[发明专利]一种考虑河道流速的冲坑预测方法

说明书

本发明公开了一种考虑河道流速的冲坑预测方法，属于水利水电技术领域。本发明通过结合河道的水流流速，估算岸边泄洪洞运行时对河道的冲刷，为岸边泄洪洞的运行调度及下游河道的防护提供参考；主要包括以下步骤：根据挑流鼻坎流速、上下游水位差等参数计算挑流水舌入水流速，计算水舌入水时的特征厚度；根据水舌入水流速与特征厚度计算射流水舌在下游水体中的运行时间，并考虑河道水流流速作用的额外附加位移；计算射流水舌在河道流速作用下的总位移，根据总位移计算时间末的射流平均流速；结合河道底部堆积体的抗冲流速，通过试算计算射流水舌的总位移，总位移的垂直方向分量即为射流作用下的冲坑深度。

技术领域

本发明属于水利水电工程技术领域，具体公开了一种考虑河道流速的冲坑预测方法。

背景技术

随着我国大型水利水电工程建设的发展，带来较大的社会、经济、环境等方面的综合效益的同时，存在水头很高、下泄流量大的特点，大流量泄洪对下游河道的冲刷也是泄洪消能的重要问题。

大型水利枢纽的岸边泄洪洞往往承担着分洪消能的任务，其大多布置在枢纽下游地质条件较好、地形较开阔处，并采挑流的消能形式；以往对河道冲刷深度的预测基本将下游河道默认为静水，但对于岸边泄洪洞来说，由于其往往布置在拦河坝下游，其河道消能区水深、流速均受到上游河道来流的影响，同时岸边泄洪洞大多为并联布置，联合运行时射流水体之间互相干扰碰撞，流态较为复杂；系统的研究并联射流在流动水体中的扩散特性，对于研究泄洪消能时的河道冲刷及边坡安全具有重要意义，因此本发明提供一种考虑河道流速的冲坑预测方法，以解决上述问题。

发明内容

为了更准确的预测河道的冲刷深度，需要充分考虑河道的水流流速对泄洪射流水舌扩散的影响，本发明通过分析泄洪水舌在水中的扩散规律，建立扩散轨迹与入水时间的关系式，进一步考虑河道流速对扩散轨迹的影响并对扩散轨迹进行修正，得到实际扩散轨迹与实际扩散流速，从而可以更为准确的计算冲刷深度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种考虑河道流速的冲坑预测方法，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。

优选的，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。

优选的，S4中所述的泄洪水舌入水厚度d₀的计算公式为：d₀＝Q/v₀，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。

优选的，S5中推算扩散公式的过程如下：