设计系列变率模型

2023-06-22 理论教育版权反馈

【摘要】：表10-1河口泥沙系列模型比尺表续表续表根据表10-1所列比尺值，在已知原型有关数值条件下即可得出模型中有关值，详见表10-2。

10.3.1.1　模拟的原型条件

系列变率模型中模拟的河段是在长江口深水航道治理工程北槽航道的基础上加以概化而给出的。此原型河段长约10km，双导堤段长6km，导堤出口为放宽段，其纵向坡降0.027‰。双导堤间距2km，下游放宽段最宽处为3km。双导堤顶部不过水。双导堤内有一条底标高为-10m 的航道，航道底宽为160m，边坡1∶50，航道两侧边滩的底标高均为-6m。航道中心线距北导堤1.3km，距南导堤0.7km。

长江口深水航道治理工程中有双导堤和南、北丁坝。为了研究模型变率在无丁坝和有丁坝时对潮流、波浪和泥沙冲淤的影响，系列模型模拟了原型无丁坝和有丁坝的情况。有丁坝的情况分别是，只有北1丁坝 (N1)和南2丁坝 (S2)时，反映南北丁坝相距较远时的情况，称其为“斜对丁坝”;只有南1丁坝(S1)和北1丁坝 (N1)时，反映南北丁坝相对时的情况，称其为 “对丁坝”;有南1 丁坝 (S1)、南2 丁坝 (S2)、北1 丁坝(N1)、北2丁坝(N2)四条丁坝时，反映丁坝群的情况，称其为“四丁坝”。

试验的动力和泥沙条件以北槽实际情况为基础。原型的潮位分别采用1996年3月9～10日和9月13～14日北槽中潮位站的潮位过程线，前者平均潮位2.05m，潮差3.76m，简称“大潮”;后者平均潮位2.55m，潮差3.60m，为与前者区分，简称“中潮”。

为反映波浪的作用与影响，原型波浪分别采用波高3m、波周期5.7s和波高2.0m、波周期4.3s的大浪。前者相当于北槽25年一遇的1/10大波，后者为北槽中几乎每年都会出现的大波。为区分这两种浪，前者简称为 “大浪”，后者简称为 “中浪”。浪向取正东，即与北槽涨潮流流向(110°)的夹角为20°。

在进行浑水“大潮”试验时，取原型含沙量为0.92kg/m3;在进行浑水“中潮”试验时，取原型含沙量为0.54kg/m3。原型底床泥沙中值粒径取为0.05mm，悬沙的絮凝沉速取为0.05cm/s，由此得原型底床泥沙的沉速0.225cm/s，絮凝后的悬沙当量粒径为0.0235mm。

10.3.1.2　系列模型比尺

为了研究模型变率的影响，设计了5个不同变率的模型，依据模型变率由小到大编号，这5个模型分别称作#1模型、#2模型、#3模型、#4模型和#5模型，其水平比尺λl分别为200、400、660、1000 和1600，其垂直比尺λh分别为80、100、110、120 和125，其变率分别为2.5、4、6、8.33和12.8。

在设计这5个模型时，潮流方面同时考虑了重力相似和阻力相似;波浪方面取波高比尺和波长比尺均等于水深比尺;悬沙和底沙方面都是按同时满足水流作用下和波浪作用下的挟沙能力相似、底沙输沙能力相似、含沙量相似、底沙输沙量、沉降相似以及泥沙起动相似的要求进行。

为满足上述泥沙比尺要求，选择密度为1.48t/m3的电木粉作为模型沙。电木粉外形为多角形，与天然沙现状接近，水下休止角较大，具有起动流速小，化学性质稳定，不易变质，可长期使用的优点。但过细的电木粉会发生轻度板结，对起动流速有一定的影响。根据南京水利科学研究院试验结果，电木粉粒径大于0.6mm，沉积10天的起动流速与沉积3天的基本一致;粒径为0.4mm，沉积3天的起动流速比沉积1天的大12%;粒径为0.2mm，沉积3天的起动流速比沉积1天的大12%。

长江口北槽河床的湿容重约为1.8t/m3，相当于其干容重为1.285t/m3。根据模型中测得的电木粉的干容重约为0.53～0.57t/m3，颗粒愈细，干容重愈小。由此可得干容重比尺为2.25～2.42。根据上述要求，分别得出了5个变态模型的水流、波浪、悬沙、底沙等比尺数值(表10-1)。

表10-1　河口泥沙系列模型比尺表

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续表

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根据表10-1所列比尺值，在已知原型有关数值条件下即可得出模型中有关值，详见表10-2。

表10-2　各模型试验值汇总表

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10.3.1.3　模型布置和控制

图10-1为#1模型的平面布置图，其他模型布置图均与此相同。模型下游设有尾门升潮，并有生波机生波;上游设有双向泵调节上游流量。模型采用水库加沙和上下游加沙相结合的方式控制要求的含沙量和粒径级配。

各模型均设水位仪3台、流速仪11台以及波高仪5台。水位仪分别设在尾门和航道中心线的中部和上游;流速仪分别设在各丁坝坝头以及北1丁坝和北2丁坝之间的断面上;含沙量测量位于堤头位置和航道上下口处，波高仪分别设在生波机前、北1丁坝和北2丁坝之间以及航道中心线的中部和上游。

各个模型均由计算机按给定潮型控制尾门、按给定流量过程线控制双向泵、按率定的波高控制造波机，潮位仪、流速仪、波高仪由计算机控制定时采集数据，含沙量由人工定时采集，通过比重瓶法确定。试验开始和试验结束时测航道边坡以及航道部位丁坝头部位地形，第15h时加测同上区域的地形变化。每3h监测一次丁坝头冲刷坑深度变化。试验开始和结束按常规测泥沙干容重γ0和中值粒径d50。

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