一种考虑河道流速的冲坑预测方法与流程

1.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：

2.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。
3.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。


技术实现要素：

4.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。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种考虑河道流速的冲坑预测方法，包括以下步骤：
7.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；
8.s2、根据总水头h计算挑流水舌入水平均流速v0；
9.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；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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。
14.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。
15.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。
16.优选的，s5中推算扩散公式的过程如下：
17.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与射流在水中的流程l存在以下关系：d＝d0+2ltanθ，令tanθ＝k，则有：
[0018][0019]
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：
[0020][0021]
优选的，s6中将扩散公式应用于斜向射流中的分析过程如下：
[0022]
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ly＝lcosα，垂向位移l
x
＝lsinα；
[0023]
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
[0024]
计算，临底流速v'计算公式如下：
[0025][0026]
优选的，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；
[0027]
当不考虑河道水流流速时，根据
[0028][0029]
计算出其中的l，其垂向位移l
x
＝lsinα即为达到平衡后的河道冲坑深度；
[0030]
当考虑河道水流流速时，根据
[0031]
[0032]
其中射流轨迹经过修正后，得出
[0033][0034]
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；
[0035]
对于并联布置的泄洪洞同时运行的冲刷问题，在计算下游泄洪洞的冲刷时，可将上游泄洪洞的流量计入河道流量，在计算时进一步提高河道流速。
[0036]
与现有技术相比，本发明提供了一种考虑河道流速的冲坑预测方法，具备以下有益效果：
[0037]
(1)本发明提出了一种考虑河道流速的冲坑预测方法，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。
附图说明
[0038]
图1为本发明提出的一种考虑河道流速的冲坑预测方法的水舌垂直射流在水中的扩散示意图；
[0039]
图2为本发明提出的一种考虑河道流速的冲坑预测方法的动水作用下射流扩散示意图；
[0040]
图3为本发明提出的一种考虑河道流速的冲坑预测方法的动水作用下冲坑深度示意图。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0042]
实施例1：
[0043]
请参阅图1-3，一种考虑河道流速的冲坑预测方法，包括以下步骤：
[0044]
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；
[0045]
s2、根据总水头h计算挑流水舌入水平均流速v0；
[0046]
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；
[0047]
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；
[0048]
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；
[0049]
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；
[0050]
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；
[0051]
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；
[0052]
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；
[0053]
s5中推算扩散公式的过程如下：
[0054]
如图1所示，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与射流在水中的流程l存在以下关系：d＝d0+2ltanθ，令tanθ＝k，则有：
[0055][0056]
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：
[0057][0058]
s6中将扩散公式应用于斜向射流中的分析过程如下：
[0059]
如图2所示，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ly＝lcosα，垂向位移l
x
＝lsinα；
[0060]
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
[0061]
计算，临底流速v'计算公式如下：
[0062][0063]
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；
[0064]
如图3所示，当不考虑河道水流流速时，根据
[0065][0066]
计算出其中的l，其垂向位移l
x
＝lsinα即为达到平衡后的河道冲坑深度；
[0067]
当考虑河道水流流速时，根据
[0068][0069]
其中射流轨迹经过修正后，得出
[0070][0071]
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；
[0072]
对于并联布置的泄洪洞同时运行的冲刷问题，在计算下游泄洪洞的冲刷时，可将上游泄洪洞的流量计入河道流量，在计算时进一步提高河道流速；
[0073]
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。
[0074]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

技术特征：
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。

技术总结
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。射流作用下的冲坑深度。射流作用下的冲坑深度。


技术研发人员：胡亚安 徐建荣 辜晋德 何明杰 彭育 赵建钧 阮仕平 赵建平 颜志庆 楚昕颖 黄骏 赵伯闻
受保护的技术使用者：水利部交通运输部国家能源局南京水利科学研究院
技术研发日：2021.12.14
技术公布日：2022/3/8