174内河航道整治建筑物模拟技术规程29151-1+627CTP.docx

中华人民共和国行业标准内河航道整治建筑物模拟技术规程JTS/T231S-2018主编单位；重政通大学参编单位：研究院南京水利科学研究院交通运输联津K½I科学研究所批准部门：中华人民共和国交通运输部施行日期：2018年7月1日人氏*an传中从公山书«1丽*raMKM*4MWMf.*fimtAAMWimtft三GPM>9出版发缶人BUH出版出蟋m公司地址；（100o1.D北京巾朝阳区安定门外外馆斜街3号网A1.:shttp:77uwv.china>botk.con（中国水运图书网）4HI电净（016tt1.4a89757915公司印刷；薛鑫正大印刷有黑公司开木；880X12301/16印张I3字致：56千版次：2018年6月第1版印次；2018年6月第1次印刷统一书号：15114-2915定价：50.00元（方印蝴、装II，啦刷可图的贸I，由本公司负员瞰）交通运输部关于发布内河航道整治建筑物模拟技术规程的公告2018年第51号现发布内河航道整治建筑物撕墩术（以下惭翎网）.帆为水运工程推荐性行业标准，标准代码为11S“2318-2018,自2018年7月1日起施行，由交遢运输部水运局负责管理和解狎.特此公告.中华人民共和国交通运输部2018年5月16日制定说明制定说明根据交通运输部关于下达2013年水运工程建设标准制定、修订项目计划的通知（交水发2013M62号）要求，交通运输部水运局组织重庆交通大学等有关单位开展了&内河航道整治建筑物模拟技术规程的编制工作。本规程是在广泛调查研究的基础上，系统总结了我国内河航道整治建筑物模拟经验，吸取了国内外有关模拟技术的新成果、新技术，并根据航道整治建筑物模拟的专业特点和实际情况，借鉴了相关行业标准，充分听取了有关单位和专家意见，经反复修改而成。本规程共分7章和3个附录，并附条文说明，主要包括整治建筑物模型设计及制作、整治建筑物水力特性模型试验、整治建筑物稳定模型试验和整治建筑物水动力数值模拟等技术内容。本规程的主编总位为重庆交通大学，参编单位为长江航道规划设计研究院、南京水利科学研究院和交通运输部天津水运工程科学研究所。本规程编写人员分工如下：1总则：王平义2术语：王平义3基本规定：张秀芳喻涛4整治建筑物模型设计及制作：付中故刘怀汉陈飞5整治建筑物水力特性模型试验：王平义张秀芳杨成渝6整治建筑物稳定模型试验：普民雄马爱兴7整治建筑物水动力数值模拟：张明进张华庆附录A:张秀芳附录B：张明进附录C:王平义本规程于2015年IO月27日通过部审，2018年5月15日发布，2018年7月1日起施行。本规程由交通运输部水运局负责管理和解译。各单位在执行过程发现的问题和意见，请及时函告交通运输部水运后（地址：北京市建国门内大街11号，交通运输部水运局技术管理处，邮政编码：100736）和本规程管理组U1.:重庆市南岸区学府大道66号，重庆交通大学，邮政编码：40007D,以便修订时参考。目一次目次1 总则(1)2 术语(2)3 三*S½(3)3.1 研究大纲(3)3.2 资料记录及整理(3)3.3 研究报告编写(3)4整治三tt三三ftH及制作(5)4.1 一般规定(5)4.2 域本资料(5)4.3 整治建筑物模型设计及模拟材料(5)4.4 整治建筑物模型制作及安装(5)5整治好力雌酗皿(7)1.1 一般规定(7)1.2 基本资料(7)1.3 模型设计(7)1.4 试验条件(8)1.5 试验设符和量测仪器(8)1.6 试验内容和方法(9)1.7 资料整理和分析(9)6 整治筑(10)6.1 一般规定(10)6.2 基本资料(IO)6.3 模型设计与制作(10)6.4 试验条件(12)6.5 试验设备和量测仪器(12)6.6 试验内容和方法(13)6.7 资料整理和分析(13)7 ”三*Wc¾力敷值蝴(14)7.1 一般规定(14)7.2 基本资料(14)内河航道整治建筑物模拟技术规程CJTST231-8-2018)7.3 整治建筑物数值模拟方法(14)7.4 定解条件(15)7.5 计算域的确定及网格剂分(16)7.6 模型率定及验证(16)7.7 计算及成果分析(17)附录、非恒定水流试验模拟方法(18)A.1非恒定流过程的确定(18)A.2非恒定水流试验模拟方法(18)附录B航道整治建筑物三雒数学模型(19)8.1 三维控制方程(19)8.2 三维控制方程离散(20)附录C本规程用词说明(21)附加说明本例主幡单位、叁编单位、主要起草人、主要审查人、Wraff1.AM名单(23)条文说明(25)1.0.1为规范内河航道整治建筑物模拟工作，提高模拟研究成果质量，为内河航道整治建筑物的建设和附提供科学依据，制定本规程.1.0.2本规程适用于以受径流影响为主的天然河流、湖泊、水限渠化河流和人工½河航道整治建筑物及其与附近水沙运动相互影响的物理模型和数学模型研究1.0.3内河航道整治建筑物模拟除应符合本城原定外，尚应符合国家现行有关标准的规定.内河那！整沟笊物模懒球提程.rrsrr231T-2018)2术语2.0.1航道要治建筑物Channe1.Regu1.ationStructures为整治航道而修建的建筑物，包括各类躯体、护*护底和护岸邙等.2.0.2Simu1.ationTechnique模仿自然界物质运动和变化规律的技术，包括物理模型和数值模拟两种方法.2.03软体推F1.exib1.eMattress由土工合成材料及压裁材料姐成的用于护底或护漳的排体结构2.0.4Permeab1.eFramework由多根杆件连接坦成，具有一定空隙的散体框架堆积防冲结构.2.0.5整治建筑物失稳Regu1.ationStructureDamage整治建筑物在水流冲击力作用下发生直接破坏或因河床冲刷等原因造成间接破坏所引起的局部或整体功能失效.2.0.6概化模型Genera1.izationMode1.按膜相似条件，格期研究的复杂对象近似概化成一效的模型.2.0.7正态模型Norma1.Mode1.长、宽、育都按同一比尺缩制的艇模型.目次1总则(29)3篇本蜂(30)3.2资料记录及整理(30)4*及制作(31)4.3 整治建筑物模型设计及模拟材料(31)4.4 整治建筑物模型制作及安装(31)5蚊制物水力特性模型试验(32)5.1 一般规定(32)5.2 基本资料(32)5.3 模型设计(32)5.4 试验条件(32)5.5 试验设符和量测仪器(33)5.6 试验内容和方法(33)5.7 资料整理和分析(33)6整治建筑(34)6.1 一般规定(34)6.2 基本资料(34)63模型设计与制作(34)6.4 试验条件(35)6.5 试验设爵和员测仪器(35)6.6 试验内容和方法(36)6.7 资料整理和分析(36)7喻tt*¾数值模拟(37)7.1 一”般规定(37)7.2 基本资料(37)7.3 整治建筑物数值模拟方法(37)7.4 定解条件(37)7.5 计算域的确定及网格剖分(38)7.6 模型率定及验证(38)7.7 计算及成果分析(38)三-WU1.*麓程JNr231T-2018)3基本规定3.23.2.3整治建筑物的失稔主要受三维水流的影响，是更杂的动态过程.所以除了对物理模型的资料记录和整理有要求外，对数值模拟提出了要展示整治建筑物附近更杂流态动画文件的要求，使分析研究更加直观方便。4整治建筑物模型设计及制作4.3整治建筑物模型设计及池材料4.3.1 为满足航道整治建筑物构件制作和精度控制、构件附近后部水动力特性相似，耍求整治建筑物模型设计比尺不能过小。鉴于目前航道整治中应用较为广泛的建筑物构件如软体排压载块、透水框架、散抛块石等实体结构尺寸一般较小，模型设计比尺一般不宜小于1:60。4.3.3 软体排拌垫般选用棉布来模拟，软体排压载体根据模型比尺不同一般选用铝片、混凝土、马赛克或其他豆合材料来模拟。4.3.4透水框架一般采用更合材料来模拟。4.4整治建筑物模型制作及安装443软体排压载体及透水框架等构件，模型中用量较大、结构尺寸较小，为保证制作精度，般采用开模制作。4.4.4 因对模型整治建筑物的变形不易量化，在不考虑排体撕裂的情况下，要求满足变形相似即可。4.4.5 般为便于整治建筑物模型加工、制作的方便及可行性，整治建筑物模型的几何比尺大于1:60,因此对整治建筑物模型制作时的几何尺寸、主要构件尺寸及主要构件水下重量控制的允许偏差要求较高。4.4.6 主要考虑整治建筑物模型安装偏差对试验结果影响较大，因此其精度控制比地形严格。内河K道治»(神沐敏K(JTS"231-*-2OI81.5整治建筑物水力特性模型试验5.1 一般规定5. 1.2传统上对解决内河航道整治工程实际问题的物理模型试验是以河工模型为主，它可以比较直观且能较好反映复杂的边界条件和水流条件的影响，但对定量解决更杂问题，特别是整治建筑物周围三维的水流现1.是有超限的，因此整治建筑物水力特性的研究应在正态概化模型或局部模型中进行试验。5.2 基本资料5.2.1 模型中进口段是试验河段之外上下游的水流调节段，由于弯道水流条件更杂，为了保证来流条件的相似，进口范围需加长至弯道以上河段。5.2.2 为了保证水文资料的代表性，要求至少要有同一个水文年内洪、中、枯三级水位、流速、流向及流量资料。5.3 模型设计5.3.1 非试验段是指水流的自动调节段，包括进口调苗段和出口尾水影哨段，目的是为了保证整治建筑物所在区域的水流运动与原型相似。5.3.4 天然河流整治建筑物周围水流三维特征明显，为了使室内整治建筑物水力模型与原型有较好的相似性，模型设计小!"应果用正态模型进行研究，同时要求模型在满足几何相似时，还应满足重力相似和阻力相似：由于天然明渠水流不仅为素流且位于阻力平方区，许多试验表明，明渠水流中的紊流临界雷诺数的下限是I(XX)。5.4 试验条件5.4.1 整治建筑物失稳主要与来水来沙及其自身结构密切相关，为了揭示整治建筑物失稳机理与水力特征因子之间的相互关系，应根据整治建筑物所在河段的水流特点及整治建筑物结构特点，确定不同的流员及水位等试验控制条件.整治建筑物破坏通常发生在洪水期，因而流量级应选择洪水流量或洪水流量过程等最不利条件的相关流量级。5.4.2 实际工程观测表明，在天然非恒定流特征明显的汛期或枢纽下泄非恒定流阶段，整治建筑物失稳发生的频率和程度均非常高，为保证模型试验与原型相似，需要进行非恒定流条件下的整治建筑物水力特性研尢，以分析天然来流过程及枢纽下泄非恒定流条件下整治建筑物周围的三维水流结构、河床变形与整治建筑物失稳过程。5.5 试殴设备和W仪器5.5.1 K5.5.2.2非恒定流水位随时间会发生连续变化，目前可采用自动跟踪式水位计或超声波水位计跟踪量测。仪器精度为±01mm.考虑到系统有误差，因此将误差控制在土Q5mm。5.5.2 6,5.5.2.7为更好地揭示整治建筑物失稳的机理，进行整治建筑物及其周围河床受力变化的观测分析，目前采用专用压力检测仪器仪表、压力变送器、动态应变仪、动态信号采集系统等压力测量仪器,因此将精度控制不低于05级（即额度量程的±0.5%）。5.6 试段内容和方法5.6.2修治建筑物主要受水流冲击力的作用而发生直接破坏和因河床冲刷而造成间接破坏.为掌握整治建筑物结构受力变化.模型忒验时除进行常规的整治建筑物周用水位、流速、流向及流态情况的观测外，应进行整治建筑物及其周围河床压力的观测。5.7 资料整理和分析5.7.1 试验观测表明，当来流非恒定特征明显时，受瞬时最大比降、最大流速的影响，整治建筑物往往频繁失稳甚至损毁严重。因此，进行非恒定流试验时，应注意观察和分析整治建筑物周围瞬时最大比降、最大波速特征。5.7.2 根据不同试验水潦条件下,水面线、流速流向、水流紊动特性、受力变化、整治建筑物失稳（变形、破坏）过程等观测资料，叫分析水力特征参数与整治建筑物失稳之间的相互关系，从而确定出最不利条件的水流条件.内河用I治电91榭却技相晦rwr23*208）6整治建筑物稳定模型试验&1一般规定1.1.1 航道整治建筑物在水流冲击力作用下可能发生宜接失稔破坏，如抛石坝护面块石粒径偏小、稳定重量不足时，在受到中洪水主流、横向环流或斜向水流强烈冲击时，由于坝体表面块石重量不够被水流冲移，形成缺口，继而扩大冲深，最终导致坝体的损毁；透水框架因稳定重量不足，在大流速作用下发生滑移或滚落破坏，使得框架防护区出露达不到防护功能：软体排因压载重量偏小，在大流速作用下发生侧掀失稳。另一方面，整治建筑物因周边河床冲刷等原因可能造成间接失稳破坏，如抛石坝周边局部冲刷引起坝体基础的垮塌；透水框架群外侧床面局部冲刷，引起边缘框架的滚落：软体排排边局部冲刷坑的形成与发展，引起排边出现悬挂、塌陷等破坏,为研究整治建筑物的大和变形或破坏）以及相应的防护措施，需要:对其稔定性开展模型试验研究工作。1.1.2 当研究整治建筑物受水流冲击力作用下发生的直接破坏时，可采用定床模型进行试验，主要进行水流特性试验：当研究整治建筑物因河床冲刷等原因造成间接破坏时，宜采用动床模型进行试验，一般进行清水冲刷试验。6.2 基本资料6.2.1 为了保证整治建筑物稳定模型试验成果的可靠性，需要收集工程河段相关的地形、水文、泥沙、整治建筑物工程设计方案等资料.整治建筑物间接破坏时主要因河床冲刷等引起，通常对于整治建筑物附近河床局部冲刷深度可能较大时，为真实反映河床可达到的冲刷深度，需收集河床质段盖层厚度、河床垂向组成（级配垂向分布）等资料。6.3 模型设计与制作6.3.1 整治建筑物检定模型需针对河床质组成情况进行模型设计，对河床质到味为颗粒较粗的砂卵卷或粗沙河段，河床以推移质造床为主，模型应以推移质运动为主进行设计，对河床质组成为细沙的河段，河床以悬移质造床为主，模型应以悬移质运动为主进行设计。6.3.2 为了使室内整治建筑物桎定模型与原型有较好的相似性，模型设计时在保证水流运动相似与泥沙运动相似的基础上，还应保证整治建筑物的形态变形相似。整治建筑物满足几何相似、水下重度相似时,方面要求整治建筑物模拟材料的密度与原型致，另一方面可保证建筑物的稳定性相似。整治建筑物的变形主要是指建筑物附近局部冲刷坑形成与发展后，建筑物在外力作用下产生的体和峻形态的改变，如丁坝的坍塌变形、软体持边缘的塌陷悬挂变形、透水框架群边缘卜沉、滚落变形等，建筑物变形特征的相似性可采用建筑物体枳或位移的相似来反映。6.3.3 整治建筑物附近水流结构更杂，一般呈三维特性，为保证模型试验成果的可旅性，模型设计时应采用正态模型进行研究。整治建筑物检定模型试验受条件限制一般只进行极限冲刷试验，模型未经过动床地形冲淤验证，模型模世原型冲刷时间可按合适的输沙率公式及冲淤时间比尺进行估算。6.3.5 为了尽可能减小模型两侧边壁对整治建筑物附近局部冲刷的影响，建筑物外侧需要有足够的河槽宽度。根据YaIin对明渠水流侧壁的研究成果，河槽宽深比(Bi小)大于5时，河槽中间部分的宽度(Br5h)内水流近似于二维水流，不受侧壁影响.64试验条件1.1.1 整治建筑物失稳通常发生在洪水期，因而流量级应选择洪水流后或洪水流量过程.有时建筑物设计时还需了解其他特定的流量级(如多年平均流星:、整治流域)作用下整治建筑物附近局部冲刷范围、深度，因而还需进行这些特定流域级试验1.1.2 研究整治建筑物间接破坏的动床模型，为了掌握不利条件下的建筑物附近局部冲刷及建筑物变形破坏情况，通常进行清水极限冲刷试验。有时为了了解特定水文年水沙作用下的建筑物超定情况，可进行加沙试验，加沙条件宜根据动床险证试验建立的流量与加沙量关系曲线进行控制。1.1.3 整治建筑物稳定模型般进行极限冲刷试验，模型放水时间可以建筑物附近床面冲刷基本检定为依据,实际操作时可监测建筑物附近断面地形变化，待间隔1小时断面地形变幅小于隰时，即可认为河床冲刷基本达到稳定状态。6.5 试验设备和火测仪器6.5.1 自然堆枳法是一种测试粗颗粒泥沙水下休止他的方法，主要将粗颗粒泥沙在静水中一定高度处自由落至床面，测地堆积体斜坡面能达到最大坡角的方法：自然落淤法是一种测量细颗粒泥沙水下休止角的方法，主要在静水中将细颗粒沙样在沉降筒定高度处自然落淤至筒底，测量:淤积丘体高度及丘底半径，以此换算泥沙水下休止角的方法；圆盘法是一种测地细颗粒泥沙水下休止用的方法，在静水中将位于细颗粒泥沙淤积体下部的圆盘缓慢提离沙面，测量圆盘上水下沙丘的高度,以此换算泥沙水下休止角的方法。依据£内河航道与港口水流泥沙模拟技术规程(JTJ-T23298),确定推移质泥沙加沙器的加沙速度相对误差不应超过±10%6.5.2 使用等高线法测量地形时，需注意上下游水位齐平并达到要求值时测殖，对于冲刷坑地形，需将城内水体抽出至要求水位值时测量。使用测针测定淤积高程时要注意放掉测点存水，并在J也形下陷前迅速完成测量。电阻式形仪、光电式形仪、超声波地形仪，现已广泛应用，当淤积界面不清时，先设定以某一浓度作为淤积面调整好仪器，再进行测知。内河航道整治建筑物模拟技术规程(JIS，T231-8-2OI8)6.6 试It内容和方法6. 6.1研究整治建筑物直接破坏时一般进行定床水源运动特性试验。研究整治建筑物间接破林时，一般先进行定床水流运动特性试验，掌握建筑物周边水流结构，在此基础上再开展地形冲淤变形试验“6.7 mBg和分析6. 7.1整治建筑物发生失稳破坏时，对于抛石坝体一般统计坝体垮埸的体积，对于软体排一般统计排体悬挂或塌陷的面积.对于透水框架群般统计框架群发生下沉的面积或滚落的体积.7整治建筑物水动力数值模拟7.1 一般规定1 .1.1受整治建筑物影响，其周边流态复杂，局部存在明显的垂向流速分量：，采用二维数学模型不能解决垂向流速分量求解，因此，应采用三维水流数学模型。7 .1.2整治建筑物局部压强分布不符合静水压强假设条件，对压力项的处理应考虑动水压强。7.2 基本资料7.2 1模型边界选择在水面变化平缓、流速相对均匀的位置，弯道河段流速变化剧烈，存在横向水面比降，不适合作为入出口边界，在此情形下，入口边界位置应适当上移，出口边界位置应适当下移，因此，为保证建模地开缩度，测量范围适当延长。7.3 .2.4.7.2.2,5测流断面位置及垂线布设是根据现行行业标准水运工程水文观测规范（JTS1321有关规定确定的。7.3 整治建筑物数值模拟方法7.3.1 因整治建筑物水动力三维模型计算范围不大，故忽略科氏力项，给出了三维水流运动控制方程。7.3.2 计算模式种类很多.行有限差分法、有限体积法或有限元法等。各种模式各有优缺点，有限体枳法采非结构化网格，易拟合固定边界，模式具有守恒性强、计算精度向特点，实用效果理想，是目前三维数值模拟较广泛的一种模式。7.3.3 垂向分层网格体系可以极大减少实体单元数量，简化单元连接关系，方便求解模式的编程实现。7.3.5 有限体积法具行模拟精度高、守恒性好等优点，附录B给出有限体积法离散方法。7.4 定解条件7.4.1 水流运动方程具有适定性、唯T4,其数值解具有向定解收敛的特性，因此不同的物理量:初值均可得到正确数值解，所不同的只是收敛快慢的区别。通常地，各物理量初始值取0.内河航道整治建筑物模拟技术规程(JS”2382018)7.5 计辑域的确定及网格剖分7.5.2为更好地拟合现场边界和整治建筑物更杂的几何形状，平面应采用非结构化网格进行剖分；整治建筑物周边水面由于塞水呈现非平面状态，甚至在研究河段内模型域水位随时间而变化，为保证各时刻均以整个计算水体为剖分对象且不改变整体网格单元结构，宜在垂向采用动网格技术。垂向采用动网格处理技术可避免时自由水面的捕捉，大大降低求解难度，减小计算圻。垂向分层以能够分辨整治建筑物周边及莫杂河段的垂向流速变化和垂向涡旋为原则。过小的垂向划分尺度会大量增加总体班元数量并减小计算时间步长，可能导致模拟时间过于费时，因此必要性不显著。垂向分层数通常根据流态性质、水深分布状况、求解问题精度综合考虑。7.6 模型率定及出£7.6.2对流速的腌证，需要对各垂线测点进行流速、流向验证，保证模拟流态符合河道流场的三维特点。7.7 计U及成果分析7.7.2受显示技术制约，：.维流场处理较为困难，一般可采用截面(水平截面、垂直截面)方式，通过多个截面流场间接展示三维流场：通过三维表面流场仿真，可以部分展示三维流场：也可以直接采用立体电影方式对三维流场进行仿弟X