[发明专利]一种考虑河道流速的冲坑预测方法

权利要求书

1.一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、计算挑流鼻坎位置与下游河道水面高程的总水头H，总水头H包括鼻坎位置的流速水头以及下游河道的高程差；

S2、根据总水头H计算挑流水舌入水平均流速v₀；

S3、根据鼻坎体型估算挑流水舌入水宽度S，对于常规的鼻坎体型，水舌入水宽度为鼻坎宽度的2倍；当鼻坎出口采用扩散体型，则水舌入水宽度为鼻坎宽度的2.5～3倍；

S4、基于S2和S3中已得到的挑流水舌入水平均流速v₀和挑流水舌入水宽度S，计算泄洪水舌入水厚度d₀；

S5、采用动量积分的方法，沿着射流方向通过动量守恒推算出扩散公式；

S6、将S5中得到的扩散公式应用于斜向射流过程中进行分析；

S7、根据扩散公式，分别计算出不考虑河道水流流速时和考虑河道水流流速时的河道冲坑深度。

2.根据权利要求1所述的一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于：S2中所述的挑流水舌入水平均流速v₀的计算公式为：其中g为重力加速度，H为鼻坎至下游水面的总水头，μ为考虑水流裂散流速折减系数，取0.5～0.6。

3.根据权利要求2所述的一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于：S4中所述的泄洪水舌入水厚度d₀的计算公式为：d₀＝Q/(v₀S)，其中Q为泄洪流量，v₀为挑流水舌入水平均流速，S为挑流水舌入水宽度。

4.根据权利要求3所述的一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于：S5中推算扩散公式的过程如下：

当挑流水舌垂直射流在水中时，有其中v₀为挑流水舌射流入水时的平均流速，d₀为水舌射流入水时的水舌宽度，v为沿着射流方向与入水点距离为L的断面的平均流速，d为该断面对应的水舌宽度，θ为射流边界单侧扩散角度；则水舌射流在水中的水舌宽度d₀与射流在水中的流程L存在以下关系：d＝d₀+2L tanθ，令tanθ＝k，则有：

取单侧扩散角度θ为14°，则k＝0.24；经过积分变换得到射流入水后扩散流程与时间的关系式如下：

5.根据权利要求4所述的一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于：S6中将扩散公式应用于斜向射流中的分析过程如下：

射流入射角度为α，当下游水垫为静水时，则射流在下游水体中的扩散轨迹为直线，射流在t时刻的位移为L，其沿着水平y方向的位移L_y＝L cosα，垂向位移L_x＝L sinα；

当下游水体以流速μ水平流动，则射流在沿程扩散的同时，受到下游水体带动而整体移动，若射流从入水到触底的时间过程为t，则射流轨迹水平移动距离为μt，射流实际运动轨迹长度为L’；横向水流作用下的射流运动轨迹长度L’可以近似按照

计算，临底流速v'计算公式如下：

6.根据权利要求5所述的一种考虑河道流速的冲坑预测方法，其特征在于：S7中计算河道冲坑深度时，先根据下游河道散粒体的抗冲流速V计算出河道冲坑平衡深度；

当不考虑河道水流流速时，根据

计算出其中的L，其垂向位移L_x＝L sinα即为达到平衡后的河道冲坑深度；

当考虑河道水流流速时，根据

其中射流轨迹经过修正后，得出

通过假定射流时间t进行试算，当t的取值满足v＝V时，计算出相应的L_x平衡后的冲坑深度。