型排水系统，包括横向设于河工模型底部的渗管1，渗管1上设有多个渗水孔6，用于将河工模型中的水导入渗管1。渗管1下方设有连通回水渠5的排水管2，排水管2上设有流量计3和阀门4，回水渠5的出水口与尾水池连通。

本实用新型在常规河工模型底部加设渗管1、流量计3及阀门4，在需要将模型存水排干时通过渗管1将纵向尾门排水改为垂向渗管排水。这样在排水流量一致的情况下，由于垂向排水时过水面积明显大于纵向排水的过水面积，前者流速会明显小于后者，同时可通过流量计3和阀门4配合有效调节流量大小，可保证模型沙不起动，床面形态保持稳定，根据斜坡泥沙起动受力分析，推导得出了斜坡泥沙垂向起动流速公式，并通过渗管流量、模型流速及泥沙起动流速三者间的关系，给出泥沙不动下的渗管最大流量阈值及相应管径的计算方法，以兼顾床面稳定与快速排水。

如图1所示，常规的河工模型概化为一矩形水槽，平面上水流方向为从左至右，依次有进口段(末端设有进口7)、试验段、尾门8及出口段、尾水池，本实用新型由尾门8排水改为垂向排水，在模型沙铺设厚度以下设置一个渗管1，同时渗管1平接一个排水管2，排水管2出口设有流量计3和阀门4以控制排水流量，阀门下接回水渠5将水流引向尾水池。

关于模型沙铺设厚度及渗管周边铺埋散体沙分层等都依据有关规程规范执行，《河工模型试验规程》规定河工模型模型沙一般铺设厚度为10cm，水深不小于5cm；《水工建筑物反滤层设计规范》规定一般傍河取水建筑物砂石反滤层粒径设计原则为上细下粗。以6.5m长、1m宽、1.4m高的试验水槽为例，其主要结构尺寸为：进口段长0.6m，试验段长5.2m，出口段长0.7m，尾水池为1.2m(长)×1.4m(宽)×1.3m(深)；模型水深平均为30cm，模型沙铺设厚度为10cm，其下设天然散体沙40cm厚，再下为粒径大于1cm的60cm厚的砾石，渗管1埋设于砾石中(如图2和图3所示)，管径为20cm，最下方为不透水地基。其中，渗管1管壁上的渗水孔眼一般选用圆形孔，孔径一般采用10～20mm，布置成梅花状，孔眼净距为2～2.5D(D为孔眼直径)。渗管1上的渗水孔6的孔眼一般布置范围在1/3～1/2管径以上(从管底算起)的管周壁上，下部一般不设孔眼，以防止下部泥沙流入管内，影响渗管的集水效果。

水力计算主要考虑两部分：首先从维持床面稳定的要求出发，计算渗管排水量的最大阈值；其次从快速排水的要求出发，基于渗管排水量计算得出渗管管径。

(1)渗管排水量最大阈值

在模型排干过程中，必须明确排水流量阈值，以控制水流流速，以保证床面形态问题，即流速必须小于泥沙的起动流速。通过计算沙粒起动流速与流量的关系，可以给出排水量的最大阈值。首先，垂向排水时，按水流连续性方程，其垂向水流流速为

式中：V为水流流速(m/s)，Q为排水流量(m³/s)，A为垂向过水面积，对于概化为矩形断面的模型，其为定值，即模型的平面面积。

由于一般泥沙起动流速公式均为平面顺水流方向的一维概化公式，而当河工模型自上而下进行渗管排水时，其流速方向为垂向，因此现有的泥沙起动公式是无法在垂向排水过程中进行使用的，需要推导垂向泥沙起动公式。考虑模型沙为散体沙，忽略其粘性力影响，根据《河流泥沙动力学》(武汉大学，张瑞瑾，1998)，泥沙颗粒在水体中主要受到有效重力、水流上举力及拖曳力影响，如图4，其受力分析如下：

水下有效重力W＝α₁(γ_s-γ)d³ (2)

水流上举力

水流拖曳力

式中，α₁、α₂、α₃均为泥沙颗粒形状系数；γ_s和γ分别为泥沙和水的容重；d为泥沙粒径；C_D为水平拖曳力系数；C_L为垂向上举力系数，u_rx为泥沙颗粒在x方向的分速度。

按照一般泥沙起动的假定，通常将沙粒概化为椭圆颗粒，在水流的作用下，通常采取滚动的形式起动，若以0点为转动中心，则表达沙粒起动临界条件的动力平衡方程为：

K₂dF_L+K₃dF_D＝K₁dW (5)

式中，K₁d、K₂d、K₃d分别为W、F_D、F_L的相应力臂。将式(2)、(3)、(4)带入式(5)，可得泥沙起动的作用流速公式为：

根据窦国仁院士的研究，当泥沙为椭球体时，取其三轴与同体积球体直径之比分别为4/3、3/3、2/3，可取C_D＝0.4，C_L＝0.1，其它几何参数亦可类取如下：

α₁＝π/6

α₂＝π/3

α₃＝2π/9

K₁＝1/2

K₂＝1/2

K₃＝1/3

据此所得公式(6)即可用于构建各个方向的泥沙起动流速，对于本实用新型而言，所需要建立的是针对河工模型床面形态影响下的垂向泥沙起动模式。由于床面形态多为沙波、沙陇等形态，在沙波斜坡面容易在垂向流速作用下使得泥沙起动向下运动、导致床面变形。因此需建立斜坡(斜坡坡度θ一般与泥沙的水下休止角有关)泥沙垂向起动公式，在此模式下，其斜坡方向作用流速为垂向流速的分量，且不存垂向分布问题，两者之间关系为：

u_rx＝Vsinθ (7)

将式(7)与式(6)联立，即得斜坡泥沙垂向起动流速公式：

将式(1)与式(8)两式联立，并将有关几何参数带入，即可得排水流量阈值，即泥沙不起动时的流量最大限值计算公式：

式中：V_c为水流流速，d为模型沙代表粒径，γ_s为模型沙容重，γ为模型水体容重，Q为排水流量(m³/s)，θ为斜坡与水平面夹角，参考各类模型沙休止角为24°-36°，其余单位采用kg、m、s，符号意义同前。

按照本实用新型所给出的概化模型水槽，可以算出维持泥沙稳定的流量最大阈值。

(2)渗管管径计算

参考傍河取水建筑物-渗管取水量计算公式，即阿拉维娜·努美诺夫公式(式10、11、12)如下：

Q＝αLkq_r (10)

式中：χ为系数；Q为渗管排水量(此处单位为m³/d)；H为地表水头(m)；L为渗管长度(m)；H₀为渗管内水面水头值(m),一般当管径按最经济控制时，其可等于管径，即D；D为渗管宽度或直径(m)；T为含水层厚度(m)；α为淤塞系数，一般不浑浊河水采用0.8，中等浑浊时采用0.6，浑浊时采用0.3；其它符号意义同前。将式(10、11、12)联立求解，可得满足取水量要求的管径计算公式如下。

渗透系数k是表征含水层渗透性质的物理量，参考《地下水水文学原理》(余钟波、黄勇著)，松散岩体中砾石、粗沙、中沙和细沙的渗透系数(单位为m/s)分别为：3×10^-4～3×10^-2，9×10^-7～6×10^-3，9×10^-7～5×10^-4，2×10^-7～2×10^-4；本实用新型反滤层是层状含水层，其渗透系数k大小与各层渗透系数k₁、k₂、k₃…k_n等有关，渗透系数k可按下式计算：

k、k₁、k₂、k₃…k_n分别是总渗透系数、第1、2、3…n层反滤层渗透系数；T、T₁、T₂、T₃…T_n分别是第1、2、3…n层反滤层厚度。

本实用新型反滤层设置为粗沙+砾石，渗透系数经k计算为518m³/d，可取为500m³/d。

这样，将公式(9)和公式(13)分别求解，即可得到保持床面稳定前提下的排水量最大阈值以及满足排水量需求的最大管径参考取值。值得指出的是，在模型排水的初始阶段，其水深最大、流量阈值亦最大、相应需要的管径也最大，则管径设计值即可取此最大管径，以满足在保持床面稳定条件下的快速排水要求。

按照本实用新型其中一个实施例给出的水槽尺寸，可计算排水量控制曲线及管径设计值，其已知参数为：

①模型平面面积A＝5.2×1＝5.2m²；

②渗管长度L＝5.2m；

③模型沙代表粒径d＝0.01mm；

④模型沙γ_s容重为1.05t/m³，水体容重γ为1t/m³

⑤θ为35°

⑥重力加速度g＝9.8m/s²

⑦初始水深h＝0.3m

⑧初始地表水头H＝1.4m

⑨含水层厚度T＝0.9m

⑩淤塞系数α＝0.8

代入公式(9)和公式(13)，则计算得到的保持床面稳定、即泥沙不起动下的流量阈值为0.038m³/s(上限)，以及满足此排水流量需求的管径参考值为0.208cm，管径设计值可取0.2m，以满足最大排水量需求。