跟踪截流模型水下地形的模拟确定方法和试验方法

1.本发明属于水利水电工程截流模型模拟技术领域，具体涉及跟踪截流模型水下地形的模拟确定方法和试验方法。


背景技术：

2.水利水电工程河道截流，一般需要采用物理模型试验方法研究截流方案，了解进占各区段的水流条件和水力特性指标，并提出各区段的水力学指标和抛投方式、抛投料尺寸、重量和数量，为确定截流方案和截流工程备料设计提供依据。在截流模型试验开始之前，首先应按照预定的模型比尺和实测原型水上、水下地形资料建造物理模型，其次应进行模型率定，即保证模型水面线与原型水面线吻合，这是截流模型试验研究的基础，在截流规划、设计阶段，模型的水上、水下地形一般采用断面板法制作，模型率定时，如果水面线不吻合，可采用加糙或减糙的方法进行调整，此过程一般不存在问题。对于大型或重要的水利水电工程截流，除了在设计阶段需要进行截流模型试验研究以外，进入实际截流施工前夕，为了保证截流一次成功，往往还需要进行跟踪截流模型试验，而此时由于河道冲刷、岸坡或水工建筑物开挖堆渣等因素的影响，河道地形已经较设计阶段发生了较大变化，在水流湍急、测量设备有限或时间紧迫等限制条件下，根本无法直接测得实际的水下地形，对设计阶段的截流模型进行修改和率定就成为一个难题。因此，需要发明一种新的方法来保证此阶段的试验模型和原型相似。


技术实现要素：

3.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种跟踪截流模型水下地形的模拟确定方法和试验方法，能够在无水下地形资料的条件下，根据实测流量对应的水面线数据修改模型河床水下地形和进行模型率定，以确保模型与原型满足相似条件。
4.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
5.《方法》
6.本发明提供一种跟踪截流模型水下地形模拟确定方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1，获取原型水面线：
8.根据待模拟河道的历史实测资料，确定截流时可能发生的来水流量的上限值和下限值，然后对待模拟河道进行实地监测，在待模拟河道的每个特征断面的不同位置处布设多个监测点，获取与上限值和下限值接近的监测流量(包括与上限值接近的至少一个监测流量和与下限值接近的至少一个监测流量)分别对应的各特征断面各监测点的原型水位，得到原型水面线；
9.步骤2，根据原型资料预设置模型，对应原型各特征断面初步设置相应的厚度和形状可调的模型控制断面：对于水下地形模拟，首先在模型河床底部预铺一层碎石；然后，将与上限值和下限值最接近的监测流量均作为原型实测流量，按流量比尺和长度比尺计算与
一个原型实测流量对应的模型流量及下游水位，将该模型流量及下游水位用于模型进行检验，然后按比尺进行换算，得到相应的检验水面线，并将检验水面线与原型水面线进行对比，根据对比情况整体增加或者减少预铺碎石层的厚度，再继续进行检验和对比，直至对比结果为：部分控制断面的模型水位高于原型水位，部分控制断面的模型水位低于原型水位；从而得到能够通过调节碎石铺设厚度来调节控制断面水下地形的预设模型；
10.步骤3，对预设模型进行率定和水下地形精修：
11.保持步骤2检验流量不变，在不停水的条件下，依次调整各控制断面的厚度进而调节形状，使得各控制断面的模型水位与相应特征断面的原型水位吻合：每个控制断面的厚度增减视模型水位与原型水位的差值而定，当控制断面的模型水位高于相应特征断面的原型水位时，逐渐增加此断面及其附近区域的厚度，抬高河床底部高程，以降低此断面模型水位，直至模型水位与原型水位对应吻合；反之，当控制断面的模型水位低于其对应的原型水位时，逐渐减少此控制断面及其附近区域的厚度，降低河床底部高程，以抬高此断面模型水位，直至模型水位与原型水位对应吻合；如此反复对每一个控制断面均进行调整，直至所有控制断面的模型水位与原型水位对应吻合；每个控制断面的碎石厚度调整结束后，待水流稳定再量测控制断面的水位；
12.步骤4，校核：
13.变换原型实测流量大小，按照步骤3的方法，校核此流量下模型的水面线和原型的水面线是否吻合，若吻合，则无需修改水下地形，确定模型水下地形的地形能够有效模拟原型情况；若不吻合，则修改水下地形，直到满足吻合要求，该过程因为修改了水下地形，因此应再次变换原型实测流量，重新校核，如此反复对水下地形进行修改，直至所有原型实测流量下的校核结果均为吻合。
14.优选地，本发明提供的跟踪截流模型水下地形模拟确定方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，模型水上地形部分按照实测原型地形采用断面板法进行制作；模型水下地形部分先按照水上地形趋势用碎石往下顺势斜铺衔接，然后在河床底部用碎石平铺。
15.优选地，本发明提供的跟踪截流模型水下地形模拟确定方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，每个控制断面均设置与待模拟河道的每个特征断面监测点一一对应的多个量测点，将量测点获取的水位换算成对应原型尺度下的水位数值，并将此水位数值与相应特征断面的原型水位数值进行比较，通过数值差异大小是否符合精度阈值要求确定各量测点处的模型水位与原型水位是否对应吻合，当所有测量点处的模型水位与原型水位均吻合，则控制断面的模型水位与原型水位对应吻合。
16.优选地，本发明提供的跟踪截流模型水下地形模拟确定方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，当控制断面中，若某一个量测点处的模型水位高于原型水位，则逐渐增加此量测点及其附近区域的厚度，直至模型水位与原型水位对应吻合；若某一个量测点处的模型水位低于原型水位，则逐渐减少此量测点及其附近区域的厚度，直至模型水位与原型水位对应吻合。
17.《试验方法》
18.进一步，本发明还提供一种跟踪截流模型试验方法，其特征在于：采用上述《方法》得到的跟踪截流模型进行截流跟踪预报试验。
19.发明的作用与效果
20.1、本发明在没有水下地形实测资料的情况下，能直接根据实测原型流量与水面线数据对设计阶段的水下模型进行修改，并使得修改后的模型能满足施工前夕的相似要求。
21.2、采用本发明的技术方案，同传统工程测量的方法相比，克服了施工前夕实测任务困难且工期紧迫的问题，极大节省了水下地形的测量成本和时间，避免了流速过高或其他特殊情况造成的风险。
22.3、本发明的技术方案为保证大型或重要的水利水电工程截流的跟踪模型试验提供了切实可行的便捷技术。
附图说明
23.图1为本发明涉及的跟踪截流模型水下地形模拟确定方法得到的预设模型的部分结构示意图；
24.图2为本发明涉及的跟踪截流模型水下地形模拟确定方法模型通水后的部分结构示意图。
具体实施方式
25.以下结合附图对本发明涉及的跟踪截流模型水下地形的模拟确定方法和试验方法的具体实施方案进行详细地说明。
26.《实施例》
27.洛溪渡水电工程截流模型按重力相似准则设计，并考虑阻力相似，长度比尺λ
l
＝60，流量比尺在设计阶段进行了截流模型试验，根据施工进度的安排，施工年在设计年之后两年左右，计划在施工年11月进行河道截流。该工程由于工程规模大(导流工程包括六条导流洞、上游土石围堰及下游土石围堰)，计划于11月上旬实施河道截流，截流标准采用十年一遇旬平均流量，相应设计流量5160m3/s。当年10月下旬进行预进占，设计流量7600m3/s。同时，考虑到河道来流量可能偏小或出现超标准来流的情况，还需进行在来流量为4090m3/s(11月中旬p＝10％)、6500m3/s时截流的研究工作。河道截流采用1
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、2
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五条导流洞分流、戗堤立堵进占的截流方式，具有截流流量大、龙口水力学指标高、截流规模大、抛投强度高、截流施工道路布置困难等特点。为了确保截流成功，拟进行宽戗堤预进占试验、不同流量下的隧洞冲渣试验、单戗堤和双戗堤截流合龙试验等多方案的比较研究。与招标阶段比较，导流洞进、出口围堰拆除后的残留爆堆及河床堆渣严重改变了河床的水位流量关系和导流洞的分流条件(导流洞进、出口拆除爆破清理后的堆渣高度分别为9.0m(进口)和7.0m(出口))。由于坝肩、尾水洞等工程开挖出渣及几个汛期的冲刷，河道地形已经发生了很大的变化，经测量，原来的水位流量关系也不再适用。为了进一步掌握和了解截流进占各区段的水流条件和水力特性指标，业主要求在施工年汛前进行跟踪截流模型试验，为截流施工提供依据。除此之外，由于导流洞工期耽误，要求进行跟踪截流模型试验时已经进入汛期初期，当时流速已超过5m/s，当时的测量船最大测量流速仅1.5m/s，完全无法进行实际测量，所以技术单位无法提供实测地形资料。
28.鉴于以上情况，采用本发明所提供的方法进行跟踪截流模型水下地形模拟确定，具体为：
29.步骤1，获取原型水面线：
30.根据待模拟河道的历史实测资料，确定截流时可能发生的来水流量的上限值和下限值，然后对待模拟河道进行实地监测，在待模拟河道的每个特征断面的不同位置处布设多个监测点，获取与上限值和下限值最接近的监测流量分别对应的各特征断面各监测点的原型水位，得到相应流量下的原型水面线，原型水面线包含各监测点的原型水位及其位置信息。
31.步骤2，如图1所示，根据原型资料预设置模型，对应原型各特征断面初步设置相应的厚度和形状可调的模型控制断面：
32.模型水上地形部分按照实测原型地形采用断面板法进行制作。
33.模型水下地形部分先按照水上地形趋势用碎石往下顺势斜铺衔接，然后在模型河床底部预铺一层碎石，用无纺布保护碎石层，在模型上用电磁流量计或量水堰控制达到此流量，调整模型出口尾门，直到下游水位满足要求，去掉无纺布；随后，将与上限值和下限值最接近的监测流量均作为原型实测流量，按流量比尺和长度比尺计算与一个原型实测流量(例如，取上限值)对应的模型流量及下游水位，如图2所示，将该模型流量及下游水位用于模型进行检验，量测该流量下各控制断面的模型水位，然后按比尺进行换算，得到相应的检验水面线，并将检验水面线与原型水面线进行对比，根据对比情况整体增加或者减少预铺碎石层的厚度，再继续进行检验和对比，直至对比结果为：部分控制断面的模型水位高于原型水位，部分控制断面的模型水位低于原型水位；从而得到能够通过调节碎石铺设厚度来调节控制断面水下地形的预设模型。
34.步骤3，对预设模型进行率定和水下地形精修：
35.保持步骤2检验流量不变，在不停水的条件下，依次调整各控制断面的厚度进而调节形状，使得各控制断面的模型水位与相应特征断面的原型水位吻合：每个控制断面的厚度增减视模型水位与原型水位的差值而定，当控制断面的模型水位高于相应特征断面的原型水位时，逐渐增加此断面及其附近区域的厚度，抬高河床底部高程，以降低此断面模型水位，直至模型水位与原型水位对应吻合；反之，当控制断面的模型水位低于其对应的原型水位时，逐渐减少此控制断面及其附近区域的厚度，降低河床底部高程，以抬高此断面模型水位，直至模型水位与原型水位对应吻合；如此反复对每一个控制断面均进行调整，直至所有控制断面的模型水位与原型水位对应吻合；每个控制断面的碎石厚度调整结束后，待水流稳定再量测控制断面的水位。
36.本实施例中，每个控制断面均设置有与待模拟河道的每个特征断面监测点一一对应的多个量测点，将量测点获取的水位换算成对应原型尺度下的水位数值，并将此水位数值与相应特征断面的原型水位数值进行比较，通过数值差异大小是否符合精度阈值要求确定各量测点处的模型水位与原型水位是否对应吻合，当所有测量点处的模型水位与原型水位均吻合，则控制断面的模型水位与原型水位对应吻合。当控制断面中，若某一个量测点处的模型水位高于原型水位，则逐渐增加此量测点及其附近区域的厚度，直至模型水位与原型水位对应吻合；若某一个量测点处的模型水位低于原型水位，则逐渐减少此量测点及其附近区域的厚度，直至模型水位与原型水位对应吻合。
37.步骤4，校核：
38.变换原型实测流量大小，按照步骤3的方法，校核此流量下模型的水面线和原型的水面线是否吻合，若吻合，则无需修改水下地形，确定模型水下地形的地形能够有效模拟原
型情况；若不吻合，则修改水下地形，直到满足吻合要求，该过程因为修改了水下地形，因此应再次变换原型实测流量，重新校核，如此反复对水下地形进行修改，直至所有原型实测流量下的校核结果均为吻合。
39.本实施例所涉及的工程河道截流设计流量5160m3/s，要求的试验最大流量为6500m3/s。施工年7月3日、7月8日、7月19日，根据河道来流大小分别实测了4375m3/s、4250m3/s、5940m3/s对应的原型水面线。根据5940m3/s的水面线资料对河床进行了率定，并用4250m3/s和4375m3/s的水面线资料进行了复核。通过用碎石抬高水下河床、调整各断面碎石层厚度等措施，最终使模型河床各断面水位在上述流量下与原型水位基本吻合，模型河床地形与原型相似，模型河道水面线与原型河道水面线相似。三组流量试验所得的模型率定结果如下表1、表2、表3所示，可以看出模型满足公认的模型相似条件。采用本发明的技术方案，完成了本工程实施阶段的跟踪截流模型试验，为汛后截流施工提供了依据。本工程于施工年11月7日顺利完成河道截流，现场实测截流水力学指标与试验结果吻合，证实了本发明方案的是准确可靠的。
40.表1流量5940m3/s的率定成果(单位：m)
[0041][0042][0043]
表2流量4250m3/s的率定成果(单位：m)
[0044][0045]
表3流量4375m3/s的率定成果(单位：m)
[0046]
[0047][0048]
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的跟踪截流模型水下地形的模拟确定方法和试验方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。