模型沙设计与选择.docx
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模型沙设计与选择
7.5模型沙设计与选择
7.5.1模型沙设计基本原则
(1)尾闾模型、河口模型、湖区模型以及长江倒灌鄱阳湖的泥沙來源主要是粒径较小的悬移质,模型沙设计应主要考虑模拟悬移质运动。
赣江河道模型及长江河段模型(主要是江西段)应主要模拟悬移质中的床沙质部分,在有资料的情况下,也可适当考虑沙质推移质泥沙。
(2)设计以悬移质运动为主的河工模型,应紧紧抓住紊动扩散作用与重力沉降作用这对主要矛盾进行模型设计和选沙,必须满足泥沙悬浮和沉降相似。
(3)考虑到原型悬移质泥沙粒径己经很小,湖区模型宜选用重率较小轻质模型沙,是模型沙粒径较大,以避免极细颗粒模型沙所造成的粘结性或絮凝作用。
(4)考虑到五河及长江河段原型沙粒径相差其大,即使选用同一重率、同一特性的模型沙,所要求的模型沙粒径组成也是不同的。
因此,每个模型(或每个入湖口门)所使用的模型沙,应分别配制,对口使用,并设置相应的模型沙回收系统,以节省工程成本。
7.5.2动床模型设计
7.5.2.1原型泥沙特性
在动床模型设计和选沙之前,必须对试验河段原型沙特性有深刻了解。
据江西水利科学研究院鄱阳湖模型试验研究基地可行性研究报告(修编)⑹,鄱阳湖水系泥沙主要來自江西五河,各主要测站多年平均输沙量对比情况见表7.5.1。
由表可见,江西五河多年平均入湖沙量为1339万吨/a,湖口站多年平均输沙量为994.07J吨/a,鄱阳湖每年平均淤积泥沙345万吨(不包括区间來沙),约占五河來沙总量的四分之一。
若考虑区间來沙,鄱阳湖年淤积量还要多。
1991-2006年统计结果表明,除外洲站来沙量明显减少之外,其余河流來沙量均有所增加,特别是信江、抚河和乐安河增加幅度较大。
表7.5.1五河及湖II各站多年平均输沙量对比表(单位:
10%)
河流水文站
多年平均值【6】
1991-2006年统计
1956-1984年统计⑺
赣江外洲
895.0
760.95
1152.0
抚河李家渡
142.0
256.94
154.7
信江梅港
209.0
409.33
242.2
饶河虎山
56.0
236.01
50.4
修水万家埠
37.0
71.38
40.3
湖口(出)
994.0
五河七口总入湖
1339.0
1734.61
1599.3
乂据鄱阳湖泥沙淤积情况调查报告⑺,1954-1984年31年鄱阳湖各控制站多
年平均入、出湖悬移质输沙量列入表7.5.2。
表7.5.2鄱阳湖水系各控制站1954〜1984年多年平均入出湖悬移质输沙量
河流站名
集水面积A
(km2)
统计年限,年数
ws(104t)
K(t/aekiir)
赣江外洲
80948
1956-1984,29
1152
142.3
抚河李家渡
15811
1956-1966和
1970-1984,26
154.7
97.8
信江梅港
15535
1955-1984,30
242.2
155.9
饶河
昌江渡峰坑
5013
1956-1958,1963-1964,
1966-1973和1975-1984
23
29.6
79.0
乐安河虎山
6374
1956-1961和
1963-1984,23
50.4
79.1
修水拓林
9497
1957-1984,28
155.0
163.2
潦河万家埠
3548
1957-1984,28
40.3
113.6
合计
136726
1834.2
区间
25499(其中产沙面枳20120)
270.0
134.2
总入湖沙量
2104.2
总出湖沙量(湖II)
162225
1954-1984,31
1052.0
64.9
鄱阳湖年淤沙量
1052.0
1984年之前赣江输沙量很大,其余诸河与多年平均情况接近。
文献[7】还同时给除了鄱阳湖各控制水文站多年平均月入、出湖悬移质输沙量及湖盆淤积量。
由表7.5.3可以看出,鄱阳湖水系4〜6月为五河汛期,入湖沙量约占全年的70%左右。
7〜9月为长江汛期,鄱阳湖水位较低,三个月内多年平均长江倒灌鄱阳湖的沙量为104.5万吨。
1〜6月及10〜12月共9个月从湖口进入长江的悬沙量为1156.7万吨。
扣除长江倒灌沙量后为1052.2万吨,即为湖口水文站多年平均出湖悬沙总量,湖区淤积量约占入湖泥沙总量的一半。
月份
河流站
1
2
3
4
5
6
7
S
9
10
11
12
多年平均
赣江外洲
7.4
25.0
S4.2
212.0
270.2
310.7
94.2
58.5
4&0
24.6
113
6.2
1152
抚河李家渡
1.1
5.0
11.S
32.1
39.6
42.8
12.3
3.7
26.0
1.7
1.2
0.8
154.7
倍江梅港
1.4
S.0
19.2
43.8
53.9
76.5
24.0
7.6
3.3
2.0
1.1
1.4
242.2
饶河
吕江渡峰坑
0.04
0.57
1.68
5.39
7.23
13.89
6.67
3.4
0.29
0.39
0.04
0.01
39.6
乐安河虎山
0.16
1.30
2.90
7.63
11.0
17.6
7.53
1.1
0.30
0.54
0.11
0.23
50.4
修水
干流拓林
0.90
1.10
11.50
24.1
37.5
42.8
29.2
5.2
1.90
030
0.30
0.20
155.0
潦河万家埠
0.30
1.00
2.40
5.7
7.4
12.4
5.5
3.4
1.1
0.50
0.40
0.20
40.3
五河合计
11.3
42.0
133.7
330.7
426.8
516.4
179.4
82.9
57.5
30.0
14.5
9.0
1S34.2
区间
1.7
6.2
19.7
48.7
62.S
76.0
26.4
12.2
S.5
4.4
2.1
1.3
270
入湖悬沙总址
13.0
4S.2
153.4
379.4
4S9.6
592.4
205.S
95.1
66.0
34.4
1(5(5
10.3
2104.2
并月/全年(%〉
0.6
2.3
7.3
18.0
23.3
2&2
9.8
4.5
3.1
1.(5
0.8
0.5
100
♦湖口站出(入)悬沙
+72.2
+158.0
+295.5
+261.5
T34.3
+100.8
・23.6
-33.5
-47.4
+25.S
+57.8
+51.0
+1052.2
••湖区悬沙淤积址
-59.2
-109.S
-142.1
77.9
+355.3
+491.6
+229.4
+12&0
+113.4
+8.6
-41.2
-40.7
+1052.0
表注:
•湖口站出(入)悬沙址・十为出湖…为倒灌:
,湖区悬沙淤积址.+为淤积••为冲刷。
前面所介绍的是二十世纪80年代之前鄱阳湖水系入、出湖悬移质沙量的平衡计算结果。
二十世纪90年代,特别是万安等水库建成之后,鄱阳湖水系來水来沙情况及水沙组合发生了重大变化,入、出湖悬沙总量及湖盆淤积量应重新进行估算,以便合理确定五河七口入湖水、沙数量及其组合。
现仅以赣江为例,1956〜2006年来水來沙组合情况列于表754。
表7.5.4赣江外洲水文站来水来沙情况统计表
年份
W(108m3)
Ws(104t)
水沙组合
年份
W(10sm3)
Ws(104t)
水沙组合
1956
中水中沙
1982
中水中沙
1957
中水中沙
1983
大水大沙
1958
中水中沙
1984
中水大沙
1959
中水中沙
1985
中水中沙
1960
中水中沙
1986
小水小沙
1961
人水人沙
1987
中水小沙
1962
人水人沙
1988
中水中沙
1963
小水小沙
1989
中水中沙
1964
中水中沙
1990
中水小沙
1965
小水中沙
1991
692.65
477.90
中水小沙
1966
中水中沙
1992
1969.33
2560.12
大水大沙
1967
小水小沙
1993
1167.70
899.13
中水小沙
1968
中水大沙
1994
174&19
1590.85
大水中沙
1969
中水中沙
1995
1205.06
879.69
大水小沙
1970
人水人沙
1996
851.26
612.91
中水小沙
1971
小水小沙
1997
1441.53
864.92
大水小沙
1972
中水中沙
1998
1675.31
1055.44
大水中沙
1973
人水人沙
1999
997.18
488.62
中水小沙
1974
小水小沙
2000
671.84
275.45
中水小沙
1975
人水人沙
2001
797.67
350.98
中水小沙
1976
大水中沙
2002
1419.56
951.11
大水小沙
1977
中水中沙
2003
668.06
380.80
中水小沙
1978
小水小沙
2004
462.06
198.69
小水小沙
1979
小水小沙
2005
1030.51
638.92
中水小沙
1980
中水中沙
2006
991.54
575.09
中水小沙
1981
大水中沙
由表可见,自1992年之后,外洲站來沙量明显减小,差不多减少了三成多,除1992、1994和1998三年之外,其余全部是少沙年份。
当赣江干流峡江枢纽兴建后,将会拦截相当一部分泥沙,进入赣江尾闾河段的泥沙数量还会进一步减少。
同样的,修水干流的拓林水库及待建的昌江干流的溶溪口水库也会对控制鄱阳湖入湖沙量起到积极作用。
表7.5.5为鄱阳湖水系各控制站近年來水沙特征值统计表,赣江输沙量明显减少,但其余诸河较以前有所增加。
表7.5.6为各站多年统计水文、泥沙极限值表,可作为模型鄱阳湖供水供沙系统的设计依据。
表7.5.5鄱阳湖水系各控制站1991-2006多年平均水沙特征值统计表
河流站名
Z(m)
Q(n?
/s)
s(kg/m3)
VV^(X104t)
(悬)〃5o(nun)
lV(X10sm3)
赣江外洲
1&77
3351.3
0.072
760.95
0.056
1056.87
抚河李家渡
25.75
721.0
0.113
256.94
0.051
227.38
信江梅港
20.36
1380.8
0.094
409.33
0.014
435.46
饶河渡峰坑
24.36
1212.49
0.118
451.2
0.028
382.37
饶河虎山
22.24
748.37
0.10
236.01
236.0
修水万家埠
22.80
247.6
0.092
71.83
78.08
长江湖口
0.064
鄱阳湖星子
14.96
表7.5.6鄱阳湖各主要控制站水位、流量、含沙量极限值统计表
河流站名
Zniax
(m)
(口期)
Zniin(m)
(口期)
Qmax(m3/s)(口期)
Qmin(m3/s)(口期)
Sniax
(kg/n?
)
(日期)
赣江外洲
25.42
94-6-19
13.74
07-12-20
19100
94-6-19
4.15
02-12-16
1.63
60-8-14
抚河李家渡
33.08
98-6-23
12.02
00-12-4
9930
98-6-23
0.04
92-10-28
1.01
02-6-17
信江梅港
29.84
98-6-23
14.09
00-12-16
12200
98-6-23
0.75
97-1-14
1.19
71-6-3
饶河渡峰坑
34.27
20.52
8640
2.5
4.21
98-6-26
01-11-22
98-6-26
91-12-14
96-6-18
饶河虎山
20.32
20.09
7510
8.2
1.66
98-7-24
05-10-27
98-7-24
99-12-24
93-6-19
修水拓林
修水万家埠
29.68
20.86
9707
0.94
1.62
05-9-4
08-10-27
94-3-16
93-2-7
77-6-15
长江湖口
鄱阳湖星子
22.52
98-8-2
7.11
04-2-4
表7.5.7给出了鄱阳湖水系各主要控制站多年平均悬移质泥沙颗粒级配。
由表可见,赣江是五河中泥沙粒径最大,也是來沙量最大的一条河流,对鄱阳湖水系生态环境及泥沙淤积有至关重要的影响,应作为鄱阳湖水系的重点支流仔细模拟。
表7.5.7可作为选择模型沙的重要依据。
赣江和抚河悬沙粒径是同一数量级,可以考虑用同一种粒径的模型沙,昌江渡峰坑站悬移质与长江河段悬沙级配接近,可以共用一种模型沙。
信江梅港粒径最小,应单独配制合适的模型沙。
表7.5.8为1991〜2006年江西五河多年月平均水沙特征值。
由表可见,每年4〜7月来沙量占全年的80%左右,7月份划入五河汛期可能更合适。
表7.5.7鄱阳湖水系各主要控制站多年平均悬移质颗粒级配表
平均小于某粒径的沙重百分数(%)
中数粒径(mm)
平均粒径(mm)
最大粒径(mm)
0.007
0.01
0.025
0.05
0.1
0.25
0.5
1
赣江
多年平
均
12.7
16.0
25.0
44.4
88.7
97.2
99.5
100
0.0558
0.0786
0.8225
外洲
92年前
12.9
16.3
27.0
45.3
89.6
97.6
99.5
100
0.055
0.062
0.7843
92年后
12.5
15.7
23.7
43.2
87.5
96.7
99.5
100
0.0568
0.1019
0.8619
抚河
多年平
均
10.6
14.5
24.1
42.8
81.5
94.1
99.0
100
0.0565
0.0789
0.8978
廖家湾
92年前
12.7
17.0
2&3
4&9
81.9
93.9
9&9
100
0.0504
0.0764
0.9305
92年后
7.8
11.3
18.5
34.8
80.9
94.4
99.0
100
0.0645
0.0822
0.855
抚河
多年平
均
14.8
17.8
2&0
47.8
90.9
97.9
99.6
100
0.0506
0.0833
0.9838
李家渡
92年前
17.8
21.8
34.5
53.5
90.1
97.6
99.5
99.9
0.0459
0.0574
1.070
92年后
11.0
12.7
19.7
40.7
91.8
98.2
99.7
100
0.0565
0.116
0.8719
信江
多年平
均
39.3
46.0
62.6
75.9
91.1
97.0
99.6
100
0.0141
0.0406
0.7778
梅港
92年前
3&9
46.2
62.6
74.1
89.7
96.6
99.5
100
0.0147
0.0435
0.7889
92年后
39.6
45.8
62.5
7&0
92.7
97.4
99.7
100
0.0133
0.3733
0.7652
昌江渡峰坑
多年平
均
92年前
92年后
22.3
31.3
51.4
72.8
97.2
99.8
100.0
0.0277
0.034
0.3137
修水万家埠
多年平
均
92年前
92年后
长江⑹(武穴~彭泽)
27.9
50.1
70.1
93.2
99.6
100
0.025
河流站名
月份
1
2
3
4
5
<5
7
S
9
10
11
12
Q
S94.S
1321.07
4263.69
395631
4540.S1
7027.24
4713.94
3076.43
2058.97
1115.04
1197.09
872.(57
赣江外洲
0.034
0.042
0.106
0.09
0.092
0.099
0.072
0.042
0.041
0.030
0.045
0.029
S
Wo
S.231
13.49
120.85
92.05
112.4S
1S0X5S
91.43
34.45
21.81
9.23
13.S3
6.78
抚河
Q
146.51
226.06
722.72
651.11
711.27
2345.37
1069.92
308.70
255.22
122.S5
145.84
143.(53
S
0.051
0.057
0.099
0.097
0094
0449
0.141
0.074
0063
0.055
0.046
0.041
李家渡
Wo
1.996
3.102
19.10
16.36
17.96
90.39
40.31
6.114
4.173
1.807
1.720
1.563
Q
376.12
432.47
1035.45
14S4.90
1545.46
399660
1S42.71
605.17
533.67
175.56
436.54
294.01
倍江梅港
0.043
0.045
0.0S5
0.091
0.0S4
0.127
0.123
0.042
0.057
0.014
0.077
0.038
s
Wo
4.336
4.661
23.54
35.06
34.83
131.63
60.75
6.871
7.939
0.64S
S.6S5
3.03
Q
35.12
70.04
137.09
595.66
1020.78
1569.11
1395.49
375.01
46.15
20.44
25.73
13.74
渡峰坑饶河
0.017
0.01(5
0.06(5
0.082
0.110
0.187
0.167
0.100
0.015
0.011
0.010
0.013
s
Wo
0.159
0.266
2.412
12.72
30.10
76.09
62.44
10.05
0.178
0.061
0.067
0.049
Q
87.41
209.27
42S.44
722.30
69469
15S9.61
1205.4S
333.03
119.52
48.19
71.24
<58.02
虎山饶河
0.022
0.040
0.099
0.104
0.06S
0.144
0.154
0.043
0.016
0.007
0.009
0.015
s
Wo
0.512
2.020
11.33
19.39
12.65
59.14
49.S1
3.S04
0.509
0.090
0.162
0.277
潦河
Q
44.22
50.00
115.12
237.50
292.07
581.27
470.75
244.33
326.65
42.60
71.69
39.49
s
0.031
0.037
0.051
0.119
0.112
0.120
0.136
0.093
0.145
0.019
0.055
0.019
Ws
0.366
0.450
1.576
7.563
S.478
18.72
16.60
6.056
12.31
0.21S
1.015
0.19(5
注:
表中单位.C
Hm%:
S-kg-rn3:
Ws—IO4!
.
7.522动床模型设计
悬移质运动相似:
根据河流模拟相似理论[⑴,对于变态模型而言,决定悬移质运动相似的两个比尺关系式
(7.5.1)
(752)
式中久e一一泥沙沉速比尺
A一一摩阻流速比尺
♦
人,G血一一分别为流速比尺,平面比尺和垂直比尺。
不可能同时得到满足。
在进行悬移质动床模型试验时,究竟选择哪一个相似条件进行控制,应根据模型所研究的问题性质灵活运用。
如所研究的问题属于分流分沙一类性质的问题,含沙量沿垂线分布的正确模拟具有十分重要的意义,应使表征紊动扩散与重力沉降比相似的比尺关系式(7.5.2)式得到满足。
如果所研究的问题属于接近静水沉降一类性质的问题,则纵向流速与泥沙沉降比相似关系式
(7.5.1)式应得到满足。
就一般情况而言,由于紊动扩散作用与重力沉降作用是决定悬移质运动的一对主要矛盾,变态动床模型应满足(7.5.2)式为宜。
在悬移质动床模型试验中,悬移质运动相似条件主要用來控制模型沙的选择。
上述两个比尺关系式中,都包含泥沙沉速比尺而泥沙沉速是与
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