模型相似率的验证方法

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：表13-2模型与原型悬移质泥沙及床沙中径对照表4.泥沙级配验证表13-2为小浪底至花园口河段模型验证时段悬移质泥沙及床沙中径的模拟结果。水槽试验及小浪底库区模型试验基本符合异重流潜入的一般规律。

13.2.2.1　河道模型验证试验

利用小浪底至花园口河段模型 (λL=600，λH=60)进行验证试验。验证时段选取1963年8月17日～11月10日，共计101天实测过程。实体模型照片如图13-1所示。

1.水流阻力相似验证

图13-2为大、中、小水时水面线的验证结果，初始流量Q=2260m3/s时，模型水位与原型符合较好，最大误差为0.23m;洪峰期大流量时Q=3360m3/s，除孤柏嘴附近水位偏差0.31～0.33m 外，其他断面水位均与原型符合。

2.流速分布验证

图13-3为验证时段铁谢、裴峪、官庄峪和花园口断面表面流速横向分布图。图上的模型测验结果与原型实测资料基本一致。

3.河段冲淤量验证

表13-1为小浪底至花园口河段沿程累积冲淤量验证结果。原型与模型累计冲刷量分别为0.850亿m3及0.921亿m3，二者基本接近。

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图13-1　小浪底至苏泗庄河段实体模型

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图13-2　模型验证时的水面线对比

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图13-3　流速横向分布验证结果

表13-1　小浪底至花园口河段冲淤量验证结果

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4.泥沙级配验证

表13-2为小浪底至花园口河段模型验证时段悬移质泥沙及床沙中径的模拟结果。可以看出，模型的泥沙级配变化与原型也是相似的，模型还较好地模拟出原型河床粗化过程及泥沙粗度沿程递减规律。

表13-2　模型与原型悬移质泥沙及床沙中径对照表

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13.2.2.2　水库模型验证试验

小浪底水库2001年8月发生了较为显著的异重流排沙过程，在小浪底水库模型上复演原型发生的异重流过程，可达到对模型进行实测资料验证的目的。图13-4为小浪底库区实体模型照片。

1.异重流形成条件

在小浪底库区模型上复演异重流过程，可以清楚地观察到异重流潜入点的变化过程。异重流潜入点随水力条件的变化而位移，其变化过程见图13-5。

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图13-4　小浪底库区实体模型

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图13-5　模型异重流潜入点位移过程

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图13-6　异重流潜入点水力条件

大量的原型资料观测及试验结果表明，异重流潜入位置主要与该处水深、入库流量、含沙量等因素有关。一般情况下可用 pagenumber_ebook=588,pagenumber_book=572 (V0、h0分别为异重流潜入处流速及水深)来描述，见图13-6。图中除了给出验证试验资料外，还有水槽试验资料及该模型近几年进行的小浪底水库运用方式研究过程中试验资料。水槽试验及小浪底库区模型试验基本符合异重流潜入的一般规律。

2.异重流运动规律

(1)异重流流速及含沙量分布。图13-7 为验证时段内，日平均流量最大时，沿程各断面主流线流速垂线分布。可以看出，在异重流潜入点以下，流速沿垂线分布均呈异重流分布状态，在清水层由于横轴环流的存在出现负流速，在浑水层异重流分布基本符合对数分布。模型与原型相比，分布形式相似，受观测时间及观测位置的影响，量值略有差别。

图13-8为验证时段内典型断面的含沙量垂线分布。从图中可以清楚地看到在水库上部，含沙量几乎为0，在异重流范围内，含沙量突然增大，呈现上清下浑的分层流。这些变化情况与原型一致。

小浪底库区平面形态十分复杂，库区有多处弯道，异重流流经弯道时，不仅产生横向比降，同时还发生环流。在凹岸厚度增加，而凸岸厚度减小。图13-9为验证试验过程中观测到的异重流经过弯道HH23 断面左右岸垂线流速及含沙量分布，可以看出，在H H23断面的右岸(凹岸)垂线流速明显大于左岸，且清浑水交界面高于左岸。

图13-10及图13-11为个别支流口门处流速及含沙量垂线分布。库区各支流与干流夹角或小于90°，或与之正交。异重流经过支流沟口，仍然以异重流的形式倒灌支流，流速较为缓慢。支流清浑水交界面与沟口处干流相当。异重流挟带的泥沙全部积在支流内，使支流不断淤积。

(2)清浑水交界面。含沙水流入库后，以异重流的形式运行至坝前，由于控制泄流，下泄流量很小，仅小部分浑水被排泄出库，其余部分被拦蓄在库内形成浑水水库。

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图13-7　沿程各断面主流线流速垂线分布

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图13-8　沿程各断面主流线含沙量垂线分布

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图13-9　HH23断面左右岸垂线流速含沙量分布

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图13-10　支流口门处流速沿垂线分布

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图13-11　支流口门处含沙量沿垂线分布

图13-12为坝前浑液面验证结果。模型清浑水交界面的高程初始较为接近，之后下降速度明显高于原型。一个原因是泥沙粒径比尺为0.79，使得模型沙较原型沙偏粗，网状絮体结构形成的速度偏慢。另一个原因是模型含沙量比尺λs=1.7，相对而言，泥沙絮体颗粒不易互相接触，颗粒间分子力作用微弱，絮体网状结构不能很快出现。此外，原型与模型沙物理化学特性的差异亦会对浑液面的沉降产生一定的影响。

图13-13给出了不同时间库区沿程交界面的验证结果。总体上，模型清浑水交界面均较原型为低，但数值相差不大。

(3)异重流排沙。小浪底坝前在清浑水交界面上下分别为清水及含沙水流。当开启发电洞时下泄水流为上层清水，而开启排沙洞则下泄浑水。根据实测的排沙洞的分流比与出库平均沙量，计算异重流含沙量与模型观测的排沙洞出流含沙量过程同时点绘于图13-14，可以看出两者变化趋势基本一致。

3.异重流的淤积

图13-15给出了异重流过后库区原型与模型纵剖面对比。可以看出，在距坝25～40km 之间原型明显高于模型。原因主要是由于模型采用5月份实测地形作为初始地形，与实际有所不同。

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