山區(qū)寬窄相間河道不同流量下水流結(jié)構(gòu)研究

苗書婷,林　虎,漆力健,曾　赟,霍　磊

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 雅安　625014)

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山區(qū)寬窄相間河道不同流量下水流結(jié)構(gòu)研究

苗書婷,林虎,漆力健,曾赟,霍磊

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利水電學(xué)院，四川 雅安625014)

為了研究山區(qū)河流寬窄相間河段不同流量下水流結(jié)構(gòu)特性，以雅安寶興河上游河段為研究對象，概化實際河道，并建立三維水流計算模型。結(jié)果表明：①小流量下，窄段上游無明顯壅水現(xiàn)象，寬窄相間河道顯現(xiàn)出與順直河道相似的特性，隨著流量的增加，窄段上游壅水劇烈，寬段到窄段沿程斷面平均流速呈現(xiàn)“增加—相對穩(wěn)定—驟減—相對穩(wěn)定—增加”的分布規(guī)律；②受河寬、壅水和回流影響，不同流量工況下寬段橫斷面的水流特性分布較窄段更加復(fù)雜，且在寬段的壅水區(qū)與非壅水區(qū)流速分布規(guī)律差異亦較大；③不同流量狀況下，寬段床面剪切力劇烈變化將造成卵石沿程運動的不連續(xù)性，寬段河床呈現(xiàn)周期性往復(fù)發(fā)展的復(fù)歸性變形，從而維持了寬段河床結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，而在窄段，河道在較大的床面剪切力長期作用下，形成了與周圍環(huán)境相適應(yīng)的河床結(jié)構(gòu)，以消耗窄段較大的水流能量，從而保護河床的穩(wěn)定。

寬窄相間河道；三維流場；回流；床面剪切力；河床穩(wěn)定

1　研究背景

山區(qū)河流的水系格局與河流走向受構(gòu)造運動的影響很大，由于沿程構(gòu)造和巖性的變化，常形成寬窄相間的藕節(jié)狀外形[1]。近年來，對寬窄相間河道水流特性的研究較多，如G.Paiement-Paradis 等[2]通過試驗表明河道寬窄變化引起的水流減速或加速運動對泥沙推移質(zhì)輸移有重要影響；A.Armellini 等[3]基于數(shù)值計算得出，受岸灘形態(tài)的影響，水流結(jié)構(gòu)出現(xiàn)極為明顯的分離區(qū)；史瑩等[4]對真實河道在50 a一遇洪水過程下進行數(shù)值模擬，分析水力特性，提出相應(yīng)河道保護措施；周蘇芬等[5-6]針對山區(qū)河道受地質(zhì)條件及河床演化的影響,將模型計算值與水動力學(xué)SMS軟件計算結(jié)果進行比較得出寬窄相間河道的水流結(jié)構(gòu)特性；吉祖穩(wěn)等[7]在總結(jié)水槽試驗資料的基礎(chǔ)上，對順直型及寬窄相間型復(fù)式河道的過流能力、流速及含沙量分布特性進行了比較分析。目前河道研究主要通過水槽模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式，對于寬窄相間河道的研究大多在室內(nèi)開展試驗，野外實地調(diào)查和野外人工試驗并不多見[8]。且數(shù)值模擬也大多以二維模型為主，寬窄相間河道的三維的數(shù)值模擬研究相對較少，且河道的數(shù)學(xué)模型斷面多停留在矩形斷面或梯形斷面的研究上；另一方面，在研究內(nèi)容上，寬窄相間河道的研究多停留在流速、水位的變化方面，少有人研究床面剪切力的分布狀況[9]。

本文通過概化寶興河上游實際河道，結(jié)合數(shù)值模擬研究該河道在不同流量狀況下水流結(jié)構(gòu)特性，進而推求河道的演變規(guī)律。

2　計算模型

水流的運動隨沿程、水深和河寬3個空間方向變化，是一個三維問題。本研究采用k-ε湍流模型結(jié)合VOF模型來進行模擬。

采用的k-ε紊流模型的連續(xù)方程、動量方程、k方程和ε方程如式(1)至式(4)所示。

連續(xù)方程的表達式為

(1)

式中：t為時間；xi為坐標(biāo)分量；ρ為密度；ui為速度分量。

動量方程的表達式為

(2)

式中：xj為坐標(biāo)分量；P為考慮重力后的壓力項；uj為速度分量；μ為分子黏性系數(shù)；μt為湍流黏性系數(shù)。

k方程的表達式為

(3)

式中：k為紊動能；σk為k的紊流普朗特數(shù)；G為平均速度梯度引起的紊動能產(chǎn)生項；ε為紊動耗散率。

ε方程的表達式為

(4)

式中：C1ε和C2ε為ε方程的常數(shù)；σε為ε的紊流普朗特數(shù)。

圖1　寶興河上游寬、窄段現(xiàn)狀Fig.1　Contrast between wide section and narrow section along Baoxing river

3　河道流場模擬計算

3.1河道現(xiàn)狀

寬窄相間河段河寬變化引起水流結(jié)構(gòu)的不同，對河道及岸坡的穩(wěn)定有很大影響[10-12]。寶興河上游河段河道現(xiàn)狀如圖1，其主要特征有：河道縱降比大，水流湍急；河道寬窄不一，呈現(xiàn)多個藕節(jié)狀；河谷深切，河道內(nèi)松散固體物質(zhì)較多，屬川西泥石流多發(fā)區(qū)。

研究河段的開闊處河寬寬至75 m，坡降為17‰，峽谷段最窄處僅有10 m左右，坡降為36‰。寬段與窄段河床寬度及比降差異明顯。河道內(nèi)水流結(jié)構(gòu)特性的變化引起沿程水流對卵石粒徑分選的作用明顯，在開闊段卵石中值粒徑為30～50 mm，在峽谷段中值粒徑則在200 mm以上。河谷經(jīng)過長期演變形成 “U”型斷面。在枯水期流量小，寬段水流歸于深槽；而在洪水期，由于窄段過流能力小使上游壅水，以致淹沒寬段的灘地與農(nóng)田。

3.2計算河道模型及邊界條件

模型按照實際河道進行概化處理(圖2)，總計模擬河段206 m，寬段比降17‰，窄段比降36‰，模型采用底部弧形化的梯形橫斷面。共設(shè)置8個流量工況(工況1至工況8)，流量分別為 25，35，45，55，65,75，95，105 m3/s。

圖2　概化的數(shù)學(xué)模型Fig.2　Generalized numerical model

邊界條件設(shè)置：進口下部設(shè)為水流進口，類型為速度進口邊界；上部設(shè)為大氣進口，類型為壓力進口邊界；出口設(shè)置為水流和大氣的混合出口，其類型為壓力出口邊界；固體壁面采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法進行處理。

4　計算結(jié)果及分析

4.1斷面平均流速分布

不同流量下斷面平均流速沿程(x為45～165 m)分布如圖3所示。工況1和工況2在寬段處(x為60～130 m)沿程的斷面平均流速大小相近，均在1.1 m/s左右。小流量下，工況1與工況2的窄段阻水作用不明顯，此時寬窄相間河道呈現(xiàn)出與順直河道相似的特性。工況3至工況6(水流未完全壅滿整個寬段,x為57～157 m)寬段沿程的斷面平均流速呈現(xiàn)“增加—相對穩(wěn)定—驟減—相對穩(wěn)定”的分布規(guī)律，其穩(wěn)定流速大小分別為0.6,0.5,0.3,0.2 m/s。而對于工況7和工況8(整個寬段均被水流壅滿)，在x為60 m附近斷面平均流速開始下降，而在x=100 m之后趨于相對穩(wěn)定，大小約為0.4 m/s。所有的工況在窄段的斷面平均流速均呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。

圖3　不同工況下斷面平均流速沿程分布Fig.3　Distribution of cross-section average velocity along flow direction in different cases

圖4　工況2和工況6下的橫斷面流速分布對比Fig.4　Comparison of cross-section flow velocity distribution between case 2 and case 6

4.2橫斷面流速分布云圖

圖4為工況2(Q=35 m3/s)和工況6(Q=75 m3/s)在寬段(x=120 m)和窄段(x=180 m)的橫斷面流速分布云圖，顯示了流量變化對橫斷面流速分布的影響。由寬段的云圖可知，工況2較工況6兩側(cè)的負流速區(qū)小。在工況2的寬段處，最大流速區(qū)域位于河床底部中間區(qū)域，大小為1.1 m/s，對工況6，流速最大值位于y為-12～6 m和y為6～12 m這2個對稱區(qū)域，大小為0.4 m/s。由窄段的云圖可知，窄段處斷面流速變化范圍較寬段處小，流速分布較寬段處均勻；隨著流量的增加，流速分布逐步趨向均勻。

4.3床面剪切力對比

不同流量下，寬段(x=120 m)和窄段(x=180 m)的床面剪切力最大值對比情況見圖5。

圖5　不同流量下寬段和窄段床面剪切力最大值對比Fig.5　Maximum bed shear stresses of wide section and narrow section under different discharges

圖5將8個工況根據(jù)壅水情況劃分為3個類別(類別Ⅰ、類別Ⅱ和類別Ⅲ)，分別對應(yīng)寬段無明顯壅水(工況1和工況2)、寬段部分河段壅水(工況3至工況6)和寬段全部壅滿狀態(tài)(工況7和工況8)。類別Ⅰ在寬段和窄段的剪切力相近，表明小流量下，寬窄相間河道的水流特性與順直河道的水流特性相近。類別Ⅱ最初在寬段的床面剪切力大于窄段(工況3和工況4)。隨著流量進一步增加，工況5和工況6在橫斷面x=120 m受到壅水的影響，水深變大，但斷面處水力坡降減少更劇烈，使得床面剪切力驟減，僅為對應(yīng)工況下窄段的床面剪切力大小的30%左右。如圖6所示，類別Ⅲ的寬段水深和水力坡降都有小幅度的回升，所以床面剪切力有增加的趨勢，但也僅為窄段的40%左右。

圖6　寬段和窄段床面剪切力最大值處水深及水力坡降對比Fig.6　Comparison of water depth and hydraulic gradient between wide section and narrow section with maximum bed shear stress

4.4橫斷面床面剪切力分布

4個工況(工況2、工況4、工況6和工況8)下寬段(x=120 m)與窄段(x=180 m)的橫斷面床面剪切力分布如圖7所示。

圖7　橫斷面床面剪切力分布Fig.7　Distribution of cross-section bed shear stress

由于主流受到回流的影響程度不同，使得不同流量下寬段的床面剪切力分布規(guī)律不同，如工況2和工況4的x=120 m斷面位于對應(yīng)工況的非壅水區(qū)，剪切力峰值出現(xiàn)在中間區(qū)段；工況6和工況8的x=120 m斷面位于對應(yīng)工況的壅水區(qū)，剪切力整體較工況2和工況4小，且剪切力峰值逐漸偏離河道中間區(qū)域，變成雙峰型。而在窄段，各工況在整個橫斷面上床面剪切力分布均勻，且隨著流量增大而增大，但各工況間床面剪切力的變幅較寬段小。寬窄相間河道床面剪切力的分布與實際河道中卵石粒徑的分布相契合。在寬段，主流區(qū)床面剪切力大，多分布大小均一的中等粒徑卵石，缺少細顆粒，而靠近兩岸的地方床面剪切力較小，表層分布一定厚度的細顆粒物質(zhì)；在窄段，區(qū)域床面剪切力大，橫斷面床面剪切力十分相近，多分布大粒徑的卵石。

5　討　論

在山區(qū)寬窄相間河道中，暴雨和一般洪水時段，寬窄相間河道呈現(xiàn)不完全壅水狀態(tài)，寬段與窄段的床面剪切力相對關(guān)系常在Ⅱ區(qū)(圖5)，特大洪水年份則在Ⅲ區(qū)。在不受壅水影響的枯水年份，寬段隨著流量增加，床面剪切力加大，主流形成深槽；當(dāng)在一般年份，壅水區(qū)隨水深增加，流速減緩，床面剪切力急劇下降，隨后趨于相對穩(wěn)定狀態(tài)；特大洪水年份，寬段處的水深和水力坡降都有增加的趨勢，則床面剪切力隨之增加。當(dāng)汛期到來時，壅水區(qū)的床面剪切力大幅度減小，在寬段壅水區(qū)下游區(qū)域形成卵石存儲區(qū)，從而起到高效的消能作用，以保護河床結(jié)構(gòu)，利于河道的穩(wěn)定。當(dāng)汛末峽谷壅水作用消失后，流量減小，床面剪切力會大幅度上升，淤積的泥沙卵石被沖刷外移。因此河床呈現(xiàn)周期性往復(fù)發(fā)展的復(fù)歸性變形，在汛期淤積，在汛末沖刷，如此沖淤交替、周期重復(fù)演變，從而維持了河床結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而在窄段，河道在較大的床面剪切力長期作用下，形成了與周圍環(huán)境相適應(yīng)的河床結(jié)構(gòu)，以消耗窄段較大的水流能量。

6　結(jié)　語

(1)在小流量下，窄段上游無明顯壅水現(xiàn)象，此時寬窄相間河道顯現(xiàn)出與順直河道相似的特性；隨著流量的增加，窄段上游壅水劇烈，寬段到窄段沿程的斷面平均流速呈現(xiàn)“增加—相對穩(wěn)定—驟減—相對穩(wěn)定—增加”的分布規(guī)律。

(2)受壅水和回流的影響，寬段橫斷面的水流特性變化較窄段復(fù)雜，且寬段的壅水區(qū)與非壅水區(qū)流速分布差異亦較大。

(3)不同流量狀況下，寬段床面剪切力劇烈變化將形成卵石沿程運動的不連續(xù)性，使得寬段河床呈現(xiàn)周期性往復(fù)發(fā)展的復(fù)歸性變形。而在窄段，床面剪切力隨著流量增大而增加，使得窄段易被沖刷而相應(yīng)形成高效消能的河床結(jié)構(gòu)。

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(編輯：占學(xué)軍)

Flow Characteristics in Wide and Narrow Alternated Channelsin Mountainous Areas under Different Discharges

MIAO Shu-ting,LIN Hu,QI Li-jian,ZENG Yun,HUO Lei

(College of Water Conservancy and Hydropower Engineering,Sichuan Agricultural University, Ya’an625014,China)

In order to study the flow characteristics in wide and narrow alternated channels under different discharges,we chose upstream reach of Baoxing river as research object and established a three-dimensional flow numerical model through simplifying the actual river.Results show that 1)under low discharge,backwater at upstream reach of narrow section was not obvious,and wide and narrow alternated channel showed characteristics similar to straight channel; 2)with the increase of discharge,backwater in the upstream reach of narrow section was intensive,and the distribution of cross-section average velocity showed a multi-stage regularity (stages of increasing,relatively stable,rapidly decreasing,relatively stable and finally increasing);3)affected by river width,backwater and reflux,cross-section flow characteristics in wide section was more complex than that in narrow section,and the velocity distribution at backwater area was obviously different from that at non-backwater area;4)under different discharges,dramatic changes of bed shear stress in wide section will lead to discontinuous movement of pebbles,and deformation of riverbed in wide section showed cyclical tendency,which is in favor of stability of the wide river bed structure; 5)while in the narrow section,riverbed structure was compatible with surrounding environment under long-term larger bed shear stress,then larger flow energy in narrow section can be expended and riverbed stability can be guaranteed.

wide and narrow alternated channel; three-dimensional flow field; reflux; bed shear stress；riverbed stability

2015-06-08；

2015-10-19

苗書婷(1993-),女，四川廣元人,碩士研究生，研究方向為工程水力學(xué)，(電話)18227552841(電子信箱)2297030887@qq.com。

漆力健(1972-)，男，湖南常德人，副教授，博士，研究方向為工程水力學(xué)，(電話)13558945474 (電子信箱)qilij@sina.com。

10.11988/ckyyb.201504762016,33(08):64-68

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1001-5485(2016)08-0064-05