一种闸下水流挟沙模拟方法

摘要

本发明公开一种闸下水流挟沙模拟方法，设置一装置，包括：蓄水区、闸门、沙槽区和尾水池；所述蓄水区的出口处设置闸门，紧邻出口延续设置沙槽区，沙槽区内放置有粗细不均匀的颗粒物，代表淤积物和防护石料；在沙槽区的下游端连接尾水池；尾水池中含有过滤装置。通过计算一定蓄水量下，一定闸门开度下，一定流速下的水流工况中冲刷的颗粒物所占蓄水区水量的百分比含量，衡量水流的挟沙能力。本发明模拟闸下水流对细颗粒的淤积物和粗颗粒的防护石料的输移机理，可操作性强，具有工程实用价值。

说明书

技术领域

本发明涉及水利工程技术领域，尤其是一种用于测试闸下水流挟沙输移能力的模 拟方法，该方法包括对细质淤积物和粗质防护石的输移能力的研究。

背景技术

水闸是用于控制过水通道的水工建筑物，在水利工程中应用广泛，多建于河道、 渠系、水库、湖泊及滨海地区。从20世纪50年代开始，应工农业生产和人民生活的 需要，在我国沿海大部分中小入海河口都已建闸以挡潮御卤、蓄淡灌溉、排洪除涝以 及防台抗暴。

河口内建闸后，潮波受闸门阻挡发生反射，增强了驻波特征。由于潮波变形使闸 口处涨潮流速增加，而落潮流速相对减小，这样就会使涨潮输沙量大于落潮输沙量。 由涨、落潮不平衡导致的输沙结果，就是涨潮期多输入的泥沙会落淤在闸下河道内。 当水闸泄水时，蓄水部分势能转为动能，流速增加，因此，闸下出流具有单宽流量大、 能量集中的特点，冲刷能力很强，会挟带闸下淤沙随之流走。

水流挟沙能力就是指在一定水流和边界条件下，蓄水能够输移的泥、沙、石的量。 闸下泥沙来源主要为海相来沙，常以悬沙及浮泥形式进入河道。分析闸下水流对悬移 质泥沙的输移能力对于挡潮闸的冲淤计算具有重要意义。

同时，挡潮闸运行一段时间后，下游保护段末端由于冲刷影响，有的护坦、海漫 会受到破坏，特别是堤岸边坡的冲刷更为严重。抛石护底是常用的防冲加固措施，其 做法一般是自开始冲刷的地方向外抛石，沿冲刷河底以同一厚度抛填石块。因此，研 究闸下水流的对推移质块石的输移能力对于挡潮闸的加固设计也同样具有指导意义。

对于实际河流的挟沙测试，我们没有办法一一实测，只能摸索一套模拟系统和方 法，通过不同的水量，水速等推演出实际河道的挟沙能力。

发明内容

本发明要解决的技术问题就是如何准确测得一定流量、一定流速、一定势能的闸 下水流，流经河道一段时间后，所能挟带的泥沙含量。因此，本发明提供一种闸下水 流挟沙模拟方法，能同时模拟闸下水流对细颗粒的淤积物和粗颗粒的防护石料的输移 机理，可操作性强，具有工程实用价值。

为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案是：

一种闸下水流挟沙模拟方法，基于以下装置实现挟沙测量，该装置包括：

蓄水区、闸门、沙槽区和尾水池；所述蓄水区的出口处设置闸门，紧邻出口延续 设置沙槽区，沙槽区内放置有粗细不均匀的颗粒物，代表淤积物和防护石料；在沙槽 区的下游端连接尾水池；尾水池中含有过滤装置。

设蓄水区里的水量为Q，闸门的开度为S，放水时间为t，则流过闸门的水流速度 为：

v＝Q/St

通过设定上述Q、S、t的值，可以模拟不同的水流工况；

通过计算过滤装置中留下的颗粒物所占蓄水区水量的百分比含量，衡量一定水量 Q，一定流速v，一定势能下的水流的挟沙能力，所述势能E计算为：

E＝mv²/2

m指蓄水池水的质量。

所述装置中，所述蓄水区比沙槽区的水位高。

所述装置还包括水塔、阀门，所述水塔与蓄水区通过输水管路连接，在输水管路 上设置所述阀门，由阀门控制进水量。

所述闸门为对开式闸门，或升降式闸门中的一种，每一种闸门都有自动开启机构 控制其开度。

所述过滤装置包括滤网和取样瓶，设置在尾水池中，所述滤网过滤所有从沙槽区 流过的水，滤网孔径介于所放置的颗粒物的最大直径与最小直径之间；所述取样瓶吊 挂在滤网的下方，接取部分滤网过滤后的浊水。

所述取样瓶有多个，在滤网下方同一截面高度吊挂，以及在不同的截面高度也吊 挂。

通过过滤装置计算挟沙能力的方法为：

首先计算滤网上留下的颗粒物占总水量的百分比含量，

然后计算所有取样瓶浊水中的含沙量的平均值，进而估算总池中的含沙量，设有 n个瓶子，对应的水量分别为Q₁、Q₂…Q_n，每个瓶子中的含沙量为A₁、A₂…A_n,则可计算 该池中单位流量下的挟沙百分含量为：

A₁+A₂+…+A_n/Q₁+Q₂+…+Q_n

本发明获得的有益效果是：本发明模拟闸下水流对细颗粒的淤积物和粗颗粒的防 护石料的输移机理，提供了专门用于研究闸下水流的对推移质块石的输移能力的实验 装置，在该实验装置下，通过设定一系列的参数，就可以计算出水流的挟沙量。装置 的可操作性强，具有工程实用价值。

附图说明

图1为本发明装置的整体俯视示意图；

图2为本发明装置的取样瓶分布示意图。

1-水塔、2-阀门、3-蓄水区、4-闸门、5-沙槽区、6-滤网、7-取样瓶、8-尾水池。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例， 对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。

如图1所示，本发明提供的方法基于这样一种装置而实现，该装置模拟闸下水流 对细颗粒的淤积物和粗颗粒的防护石料的输移机理，包括水塔1、阀门2、蓄水蓄水区 3、闸门4、沙槽区5、滤网6、取样瓶7和尾水池8。

水塔1位于上游区，滤网6位于下游区。其中，水塔1的出水管路上设置阀门2， 同时出水管路尽端连接到蓄水区3，向蓄水区3输水，通过设置计量型阀门2,或蓄水 区3，都可以计算蓄水区3的储水量。闸门4设置在蓄水区3与沙槽区5之间，较佳 的设计是蓄水区3比沙槽区5的水位高，这样可以在蓄水区与沙槽区之间造成一定的 水位差。通过调节闸门4的开度，以及蓄水区3里的水放尽的时间，可以计算出水的 流速。

设蓄水区里的水量为Q，闸门的开度即截面积为S，放水时间为t，则流过闸门的 水流速度可计算为：

v＝Q/St

通过设定上述Q、S、t的值，可以模拟不同的工况。

闸门4可选为对开式闸门，或升降式闸门都可以。进一步讲，闸门可通过一套自 动开启机构，自动控制其开度，使得开度准确。对于对开式闸门，可以在闸门的两扇 门上各设置一套电机带动的水平推移机构；对于升降式闸门，可以在闸门的顶部设置 一套电机带动的上下推移机构。水平推移机构和上下推移机构都属于现有技术中成熟 的设计，对其结构不做限制性描述。

沙槽区5里散放有粗细不均匀的颗粒物，代表淤积物和防护石料。通过设计沙槽 区5不同的长度，来模拟不同长度的河道，由此可以计算出水经过一定距离的河道之 后，所携带的泥沙量。因为沙槽区的长短不同，可能造成挟带的沙石量不同，一般来 讲，水道越长，最后带走的沙石会少，水道越短，最后带走的沙石会越多，这是自然 现象。沙槽区5的底平面标高要低于蓄水区的水位标高，这样才能造出一定的水势。 水的势能E可近似由水速计算出：

E＝mv²/2

m指流过的水的质量。

在沙槽区5的末端出水处连接有尾水池8，尾水池8中有水平放置的滤网6，保证 流过沙槽区的水能够全部经过滤网6渗流。在滤网6的下方吊挂有多个取样瓶7，除 取样瓶接的水外，其余的水经过尾水池8回收。

上述的滤网6孔径可以根据所放置的颗粒物大小确定，一般来讲，滤网的目地是 回收除悬沙及浮泥等细颗粒物以外的颗粒物。通过计算滤网6上留下的颗粒物的量， 来计算粗颗粒物相对于一定体积的水的含量。

由于将尾水池8的水全部回收测量水中的剩余颗粒物，工作量比较大。我们采取 的较佳方法是在尾水池8中设置多个取样瓶7接收部分浊水。通过计算所有瓶子的浊 水中的含沙量的平均值，估算总池中的含沙量。比如有n个瓶子，对应的水量分别为 Q₁、Q₂…Q_n，每个瓶子中的含沙量为A₁、A₂…A_n,则可模拟计算该池中单位流量下的挟沙 百分比含量为：

A₁+A₂+…+A_n/Q₁+Q₂+…+Q_n

对于大颗粒物的含量，则可以直接称量滤网上的物体的质量，与总水量作比较而 获得其百分含量。

为了测量的准确性，取样瓶优选在滤网下方同一截面悬挂多个，同时在垂直方向 也可以悬挂多个，如图2所示。

鉴于以上装置，就可以模拟某一河床的闸下挟沙状况。模拟测量的工作流程是： 将各设备安装就位，预先在水塔中上水，在沙槽区放好一些粗细不等的颗粒物(模拟 泥沙和河底石料)，此时闸门关闭。然后打开阀门，让水定量流进蓄水区。当蓄水区的 水存储到一定量(也就是有一定的高度)的时候，打开闸门，让水流出，根据闸门的 敞开面积，蓄水区的体积，以及水流尽的时间，可以计算流速。在水流过水槽区的过 程中，由于冲刷会带走部分泥沙和石料。在沙槽区末端，由滤网截住粒径大于网眼的 颗粒物；悬浮沙、浮泥等随水流流走，部分被滤网下的取样瓶接收。通过计算滤网上 面的截取颗粒物量，和测定取样瓶中的水浊度，可以最终测试出该水流在特定河床下 的挟沙能力。