技术领域
[0001] 本发明涉及一种在河口模型试验中模拟高含沙量涌潮的试验方法，尤其是一种在涌潮发生时，模拟涌潮潮头含沙量的方法及装置，属于海岸工程模型试验领域。
相关背景技术
[0002] 涌潮是入海河流河口段的一种潮水暴涨现象。地球上大约有450个河口受到涌潮的影响。涌潮有波状涌潮和漩滚涌潮之分，波状涌潮是一系列平行向前传播的涌波构成的波列，漩滚涌潮则是前锋陡立向前推进的水滚。钱塘江与南美亚马逊河、南亚恒河并列为“世界三大强涌潮河流”。钱塘江涌潮气势磅礴，蔚为壮观，但同时涌潮带来的巨大水动力也造成河床和海塘冲刷，威胁涉水建筑物的安全。既要保护涌潮这一独特的自然景观和宝贵的资源，又要预防和减免其灾害，需要了解涌潮传播机理及其水动力特性。钱塘江涌潮到达时，数十秒内，水位骤然上涨2m左右，高者3m以上，水流从落潮状态急速转化为涨潮状态。若遇河道急弯、建筑物阻挡，激起的水柱高达10m以上。涌潮过后的数分钟至数十分钟间，流速达到极值，一般为6～7m/s，实测最大测点流速达12m/s。因流速大，挟带泥沙的能力极强，与水位、流速相对应，涌潮到达时，河床受到激烈冲刷，垂线平均含沙量达每立方米数十千克，近底处可达每立方米数百千克，形成大含沙量区。
[0003] 现有的涌潮实验装置大多采用清水定床设计，侧重于涌潮潮头或传播过程的模拟。未见对潮头中含沙量进行模拟的装置。
[0004] 为了解决以上技术问题，本发明针对类似钱塘江涌潮这样高含沙量涌潮的特点，模拟涌潮传播过程中含沙量的沿程和垂向的变化。该装置能把一定含沙量的挟沙水流均匀的送入水槽，复演强涌潮水沙输移规律。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图及具体实施例对本发明进行详细说明。
[0038] 实施例一
[0039] 一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置，包括可变水头高位水箱1、试验水槽2、地下水库3；
[0040] 所述的可变水头高位水箱1包括：箱体11、平水槽12、溢流内管13、千斤顶14、进水管15、溢流外管16、出水管18；平水槽12置于箱体11内，由千斤顶14支撑并调节溢水高度，溢流内管13上端连接在平水槽12底部，下段插入溢流外管16内部，溢流内管13与溢流外管16相连接处可滑动并设置止水橡皮；
[0041] 试验时调节千斤顶14使平水槽12达到预定高度，进水管15进水量大于出水管18的出水量，多余弃水自平水槽12进入溢流内管13、溢流外管16返回地下水库3。
[0042] 所述的试验水槽2包括：扩散段21、整流段22、沙槽23、试验段24、快速闸门25、闸门电机26、尾水段27、尾门29、支架28；
[0043] 所述的整流段22连接在扩散段21下游，试验段24连接在整流段22下游，沙槽23位于试验段24底部，快速闸门25通过齿条与闸门电机26的齿轮相互咬合，快速闸门25门槽位于沙槽24的下游端，尾门29安装在尾水段27末端；
[0044] 所述的整流段22、试验段24、尾水段27长度比为2：5：3；
[0045] 所述的扩散段21为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：3小于1：2，长度不小于整流段22，若面积比小于1：3则扩散后水流仍然有较明显的高速区，会在沙槽上留下明显的冲刷痕迹，若面积比大于1：2则在小流量试验时会有泥沙停留管道中，造成总沙量不平衡，只有当扩散段满足以上面积比范围时，沙槽中的泥沙才不会出现明显的冲刷痕迹，并且在试验过程中不停留在管道中，一直随水流运动；
[0046] 所述的整流段22为一段矩形水槽；
[0047] 所述的试验段24为一段矩形水槽，水槽底部为深度为10cm的沙槽23，沙槽23铺沙表面与水槽底部持平；
[0048] 所述的快速闸门25背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机26为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度为2倍的水槽水流流速；
[0049] 所述的尾水段27为一段矩形水槽；
[0050] 所述的尾门29为插板式尾水门，所述的尾门由8～12块插板和分割板组成；
[0051] 所述的支架28为钢支架用来支撑水槽。
[0052] 实施例二
[0053] 一种模拟高含沙量涌潮的试验水槽装置，包括可变水头高位水箱1、试验水槽2、地下水库3；
[0054] 所述的可变水头高位水箱1包括：箱体11、平水槽12、溢流内管13、千斤顶14、进水管15、溢流外管16、出水管18；平水槽12置于箱体11内，由千斤顶14支撑并调节溢水高度，溢流内管13上端连接在平水槽12底部，下段插入溢流外管16内部，溢流内管13与溢流外管16相连接处可滑动并设置止水橡皮；
[0055] 试验时调节千斤顶14使平水槽12达到预定高度，进水管15进水量大于出水管18的出水量，多余弃水自平水槽12进入溢流内管13、溢流外管16返回地下水库3。
[0056] 所述的试验水槽2包括：扩散段21、整流段22、沙槽23、试验段24、快速闸门25、闸门电机26、尾水段27、尾门29、支架28；
[0057] 所述的整流段22连接在扩散段21下游，试验段24连接在整流段22下游，沙槽23位于试验段24底部，快速闸门25通过齿条与闸门电机26的齿轮相互咬合，快速闸门25门槽位于沙槽24的下游端，尾门29安装在尾水段27末端；
[0058] 所述的整流段22、试验段24、尾水段27长度比为2：5：3；
[0059] 所述的扩散段21为一段圆变方的喇叭口，试验得到扩散段前后面积比大于1：2.5，长度不小于整流段22；
[0060] 所述的整流段22为一段矩形水槽；
[0061] 所述的试验段24为一段矩形水槽，水槽底部为深度为20cm的沙槽23，沙槽23铺沙表面与水槽底部持平；
[0062] 所述的快速闸门25背面设置齿条，齿条与闸门电机的齿轮相互咬合；所述的闸门电机26为步进电机，电机脚步距为6’,齿轮与齿条咬合后，提供的关闭速度为4倍的水槽水流流速；
[0063] 所述的尾水段27为一段矩形水槽；
[0064] 所述的尾门29为插板式尾水门，所述的尾门由8～12块插板和分割板组成；
[0065] 所述的支架28为钢支架用来支撑水槽。
[0066] 所述的该装置进行模拟试验的方法包括以下步骤：
[0067] 沙槽铺沙、调整水槽水位和流速、关闭闸门生潮、测量闸门上游悬沙分布；
[0068] 由于沙槽深度为20cm，所以可以模拟的天然沙起动流速为小于1.6m/s，v<8×d；
[0069] 在原型天然涌潮中获得泥沙的起动流速为1.48m/s，可用20cm沙槽装置进行模拟，
[0070] 所述的根据泥沙起动流速相似准则是指：
[0071] 本次实验中模型流速比尺取为5，即Sv＝5；
[0072] Vsm＝Vsp/Sv，Vsm＝1.48/5＝0.296m/s；
[0073] Vsm是装置中的中值粒径模型泥沙的起动流速，Vsp是天然状态涌潮泥沙起动流速，Sv是速度比尺；
[0074] 实测河道中的天然状态河流正向平均流速Vap＝5m/s，则模型中设置的水流流速为Vam＝Vap/Sv＝1m/s；
[0075] Sv是速度比尺，Vam是装置中水流正向平均流速；Vap是天然状态河流正向平均流速；
[0076] 试验开始时沙槽23中铺设的中值粒径泥沙起动流速为Vsm＝1.48/5＝0.296m/s；
[0077] 试验开始时试验段24部分调整的平均流速值为1m/s；
[0078] 所述的调整水槽水位和流速是指，当设定需要模拟的潮头高度后，计算给定流速的公式为： α为水头损失系数0.95；
[0079] 测得的天然涌潮Hwp＝10m，则设定的模拟涌潮高度为Hw＝Hwp/Sv2＝10/25＝0.4m。
[0080] 其中Hw为设定的需要模拟的潮头高度，其值与天然潮头高度间关系为Hw＝Hwp/2
Sv，其中；Hwp为天然潮头高度，Sv为流速比尺；
[0081]
[0082] 所述的关闭闸门生潮是指，在流速和水位达到预定值后稳定15分钟后，驱动闸门电机关闭闸门，闸门的关闭速度为v＞2αVrm(m/s)，α为水头损失系数本发明取值为0.95。
[0083] v＞2αVrm(m/s)＝7.353m/s，本实施例关门速度取为v＝7.5m/s。
[0084] 本装置的模拟试验方法为：
[0085] 通过尾门29和可变水头高位水箱1调整水槽中流速达到3.87m/s，关闭快速闸门，关门速度取为v＝7.5m/s，水流被截止后在水槽中产生涌潮，涌潮自闸门向上游上涌，带动沙槽23中的泥沙，测量此时水槽中的垂向泥沙分布，获得天然状态的垂向泥沙分布特性。
[0086] 测得试验段24测得垂向泥沙含沙量换算后与天然含沙量列于下表：
[0087]相对深度h 试验段换算后含沙量(g/m3) 天然涌潮中含沙量(g/m3)
0.1 2.27 2.26
0.3 2.35 2.32
0.5 2.34 2.33
0.7 2.15 2.11
0.9 3.07 2.98
[0088] 由结果可见试验装置结果与天然状态基本一致。
