河道交匯處不同匯流比下水面形態(tài)試驗研究

王銀濤 王開拓 王生寬 李新?lián)Q

摘要：以湟水河與大通河交匯處為原型，以有機玻璃、角鐵等作為材料，通過比例縮放建立了干支流流量可調節(jié)的天然U型河道干支流交匯處水槽模型，進行模擬試驗研究交匯處的水面形態(tài)變化規(guī)律。試驗表明，在干支流的交匯處會產生壅水現(xiàn)象，水面抬高，壅水位置往往出現(xiàn)在U彎頂部；隨著干支流匯流比的不斷減小，壅水位置會隨著匯流比的減小而逐漸向下游位置移動，同時支流對干流的頂托作用降低，河道水面線逐漸趨于平穩(wěn)；水流經(jīng)過交匯區(qū)后，會對外彎側河岸形成掏刷，匯流比接近1時，掏刷作用最強，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱；匯流比對支流交匯區(qū)上游水面形態(tài)影響較小，水面形態(tài)較好。

關鍵詞：U型河道；交匯處；水槽試驗；匯流比；水面形態(tài)

中圖分類號：TV91文獻標志碼：A

0引言

天然河道中存在著大量的河流交匯口。在大量的干支流匯合處，由于干、支流兩股水流相互頂托，匯流區(qū)水流的紊動摻混作用強烈，能量損失較大，存在上游壅水、下游回流等水力學問題。因此，天然河道交匯處的相關水力特性學術研究受到了各界的高度重視。

國內諸多學者對天然河道交匯處水沙運動特性的研究已取得許多成果。陸建宇等[1]對不同交匯角的河道型水庫交匯段進行模型概化和數(shù)值模擬計算研究表明，不同交匯角條件下均存在紊動能高值集中區(qū)域，且紊動能與交匯角的大小存在正相關關系。劉曉東等[2]提出了深入研究支流入?yún)R彎曲干流型交匯河道水力特性的重要因素。劉斌[3]通過對Y型河道交匯區(qū)的試驗和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)受Y型河道水流交匯的影響，水流在交匯處能量巨大，對下游河道中央沖刷影響較大。于建忠等[4]研究發(fā)現(xiàn)河道主流在交匯區(qū)支渠河堤的作用下整體右偏，偏轉程度隨匯流比降低而減弱，并在支流頂托下形成渦旋與分離區(qū)。張濤[5]通過室內水槽試驗研究了河道交匯處各種因素對水流結構的影響程度。林青煒等[6]利用粒子圖像測速技術（PIV）精確測定了交匯區(qū)旋渦剪切層和分離區(qū)位置，發(fā)現(xiàn)剪切層和分離區(qū)近水面和近底面水深平面的渦旋密度大，水深中部的渦旋密度小。陳凱霖[7]通過明槽交匯區(qū)物理模型試驗發(fā)現(xiàn)了交匯區(qū)頂托現(xiàn)象會影響干支流交匯區(qū)水位。

本論述通過對天然河道水槽模型水面形態(tài)的試驗研究，并考慮了干支流匯流比對水面形態(tài)的影響，探究不同匯流比下干支流交匯區(qū)水面形態(tài)變化規(guī)律。

1模型建立

1.1原型介紹

本試驗所采用的干支流交匯模型原型是青海省海東市民和縣境內的湟水河與大通河交匯處。交匯處干流湟水河的河道為U型，且支流多年平均流量較干流更大，干流湟水河在交匯區(qū)下游的左岸位置現(xiàn)已產生較大的沖刷，此處的水面形態(tài)非常復雜，具有較大的研究意義。

1.2模型介紹

原型中支流大通河入?yún)R處河口坡降為4.56%，交匯處河道平均寬度為120 m，交匯處干流湟水河坡降為5.30%，交匯處河道平均寬度為100 m。本次試驗所做水槽模型根據(jù)實際河道寬度進行比例縮放后確定尺寸，大通河與湟水河的河流寬度之比為1.2∶1，本試驗按照1∶400的比例確定大通河的水槽模型寬度為30 cm，湟水河水槽試驗模型寬度為25 cm。水槽模型采用有機玻璃板制作，底座采用角鋼焊制，地腳安裝高度可通過安裝螺絲調節(jié)，可模擬不同的河道坡降，如圖1所示。

本試驗的主要試驗和測量裝置有循環(huán)供水箱、供水水泵、電磁流量計、穩(wěn)流裝置、流量調節(jié)閥門、水位測針等。其中大通河段模型總長度為3 m，湟水河段模型總長度為6 m，循環(huán)供水箱和水泵用來給系統(tǒng)供水，通過流量計和流量調節(jié)閥門控制兩段流量，穩(wěn)流裝置保證試驗水流的穩(wěn)定性和均勻性。本試驗的裝置示意圖如圖2所示。

2試驗方案

2.1測點布置

本試驗主要測量兩河匯流處的相關水位參數(shù)，故本試驗的水位測點主要布置在匯流區(qū)域。布置A～H共8個測量斷面，每個斷面上布置5個測點，通過測量測點處的水位，得到該測點處對應水深。水位測點布置如圖3所示。

3試驗步驟與結果

3.1實驗步驟

按照設計工況1～3的順序進行試驗，具體試驗步驟如下：

（1）通水。打開主槽和支槽的水泵開關，通過電磁流量計調節(jié)兩水槽的流量達到設計工況流量；

（2）等待水流穩(wěn)定。兩槽通水后等待約30 min，觀察到穩(wěn)流裝置處水位不再發(fā)生明顯變化，水槽中水流基本平穩(wěn)，認為水流達到穩(wěn)定；

（3）測量。待水流穩(wěn)定后用水位測針分別測量各測點槽底和水面高程，并記錄；

（4）計算各測點水深。按照式（1）計算各測點水深；

3.2試驗結果與分析

3.2.1交匯區(qū)最大與最小水深

在三種工況下，交匯區(qū)的最大水深均出現(xiàn)在F斷面，原因即F斷面為兩河的交匯區(qū)，在交匯區(qū)兩河的水流相互頂托，產生消能作用，流速降低，導致水位壅高，如圖4～6所示。隨著匯流比的減小，G、H斷面的水深逐漸與F斷面水深接近，原因為隨著匯流比減小，干流的水流沖擊作用較支流變強，壅水位置逐漸向下游位置移動，且因干流來水方向與支流來水方向夾角較大，大約140°，干流來水直接沖入支流內導致支流河道內壅水嚴重。

由圖中還可以看出，隨著匯流比減小，最小水深出現(xiàn)在D斷面，原因為經(jīng)過交匯區(qū)后，水流重新進入順直河道，流速增加，過流斷面減小，水位降低。匯流比較小時，E斷面的水深較D斷面大，原因為在該斷面處發(fā)生水流消能，流速降低，過流斷面增大，水深增加。

3.2.2交匯區(qū)水面形態(tài)

主槽水流在入彎前，水面形態(tài)呈現(xiàn)出從內彎至外彎水深逐漸減?。唤?jīng)過彎頂后，從內彎至外彎水深逐漸增大，在出彎后的左側槽壁形成掏刷，該現(xiàn)象與兩河交匯處的掏刷位置相吻合。且在工況2時出現(xiàn)最大水深差，即掏刷現(xiàn)象最嚴重，而在匯流比偏離1時，掏刷現(xiàn)象有所緩解。支槽水面形態(tài)在靠近匯流區(qū)的位置較為復雜，且水深最大，隨著向上游段延伸，水深逐漸減小，匯流比的變化對支槽的水面形態(tài)影響不明顯。

4結論

（1）U型河道干支流在交匯處水流相互頂托，出現(xiàn)壅水區(qū)，水深增加；壅水區(qū)往往出現(xiàn)在U型河道彎頂位置；交匯流經(jīng)過彎頂區(qū)后流態(tài)逐漸恢復，流速增加，水深減小。隨著干支流匯流比的逐漸減小，壅水區(qū)位置逐漸向下游移動。

（2）水流經(jīng)過交匯區(qū)后，會對外彎側河岸形成掏刷，匯流比接近1時，掏刷作用最強，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱。

（3）交匯區(qū)處水面形態(tài)較為復雜，主河道在交匯區(qū)上游水面從內彎至外彎水深逐漸減小，經(jīng)過彎頂后，從內彎至外彎水深逐漸增大，支流處交匯區(qū)上游水面形態(tài)較好。

參考文獻：

[1]陸建宇，毛勁喬，龔軼青，等.河道型水庫干支流交匯段水力特性數(shù)值分析[J].排灌機械工程學報，2019，37（9），776-781，828.

[2]劉曉東，李玲琪，童須能，等.交匯河道水動力特性和污染物摻混規(guī)律研究綜述[J].人民珠江，2019（3）：77-87.

[3]劉斌. Y型河道水流交匯對溢流壩泄洪影響的數(shù)值模擬研究[J].水利科學與寒區(qū)工程，2019，2（6）：81-84.

[4]于建忠，朱晗玥，趙蘭浩.泵站出口與河道主流交匯區(qū)流動特性數(shù)值模擬[J].水電能源科學，2018，36（7）：71-74，98.

[5]張濤.非對稱型河流交匯區(qū)水流結構與污染物輸運規(guī)律研究[D].西安：西安理工大學，2021.

[6]林青煒，唐洪武，袁賽瑜，等.河道交匯區(qū)渦旋結構研究[J].河海大學學報（自然科學版），2019，47（4）：352-358.

[7]陳凱霖.明槽交匯區(qū)水動力特性與污染物濃度場試驗研究[D].西安：西安理工大學，2019.