黄河包头河段泥沙模型设计

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1、黄河包头河段泥沙模型设计摘要：针对黄河泥沙多且变化大的特点,采用泥沙运动相似条件的最新研究成果,完成了黄河包头河段动床模型沙选择和比尺设计。利用原型实测资料进行的验证试验,表明模型小河较好地复演了原型河势、水沙运动规律及河床冲淤变形等。关键词：泥沙模型模型设计黄河1模拟河段河道概况　　黄河包头段位于著名的河套地区。包头画匠营子河段位于包头市新市区略偏东处，距新市区约12km，在昭君坟和磴口之间（昭君坟水文站与磴口水文站相距约53km）。试验河段包括包头黄河公路桥下游1800m，两桥间800m，铁路桥上游3200m，共计约6000m。对昭君坟水文站1934年以来的水文资料整理分析后，

2、按中水3000m3/s的流量考虑，得到原型河段代表性资料如表1。表1原型河道水流要素特征值Characteristicvaluesofriverfloalstyle="TEXT-ALIGN:left"align=left>项目取值项目取值河段长度L6000m河段比降i0.1～0.2‰河道宽度B1000m悬移质中径d500.028mm主河道平均宽度b400m河床床沙中径D500.18mm平均水深H4.5m最大流量Q1%6200m3/s平均流速V1.7m/s最小流量Qmin48m3/s河床糙率nb0.015～0.020泥沙比重γs2.65～2.70河滩糙率nt0.020～0.030泥沙

3、沉速ω0.22cm/s2河流泥沙模型相似条件　　目前黄河动床模型相似律的研究较多[1～4]，并结合黄河包头河段的特性，采用下列相似比尺关系作为本模型设计的依据。　　重力相似λV=λh1/2(1)　　阻力相似λn=λH2/3/λL1/2(2)　　由水流连续方程,可分别得出流量及时间比尺关系式λQ=λVλLλH(3)λt1=λL/λV(4)　　悬移质相似λω=λV(λH/λL)3/4(5)对于细沙河流,当悬沙粒径d<0.15mm时(原形悬沙均能满足这一些条件),悬沙沉速用滞留区公式计算,由此得悬沙粒径比尺λd=(λωλV/λγs-γ)1/2(6)　　底沙起动及扬动相似λV=λVc

4、=λVf(7)　　水流输沙率相似λS=λS*(8)　　河床冲淤变形相似λt2=λλoλ2LλH/λGs(9)　　对于悬沙模型,上式又可表示为λt2=λλo/λsλt1(10)　　河型相似[(γs-γ/γD50H)1/3/iB2/3]m≈[(γs-γ/γD50H)1/3/iB2/3]p(11)3几何比尺及模型沙选取3.1几何比尺及模型变率　　根据试验河段平面范围及试验场地条件，选取水平比尺λL=150。考虑到模型水流深度应满足表面张力及试验量测的要求，对模型几何变率前期的研究成果和模型沙特性等方面权衡后，取垂直比尺λH=50，则几何变率Dt=3。采用张红武[3]提出的变态模型相对保证

5、率的公式求得Dt≤5.6；利用张瑞瑾[4]提出的模型变态限制指标求得Dt≤6.9。验算结果表明本模型采用的变率在各家公式限制的范围之内,几何变态的影响有限，可以满足工程需要。3.2模型沙选取　　根据式(2)求得λn=1.11(取λR=λH),因而模型糙率nm=0.014～0.018,经比选后，决定采用经过专门加工处理的兰州煤厂精煤粉作为试验模型沙。该材料不仅比重小，而且密实度及凝聚力也较小(试验测得凝聚力C=0.018kg/m2,内摩擦角Φ=35°，容重γs=1.40～1.42kg/m3，干容重γ0＝0.62～0.71kg/m3，含水量为60%，D50=0.03～0.05mm)，因

6、而能保证模型河床的活动性，以适应原型河床冲淤变化幅度较大的特点。　　原型沙容重γsp=2.66～2.70kg/m3,干容重γop=1.40～1.50kg/m3。模型设计时,取模型沙γsm=1.41kg/m3,γom=0.67kg/m3；取原型沙γsp=2.68kg/m3,γop=1.45kg/m3。则λγs-γ=4.09λγo=2.16　　由式(5)得：λω=3.10；由式(6)得,λd=0.78(根据对原型及模型水流的温差分析，取λν=0.8)。　　要求模型悬沙中径d50=0.028/0.78=0.036mm。　　对模型底沙，为保证模型小河的综合稳定性与原型相近，需按照河型相似

7、条件进行选择，即将原型及模型的有关数据代入式(11)，得模型床沙中径D50=0.042mm。所对应的床沙粒径比尺λD=0.18/0.042=4.29。　　为检查底沙的糙率，选用D50=0.04～0.06mm的煤粉作为模型沙进行预备试验，其动床河床糙率为0.015～0.018，下限0.015为静平床糙率，上限0.018为河床出现沙纹后的动床糙率，故可满足阻力相似条件。　　为检查所选模型沙能否满足底沙起动及扬动相似条件，需分别确定模型沙及原型沙的起动流速和扬动流速。为此，