堆積體對上游附近河道三維流速分布影響的試驗(yàn)研究

何岸霞，周玨西，張 婧，劉 磊

(1.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039; 2.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710600)

堆積體對上游附近河道三維流速分布影響的試驗(yàn)研究

何岸霞1，周玨西1，張 婧1，劉 磊2

(1.西華大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，成都 610039; 2.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710600)

堆積體的存在易對河道的水流流速產(chǎn)生影響。通過水槽試驗(yàn)，采用ADV觀測堆積體附近的三維流速。通過控制流量大小，研究堆積體作用下河道三維流速沿堆積體上游臨近橫斷面的分布規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明：①流量相同時(shí)，流速受堆積體形態(tài)影響。離河床越近，三維流速沿橫斷面的分布曲線：順?biāo)鞣较蛄魉賣的趨勢線越陡，指向右岸一側(cè)流速v和垂直河床向下流速w的峰值越向堆積體在橫斷面的投影線靠近。v由天然情況下趨于0的直線變成離河床越近，流速峰值越大，兩岸流速越小的下拋物線。w在河床附近，曲線呈“勺子”形態(tài)，遠(yuǎn)離河床，曲線失去“勺子”形態(tài)。②隨著流量增加，同一流層上，u流速增大，流速沿橫向的分布越不均勻，曲線越陡。u流速方向和v流速方向的夾角θ，在離左岸(堆積體一側(cè))大約1/2堆積體半徑時(shí)取得最小值。離左岸越遠(yuǎn)θ值越大，直至離左岸45 cm后θ才恢復(fù)天然值90°。研究成果可為河流防護(hù)和治理工作提供技術(shù)支撐。

堆積體；三維流速；定床；流速橫向分布；水槽試驗(yàn)

1 研究背景

河道中堆積體的存在會(huì)帶來很多安全隱患。目前,對傳統(tǒng)的涉水建筑，如丁壩[1]、橋墩[2]、碼頭等工程對附近水流特性的影響研究成果比較豐富,但關(guān)于堆積體對河道水流特性影響的研究成果較少。近年由于汶川地震的影響，山區(qū)地表?xiàng)l件多有變動(dòng)，泥石流災(zāi)害頻繁。泥石流災(zāi)害容易使河道中出現(xiàn)大型堆積體，這些堆積體會(huì)影響河道水流特性，以及河床演變趨勢。堆積體的形態(tài)與丁壩、碼頭等擋水、護(hù)堤建筑物有一定差別。一些大型堆積體能夠侵占較大比例的河道過流面積，且在平面上多呈現(xiàn)扇形，在立面上侵占河寬的比例自上而下逐漸增大。因此，將丁壩、橋墩等的研究成果直接應(yīng)用于堆積體時(shí)，并沒有足夠的代表性。

郭維東等[3-4]采用三維聲學(xué)多普勒流速儀ADV測量了彎道內(nèi)丁壩附近水流流速，較為深入探討了縱向紊流強(qiáng)度的分布規(guī)律。拾兵等[5]基于紊動(dòng)水流的基本方程，研究了河道障礙物后不同斷面上的流速分布。已有的關(guān)于堆積體的研究，主要集中在堆積體的成因[6]和穩(wěn)定性[7]分析。堆積體對水流流態(tài)影響的研究，大多數(shù)是研究堆積體作用下水流的壅水影響[8-9]、主流流速的沿程變化特性等。劉家富等[10]通過水槽實(shí)驗(yàn)，分析了緩坡時(shí)堆積體對河道流速分布的影響，并進(jìn)行了堆積體附近的流態(tài)分區(qū)。郭志學(xué)等[11]研究了堆積體作用下陡坡急流河道水流流態(tài)的分區(qū)、主流流速的沿程分布情況以及堆積體下游主流流速沿橫斷面的變化規(guī)律。

前人關(guān)于堆積體對水流流速的研究，僅限于順?biāo)鞣较蛄魉俚淖兓卣鳎狈θS流速沿橫斷面分布的研究成果。然而，堆積體的存在顯著改變了附近河道的三維水流特性。在堆積體的壓縮、挑流作用下，河道流速發(fā)生調(diào)整且流速沿橫向的變化可能導(dǎo)致對岸的沖刷等失穩(wěn)現(xiàn)象。因此，堆積體作用下三維流速沿橫向變化規(guī)律的研究對于河道防護(hù)和治理工作以及水上作業(yè)安全顯得至關(guān)重要。針對此問題，本文設(shè)計(jì)了多組水槽試驗(yàn)，進(jìn)行了不同流量下堆積體附近三維流速沿橫斷面分布的分析研究。

2 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室泥沙試驗(yàn)廳進(jìn)行。試驗(yàn)水槽由兩側(cè)鋼化玻璃壁及底部光滑水泥板組成。水槽底部寬0.5 m，高度0.42 m,試驗(yàn)段長16 m,進(jìn)出口段的長度各為1 m，水槽底部坡降為0.1%。由循環(huán)供水系統(tǒng)提供試驗(yàn)用水。閥門控制來水量的大小，薄壁堰出口設(shè)有靜水池。靜水池上設(shè)有壓水排，使水流平順。水槽出口處設(shè)有尾水擋板，通過調(diào)整擋板的坡度可以控制水深。

從上游到下游一共布置了19個(gè)測量斷面，測量斷面布置如圖1所示。每個(gè)斷面上布置了7條測線，自左岸到右岸分別命名為A,B,C,D,E,F,G，如圖2所示。每條測線上按流量大小布置了5～7個(gè)測點(diǎn)，采用多普勒聲波三維流速儀ADV測量每個(gè)測點(diǎn)的流速。

圖1 試驗(yàn)水槽測量布置圖Fig.1 Arrangement of the flume experiment

圖2 試驗(yàn)水槽橫斷面測線布置Fig.2 Arrangement of cross-sectional measuringline for the flume experiment

圖3 堆積體模型平面示意圖Fig.3 Plane view ofthe deposit model

堆積體模型采用有機(jī)玻璃制作，固定于水槽試驗(yàn)段中部左岸，位置如圖1所示。堆積體順河向長度采用與水槽寬度一致，為0.5 m?？紤]天然堆石的休止角范圍，本試驗(yàn)堆積體坡度采用45°。堆積體模型的平面示意圖如圖3所示，為直徑50 cm的半圓形。

本文對不同流量下有堆積體和無堆積體的上游6#斷面的三維流速沿橫向的分布進(jìn)行試驗(yàn)研究，共進(jìn)行了6組有效試驗(yàn)，本試驗(yàn)采用的來水流量依次為Q1=0.019 0 m3/s,Q2=0.031 9 m3/s,Q3=0.045 0 m3/s，如表1。

表1 試驗(yàn)工況

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 順?biāo)鞣较虻牧魉賣沿橫斷面的變化

順?biāo)鞣较蛄魉賣沿橫斷面分布曲線見圖4。圖4中，z01,z02,z03分別表示在流量Q1,Q2和Q3情況下，無堆積體時(shí)測點(diǎn)距離河床的高度;z1,z2和z3分別表示流量Q1,Q2和Q3情況下，有堆積體時(shí)測點(diǎn)距離河床的高度(其余圖中對應(yīng)符號含義同上)。

圖4 u沿橫斷面分布曲線Fig.4 Curves of distribution of velocity u alongthe cross-section

圖4(a)反映了流量為Q1，不同的測點(diǎn)距河床的高度條件下的流速分布?？梢?，無堆積體情況下，u方向流速沿橫斷面的分布呈拋物線的形態(tài)。大致在水槽中部的流速最大，且測點(diǎn)流速隨著測點(diǎn)高度的升高而增加；堆積體存在時(shí)，由于堆積體的壅水影響，左岸流速顯著降低。由于下游斷面受堆積體束窄影響，水面流速加大， 靠近6#斷面右岸的u方向流速也受此影響，流速比無堆積體情況下略有增加。因?yàn)槎逊e體的形態(tài)為下大上小，所以越靠近河床底部的測點(diǎn)受堆積體的影響越大,離河床越近的測點(diǎn)，其流速沿橫向變化的斜率越大。

圖4(b)反映了測點(diǎn)距河床的高度為0.5 cm，不同的流量下的流速分布。由圖4(b)可見，在同一高度流層上,縱向流速隨著流量的增大而增加;隨著來水流量的增加，u沿橫向的分布越不均勻，曲線越陡，導(dǎo)致了遠(yuǎn)離堆積體一側(cè)的床面切應(yīng)力增加，加大了對河床的沖刷。

3.2 與水流方向垂直，且指向右岸一側(cè)流速v沿橫斷面的變化

流量為Q3時(shí)與水流方向垂直，且指向右岸一側(cè)流速v沿橫斷面的分布曲線見圖5。

圖5 v沿橫斷面分布曲線(流量為0.045 m3/s)Fig.5 Curves of distribution of velocity v alongthe cross-section under the flow rate of 0.045 m3/s

由圖5可知，v比u小。這說明堆積體存在時(shí)水流流速依舊是以順?biāo)鞣较虻牧魉贋橹饕魉?。在堆積體上游端的6#斷面，由于靠近兩岸的水流受河岸邊壁的影響，流速分布沒有偏離對數(shù)分布太遠(yuǎn)。而在水槽中央時(shí)，水流流速受邊壁的影響越來越小，下游堆積體的影響起了主導(dǎo)作用，越靠近床面時(shí)，堆積體對河道的束窄作用越明顯，v也就越大。所以v沿6#橫斷面的分布曲線由天然情況下趨于0的直線變成隨著距離床面的高度減小，中間流速峰值逐漸增加，而靠近兩岸流速卻逐漸減小的拋物曲線。因?yàn)槎逊e體下大上小的形態(tài)，越靠近床面水流流速受堆積體影響就越大。所以在同一流量工況下，隨著測點(diǎn)高度的減小，v沿橫斷面的分布曲線峰值逐漸向堆積體在6#橫斷面的投影輪廓線靠近。隨著距離床面的高度增加，水流受堆積體影響就越來越小，最大值也就越來越靠近水槽中部，與天然情況下的v流速曲線沿橫斷面分布取到最大值的位置相近。這一現(xiàn)象進(jìn)一步說明了堆積體下大上小的形態(tài)對流速是有影響的。

各個(gè)流量下床面附近v/u沿橫斷面的變化見圖6，v和u之比為二者夾角θ的余切值。天然情況下，u流速和v流速夾角θ為90°。由于堆積體的存在，堆積體上游產(chǎn)生了繞流，所以在堆積體上游6#斷面，河道水流u流速和v流速的夾角θ產(chǎn)生了變化。由圖6可知：堆積體對6#斷面u流速和v流速之間夾角θ的影響范圍很大，大約在離左岸45 cm后，夾角θ的值才恢復(fù)到天然狀態(tài)。夾角θ的最小值出現(xiàn)在離左岸大約1/2堆積體半徑時(shí)，說明此處堆積體對夾角θ的影響最大。然后隨著離左岸的距離加大，夾角θ值逐漸增大，直至恢復(fù)到天然狀態(tài)。Q1流量時(shí)，在左岸v1/u1出現(xiàn)負(fù)值是由于此處u1的流速方向發(fā)生了反向現(xiàn)象。

圖6 各個(gè)流量下床面附近v/u沿橫斷面分布曲線

3.3 垂直河床向下流速w沿橫斷面的變化

圖7是流量為Q3時(shí)w流速沿橫斷面分布曲線圖。

圖7 w沿橫斷面分布曲線(流量為0.045 m3/s)Fig.7 Curves of distribution of velocity w along the cross-section under the flow rate of 0.045 m3/s

由圖7可見，在同一流量工況下，距離河床較近的位置，從z=0.5 cm 處開始，w流速在6#橫斷面上的曲線分布，隨著離左岸的距離增大，流速數(shù)值先減小至最小值，而后突然增加，曲線呈現(xiàn)“勺子”的形態(tài)，在靠近右岸時(shí)w流速與天然流速十分接近。而在距離河床較高的位置，從z=6.62 cm開始，曲線失去“勺子”形態(tài)：w流速在6#橫斷面上的曲線分布，從左岸到右岸，流速由最小值開始逐漸上升，大致在水槽中部取得最大值，然后緩緩降低，在靠近右岸時(shí)w仍高于天然流速?？拷逊e體附近處w出現(xiàn)負(fù)值說明，在一定水深時(shí)水流具有向上運(yùn)動(dòng)分量,這可能是由于堆積體附近繞流場產(chǎn)生的漩渦引起的。堆積體的存在對河道過流斷面起了束縛作用，使過流斷面由水面到河床逐漸減小。這一現(xiàn)象對靠近堆積體的上游6#斷面起到了一定的影響，所以在同一流量下，6#斷面距離床面不同高度測點(diǎn)的w沿橫斷面分布曲線的峰值，隨著距離床面的高度減少，逐漸向堆積體在6#橫斷面的投影線靠近。

4 結(jié) 論

本文通過水槽試驗(yàn)，對堆積體作用下堆積體前的6#斷面河道三維流速沿橫斷面分布規(guī)律進(jìn)行研究，結(jié)果表明：

(1) 堆積體作用下，由于堆積體下大上小的形態(tài)，越靠近河床底部的流層，受堆積體的影響越大。在同一流量工況下，離河床越近的測點(diǎn)，u沿6#橫斷面的趨勢線越陡。v和w沿橫斷面的分布曲線峰值隨著距離床面的高度減小，逐漸向堆積體在6#橫斷面的投影輪廓線靠近。

(2) 同一流量,在堆積體的作用下,v沿橫斷面的分布曲線由天然情況下趨于0的直線變成隨著距離床面的高度減小，中間流速峰值逐漸增加，而靠近兩岸流速卻逐漸減小的拋物線。w在距離河床較近的位置，其沿6#橫斷面的分布曲線呈現(xiàn)“勺子”的形態(tài)，隨著距離河床高度的增加，曲線失去“勺子”的形態(tài)。

(3) 在堆積體的作用下，隨著流量增加，u增大。u沿橫向的分布越不均勻，曲線越陡。且床面附近u和v的夾角θ，在離左岸大約1/2堆積體半徑時(shí)取得最小值。離左岸越遠(yuǎn)θ值越大，直至離左岸45 cm后θ才恢復(fù)天然值90°。本文研究成果可為河道防護(hù)和治理工作提供一定的技術(shù)支撐作用。

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(編輯:王 慰)

Influence of Deposit on 3-D Velocity Distributionin the Vicinity of Upstream Channel

HE An-xia1, ZHOU Jue-xi1, ZHANG Jing1, LIU Lei2

(1.School of Energy and Power Engineering, Xihua University,Chengdu 610039, China; 2.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710600, China)

The flow velocity of river is easily affected by deposit. In this research, the 3-D flow velocity in the vicinity of deposit was observed by ADV through flume experiment, and the cross-sectional 3-D velocity distribution in

the upstream channel nearby the deposit was researched by controlling the flow rate. Results suggest that under the same flow rate, velocity is affected by the shape of deposit. As the distance to the riverbed reduces, the curve of velocity distribution inudirection (the direction of flow) becomes steeper, and the peak of velocity invdirection (pointing to the side of the right bank) andwdirection (vertical to riverbed) is closer to the projection line of the deposit in cross-section.The curve of velocity invdirection is a straight line approaching zero value in natural conditions; while in the presence of deposit, the straight line transformed into a parabola that reflects the increase of peak velocity and the decrease of velocity in two sides as the distance to riverbed gets smaller. The curve of velocity inwdirection in the vicinity of riverbed displays a “spoon” shape; while as the distance to riverbed increases, the “spoon” shape disappears. Moreover, as flow rate increases, the velocity inudirection increases at the same height, and the transverse velocity distribution gets more uneven and the curve becomes steeper. The angleθbetween the velocity inudirection and the velocity invdirection reaches the minimum when the distance to the left bank (with deposit) is about half of the deposit radius. As the distance to the left bank grows, the value ofθincreases, and then returns to the natural value 90° until the distance to left bank reaches 45 cm.The research results provide technical support for river protection and treatment.

deposit; 3-D velocity; fixed bed; lateral velocity distribution; flume experiment

2016-05-17；

2016-06-16

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51409224);研究生創(chuàng)新基金項(xiàng)目(ycjj2016094)

何岸霞(1993-)，女，四川成都人，碩士研究生，主要從事河流工程及水力學(xué)研究工作,(電話)18200399423(電子信箱)461522383@qq.com。

張 婧(1986-)，女，湖北武漢人，副教授，博士，研究方向?yàn)樗W(xué)及河流動(dòng)力學(xué)，(電話)028-87720521(電子信箱)phyllis_zj@yeah.net。

10.11988/ckyyb.20160476

2017,34(8):64-67，71

TV131

A

1001-5485(2017)08-0064-04