穿河倒虹吸工程河工模擬優(yōu)化研究

1、2014.09 水力分析與計算穿河倒虹吸工程河工模擬優(yōu)化研究 項目負(fù)責(zé)人： 王勤香 黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院水力分析與計算342 1765水力分析與計算水力分析與計算安陽河安陽河鄭州丹江口北京北京天津天津水力分析與計算 1. 1.問題的提出問題的提出水力分析與計算342 1765水力分析與計算 2. 2.研究思路研究思路水力分析與計算342 1765水力分析與計算水力分析與計算 對于全沙動床變態(tài)河工模型試驗，相 似準(zhǔn)則從一下兩方面分析： 滿足重力（Fr）相似， 且滿足紊動阻力相似要求；主要控制比尺為幾何比尺、流量比尺、流速比尺、糙率比尺，其中： Q =lhu uh0.5 nh2/3/l1/2 （1

2、）水流運動相似水力分析與計算 （）泥沙運動相似泥沙運動相似主要滿足起動相似、懸移相似和河床變形相似。主要控制比尺為粒徑比尺和河床變形時間比尺：mmhds212212bghltulh水力分析與計算 (1) (1) 水流運動方面水流運動方面 變率越大，慣性力與重力比相似相差越大，慣 性力紊動阻力比相似越不易滿足。 (2) (2) 泥沙運動方面泥沙運動方面 變率越大，起動相似 、懸移相似就不可能很好滿足。 3.2 3.2 變率的影響變率的影響水力分析與計算 李保如的研究結(jié)果：在24的變率范圍內(nèi)，對流場相似性的影響較小，對含沙量分布的影響也自然較?。粎⒖紡埣t武、竇國仁提出的公式分別得3.74，5.54

3、。考慮到穿河倒虹吸工程的重要性，模型的變率不宜過大，粗取變率范圍在15之間。(3) (3) 變率限制變率限制水力分析與計算l全沙動床模型設(shè)計存在的問題全沙動床模型設(shè)計存在的問題（1）懸移質(zhì)和推移質(zhì)同時模擬時間比尺問題。 河床變形時間比尺按主要運動泥沙的河床變形時間比尺。在模型試驗中保證每場洪水歷時時間長些，就能保證河床變形時間比尺與水流運動時間比尺一致。（2）模型沙選擇問題。 （3）模型的變率問題。3.3 3.3 模型設(shè)計方法模型設(shè)計方法水力分析與計算l全沙動床模型沙設(shè)計常用方法全沙動床模型沙設(shè)計常用方法先確定幾何比尺、變率,再根據(jù)懸移相似或起動相似確定粒徑比尺，用平均沉降相似法設(shè)計模型沙的級

4、配組成。l全沙動床模型沙設(shè)計新方法全沙動床模型沙設(shè)計新方法 先定出水平比尺，然后以變率為變量，確定出不同的垂直比尺，考慮起動相似確定粒徑比尺，引用沙玉清的沉速判別數(shù)，考慮懸移相似，定出模型沙級配組成及對應(yīng)粒徑比尺，最后，調(diào)整變率使按起動相似確定粒徑比尺與按懸移相似計算的散體沙粒徑比尺相一致。水力分析與計算 水平比尺確定水平比尺確定 考慮試驗場地、試驗任務(wù)要求及試驗室供水等因素，充分利用試驗場地長度，取水平比尺l=100。 鉛垂比尺確定鉛垂比尺確定 鉛垂比尺選取與變率有關(guān)，本模型試驗是在分析不同變率影響下，首先進(jìn)行模型沙設(shè)計，再確定變率、垂直比尺及粒徑比尺。水力分析與計算 粒徑比尺確定粒徑比尺確

5、定 原型沙起動流速公式選唐存本公式；模型沙起動流速公式選結(jié)構(gòu)形式相同的沙漠夫起動流速公式。由此按起動相按起動相似似可導(dǎo)出起動流速關(guān)系式，求出粒徑比尺d=h/1.573。粒徑比尺與鉛垂比尺有關(guān)，鉛垂比尺選取與變率有關(guān)。（變率為2時，由上式可計算出d =12.92）hd110025.841025012.923.53333.338.611.924256.461.255205.170.89水力分析與計算 模型沙級配設(shè)計模型沙級配設(shè)計 本次模型沙級配設(shè)計是把原型泥沙分組，根據(jù)沙玉清的無因次沉速判別數(shù)Sa 按懸移相似設(shè)計出不同變率模型沙級配，變率取2時具體計算見下表：小于某 粒徑 百分?jǐn)?shù)(%) (1) 原

6、型 沙粒徑 mm (2) 所屬 流區(qū) (3) 原型沙 沉速 (cm/s) (4) 沉速 比尺 (5) 模型沙 沉速 (cm/s) (6) 沉速判 別數(shù) Sa （7） 所屬 流區(qū) (8) 模型沙 粒徑 mm (9) 粒徑 比尺 d (10) 1.4 0.1 過渡 0.61 3.54 0.17 0.07 層流 0.01 19.1 3.2 0.25 過渡 3.07 3.54 0.87 0.34 過渡 0.12 2.08 4.3 0.5 過渡 6.98 3.54 1.97 0.78 過渡 0.19 2.65 6.3 1 過渡 11.94 3.54 3.37 1.33 過渡 0.27 3.75 7.9

7、2 過渡 18.08 3.54 5.11 2.01 過渡 0.37 5.42 12.4 5 紊流 29.41 3.54 8.31 3.27 過渡 0.61 8.20 20.8 10 紊流 41.84 3.54 11.82 4.66 過渡 0.99 10.16 42 20 紊流 59.30 3.54 16.75 6.60 過渡 1.55 12.90 83.3 40 紊流 83.93 3.54 23.71 9.34 過渡 3.10 12.90 313131) 1(sagS水力分析與計算 模型的主要比尺模型的主要比尺 變率取2時按起動相似計算出的粒徑比尺與按懸移相似計算出散體沙（粒徑d1mm）粒徑比

8、尺基本吻合，即變率為時滿足起動相似和懸移相似。模型主要比尺如下表所示。水力分析與計算 采用1982年8月洪水(流量2540m3/s)的調(diào)查洪痕，通過洪痕水位校驗對比可知，本模型設(shè)計合理，可以利用本模型進(jìn)一步模擬不同條件下的洪水演進(jìn)及不同工程條件下的河床變形問題。洪 痕 點 編 號 1 2 3 洪 痕 高 程 （ m） 85.46 85.38 85.33 觀 測 水 位 （ m） 85.58 85.24 85.16 相 對 誤 差 (% ) 0.14 -0.16 -0.20 觀測水位與洪痕水位對比觀測水位與洪痕水位對比水力分析與計算342 1765水力分析與計算水力分析與計算 通過下表分析，不同

9、頻率洪水主流帶范圍分別是：580700m、580770m、550750m，一般主流帶寬度在100m200m左右。水力分析與計算根據(jù)倒虹吸軸線及上游斷面橫斷面圖，可得深泓帶位置如下表。水力分析與計算342 1765水力分析與計算工程方案布設(shè)及比較分析工程方案布設(shè)及比較分析 5.1工程布設(shè)方案工程布設(shè)方案 195/550195/550方案方案 195/650195/650方案方案 165/650165/650方案方案 135/650135/650方案方案 165/600165/600方案方案 水力分析與計算 通過對通過對195/550、195/650；195/650、165/650、135/650

10、；165/650、165/600模型模型試驗成果試驗成果比較分析可以看出：比較分析可以看出：650m工程位置優(yōu)于工程位置優(yōu)于550m工程位置工程位置165m倒虹吸水平段長度優(yōu)于倒虹吸水平段長度優(yōu)于195m、135m 600m工程位置優(yōu)于工程位置優(yōu)于650m工程位置工程位置水力分析與計算l 650m工程位置優(yōu)于工程位置優(yōu)于550m工程位置工程位置 倒虹吸中心距左導(dǎo)線550m 時，口門處水流不平穩(wěn)，彎道橫比降大，300年一遇洪水時左岸嚴(yán)重壅水；當(dāng)?shù)购缥行木嘧髮?dǎo)線650m 時，口門處水流較平穩(wěn)，沒有很大的彎道橫比降。l 河床高程開挖至河床高程開挖至77m優(yōu)于天然情況優(yōu)于天然情況通過對195/650

11、、165/650、135/650三方案沖淤變化分析：在其它條件相同的情況下，口門處河床高程開挖至77m高程要比口門處河床高程天然無開挖情況沖刷量小，對工程安全是有利的。水力分析與計算l 165m倒虹吸水平段長度優(yōu)于倒虹吸水平段長度優(yōu)于195m、135m （1）水位）水位195/650、165/650、135/650不同頻率洪水時165/650方案水位變幅最小，135方案的水位變幅最大，明顯大于自然情況下的水位變幅。倒虹吸軸線前斷面處，300年一遇洪水時，滯水作用明顯，水位高于天然無工程情況下水位，195/650時最高壅水0.17m，小于理論計算值0.20m；165/650時最高壅水0.25m，

12、大于理論計算值0.22m，135/650時最高壅水0.37m，大于理論計算值0.30m，135方案壅水作用大于其它兩方案，165/650時壅水作用適中。水力分析與計算0.00.51.01.52.02.53.03.5500550600650700750800距左導(dǎo)線距離（m）流速（m/s）195/650方案165/650方案165/600方案135/650方案天然無工程0.00.51.01.52.02.53.03.54.04.5500550600650700750800距左導(dǎo)線距離（m）流速（m/s）195/650方案165/650方案165/600方案135/650方案天然無工程（2）流速水力

13、分析與計算 （3）主流）主流修建工程后，20年一遇洪水時，因流量較小，165方案和195方案裹頭之間的阻水作用不明顯，過流能力可以滿足要求，135方案過水?dāng)嗝孑^窄、略微阻水；100年一遇和300年一遇洪水時，各工程方案均明顯阻水，阻水作用以135方案最大、165方案次之、195方案最弱。水流在裹頭前形成一定壅水，在倒虹吸的下游受裹頭的約束作用較少，水流比較平順。水力分析與計算（）沖淤變化（）沖淤變化195m方案倒虹吸工程水平段較長，裹頭處的河床淤積。165m方案時，裹頭處河床部分淤積，右岸裹頭前有回流，河床有一定沖刷。135m方案時，裹頭對水流的約束作用比較明顯。裹頭前普遍沖刷。左岸裹頭處有明

14、顯的回流，左岸上游裹頭沿坡腳處出現(xiàn)明顯深度約2.5m淘刷坑，右岸裹頭處河床稍微有淤積。水力分析與計算l 600m工程位置優(yōu)于工程位置優(yōu)于650m工程位置工程位置 165/600方案時，20、100和300年一遇倒虹吸軸線處左右岸水位落差，均小于0.1m，水面很平穩(wěn)，幾乎沒有橫比降，軸線處各洪水頻率水位與自然無工程水位最大相差不大于0.1m；165/600方案時倒虹吸軸線橫斷面處流速分布橫斷面處流速分布比較均勻比較均勻，各洪水頻率流速分布與天然無工程流束分布很接近；水流比較順暢、流態(tài)較為穩(wěn)定，河勢沒有發(fā)生較大變化，300年一遇洪水過后，在地形測量斷面內(nèi)的沖刷量不大、沖深也較小，僅略大于195方案

15、時對應(yīng)的沖刷量和沖深。水力分析與計算影響行洪口門位置主要因素是主流線、深泓線位置及主流帶、深泓帶的范圍，尤其是深泓線位置是決定口門位置最主要因素。南水北調(diào)中線的滹沱河倒虹吸工程，口門中心線布置在河道深泓線附近，沙河穿河工程口門選在河道中部偏右的主槽位置，唐河倒虹吸工程口門選在靠左岸天然河道的主槽位置。上述南水北調(diào)中線行洪口門位置布設(shè)都比較合理，兩側(cè)水流進(jìn)入口門的流量和橫向流速基本均衡，河道上下游河勢變化較小。 水力分析與計算影響行洪口門尺寸主要因素是主流帶、深泓帶寬度。南水北調(diào)中線滹沱河倒虹吸工程、淇河渠道倒虹吸工程，推薦口門寬度尺寸分別為2000m、1000m，口門尺寸與深泓帶寬度相當(dāng)；南水

16、北調(diào)中線滄河渠道倒虹吸工程，推薦口門尺寸為670m，而滄河交叉斷面處河道寬約930m，主河槽寬約700m，口門尺寸略小于主河槽寬度。以上工程推薦口門寬度，通過對工程河段的水力因素及經(jīng)濟(jì)因素分析、計算，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、防洪安全幾方面考慮均能滿足要求，為最優(yōu)口門尺寸。水力分析與計算影響行洪口門位置的主要因素是主流線、深泓線的位置以及主流帶、深泓帶的范圍，影響行洪口門尺寸的主要因素是主流帶、深泓帶的寬度。口門中心位置布置在深泓線處最佳，行洪口門寬度接近主流帶、深泓帶（主河槽）的寬度最好。主流帶、深泓帶位置不一致時，口門位置選擇主要考慮深泓線的位置和深泓帶的范圍，同時盡可能兼顧主流線的位置和主流帶的范圍

17、?？陂T位置盡可能既在深泓帶的范圍內(nèi)又在主流帶的范圍之內(nèi)；口門寬度盡可能接近主河槽的寬度，使橫向流速基本均衡，減小口門處左右岸水位差及上游壅水高度。水力分析與計算342 1765水力分析與計算 體型優(yōu)化前右岸裹頭處流態(tài)體型優(yōu)化前右岸裹頭處流態(tài)水力分析與計算 按橢圓曲線進(jìn)行優(yōu)化按橢圓曲線進(jìn)行優(yōu)化 （1）理論方程 流量束窄度MQ公式 橢圓短軸b長度公式 （2）參數(shù)計算 按圓弧曲線進(jìn)行優(yōu)化按圓弧曲線進(jìn)行優(yōu)化橢圓曲線最大曲率半徑方程 圓弧半徑取橢圓曲線最大曲率半徑為=82m。 橢圓曲線優(yōu)化裹頭將使裹頭工程量增大、施工放樣不便且與左岸裹頭尺寸不對應(yīng)，故采用圓弧法進(jìn)行裹頭體型優(yōu)化 。psAlkb QQMnc

18、Q44232424)bbayax （bk222)(11kbxby水力分析與計算總 干 渠 安 陽 段 安 陽 河 渠 道 倒 虹 吸2.退 水 閘 布 置 在 倒 虹 進(jìn) 口 右 岸 ， 中 心 線 與 總 干 渠 軸 線 交 角 60度 .1.單 位 :高 程 、 樁 號 為 米 ,尺 寸 為 毫 米 .5.圖 中 比 例 尺301050204060m說 明道50/60設(shè) 計 流 量P=0.33%進(jìn) /出 口 渠 道 設(shè) 計 水 位總一 級 邊 坡1： 2.00.20319.3863 6.7 7.0mmmm進(jìn) /出 口 漸 變 段 長干渠斷 面 尺 寸 (孔 數(shù) B H)管 身 結(jié) 構(gòu) 型

19、式設(shè) 計 水 頭87.3723592.874 洪 水 位m /smm31432指 標(biāo)517085.70357077.0 洪 峰 流 量3m /s 洪 水 位 洪 峰 流 量P=1%P=1%河 底 高 程河 岸 高 程 （ 左 岸 /右 岸 ）然3m /smmm主 要 技 術(shù) 指 標(biāo) 表部 位項 目交 叉 斷 面 以 上 集 流 面 積 單 位 km284.6/91.01:21:16.2651:21:1.51:21:1.51:21:21:2退0+142.60+112.6退總 干 渠 中 心 線總 干 渠 中 心 線倒虹0-1101:41:201:41:21:1.51:2退0-0401:21:1.

20、5消池力0+013退1:1.50+000退82.8094.90交 通 橋交 通 橋98.0085.601:1.51:21:21:1.51:2倒虹0+356.386倒虹0-050倒虹0+416.386倒虹0+334.386倒虹0+251.50倒虹0+086.50倒虹0+015倒虹0+000退0+085.6描 圖批 準(zhǔn)校 核制 圖設(shè) 計核 定審 查設(shè) 計 證 號設(shè) 證 水 利 甲 級160103-sj比 例圖 號日 期NZC (AY)H003(I)-1-01見 圖2004.09部 分設(shè) 計南 水 北 調(diào) 中 線 一 期 工 程水 工初 步總 平 面 布 置 圖P=0.33%97.001:5000+

21、172.6退退85.874管理房1:23.811:23.813.安 陽 河 渠 道 倒 虹 吸 工 程 進(jìn) 口 位 于 總 干 渠 設(shè) 計 樁 號 IV(AY)26+326.51位 置 ， 進(jìn) 口 漸 變 段 首為 466.386m。 退 水 閘 中 心 線 與 渠 道 中 心 線 交 點 大 地 坐 標(biāo) 為 ： x 4000559.418,端 與 總 干 渠 交 點 大 地 坐 標(biāo) :x=4000606.493， y 38521943.057。 建 筑 物 總 長 度01:20加 大 流 量m /s3265進(jìn) /出 口 渠 道 加 大 水 位m進(jìn) /出 口 渠 底 高 程m渠 底 寬 度m1

22、7.0吸虹倒道渠進(jìn) /出 口 閘 室 段 長m15/22管 身 段 水 平 投 影 長箱 形 ， 三 孔 一 聯(lián)94.9088.501:1.51:2.51:2.51:2.588.5088.501:2.51:2.51:2.588.5092.67493.25293.05285.87485.67497.0097.30控制室通 信 室天河為 C25,抗 滲 等 級 W6,抗 凍 等 級 F150。4.倒 虹 管 身 段 采 用 砼 標(biāo) 號 為 C30， 采 用 抗 滲 等 級 W6， 抗 凍 標(biāo) 號 F50； 各 閘 室 砼 標(biāo) 號y 38521905.855， 相 應(yīng) 總 干 渠 設(shè) 計 樁 號 為 IV(AY