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截流戗堤渗流计算

2013-11-12 中国环保技术网 我要评论(0) 字号:T | T
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摘要:本文分析了截流戗堤渗流计算的特点,借鉴堆石渗流计算的理论,推导了一种计算截流戗堤渗流的条分法。 关键词:截流 戗堤 渗流 条分法 1 截流戗堤渗流计算的估算公式 立堵截流,因戗堤顶宽较大,且大量使用

摘要:本文分析了截流戗堤渗流计算的特点,借鉴堆石渗流计算的理论,推导了一种计算截流戗堤渗流的条分法。

关键词:截流 戗堤 渗流 条分法

 

1 截流戗堤渗流计算的估算公式

立堵截流,因戗堤顶宽较大,且大量使用一般石渣进占,所以戗堤的渗流量QS较小,通常在计算中可以忽略;然而,对于临近合龙的困难区段,QS与河道总来流量Q相比虽然很小,但QS与龙口泄流量QG相比,有可能是相同数量级的,因此,在进行详细计算时,有必要考虑QS的影响。文献[1][2][ 3]给出了立堵截流戗堤渗流量QS的估算公式:

          (1)

式中 B0 — 龙口起始宽度;

B  — 截流进占过程中的龙口平均宽度;

H  — 戗堤上游平均水深;

Z  — 戗堤上下游水位差;

KS — 紊流渗透系数;

lS  — 平均渗径,lS=(m1+m2)p+a,其中a为戗堤顶宽,p为戗堤高度,m1和m2为戗堤上、下游边坡系数。

利用公式(1)估算渗透流量,其关键问题是正确决定渗透系数KS,文献[1] [2]提供了两种方法。但是,立堵截流戗堤多用石渣和少量大块石或混凝土块体混合堆筑而成,在选择KS值时,混合材料的当量粒径很难准确决定,所以按上述方法确定的KS 与QS也不一定可靠。在分析国内外某些工程实测渗流资料的基础上,文献[1]最后给出了立堵截流戗堤渗流量的初估方法,取合龙时的渗流量QSMAX =0.05Q,然后按下式估算立堵合龙过程中的渗流量:

    (2)

式中 ZS,MAX—龙口合龙,但未闭气时的落差;

S,MAX—龙口合龙,但未闭气时的上游水深。

2 截流戗堤渗流计算的条分法

上述方法虽然简单,但由于公式(2)没有考虑截流材料分区、截流戗堤断面形状及河谷形状对戗堤渗透流量的影响,在较为详细的计算中就不太适用了。本节将参考堆石渗流的有关理论,推导立堵截流戗堤渗流计算的条分法。

2-1 水头损失方程

由于截流戗堤使用的材料粒径较大,此时,细颗粒介质中渗流的达西定律不再适用。D.斯蒂芬森作了大量的堆石渗流模型实验[5],并结合其他一些学者的实验数据,得出了堆石渗流摩阻系数K的经验公式(文献[6][7][8][9]也对堆石体渗流进行了大量的研究):

层流区           (3)

过渡区      (4)

紊流区            (5)

式中 Re — 雷诺数;

Kt — 紊流摩阻系数,光滑圆石Kt =1,半圆石块Kt =2,尖棱石块Kt =4。

由于截流戗堤使用的材料粒径较大,其渗透一般属于紊流渗透(在截流过程的刚开始,上下游水头差不是很大,其流态可能不是紊流,按紊流公式计算不符合实际情况,但这时计算的渗流量相对截流设计流量很小,对于截流设计带来的偏差可以忽略),按照紊流区的渗流摩阻系数计算公式,根据流速平方率得出水头损失方程:

                      (6)

式中  V — 流速;

n — 材料空隙率

d — 材料的有效粒径,有关文献[5]采用d50(表示有50%的材料尺寸小于此标称直径)

2-2 单宽

截流戗堤中的稳定渗流,其水面线将稳定于一个平衡状态,与明渠水流相似,可以从一个已知(控制)断面开始,计算戗堤中的水面线。通过粗颗粒多孔介质的紊流可以是缓流或急流。对于缓流,控制水深在下游;对于急流,控制水深在上游。截流戗堤中一般不会出现急流,故控制端面是在下游的。戗堤下游面的水位不会低于临界水深

和明渠水流一样,对能量方程进行微分,可以求得一个临界水深YC(公式8)

             (7)

                 (8)

式中   q — 单宽流量;

a — 考虑流速分布不均匀的系数(对于矩形明渠,a为1.03~1.36,对于堆石a值却不知道,假定a=1 可以达到一般计算所要求的精度)。

取临界水深作为戗堤下游面逸出处的水深。如果下游水位高于此水位,则以下游水位(较高的水位)为控制水深;否则,可以临界水深为控制水深,由此开始起算戗堤渗流自由水面线(即浸润线,如图1所示)。

由水头损失方程(公式6)和能量方程(公式7),可以推导出浸润线方程(已知X0处的控制水深Y0):

(9)

如果以戗堤下游端(X=b)的临界水深为控制水深,则有:

(10)

如果已知水深和戗堤材料参数,则可以由公式(9)或(10),求得临界水深,再由公式(8)求得单宽流量,程序中采用试算法实现:

1) 假定下游水位高于临界水位,则以下游水位为控制水深,下游水深X=b处水深HX(即X0=b,Y0=HX)和上游X=0处水深HS(即X=0,Y=HS)代入公式(9),直接求解得YC

2) 若YC小于下游水深HX,则应该以临界水深为控制水深,转到第3)步,否则,假定正确,转到第4)步;

3) 将上游X=0处水深HS代入公式(10),用迭代法求解得YC

4) 由公式(8)求得单宽流量q。


【责任编辑:管理员 TEL:400-666-4470】

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