河工模型相似設計及特殊處理技術概要

1、河工模型相似設計及特殊處理技術06-02-2210:37:00作者：白世錄丁榮海編輯：studa9ngns函妥摘要：本文從河工模型相似原理出發(fā)，由水流對床面產生的拖曳力r和床面泥沙可動指標之比，導出適用丁底沙的沖積類河工變態(tài)模型的變率e,是由模型砂密度來決定的關系式：入p=e2,進而確定了沖積河流的模型設計的變率e=XL/入h和入p=(psp-1)/(psm-1)之間的關系式來進行底沙模型設計。另外對一些特殊模型設計的處理技術作了較詳細的介紹，對河工模型設計和試驗研究者具有參考意義。關鍵詞：河工模型相似律河床是河道水流與其底部泥沙相互作用的產物，在相互作用過程中逐漸形成適應水流的河床形態(tài)，水流

2、的變化影響河床的沖刷和淤積變化，河床的沖淤變化也反過來影響水流變化，對丁挾沙水流來說，水流和河床是一對矛盾的統(tǒng)一體，相互制約和作用，這種演變過程會使河床發(fā)生縱向和橫向的變化。在平原沖積河流上，因水流的周期性變化使河床的這種變化過程也帶有周期性的重復特點，其長時期觀測是有規(guī)律可循的，自然現(xiàn)象是有一定相似準則可以模擬的，因次分析和相似原理是經常聯(lián)合使用的，當研究的物理現(xiàn)象復雜，純理論不足以解決這些復雜現(xiàn)象問題時，不得不借助丁模型試驗手段，模型試驗就有相似問題，意味著模型與原型的無因次量必須相等。1理論關系式河床演變過程的基本相似，必須在模型上同時滿足三個主要條件：a河床形態(tài)相似；b原型和模型的水流

3、水力學相似；c原型和模型上的水流與河床泥沙相互作用過程相似。a要求是重要的，原、模型幾何比尺是定值，b要求為原模型水力學動力相似，應遵循無因次數(shù)Fr相同，即Fr=v2/gh相等。22vp/ghp=vm/ghm式中下標p為原型值，m為模型值，這個條件就是重力相似條件，由此得入v恒I魚1=入h對丁c要求是河床泥沙有兩種相互保持不變的力，一種使河床泥沙顆粒脫離河底的力(上舉力和懸:浮力)，另一種使泥沙顆粒保持在河底的力(重力)，這兩種力相互作用過程，表現(xiàn)出河床泥沙顆粒脫離河床而被水流挾帶到新的位置，或保持不動。河床泥沙顆?？蓜又笜耍阂运髟诖裁嫔袭a生的拖曳力(剪應力)I和泥沙起動指標來表征1。Kg=

4、U*/(Ys-Y)/Tgd=hJ/pd式中(丫S-T)/Y=p為泥沙的水下容重比，與科巴斯的修正的顆粒弗勞德數(shù)匹r0/(Ts-Y)d是相一致的。因此有hpJp/ppdp=hJm/pndm(4)有入d入p，=入h入=入h/入L(5)由u=3尋入v=入c入1/2h入1/2J=入1/2h(6)入c=1/入1/2j=(入L入h)1/2由曼寧-斯崔克勒公式的經驗公式1/n=26/d地。，得入n-1/6d入1/6h=(入l/入h)1/2(7)由此得入d=入4h/入3l(8)將(8)代入得入。=(入l/入h)2=e2式中e為模型的變率。(9)式則是由模型砂的比重來決定的模型變率e,反過來也可以由模型變率e來

5、確定模型砂材料的比重Ymo例：某河工模型，入l=200,入h=40,e=5,應用式，入P=e2=25即(Ys-T)p/(Ts-T)n=25,(2.65-1)/(回-1)=25,回=1.066t/m3此模型砂以選用聚苯乙烯塑料砂fi=1.056t/m3為佳。06-02-2210:37:00作者：白世錄丁榮海編輯：studa9ngns厘國2懸沙模型的相似律前面給出以底沙為主的模型設計簡捷計算方法，但對丁河工模型相似律中，由丁挾沙水流的運動規(guī)律十分復雜，各家考慮的思路，及選用的起動流速及輸沙率公式的不同，導致推導出的相似律也不盡相同，往往會存在諸多矛盾。但是，試驗人員都得根據(jù)研究的課題抓住主要矛盾，

6、保證主要方面相似，而對次要矛盾作些簡化處理。對丁懸移質泥沙運動相似，其相似律有兩種思路，多數(shù)是從沉降相似來考慮，沉降公式按泥沙粒徑d的R每數(shù)來分個區(qū)域來表征：Rew0.23=(1/18v)-(丫s-丫)/丫gd2為Stokes公式Re103兇3=1.720.2Rew103co2=(4/3)-(1/Cd)-(丫s-丫/丫)gd式中Cd為阻力系數(shù)，G=24/Red(1+3/16)Red由泥沙粒徑d的不同，由不同的沉速公式導出的相似律也不盡相同。SPA06-02-2210:37:00作者：白世錄丁榮海編輯：studa9ngns厘應3河工模型設計中特殊處理技術詳細研究河工模型相似律之后，有許多特殊處理技術，可以達到事半功倍的效果。3.1采用原型砂粒徑的模型相似律某些研究項目，由丁原型砂很細，即便使用輕質砂，可以作到模型砂粒徑變粗些，可能還是很困難