[发明专利]一种泵站前池扬沙率的确定方法

说明书

本发明涉及一种泵站前池扬沙率的确定方法，包括以下步骤：1)确定泵站前池流速过程随时间变化的函数关系式；2)计算泵站前池的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；3)计算泵站前池的泥沙沉降速度w和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期的比值Ψ；4)计算泵站前池的泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α；5)计算水体的挟沙能力F、泥沙体积分数浓度C和水体的挟沙能力随时间的变化率dF/dt；6)计算泵站前池的扬沙率。

技术领域

本发明涉及了一种泵站前池扬沙率的确定方法，属于水利工程泵站领域。

背景技术

扬沙率是单位时间单位床面上的垂向泥沙通量，包括净扬沙率Φ、下沉通量Φ_d和上浮通量Φ_u。在水泵磨蚀的工程设计中，前池泥沙的上浮和下沉现象非常普遍又极其重要，一般用扬沙率的三个部分，即净扬沙率、下沉通量和上浮通量共同来判断。

包含相位差和泥沙体积守恒的扬沙率，是判断垂直方向上的泥沙交换强度、估计床面侵蚀和淤积的重要参数。当前泵站设计中已经有工作来估计泥沙的扬沙率，但都集中于恒定流动的理论，它不包含相位差作用即泥沙运动相对于水动力条件所需要的时间响应，同时也不考虑泥沙体积的守恒，这导致当前泵站设计无法体现扬沙率相对流速的相位漂移以及受到运动的泥沙总量在流动速度减少后的相位残留影响，设计的扬沙率随着流动条件的增大趋向于无穷大而失效。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种在非恒定流动条件下通过确定相关相位差参数和考虑泥沙体积守恒来获得泵站前池扬沙率的方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种泵站前池扬沙率的确定方法，包括以下步骤：

1)确定泵站前池的流速随时间变化的函数关系式U(t)；

2)计算泵站前池的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N；

3)计算泵站前池的泥沙沉降速度w和泥沙在输沙层内的沉降时间与流动周期T的比值Ψ；

4)计算泵站前池的泥沙对流速的相位漂移ψ和泥沙相位的残留α；

5)计算水体的挟沙能力F、泥沙体积分数浓度C和水体的挟沙能力随时间的变化率dF/dt；

6)计算泵站前池的扬沙率。

所述步骤1)中，采用2阶Stokes波动理论确定泵站前池的流速随时间变化的函数关系式U(t)。

所述步骤2)中，利用如下的式(1)～(3)计算泵站前池的最大谢尔兹数Θ_m、摩擦因子f和粗糙高度k_N的过程如下；

其中U是泵站前池的流速，下标m代表最大值；D是泥沙粒径；T是流动周期；Θ是谢尔兹数，下标m代表最大值；f是摩擦因子；s是泥沙与水密度的比值；所在地的重力加速度g；k_N是动床面粗糙高度；

先假定最大谢尔兹数Θ_m<1，由式(3)得到粗糙高度k_N＝5D，代入式(2)，得到摩擦因子f的值；代入式(1)得到的最大谢尔兹数的值Θ_m，若小于1则假设成立，若大于1则假设不成立；

若上述假设不成立，根据最大谢尔兹数Θ_m>1，由式(3)得到粗糙高度k_N＝5Θ_mD；代入式(2)，并联合式(1)，得到