橫跨航槽水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律試驗(yàn)研究

王垚，孫林云，諸裕良，劉建軍

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

橫跨航槽水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律試驗(yàn)研究

王垚1，孫林云2*，諸裕良1，劉建軍2

（1.河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇南京210098；2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京210029）

為了研究橫跨航槽水流結(jié)構(gòu)的變化，分析流速垂向分布和沿程分布規(guī)律，進(jìn)行了物理模型水槽試驗(yàn)，根據(jù)水槽試驗(yàn)結(jié)果對橫跨航槽水流垂線平均流速的沿程折減變化做了定量的分析，并得出槽灘水深比和來水流速兩個因素對跨越航槽水流結(jié)構(gòu)變化的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，上邊坡垂線平均流速相比于下邊坡要稍小些；在邊坡為1∶3，槽灘水深比為1.71～1.84，來水流速為0.034~0.202 m/s情況下，橫跨航槽水流在上邊坡中點(diǎn)附近到航槽內(nèi)距上邊坡坡腳一定距離這一區(qū)域，底部水流反向運(yùn)動形成“回流”區(qū)域，來水流速越小，槽灘水深比越大，形成“回流”區(qū)域的范圍就越大，流速發(fā)生的折減也就越大。

水槽試驗(yàn)；橫跨航槽；流速垂向分布；垂線平均流速變化；流速折減；沿程變化

0 引言

近海開敞水域的開挖航槽后邊界條件發(fā)生了改變，致使該工程區(qū)域的水流條件發(fā)生變化從而導(dǎo)致來沙條件也隨之變化，影響到船舶的安全航行以及航槽的回淤，從而對港口的建設(shè)及其航道的維護(hù)造成一定的影響。航槽開挖后水流結(jié)構(gòu)的改變是影響航道泥沙淤積問題和船舶安全航行問題的關(guān)鍵因素，為了有效地解決上述問題，因此需要特別對跨越航道水流結(jié)構(gòu)變化規(guī)律進(jìn)行認(rèn)識和研究。本文通過研究分析在不同流速和槽灘水深比情況下橫跨航槽水流的結(jié)構(gòu)特征及其流速折減變化規(guī)律，不僅能有效地預(yù)測航道開挖后泥沙淤積問題，更為近海開敞水域航道中船舶的安全航行提供重要的指導(dǎo)。

1 國內(nèi)外研究概況

Wallingford水利研究所[1]通過小角度的斜跨航槽的水槽試驗(yàn)，指出航槽內(nèi)流速的折減會隨著槽灘水深比的增大而趨于增大，并且下游灘地流速逐漸恢復(fù)到上游灘地流速相同。Van Rijn[2]通過水槽試驗(yàn)，得出當(dāng)航槽水深相對于灘地水深較大時，水流跨越航槽時水流的三維特性很是明顯，航槽上邊坡處的水流將產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊動現(xiàn)象。Boer[3]在水流斜跨航槽的試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)水流進(jìn)入航槽后，垂線平均流速迅速減小，行進(jìn)至下坡腳后流速又迅速回升。

曹民雄[4]通過概化方法對崖門口航道進(jìn)行了水槽試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在交角一定時，灘地大水深或淺航槽下，槽內(nèi)流速折減較少。李安中[5]在概化的連云港外海航槽模型試驗(yàn)中指出，航槽挖深和交角較大情況下，航槽內(nèi)流速折減就愈明顯，上邊坡槽底附近會出現(xiàn)呈擴(kuò)散狀態(tài)的反向流速，挖深愈大，則出現(xiàn)的水流反向現(xiàn)象愈明顯；劉光臣[6]通過斜跨航槽水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，得出在上邊坡坡腳附近流速分布最不均勻，折減也最大，大約從航槽軸線附近至下邊坡流速有一定的回升；李青云[7]通過斜跨航槽水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)，指出航槽下邊坡的流速較上邊坡流速稍大，流速垂向分布也均勻得多。孫桂生[8]在斜跨航槽上邊坡水流結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究中，發(fā)現(xiàn)上邊坡處流速在垂直水深方向及沿程均逐漸減小，坡腳處流速折減達(dá)到最大，且折減隨槽灘水深比增大而增大。

上述前人所做的水槽試驗(yàn)均是在小尺度航槽下進(jìn)行，本次模型試驗(yàn)采用的航槽尺度相對較大，邊坡坡度相對較陡。本文著重分析了在不同的試驗(yàn)流量和槽灘水深比情況下水槽沿程的流速分布，以及對沿程水流折減情況進(jìn)行了定量分析，探討了試驗(yàn)流量和槽灘水深比的改變對航槽中水流折減變化的影響，為預(yù)測航道開挖后泥沙淤積問題和船舶安全航行提供重要參考。

2 試驗(yàn)條件和試驗(yàn)方法

本次試驗(yàn)沿水槽的中軸線上總共布置了18個測量點(diǎn)，航槽尺寸及測點(diǎn)位置見圖1。

圖1 航槽平面尺寸及其測量點(diǎn)布置（單位：m）Fig.1The plane size of the flume and the location of measuring points（m）

為了研究橫跨航槽時水流的結(jié)構(gòu)特征，試驗(yàn)在37 m×6 m水槽中進(jìn)行，開挖航槽邊坡為1∶3，航槽底寬為3.25 m，航槽挖深為0.14 m，開挖航槽與矩形水槽交角為90°。由于水槽沿程水深會發(fā)生改變，則對灘地、邊坡和航槽處各測點(diǎn)的垂向流速分不同層數(shù)進(jìn)行測量，分別為灘地7層、邊坡8層、航槽10層。

試驗(yàn)過程中通過流量泵去控制邊界流量，在恒定的流量下進(jìn)行水槽試驗(yàn)，流速是利用旋槳式流速儀進(jìn)行測量，其儀器的精度為1 cm/s，流向通過向航槽滴入高錳酸鉀溶液進(jìn)行觀測。

本次模型試驗(yàn)采用灘地水深分別為0.165 m和0.195 cm兩種試驗(yàn)水位，每種試驗(yàn)水位情況下選取四種不同試驗(yàn)流量進(jìn)行模型試驗(yàn)，試驗(yàn)方案及組次安排見表1。

表1 試驗(yàn)流量及相應(yīng)水位Table 1Theexperimentaldischarge and thecorresponding water level

3 垂向流速沿程變化規(guī)律

圖2為試驗(yàn)水位0.165 m情況下對應(yīng)的水流橫跨航槽流速的沿程垂向分布圖。由試驗(yàn)結(jié)果可知，其水流垂向分布的沿程變化規(guī)律如下：水流在灘地上行進(jìn)時，其垂向分布較為均勻，流速沿水深變化較??；當(dāng)水流進(jìn)入航槽在邊坡上行進(jìn)時，由于過水?dāng)嗝娈a(chǎn)生變化，流速垂向分布也開始發(fā)生較大的變化，流速沿垂線明顯減小且垂向分布很是不均勻，越往下靠近底部的流速折減越大，并且在上邊坡中點(diǎn)附近處的底部開始出現(xiàn)了與主流方向相反的水流；水流從上邊坡坡腳附近行進(jìn)至航槽內(nèi)距坡腳一定距離附近處，流速沿垂線變化仍然較大，垂向分布很不均勻，并且底部附近的水流也出現(xiàn)了類似的反向流動；隨后在水流行進(jìn)至下邊坡坡腳，流速垂向分布逐漸變得均勻，流速沿垂線的折減程度越來越小，主要是由于在試驗(yàn)航槽的底寬較大情況下，進(jìn)入航槽的水流行進(jìn)到一定距離后得到充分的發(fā)展，流速垂向分布規(guī)律逐漸趨向于灘地上水流的垂向分布，因水深的增加引起的過水?dāng)嗝嬖龃?，?dǎo)致這一部分水流的垂向流速相比于上游灘地和上邊坡的流速較??；水流在航槽下邊坡行進(jìn)時，流速沿水深變化較小，下邊坡流速垂向上折減程度較小，其分布相對于上邊坡的流速分布也要均勻得多，又由于水流在下邊坡行進(jìn)時過水?dāng)嗝娴闹饾u減小，使得其垂向流速逐漸也有所增大；當(dāng)水流流出航槽行進(jìn)至下游邊灘，流速垂向分布較為均勻，其垂向分布規(guī)律趨向于上游灘地流速垂向分布，由于跨越航槽會造成能量的損失，其垂向流速相比于上游灘地會有一定的減小，但其大小基本恢復(fù)到和上游灘地來流速度差不多。

試驗(yàn)觀測表明，從上邊坡中點(diǎn)附近到航槽內(nèi)距上邊坡坡腳一定距離附近處這一區(qū)域范圍，底部水流將反向運(yùn)動，形成“回流”區(qū)域，該區(qū)域水流流動緩慢，流態(tài)成紊動的擴(kuò)散狀態(tài)。

通過對本次物理模型水槽試驗(yàn)進(jìn)行研究分析，其反向水流沿水深出現(xiàn)的位置隨流速和槽灘水深比的變化而改變，通過試驗(yàn)結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，在其它試驗(yàn)條件相同且邊坡為1∶3，槽灘水深比為1.71～1.84，來水流速為0.034~0.202 m/s情況下，試驗(yàn)流速越小，反向水流沿水深出現(xiàn)的位置距離水面就越近，形成的“回流”區(qū)域范圍就越大；并且槽灘水深比越大，反向水流沿水深出現(xiàn)的位置距離水面也就越近，形成的“回流”區(qū)域范圍也就越大。

圖2 試驗(yàn)水位0.165 m情況下垂向流速沿程分布Fig.2The vertical velocity distribution along the flume in the water level of 0.165 m

4 垂線平均流速沿程變化規(guī)律

4.1 垂線平均流速沿程分布

根據(jù)上述8組物理模型水槽試驗(yàn)，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并通過六點(diǎn)法計(jì)算出沿程各個測點(diǎn)的垂線平均流速值，以試驗(yàn)水位0.165 m情況下水流橫跨航槽垂線平均流速沿程變化圖為例，詳見圖3。

圖3 試驗(yàn)水位0.165 m情況下垂線平均流速沿程變化情況Fig.3The variation of the depth-averaged velocity along the flume in water level of 0.165 m

總體上來看，水流在跨越航槽過程中，上、下邊坡處的垂線平均流速變化最為明顯，上邊坡垂線平均流速相比于下邊坡要稍小些；航槽邊坡上的垂線平均流速基本都大于航槽內(nèi)的垂線平均流速，即航槽內(nèi)流速折減達(dá)到最大，水流在航槽內(nèi)行進(jìn)到一定距離后水流得到充分的發(fā)展，受到紊動的影響逐漸減小，流速有一定程度的回升；而下游灘地上的垂線平均流速相比于上游灘地，由于水流橫跨航槽受到水流紊動影響造成的能量損失，使得流速有些許減小，但其大小基本恢復(fù)到和上游灘地來流速度差不多。

4.2 垂線平均流速沿程折減變化

圖4為試驗(yàn)水位0.165 m情況下水流橫跨航槽時流速沿程折減變化，其中，Vi表示沿程測點(diǎn)位置所對應(yīng)的垂線平均流速，V表示上游灘地測點(diǎn)位置所對應(yīng)的垂線平均流速平均值。由流速沿程折減變化圖可知，相比于航槽的其它位置，水流在上邊坡處行進(jìn)，流速折減程度較大，并且在上邊坡坡腳處附近流速折減達(dá)到最大，而后會有一定程度的回升，下邊坡流速折減相比于上邊坡較小些。

圖4 試驗(yàn)水位0.165 m情況下水流橫跨航槽時流速沿程折減變化Fig.4The depth-averaged velocity discount variation across the trench in the water level of 0.165 m

在模型灘地水深為0.165 m情況下，4種試驗(yàn)流量下（0.04 m3/s、0.08 m3/s、0.14 m3/s和0.20 m3/s）流速在航槽上坡腳附近折減程度達(dá)到最大，其折減程度大約為0.28～0.48，即為灘地上流速的0.28～0.48，當(dāng)在航槽內(nèi)行進(jìn)一定距離后，水流得到充分發(fā)展流速分布趨于均勻，其流速折減程度大約為0.47～0.58，而后水流跨越航槽行進(jìn)到下游灘地上，由于沿程中紊流的影響造成的能量損失，使得下游灘地上的流速也發(fā)生折減，其折減程度大約為0.96～0.98。

在模型灘地水深為0.195 m情況下，4種試驗(yàn)流量下（0.04 m3/s、0.08 m3/s、0.14 m3/s和0.20 m3/s）流速在航槽上坡腳附近折減程度達(dá)到最大，其折減程度大約為0.18～0.52，當(dāng)在航槽內(nèi)行進(jìn)一定距離后，水流得到充分發(fā)展流速分布趨于均勻，其流速折減程度大約為0.56～0.63，而下游灘地上的流速折減程度大約為0.96～0.99。

表2給出了本文水槽試驗(yàn)中各組的航槽軸線處流速折減的實(shí)際值與適用于本文水槽試驗(yàn)條件的黃志揚(yáng)航槽中心處流速折減公式計(jì)算得到的值的比較，其實(shí)際值與公式計(jì)算值基本上相一致。由表2也可看出，在邊坡為1∶3，來水流速為0.034~0.202 m/s情況下，航槽內(nèi)流速的折減隨著槽灘水深比增加而增大。

表2 流速折減的試驗(yàn)實(shí)際值與公式計(jì)算值比較Table 2The actual velocity discount compared with the calculated value according to the formula

圖5和圖6反映了兩種試驗(yàn)水位在4種流量下橫跨航槽時上邊坡流速折減程度。由不同流量下折減程度曲線對比可知，在邊坡為1∶3，來水流速為0.034~0.202 m/s槽灘水深比為1.71～1.84情況下，相同的試驗(yàn)條件下（試驗(yàn)水深、航槽尺寸），來水流速越小，橫跨航槽上邊坡過程中垂線平均流速折減程度就越大，且在上邊坡坡腳處附近流速達(dá)到的最大折減也就越大。

圖5 試驗(yàn)水位0.165 m情況下上邊坡流速折減變化Fig.5The depth-averaged velocity discount variation on the slope in the water level of 0.165 m

5 上邊坡流速折減情況隨槽灘水深比變化規(guī)律

水流橫跨航槽時，槽灘水深比的變化也會對流速折減產(chǎn)生一定的影響，表3反映了4種試驗(yàn)流量上邊坡的坡頂、坡中和坡底處垂線平均流速折減值隨槽灘水深比的變化情況。在相同的試驗(yàn)條件下（試驗(yàn)流量、航槽尺寸），槽灘水深比越大，意味著航槽相對挖深就越大，則水流橫跨航槽在上邊坡處發(fā)生的折減也就越大，并且從坡頂行進(jìn)至坡腳，流速的折減也變得越來越大。

圖6 試驗(yàn)水位0.195 m情況下上邊坡流速折減變化Fig.6The depth-averaged velocity discount variation on the slope in the water level of 0.195 m

表3 兩種槽灘水深比對應(yīng)的上邊坡垂線平均流速折減值Table 3Depth-averaged velocity discount in two kinds of trough-beach depth ratio in the upper slope

6 結(jié)語

1）橫跨航槽水流在上、下邊坡附近處的垂線平均流速變化最為明顯，上邊坡垂線平均流速相比于下邊坡要稍小些。

2）在邊坡為1∶3，槽灘水深比為1.71～1.84，來水流速為0.034~0.202 m/s情況下，橫跨航槽水流在上邊坡中點(diǎn)附近到航槽內(nèi)距上邊坡坡腳一定距離附近處這一區(qū)域，底部水流反向運(yùn)動形成“回流”區(qū)域，即豎向環(huán)流，該區(qū)域水流流動緩慢，水流流態(tài)成紊動的擴(kuò)散狀態(tài)，并且形成“回流”區(qū)域的范圍大小與流速和槽灘水深比有關(guān)，來水流速越小，槽灘水深比越大，形成“回流”區(qū)域的范圍也就越大。

3）在邊坡為1∶3，槽灘水深比為1.71～1.84情況下，相同的試驗(yàn)條件下（試驗(yàn)水深、航槽尺寸），來水流速越小，橫跨航槽上邊坡垂線平均流速折減程度就越大，且在上邊坡坡腳處附近流速達(dá)到最大折減也就越大。

4）當(dāng)水流橫跨邊坡為1∶3的航槽，槽灘水深比為1.71～1.84，試驗(yàn)流速為0.034~0.202 m/s范圍變化時，流速在航槽內(nèi)最大折減發(fā)生在上邊坡坡腳附近，折減程度大約為0.18～0.52，當(dāng)在航槽內(nèi)行進(jìn)一定距離后，水流得到充分發(fā)展流速垂向分布趨于均勻，此時槽內(nèi)流速折減程度大約為0.47～0.63，下游灘地上的流速折減程度大約為0.96～0.99，其大小基本恢復(fù)到和上游灘地來流速度差不多。

5）在邊坡為1∶3情況下，相同的試驗(yàn)條件下（試驗(yàn)流量、航槽尺寸），槽灘水深比越大，水流橫跨航槽發(fā)生的折減也就越大。

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[2]VAN RIJN L C.Storm surge barrier Oosterschelde-computation of siltation in dredged trenches:semi-empirical model for the flow in dredged trenches[R].Deltares(WL),1980.

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Experimental study of flow structure variation across dredged channel

WANG Yao1,SUN Lin-yun2*,ZHU Yu-liang1,LIU Jian-jun2
（1.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

In order to study the structural changes with the flow across the dredged channel and analyze the regularity of vertical distribution and longitudinal distribution,we performed the physical model test.Based on the results of the physical model test,we made the quantitative analysis of depth-averaged velocity discount variation across the trench,and obtained the effects of trough-beach depth ratio and the flow velocity on the flow structure.The results showed that,the depth-averaged velocity of the upper slope is slightly smaller than that of the lower slope.When the slope is 1:3,trough-beach depth ratio is 1.71 to 1.84,and the flow velocity is 0.034 m/s to 0.202 m/s,the reverse flow at the bottom formed the"reture"area in this area,where the midpoint of the upper slope to the dredged channel a certain distance from the slope toe.The smaller the flow velocity and the greater trough-beach depth ratio,the"reture"area is greater,and the depth-averaged velocity discount is greater as well.

flume experiment;across dredged channel;vertical velocity distribution;depth-averaged velocity variation; velocity discount;change along the flume

U617.6；TV131.61

A

2095-7874（2017）05-0058-05

10.7640/zggwjs201705013

2016-11-01

2017-01-23

王垚（1990—），男，天津市人，碩士研究生，主要從事港口航道工程水動力數(shù)值模擬研究

*通訊作者：孫林云，E-mail：linyunsun@sina.com