高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的测算方法

摘要

本发明涉及一种水工数学模型的应用方法，特别涉及一种高含沙水流作用下，利用水工数学模型测算河道沉积块起动流速的方法，其IPC国际专利分类号E02B 1/00，E02B 1/02，属于水利领域。本发明提供的高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的测算方法，在建立数学模型时，引入了代表沉积块本身物理特性的参数，并结合待测算河段的试验及实测数据计算河道沉积块起动临界系数，能够更真实地反映沉积块起动时的受力情况，准确测算不同大小的沉积块的起动流速。

主权项

高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的测算方法，包括以下步骤：(一)建立高含沙水流作用下河道沉积块起动流速的数学模型： F_max+F_f‑G‑F_s＝0   (1)$F_f=\frac{1}{4}{\mathrm{\pi \gamma }}_m{d}^{2}h---\left(4\right)$$G=\frac{1}{4}{\mathrm{\pi \gamma }}_s{d}^{2}h---\left(5\right)$$F_{max}=\frac{1}{4}{\mathrm{\pi KJ\gamma }}_m{d}^2{v_S}^2/g---\left(6\right)$$F_s=\frac{{\mathrm{\pi chd}}^2}{d-4htan\phi }---\left(12\right)$式中：F_max为高含沙水流作用下沉积块起动时的最大脉动上举力；F_f为沉积块受到的浮力；F_s为沉积块受到的剪断力；G为沉积块重力；γ_m为浑水容重；d、h分别为沉积块的直径与高；γ_s为沉积块的湿容重；J为河道比降；K为河道沉积块起动临界系数；v_S为沉积块起动时的水流速度；g为重力加速度；c为沉积块土体粘聚力；φ为沉积块土体内摩擦角；(二)选取“揭河底”现象易发的河段作为试验河段，应当选取河道比降J和沉积块物理性质相似的河段作为一个单元试验河段，每个试验河段根据河道比降J和沉积块物理性质的不同，分成一个或多个单元试验河段；在每个单元试验河段的河道布置视频监控设备和流速测定仪；(三)通过试验或现场实测获得如下参数：河道沉积块的形状参数、沉积块的湿容重γ_s、沉积块的强度参数、浑水容重γ_m和河道比降J；方法如下：1.河道沉积块的形状参数：沉积块的高度h和直径d根据河道沉积块的高度和面积，将每个河段的沉积块分为多个类别，选取其中数量最多的一类沉积块作为试验沉积块；测量从现场获得的试验沉积块，得到所有块体的高度，采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块的高度h；测量每个试验沉积块的周长L，并采用等效周长法确定每个沉积块的直径，然后采用取平均值或中值的方法确定试验沉积块直径d；2.进行室内土工试验确定沉积块的湿容重γ_s；3.进行室内土工试验确定河道沉积块强度参数：土体粘聚力c和土体内摩擦角φ；4.提取发生沉积块起动时的水样，测量水样的浑水容重γ_m；5.通过现场实测或参考河流地形资料确定河道比降J；(四)实测河道内试验沉积块的实际起动流速v_s0利用视频监控设备和流速测定仪，测定所述试验沉积块实际起动流速v_s0，测定3～5次，计算其平均值(五)确定河道沉积块起动临界系数K：将步骤(三)得到的各项参数和步骤(四)得到的实际起动流速平均值代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，得到河道沉积块起动临界系数K；(六)将步骤(五)得到河道沉积块起动临界系数K代入步骤(一)的数学模型中，联立求解，即得到该单元试验河段或类似河段的河道沉积块起动临界流速测算公式：$v_S=\sqrt{\frac{({\gamma }_{s}hg-{\gamma }_{m}hg)(d-4htan\phi )+4chg}{{\mathrm{KJ\gamma }}_m(d-4htan\phi )}}---\left(15\right)$(七)重复步骤(二)～(六)，即可得到全河段的河道沉积块起动临界流速测算公式；将待测算的沉积块的高度h和直径d、湿容重γ_s、沉积块土体内摩擦角φ及土体粘聚力c、浑水容重γ_m和河道比降J代入公式(15)，计算得到沉积块起动临界流速v_S。