卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法

摘要

本发明公开的是水利水电工程领域的一种卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法。该方法包括以下步骤，首先测量枯水期河道浅水情况下的水面比降，然后挖掘试坑分析卵砾石透水层深度及宽度、孔隙率和床沙颗粒级配，并按照采样级配和孔隙率铺设卵砾石层进行渗流模型试验，根据试验数据拟合得出渗流计算参数，按模型相似原理放大得到卵砾石河床的渗流量。该方法弥补了水利水电工程领域卵砾石河床透水层渗流量测量计算领域空白，从而能够在水电站释放最小生态流量等设计计算中考虑卵砾石透水河床的渗流量，将有利于河流或者湖泊维持水环境生态系统平衡。

说明书

技术领域

本发明涉及水利水电工程领域，尤其涉及一种卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法。

背景技术

《水污染防治行动计划》(简称“水十条”)提出，要科学确定生态流量，加强江河湖库水量调度管理，维持河流湖泊生态用水需求，重点保障枯水期生态基流。当河床中卵砾石透水层较厚，而河道水流水深较浅时，卵砾石透水层中的渗流量甚至会大于河床以上的水流流量；电站大坝建成拦水后释放较小的生态流量通过较厚的卵砾石河床时，部分流量以渗流的方式在河床床面以下流动，导致区域内保持生态环境所需要的生态基流不足，卵砾石透水河床渗流过流问题应在工程设计中引起重视。

我国西南山区河流河床多由卵砾石组成，河床表面一定厚度的卵砾石层具有较强的透水性，一部分水流将以渗流的方式在卵砾石空隙中流动。受限于河床卵砾石层中渗流水力特性的复杂性、现有技术水平和实践认识，目前只能测量计算河床以上的流量，在工程实践中大部分也只考虑了河床以上的水流量，而忽略了卵砾石透水层中的渗流量。卵砾石层中渗流量的测量计算无类似工程和研究成果可供借鉴，缺乏卵砾石河床渗流量测量计算方法。

发明内容

为克服现有技术无法对卵砾石透水层渗流量进行测量计算，设计的生态流量偏小导致生态平衡破坏等不足，本发明所要解决的技术问题是：提供一种准确度较高的卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法，包括以下步骤：

a、在枯水期河道流量较小、水深较浅的情况下，测量工程河段浅水情况下多个水面比降，记录最大值、最小值和平均值；

b、在枯水期河道流量较小、水深较浅的情况下，在河道卵砾石透水层中挖坑分析卵砾石透水层深度及宽度；

c、在卵砾石河道边滩接近水边处挖掘边长1～2m的立方体形状试坑，用不透水的塑料胶纸密封试坑边壁和底部，将取得的全部卵砾石用滤网滤干后回填，然后注水直至淹没整个试坑，记录注水体积和试坑体积，求两者的比值得到卵砾石河床透水层孔隙率；

d、将试坑挖出的卵砾石用标准筛分粒径筛选、称重，记录各粒径组重量，分析计算卵砾石床沙颗粒级配；

e、根据工程河段的采样数据，在实验室矩形水槽内按采样级配和孔隙率铺设卵砾石层进行渗流模型试验，记录水槽不同的比降下通过的水流流量，在调节好水槽比降后，关键要记录表层水流降低至卵砾石床面表面时的流量，这个流量就是相应河床比降下卵砾石层中的渗流量；

f、假设Q为卵砾石层的渗流量，渗流量Q与床面比降S成正相关关系，S＝AQ²+BQ，将步骤e中的试验数据带入上式求出参数A、B，再将工程河段实测比降带入上述方程求解得到卵砾石透水层水槽模型中的渗流量，最后按模型相似原理放大得到工程河段的渗流量。

进一步的是，步骤a中测量的比降个数在5个以上，步骤b中测量的试坑在3个以上，取孔隙率的平均值。

进一步的是，步骤e进行渗流模型试验时，在水槽中配制卵砾石试样，要求卵砾石层厚度在床沙级配最大颗粒粒径4倍以上。

进一步的是，步骤e中进行流量测算时应根据河床的实测比降来调节水槽的比降，包括实测比降的最小值、最大值及平均值，以及除这三个实测比降之外不同比降下的渗流量数据，测试的比降和对应渗流量数据不低于10组。

进一步的是，在步骤f的计算中，将步骤e中所有测量得到的比降S和渗流量Q的数据进行多项式拟合，求得渗流计算参数A、B。

本发明的有益效果是：通过现场取样分析，按照采样的卵砾石床沙颗粒级配和孔隙率进行模型试验测量得到模型渗流量，得出该床沙颗粒级配和孔隙率条件下河床渗流量与河段比降的渗流计算公式，按模型相似原理放大计算得出工程卵砾石河床透水河段渗流量。

具体实施方式

卵砾石河床透水层渗流量测量计算方法，包括以下步骤：

a、在枯水期河道流量较小、水深较浅的情况下，测量工程河段浅水情况下多个水面比降，记录最大值、最小值和平均值；

b、在枯水期河道流量较小、水深较浅的情况下，在河道卵砾石透水层中挖坑分析卵砾石透水层深度及宽度；

c、在卵砾石河道边滩接近水边处挖掘边长1～2m的立方体形状试坑，用不透水的塑料胶纸密封试坑边壁和底部，将取得的全部卵砾石用滤网滤干后回填，然后注水直至淹没整个试坑，记录注水体积和试坑体积，求两者的比值得到卵砾石河床透水层孔隙率；

d、将试坑挖出的卵砾石用标准筛分粒径筛选、称重，记录各粒径组重量，分析计算卵砾石床沙颗粒级配；

e、根据工程河段的采样数据，在实验室矩形水槽内按采样级配和孔隙率铺设卵砾石层进行渗流模型试验，记录水槽不同的比降下通过的水流流量，在调节好水槽比降后，关键要记录表层水流降低至卵砾石床面表面时的流量，这个流量就是相应河床比降下卵砾石层中的渗流量；

f、假设Q为卵砾石层的渗流量，渗流量Q与床面比降S成正相关关系，S＝AQ²+BQ，将步骤e中的试验数据带入上式求出参数A、B，再将工程河段实测比降带入上述方程求解得到卵砾石透水层水槽模型中的渗流量，最后按模型相似原理放大得到工程河段的渗流量。

河段的比降大小是影响渗流的主要因素，因此首先要测量出河段浅水情况下的水面比降，测量时根据具体情况测量多组，取最大值、最小值和平均值以备后续使用；测量卵砾石透水层的宽度和深度，便于后续的流量估算；挖掘试坑主要是为了分析卵砾石层的孔隙率和床沙颗粒级配；得到采样数据后便进行渗流模型试验，试验时首先按照比降设置好水槽的倾斜度，然后往水槽内通水，待水流稳定后慢慢减小水流量，当表层水流降至卵砾石床面表面时，此时的流量便是卵砾石河床中的渗流量；水流在卵砾石透水层中的运动是靠河道比降产生的水力梯度驱动的，天然明渠水流，河道卵砾石透水层中的水力梯度可以近似认为等于浅水时的水面比降。透水层中的渗流量Q与床面比降S成正相关关系，S＝AQ²+BQ，是符合Forchheimer形式的渗流方程。根据水槽模型试验测量得到的比降S和渗流量Q数据在Excel中进行多项式拟合，得到渗流计算参数A、B，再将工程河段河床实测比降带入上述方程求解得到卵砾石河段透水层水槽模型中的渗流量，最后按水工模型相似原理根据实测的透水层宽度和深度放大得到工程河段的渗流量。

进一步的，在步骤a中测量的比降个数在5个以上，步骤b中测量的试坑在3个以上，取孔隙率的平均值。

在步骤e进行渗流模型试验时，在水槽中配制卵砾石试样，要求卵砾石层厚度在床沙级配最大颗粒粒径4倍以上，根据长期的经验和理论分析，这样的布置形式才能保证在渗流测量试验过程中误差减小，得出的结果更准确。

步骤e中进行流量测算时应根据河床的实测比降来调节水槽的比降，包括实测比降的最小值、最大值及平均值，以及除这三个实测比降之外不同比降下的渗流量数据，测试的数据不低于10组。由于实际中河床各段比降不同，而河道比降又是决定渗流量的关键因素，所以试验时可尽量多的测试多组数据。

在步骤f的计算中，先将步骤e中所有测量得到的比降S和渗流量Q的数据在excel表格中进行多项式拟合后，再求渗流计算参数A、B，将多组数据进行拟合后可以使得出的结论更加具有普适性，在后续进行床沙颗粒级配和孔隙率类似的工程河段的渗流量估算时也就能得到更准确的结果。

在渗流模型试验时可以观测到透水层中的渗流量Q所占的比例随着水槽比降的增加而增大，在流量很小时，水流几乎以渗流的方式在卵砾石透水层流动。因此，在河床比降较大，流量较小时，卵砾石透水层渗流量不容忽视。

根据本发明提出了一套能有效测量计算卵砾石河床透水层中渗流量的方法，该方法弥补了水利水电工程领域卵砾石河床透水层渗流量测量计算领域空白，从而能够在水电站释放最小生态流量等设计计算中考虑卵砾石透水河床的渗流量，将有利于河流或者湖泊维持水环境生态系统平衡。床沙颗粒级配和孔隙率接近的工程河段渗流量可以参考水槽模型试验数据得到的渗流公式进行计算，从而节约大量的试验成本，该方法在水利水电工程卵砾石河床透水层渗流量测量领域具有重要参考价值。