[发明专利]一种异型断面试验水槽设计方法及其应用

说明书

本发明公开了一种异型断面试验水槽设计方法及其应用。所述异型断面试验水槽包括下槽和上槽，上槽的下缘与下槽的槽壁上缘相接，下槽的横断面形状为矩形、或半圆形、或三角形，上槽的槽壁为两条轴对称曲线；首先确定水槽的设计水力半径R、下槽宽度b，然后计算得到下槽深度d、水槽宽度B，最后计算得到上槽的槽壁曲线方程。该方法将试验水槽的横截面设计成异型断面，使得试验中过流断面水力半径不随水深(泥深)的改变而改变，起到了控制变量的作用，解决了现有矩形试验水槽过流断面水力半径难以控制的问题，为探究清水水流、高含沙水流和泥石流截面平均流速以及其他运动学参数与过流断面水力半径的关系提供了便利。

技术领域

本发明涉及一种定水力半径的异型断面试验水槽设计方法及其应用，适用于工程模拟试验研究，属于水利工程优化设计和泥石流防灾减灾领域。

背景技术

水槽模拟试验是研究清水水流、高含沙水流、以及泥石流运动特征的常用方法之一。水槽试验装置的控制精度和测试仪器的测量精度是影响试验成果精确度的重要因素，因此水槽模拟试验的参数控制方式和精度以及测量仪器的设备精度需要不断地改进与提高。

目前，清水水流、高含沙水流和泥石流水槽模拟试验装置的断面以矩形为主，试验过程中过流断面水力半径与水深(泥深)和槽宽的关系为：式中，R为水力半径，h为水深(泥深)，b为水槽宽。在试验水槽宽度固定的情况下，水力半径随着水槽中水深(泥深)的变化而变化，因此现有的控制过流断面水力半径的方式是控制水深(泥深)。目前，控制水深(泥深)的主要方法是电动尾门控制；许明等还提出了一种用于水力学和泥沙动力学的无尾门试验水槽(CN200910062236.7)，通过总水量的变化直接影响水槽试验段的水深。但这些通过调节水深(泥深)来实现控制水力半径的方法在高含沙水流和泥石流水槽试验中并不适用。原因在于：尾门会使固体物质沉积，从而改变流体的性质；通过总水量控制水槽试验段的水深(泥深)也是十分困难的，因为高含沙水流和泥石流并非均质流体，在试验过程中的水深(泥深)波动是在所难免的。另一方面，现有的计算过流断面的水力半径的方式十分依赖水深(泥深)，水深(泥深)的测量精度对水力半径的计算精度影响很大，尤其是在高含沙水流和泥石流试验过程中，流体深度更是难以精确的测量，对试验的结果影响较大。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，从试验水槽试验段断面优化的角度出发，提供一种定水力半径的异型断面试验水槽设计方法，可以控制过流断面的水力半径不随水深(泥深)的变化而变化，能够消除水深(泥深)对过流断面水力半径的影响，采用该方法设计得到的试验水槽可以保证试验过程中试验段各过流断面的水力半径相等且恒定。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

本发明提出一种异型断面试验水槽设计方法，现有水槽的横截面主要为矩形，本发明将水槽横截面设计成异型断面，如附图2-4所示。所述异型断面试验水槽包括由槽底和槽壁组成的下槽，以及位于下槽上方的上槽(上槽仅有槽壁、没有槽底)；上槽的下缘与下槽的槽壁上缘相接，下槽的横断面形状为矩形、或半圆形、或三角形(相应的，异型断面分为平底异型断面、圆底异型断面和尖底异型断面)，上槽的槽壁为两条轴对称曲线。

所述上槽的槽壁曲线方程的推导过程如下：

槽壁曲线所在直角坐标系如图2所示，由y＝f(x)表示。在第一象限内，槽壁曲线还可以表示为x＝g(y),x≥0，f和g互为反函数。在水深(泥深)为h(h≥d)时，另过流断面水力半径为定值R：

公式一中，A为过流面积，χ为湿周，h为水深(泥深)，d为下槽深度，S_底为下槽部分的过流断面面积，l_底为下槽部分的过流断面湿周，g’(y)为g(x)的导函数。

对公式一化简得：