动床模型验证过程中的几个问题

9.3　动床模型验证过程中的几个问题

9.3.1　模型沙选取

根据呼图壁河汛前和汛后的坑测资料，验证河段的泥沙级配采取平均值。新疆宽浅变迁河流属于相对光滑度较小的河流，不宜选用轻质沙，故本次呼图壁河模型沙选用天然沙。原型沙和模型沙中值粒径分别为18 mm，1.2 mm。开始选模型沙时，曾对1.2 mm以上的模型沙选取为石英沙。水槽试验结果表明^[7]：尽管石英沙有易于加工的特点，但由于其表面凹凸不平，棱角较多，在水流作用下，沙相互之间出现“咬合”现象，泥沙运动受到影响，不易模拟出新疆宽浅变迁河流所具有的变迁特点。

根据原型沙和模型沙的比重、休止角、干容重以及光洁度的不同，模型沙较细部分（0.01～0.5 mm）用天然河沙模拟，即模型沙Ⅰ。模型沙粒径介于天然河沙与模型沙中值粒径之间的用加工后的石英沙模拟，由于天然河流粒径为0.5～1.2 mm的细砾石相当少，加之这种粒径的石英沙处于中值粒径以下，尽管其表面粗糙、棱角分明，但无法与其表面较粗且磨光的砾石产生“咬合”作用，故这个粒径段模型沙选取加工后的石英沙，即模型沙Ⅱ。模型沙Ⅲ和模型沙Ⅳ都采用长江的天然砾石，其特性与呼图壁河的原型泥沙特性一致，见表9.2。

表9.2　原型沙和模型沙泥沙特性比较

9.3.2　进口加沙布置

加沙控制是整个动床模型验证成败的关键，共进行7次验证试验，其中有5次是调整进口加沙布置。进口加沙布置有2个方案：方案Ⅰ，自动加沙系统加沙＋分散式沟槽，如图9.3所示；方案Ⅱ，人工加沙＋宽顶堰式入口，如图9.4所示。

第1～5次验证进口布置采取方案Ⅰ，每次验证对分散式沟槽做了小的改动，验证结果均不理想。第6和第7次验证进口布置采取是人工加沙＋宽顶堰式入口。宽顶堰式入口比分散式沟槽更容易达到单宽流量均匀分布。在加沙时，不计每个流量级加多少沙，只在进口段的末端采取人工加沙。为了减少加沙对水面波动的影响，尽量在离水面5 cm高处加沙。光滑平板与水流调整段的交界面作为加沙的控制面。加沙的多少主要依据光滑平板与水流调整段（交界面附近）是否平顺连接。其加沙标准为保持入口段末端的水面均匀，防止由于加沙量的过多或过少引起入口段末端的水面局部“拱起”或“跌落”，即达到不冲不淤、输沙平衡。

图9.3　自动加沙系统及分散

图9.4　宽顶堰入口

9.3.3　验证指标

新疆地区地广人稀，在宽浅变迁河流内修建涉河建筑相比长江中下游、黄河、珠江等要少得多，对河道变化的关注也少，要收集历年河道地形图和河道年内变化图相当困难。由于内流河宽浅变迁河段的宽浅性（洪水水深一般几十厘米，至多1.0～1.5 m，船舶无法驶入），至今难以解决桥位河段（宽500 m，长1 000 m）洪水的水位、流速测量问题。

规范规定：动床模型验证主要包括水面线、流速及流态分布、淤积形态和淤积量的验证^[8]。但由于新疆宽浅变迁河流独特的水沙运动规律，其动床模型验证指标确定却有所不同。

①新疆宽浅变迁河流存在宽浅性和变迁性的特点，地形一直处于变化之中，其流速测量相当困难，无法完成一次地形相对固定下断面流速的测量，不能像其他河流那样分流量级进行流速验证。

②在进行原型资料测量时，对验证河段的水位和典型断面的流速、悬沙、推移质进行测量，测量时间为每天的8：00和20：00。尽管由于地形处于不断的剧烈变化之中，但整个河段的水位和比降变化不大，可对水面线进行验证。

③原始河床地形变化的瞬时性决定了无法在模型中进行冲淤量和冲淤地形验证。观测一次验证河段的中间地形时，开始测量与测量完成后的地形相差很大，故在原型测量中无法测量到较为准确的中间地形。另外，流量的非恒定性、进口段水流方向的多变性等是影响地形瞬时性变化的主要因素，要精确测量原型的流量变化和水流方向变化也存在相当大的难度。

④可进行河床变迁范围和典型断面的冲淤深度验证。尽管由于地形变化的瞬时性，无法验证河段的冲淤部位和淤积量。但从宏观上看，呼图壁河公路桥观测断面在一个水文年内的地形变化过程还是有规律的。在2002年的水文过程中，河床变迁范围为75 m，断面的冲刷深度大多在1. 0 m以内，最大冲刷深度不超过1.5 m。

综上所述，呼图壁河动床模型验证指标为：水面线、河床变迁范围及典型断面的冲淤深度验证。