不同邊坡比的梯型斷面河道水力學(xué)研究

牛德東，侯 瑩

（1.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴陽 550081，2.山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，濟(jì)南250000）

不同邊坡比的梯型斷面河道水力學(xué)研究

牛德東1，侯 瑩2

（1.貴州省交通建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督局，貴陽 550081，2.山東省公路設(shè)計(jì)咨詢有限公司，濟(jì)南250000）

在河道中建立3種不同邊坡比的梯型斷面，通過物理模型試驗(yàn)測(cè)量河道的上下游水位、流速、流態(tài)，得出了隨著邊坡比的增加河道斷面的水力學(xué)參數(shù)都發(fā)生了不同變化，故在滿足河道邊坡比規(guī)范下，修建河道應(yīng)盡量取邊坡比較小，同時(shí)對(duì)于不同河道梯型斷面的修建進(jìn)行了綜合分析。

模型試驗(yàn)；邊坡比；梯型斷面

在水利工程河道水力學(xué)領(lǐng)域中，河道岸坡穩(wěn)定需要考慮河道斷面具體形狀和尺寸，河道斷面都是選擇梯型斷面修建，但是梯型斷面的河道邊坡比卻是水利工程中一直備受關(guān)注的問題。目前已有眾多學(xué)者對(duì)此進(jìn)行研究，如趙毓民［1］關(guān)于河道斷面形狀的探討，主要就變分化研究河道的塑形；胡鵬［2］通過建立流域水文模型研究河道斷面概化的原理和變化模擬；渠庚等［3］通過三峽水庫運(yùn)用后荊江河道斷面形態(tài)變化及對(duì)航道條件的影響得出了三峽水庫運(yùn)用后荊江不同類型河道斷面形態(tài)呈現(xiàn)不同的變化規(guī)律；趙延風(fēng)等［4］通過建立拋物線類研究渠道斷面收縮水深而得出了計(jì)算通式；田月等［5］通過建立河道水力學(xué)模型來估算最小生態(tài)需水量的研究。

然而大多數(shù)的學(xué)者都是針對(duì)具體的實(shí)際工程進(jìn)行相關(guān)水力學(xué)研究，對(duì)于河道斷面梯型邊坡比的研究較少，因此本文主要通過在河道中建立局部的不同邊坡比的梯型斷面進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 模型建立

按河工模型有關(guān)規(guī)范建立物理模型。上游河道長(zhǎng)8m，下游河道長(zhǎng)8m，河道平均河寬1m，河深0.5m，在河道7～8m河段處設(shè)置不同邊坡比的梯型斷面。水位測(cè)點(diǎn)布置3個(gè)，分別為上游2m處1號(hào)水位測(cè)點(diǎn)，下游2m處3號(hào)水位測(cè)點(diǎn)，梯型河段中間2號(hào)水位測(cè)點(diǎn)；同時(shí)在河道縱斷面布置11個(gè)流速測(cè)點(diǎn)間距1m，分別為上游5個(gè)、下游5個(gè)、梯型斷面1個(gè)，如圖1。

圖1 物理模型

1.2 試驗(yàn)工況及條件

在河道7～8m處建立試驗(yàn)需要的邊坡比為：1.0，1.25，1.5的梯型斷面型式的河段，3種斷面的面積相同，這3種邊坡比的梯型河段為本試驗(yàn)的3種工況，為了便于敘述分別簡(jiǎn)稱為工況1、工況2、工況3，如圖2。試驗(yàn)是在河道水流充滿穩(wěn)定后對(duì)各個(gè)水力學(xué)參數(shù)進(jìn)行觀測(cè)，具體觀測(cè)了水流流速、流態(tài)、水位3個(gè)水力學(xué)參數(shù)。

圖2 不同邊坡比梯型斷面

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 河道水位

根據(jù)水力學(xué)［6］河道明渠水流特性，河道梯型斷面的邊坡比不同可能影響河道內(nèi)水位的不同變化，為此本文測(cè)量了河道3處測(cè)點(diǎn)的水位隨時(shí)間的變化過程，如圖3。

圖3 3種工況下不同測(cè)點(diǎn)水位波動(dòng)

由圖3可知，在相同流量、糙率不變的情況下，整體測(cè)點(diǎn)水位先增加到一個(gè)最大值，然后水位穩(wěn)定后在一定范圍內(nèi)波動(dòng)，并且表現(xiàn)為3個(gè)水位測(cè)點(diǎn)都是工況1水位大于工況2的水位；3個(gè)工況下1#水位測(cè)點(diǎn)的水位之間差值較小，2#水位測(cè)點(diǎn)其次，3#水位測(cè)點(diǎn)差值最大，可知梯型斷面邊坡比不同對(duì)下游水位影響比上游影響大。

2.2 流速

2.2.1 梯型橫斷面流速

為探究梯型斷面的邊坡比不同對(duì)河道內(nèi)流速的影響，本試驗(yàn)測(cè)量了3個(gè)工況下梯型斷面的流速變化情況，如表1。

表1 3種工況下梯型斷面測(cè)點(diǎn)流速 單位：cm/s

由表1可知，3個(gè)工況下整體流速都是隨著水深增加而減小，這符合流體力學(xué)的斷面流速分布規(guī)律，同時(shí)隨著邊坡比的增加流速也增加，可能由于邊坡比不同使斷面水流的流向和水深發(fā)生改變，導(dǎo)致梯型斷面流速的改變。

2.2.2 河道縱斷面流速

由于河道內(nèi)7～8m處設(shè)置了不同邊坡比的梯型斷面，這對(duì)整個(gè)河道的流速會(huì)產(chǎn)生一定影響，為此本試驗(yàn)還測(cè)量了3個(gè)工況下的河道縱斷面的流速變化情況，如圖4。

圖4 3種工況下測(cè)點(diǎn)水位

由圖4可知，河道整體流速峰都值發(fā)生在梯型斷面處，同時(shí)由于邊坡比增大，梯型斷面坡度越陡，對(duì)流速影響越大，從而導(dǎo)致了工況3的流速最大，工況2其次，工況1最??；對(duì)于上游三者流速差值較小，而下游三者流速差值較大，這也表明邊坡比對(duì)上下游流速影響存在差異，表現(xiàn)為影響下游流速比上游大。

2.3 水流流態(tài)

通過高清攝像設(shè)備對(duì)3個(gè)工況下梯型斷面河段進(jìn)行全程記錄，然后用tecplot［7］后處理軟件進(jìn)行處理分析，如圖5。

圖5 3種工況下流態(tài) 單位：m

由圖5可知，在不同邊坡比梯型斷面影響下，河道水流表面流場(chǎng)也在發(fā)生變化，隨著邊坡比的增加，流場(chǎng)紊動(dòng)越強(qiáng)，具體表現(xiàn)在：邊坡比增加梯型斷面處的流場(chǎng)波動(dòng)最明顯，3種工況下表面流場(chǎng)基本形態(tài)一致，在梯型斷面和下游斷面存在差異，可知梯型斷面邊坡比改變對(duì)下游流場(chǎng)影響比上游流場(chǎng)要大。

3 結(jié)語

（1）隨著邊坡比的增加，各水力學(xué)參數(shù)也發(fā)生變化，具體表現(xiàn)在：隨著邊坡比增加，梯型斷面流速也增加；上下游水位波動(dòng)越大，表面流場(chǎng)紊動(dòng)越強(qiáng)烈。

（2）在滿足河道梯型斷面邊坡比規(guī)范下，對(duì)于河道斷面修建工程，應(yīng)盡量選取邊坡比較小的，但在實(shí)際工程中，還要針對(duì)具體河道用途、結(jié)構(gòu)特性及經(jīng)濟(jì)狀況進(jìn)行綜合分析。

［1］趙毓民.關(guān)于河道斷面形狀的探討［J］.動(dòng)力建設(shè)，1980（1）：39-42.

［2］胡鵬，崔小紅，周祖昊，等.流域水文模型中河道斷面概化的原理和方法［J］.水文，2010（5）.

［3］渠庚，許輝，唐文堅(jiān)，等.三峽水庫運(yùn)用后荊江河道斷面形態(tài)變化及對(duì)航道條件的影響［J］.水運(yùn)工程，2011（12）.

［4］趙延風(fēng)，王正中，劉計(jì)良.拋物線類渠道斷面收縮水深的計(jì)算通式［J］.水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2013（1）.

［5］田月，田淳，郝瑞霞.河道水力學(xué)模型及最小生態(tài)需水量的估算［J］.太原理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2016（4）：536-540.

［6］吳持恭.水力學(xué)馬山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（四川大學(xué)）.水力學(xué)（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［7］藍(lán)霄峰，陳娓，向波，等.Tecplot在大鏡山水庫洪水演進(jìn)動(dòng)態(tài)可視化的應(yīng)用［J］.人民珠江，2010（1）.

The study of water mechanics in the trapezoidal section with different slope

NIU De-dong1，HOU Ying2
（1.Guizhou Quality Supervision Bureau of Transportation Engineering，Guiyang 550081，China；2.Shandong Highway Design Consulting Co.，LTD.，Jinan 250000，China）

Establishes three trapezoidal sections with different slope ratios in the river course，and measures the upstream and downstream water level，velocity and flow regime of the river by physical model test.It is concluded that the hydraulic parameters of the river section of the different changes，so in the river slope to meet the specifications，the construction of the river should try to take the slope is relatively small，while the construction of different sections of the trapezoidal section to be comprehensive analysis.

model test；slope ratio；trapezoidal section

TV147

B

1672-9900（2017）05-0027-03

2017-07-04

牛德東（1983-）男（漢族），山東菏澤人，工程師，主要從事航道水運(yùn)工程等研究工作，（Tel）15285527929。

（責(zé)任編輯：王艷肖）