寬窄相間河道上游流速特性分析

徐威震，鄧一平

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 規(guī)劃所， 重慶 401120)

寬窄相間河道上游流速特性分析

徐威震，鄧一平

(重慶市水利電力建筑勘測設計研究院 規(guī)劃所， 重慶 401120)

山區(qū)河道受地質和河床演變的影響，平面形態(tài)呈寬窄相間的形態(tài)特征。采用水槽模型試驗，建立不同比例的寬窄相間河道模型，對上游斷面進行流速測量，對比均勻流分析其流速變化規(guī)律，并反算其摩阻流速。結果表明：寬窄相間河道上游較遠處流速分布基本符合對數(shù)流速分布規(guī)律，接近收縮段處不符合對數(shù)流速分布規(guī)律；寬窄相間河道橫向流速分布符合指數(shù)分布規(guī)律，其橫向流速分布參數(shù)與摩阻流速呈規(guī)律性變化，與寬窄比及距收縮段的距離有關。研究成果可為寬窄相間河道工程整治提供理論參考。

寬窄相間河道上游；寬窄比；流速特性；摩阻流速；對數(shù)流速分布；橫向流速分布

1 研究背景

山區(qū)河流在峽谷地區(qū)受地質條件約束，經過極長時間調整常形成寬窄相間形態(tài)，如長江銅鑼峽最寬處為1 010 m，而其它地方河寬多在300 ～600 m之間。寬窄相間的平面形態(tài)顯著影響河道水沙運動及其演化特性。Lucy 等(2010)[1]基于野外調查認為河道寬度變化是影響河床演化的關鍵因素之一。Singha 等(2011)[2]基于試驗指出，河道形態(tài)變化將重新調整水流紊動能的分布特性。Armellini 等(2009)[3]基于數(shù)值計算得出，受岸灘形態(tài)的影響，水流結構出現(xiàn)極為明顯的分離區(qū)。Paiement-Paradis等(2011)[4]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輸移有重要的影響。閆旭峰等(2011)[5]基于室內試驗指出漸變河道形態(tài)顯著影響寬窄相間區(qū)域的局部水頭損失。

對于天然河道的水流的研究，多數(shù)是在均勻流的基礎上進行分析。均勻流較為經典的垂向流速分布為對數(shù)型流速分布，實際明渠中沿垂線流速分布大部分與其基本符合，而橫向流速分布應用較為廣泛的為指數(shù)流速分布。實際上各個流態(tài)中對數(shù)流速公式的參數(shù)k，c的變化不大，橫向流速分布參數(shù)變化也不明顯，摩阻流速u*難以確定。通常均勻流摩阻流速的計算依據(jù)是阻力平衡，如劉春晶等[6]根據(jù)水槽試驗得出不同寬深比情況下的摩阻流速計算方法；而非恒定流的摩阻流速難以確定，國內外研究較多，Tu(1991)[7]，Song等(1994)[8]，Westphal等(1996)[9]都認為非恒定流的計算方法不同于恒定流， 并提出可以用Saint-Venant方程計算，但是在參數(shù)的選擇上差異頗大。對于寬窄相間河道的流速特性研究較少，本文在前人研究的基礎上，以寬窄相間水流運動為研究對象，通過水槽試驗，研究水流運動特性。相關成果可為寬窄相間河道工程治理提供理論參考。

2 試驗布置

試驗在高精度多功能邊坡試驗水槽內展開，水槽尺寸為28 m×0.56 m×0.7 m(長×寬×高)，水槽全長平面起伏誤差<0.2 mm。

水槽采用超聲水位計進行水深測量，共安裝了8個探頭，安裝高度距離水面均≥0.05 m。流速測量采用重慶西南水運工程科學研究所自主研發(fā)的多孔螺旋槳流速儀。為保證進入試驗段水流平穩(wěn)達到均勻紊流的條件，進口段長度取8 m；出口段長度取為6 m，試驗斷面距進口12 m。

結合試驗條件寬窄比，取3種典型的寬窄比2∶1，3∶2，4∶3，收縮角度取30°。本文試驗均取水深10 cm，比降為0.1%，試驗組數(shù)為3組。

對各個試驗方案收縮段前2，0.5，0 m各測點分別距離左邊邊壁0.03，0.08，…，0.53 m處進行測量，試驗布置如圖1所示。

圖1 寬窄相間河段水槽試驗布置示意圖Fig.1 Layout of wide and narrow alternated channels in flume experiment

3 試驗結果分析

3.1 試驗結果

收縮角度30°不變水深10 cm情況下，寬窄比為4∶3，3∶2,2∶1，沿程水深如表1所示。

表1 試驗沿程水深Table 1 Water depths along the channel in the test

注：uij為第i條垂線第j個點的流速；vi為第i條垂線平均流速； h為測點水深；H為水深。以下同。圖2 無量綱垂向流速分布對比Fig.2 Comparison of dimensionless vertical velocity distribution

寬窄比4∶3，3∶2,2∶1收縮段前2，0.5，0 m垂向流速無量綱分布計算公式為

(1)

其中：

u+=u/u*;y+=yu*/υ。式中：y為距離底部的距離；u*為摩阻流速；κ為卡門常數(shù)；υ為水流黏性系數(shù)；u為流速；c為橫向流速分布參數(shù)。關于公式參數(shù)的確定，根據(jù)前人的研究成果，本文取κ=0.41，c=5.02。

無量綱垂向流速分布對比如圖2所示，中垂線流速無量綱對比如圖3所示。

圖3 無量綱中垂線垂向流速分布對比Fig.3 Comparison of dimensionless mid-perpendicular velocity

橫向流速分布遵循指數(shù)分布，計算公式為

(2)

式中：ui為過水斷面上第i水平層上的測點流速；uz為過水斷面上第i水平層中垂線處流速；Bi為過水斷面上第i水平層寬度；x為過水斷面上第i水平層上測點距離渠道左岸的距離，均勻流c=0.14。

無量綱橫向流速分布對比見圖4，c值統(tǒng)計如表2所示。同時對各個方案斷面進行流速反算，其摩阻流速如表3所示(均勻流摩阻流速為0.027 m/s)。

圖4 無量綱橫向流速分布對比Fig.4 Comparison of dimensionless transverse velocity distribution表2 斷面橫向流速分布參數(shù)cTable 2 Values of transverse velocity distribution coefficient c

水深/cm寬窄比收縮段前各位置處的c值2m0.5m0m4∶30.140.140.21103∶20.140.140.282∶10.140.210.30

表3 摩阻流速Table 3 Values of frictional velocity

3.2 收縮段前2 m處流速特性分析

由圖2至圖4可看出，垂向流速計算值與實測值無量綱數(shù)值較為吻合，橫向流速計算值與實測值無量綱數(shù)值較為吻合，從表2得到橫向流速分布參數(shù)與均勻流相同。由表3可知，寬窄比4∶3時摩阻流速與均勻流摩阻流速相同，為0.027 m/s，寬窄比分別為3∶2和2∶1時摩阻流速分別為0.021 m/s和0.014 m/s，比計算值分別小0.007 m/s和0.013 m/s。

3.3 收縮段前0.5 m處流速特性分析

從圖2、圖3可看出，垂向流速計算值和實測無量綱數(shù)值較為吻合；圖4、表2表明橫向流速計算值與實測無量綱數(shù)值較為吻合，寬窄比為4∶3與3∶2時，橫向流速分布參數(shù)與均勻流相同，當寬窄比變大到2∶1時，橫向流速分布參數(shù)變大為0.21；表3顯示，整體摩阻流速都有變小趨勢，寬窄比為4∶3，3∶2和2∶1處摩阻流速分別為0.022，0.020，0.015 m/s，比計算值0.027 m/s分別小0.005,0.007和0.012 m/s。

3.4 收縮段前0 m處流速特性分析

從圖2、圖3可看出，垂向流速分布在同一個寬窄比的情況下，0.2H和0.4H實測流速值比理論計算值偏大，0.8H和0.95H實測流速值比理論計算值偏小，并且隨著位置向收縮段的靠近，差值逐漸增大；在同一個位置的情況下，0.2H和0.4H實測流速值比理論計算值偏大，0.8H和0.95H實測流速值比理論計算值偏小，并且隨著寬窄比的增大，差值逐漸增大；由圖4、表2可知，橫向流速分布基本遵循指數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布參數(shù)隨著寬窄比的增大有增大的趨勢，寬窄比4∶3，3∶2，2∶1處橫向流速分布參數(shù)分別為0.21，0.28，0.30，比均勻流橫向流速分布參數(shù)值0.14分別大0.07, 0.14和0.16。表3顯示，整體摩阻流速都有變小趨勢，寬窄比4∶3，3∶2，2∶1處摩阻流速分別為0.024，0.023，0.016 m/s，比計算值0.027 m/s分別小0.003,0.004，0.011 m/s。

總體來說，流速分布的變化規(guī)律為：所有方案2 m處和0.5 m處垂向無量綱流速分布與理論計算差值在合理范圍內，符合對數(shù)流速分布公式；橫向流速分布遵循指數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布參數(shù)除了寬窄比2∶1處跟均勻流不同外，其他全部相同；0 m處垂向流速值相對理論計算值發(fā)生變化，橫向流速分布遵循指數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布參數(shù)隨著寬窄比的變大而增大。摩阻流速的變化規(guī)律為：在相同的位置摩阻流速隨著寬窄比的增大而減??；同一個寬窄比例當寬窄比為4∶3和3∶2時，摩阻流速隨著距離的靠近先減小后增大，而寬窄比為2∶1時隨著距離的靠近逐漸增大。同時從中垂線流速分布對比圖(圖3)可以看出，各個斷面位置的垂向流速分布遵循對數(shù)流速分布規(guī)律。同時結合0 m處的流速分布圖形，可以得到隨著寬窄比的擴大，此斷面處遵循對數(shù)流速分布的區(qū)域越來越小。

4 結 論

(1) 寬窄相間河道收縮段上游的流速分布規(guī)律為：垂向流速基本遵循對數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布遵循指數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布參數(shù)與均勻流對比基本沒有變化。摩阻流速變化規(guī)律為：在同一位置情況下，摩阻流速隨著寬窄比的變大而減小；另外當寬窄比較小時，隨著向收縮段的靠近，摩阻流速減??；而當寬窄比較大時，隨著向收縮段的靠近，摩阻流速逐漸增大。

(2) 寬窄交界處的流速分布規(guī)律為：斷面的垂向流速分布遵循對數(shù)流速分布規(guī)律的區(qū)域比較小，已經基本不符合此規(guī)律；橫向流速分布遵循指數(shù)分布規(guī)律，橫向流速分布參數(shù)隨著寬窄比的變大而增大；摩阻流速隨著寬窄比的增大而減小。

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(編輯：劉運飛)

Characteristics of Flow Rate in the Upstream of Wideand Narrow Alternated Channels

XU Wei-zhen, DENG Yi-ping

(Department of Planning, Chongqing Design and Research Institute of Water and Power Architecture, Chongqing 401120,China)

Affected by geology and fluvial process, rivers in mountain area are featured with alternated wide and narrow channels. In this research, river model with wide and narrow alternated channels with varying width ratio was established through flume model test. The flow velocity in the upstream section was measured, and the rule of velocity variation was analyzed in comparison with uniform flow, hence obtaining the frictional velocity. Results reveal that velocity distribution in the upstream far from the wide and narrow alternated channel is in line with logarithmic distribution in general, but does not follow logarithmic distribution near the contraction segment; whereas in the wide and narrow alternated channel, the transverse flow velocity distribution conforms with exponential distribution. Moreover, the coefficient of transverse velocity distribution and the frictional velocity change regularly, and are related with the ratio of width and the distance from contraction segment.

wide and narrow alternated channels; ratio of width; flow characteristics; frictional velocity; logarithmic distribution; transverse velocity distribution

2016-02-26 ；

2016-03-22

徐威震(1987-)，男，河南安陽人，工程師，碩士，主要從事水文規(guī)劃方面的研究，(電話)15215003132(電子信箱)290961938@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160150

2017,34(5):40-43

TV131.3

A

1001-5485(2017)05-0040-04