一种水库深孔前淤积厚度的计算方法与流程

本发明涉及一种水库深孔前淤积厚度的计算方法，属于水利工程领域中的水库调度研究。

背景技术：

1、在现代水利工程中，由于各地区水资源分布与需求存在较大差异，所以常常因地制宜选用不同形式的水工建筑物来调蓄水流以满足需要。水库因其具有防洪、蓄水、发电、养殖等功能在水利工程中得到了广泛的应用，水库作为主要的防洪措施可以拦蓄洪水，削减洪峰流量，但多沙水流带来的大量泥沙受拦水坝和库尾回水的影响常常在水库尾部淤积，水库库容减小，拦蓄洪水的能力下降，水库使用寿命缩减。在实际工程中，为了缓解水库淤积的情况常常采用蓄清排浊、人工清淤等手段进行干涉以保持库容，但在此之前必须对库区泥沙淤积情况进行分析，预测库区泥沙分布与含沙量差异，确定泥沙淤积强度，为水库水沙调度工作提供理论支持。

2、目前，国内外学者针对水库坝前深孔淤积的研究多基于模型试验或现场测量，较少有合适的方法能快速计算淤积深度，给水库运用的效果带来不利影响。

3、因此，需要有一种水库深孔前淤积厚度的计算方法，基于河床变形方程预测深孔前的泥沙淤积厚度，有效弥补了关于深孔前泥沙淤积厚度尚无有效计算方法的不足。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是：为了克服现有技术的不足，提供以挟沙力的影响因素为出发点，结合泥沙连续方程推导出可以较好地反映挟沙力沿程变化的含沙量计算公式，将含沙量计算公式与河床变形方程结合的一种水库深孔前淤积厚度的计算方法。

2、本发明解决上述问题所采用的技术方案为：一种水库深孔前淤积厚度的计算方法，包括如下步骤：

3、步骤1，设定水库上游进口处为第一断面，第一断面即为进口断面，下游深孔位置为第二断面，第二断面即为出口断面，测量进口断面至深孔位置间的距离为 l；

4、步骤2，统计水库河床坡度 j、进口断面单宽流量 q、进口含沙量；

5、步骤3，测量入库悬移质泥沙的中值粒径 d50，计算该粒径的沉速；

6、步骤4，测量进口断面的平均水深；

7、步骤5，根据一维泥沙连续方程推导水库下游深孔位置断面的含沙量公式；

8、具体推导方式如下：

9、公式一、一维泥沙连续方程式：

10、

11、公式一中， x为从上游到下游方向上的距离；为任意位置的含沙量；为任意位置的水流挟沙力；为恢复饱和系数；为任意位置的断面单宽流量，水库上游和下游流量恒定，即得出公式二：

12、

13、则公式一转换为公式三：

14、

15、对公式三沿 x方向积分，积分范围为进口断面至下游深孔位置断面处，距离为 l，得出公式四：

16、

17、公式四进一步化简得到公式五：

18、

19、公式五中，为进口断面含沙量，为进口断面的水流挟沙力，为深孔位置断面的含沙量、为深孔位置断面的水流挟沙力；

20、水库河床坡度为 j，则进口断面至下游距离为 x处断面的水深公式为公式六：

21、

22、公式六中，为进口断面的水深；

23、由于上游和下游流量恒定，则进口断面至下游距离为 x处断面位置挟沙力与进口断面挟沙力的关系公式为公式七：

24、

25、公式七转换为公式八，得出：

26、

27、将公式五中按照泰勒展开变为：

28、

29、约去高阶项，简化为公式十：

30、

31、将公式八和公式十代入公式五，然后进行积分，得到公式十一：

32、

33、公式十一即为水库下游深孔位置断面含沙量的计算公式；

34、步骤6，计算含沙量的一阶衰减量：

35、

36、其中，为水库进口含沙量的一阶衰减量，为进口断面的平均水深，单位为m；为恢复饱和系数；为悬移质泥沙沉速，单位为m/s； l为进口断面至深孔位置间的距离，单位为m； q为进口断面单宽流量，单位为m2/s； j为水库河床坡度；

37、步骤7，计算含沙量的二阶衰减量：

38、

39、其中，为水库进口含沙量的二阶衰减量，其他参数含义同前；

40、步骤8，计算含沙量的三阶衰减量：

41、

42、其中，为水库进口含沙量的三阶衰减量，其他参数含义同前；

43、步骤9，计算含沙量的局部增量：

44、

45、其中，为含沙量的局部增量，其他参数含义同前；

46、步骤10，将步骤6、步骤7、步骤8和步骤9的结果代入公式十一，可以得到第二断面（坝前深孔位置断面）的平均含沙量：

47、

48、步骤11，计算进口断面和深孔断面的水流挟沙力；

49、步骤12，结合河床变形方程与步骤10的含沙量计算公式，得到水库深孔前淤积厚度计算公式；

50、

51、式中，为水库深孔前淤积厚度，单位m；

52、进一步的，所述步骤3泥沙沉速的计算方法为：

53、；

54、其中，为悬移质泥沙沉速，单位为m/s；  d50为悬沙泥沙的粒径，单位为m；为运动粘性系数，取0.000001，单位为m2/s；

55、进一步的，所述恢复饱和系数：冲刷计算取1.0，淤积计算取0.25；

56、进一步的，所述步骤10中进口断面和深孔断面的水流挟沙力计算方法为：

57、

58、其中，为出口断面的水流挟沙力，单位为kg/m3； v断面平均流速，单位m/s； g为重力加速度，单位为m/s2；为悬移质泥沙沉速，单位为m/s； h为断面平均水深，单位为m。

59、与现有技术相比，本发明的优点在于：

60、本发明一种水库深孔前淤积厚度的计算方法，考虑到传统方法计算含沙量时只能反映较短距离内的含沙量变化情况，河道较长时需要分多段计算，连续性较差，所以本发明充分考虑了河道长度、比降等因素，以泥沙连续方程为基础，结合了河床变形公式，本发明可以较好地反映长距离水库深孔前淤积厚度情况，连续性得到增强；同时本发明根据不同的水库特征可以灵活修改相关参数，实用性较强，可以适用不同情况的水库深孔前淤积厚度预测。