連續(xù)性彎曲河道潰堤后的概化水槽試驗(yàn)研究

劉書瑜 張兵戈 朱裕 李夢雨

摘 要：河道決口是我國常見的自然災(zāi)害之一，特別是黃河生產(chǎn)堤發(fā)生潰口后，潰堤波在灘區(qū)的傳播擴(kuò)散對(duì)當(dāng)?shù)氐纳?cái)產(chǎn)造成了極大的損失。本文根據(jù)黃河下游夾河灘至高村游蕩型河段建立了概化水槽物理模型，模擬了彎曲河道潰口處漫灘洪水在灘槽的演進(jìn)過程。試驗(yàn)通過水位自動(dòng)跟蹤儀及VDMS系統(tǒng)測量了彎曲河道潰堤發(fā)生后，灘槽水位及流速的變化過程，并分析了漫灘洪水的演進(jìn)特性。試驗(yàn)結(jié)果表明，潰堤波在潰口處傳播呈扇狀，在灘區(qū)地形影響下，漫灘洪水形成的洪泛區(qū)存在不同尺度的渦流;河槽內(nèi)部水位在潰堤發(fā)生后，水位伴隨著洪水的演進(jìn)過程先降低后增大，最終潰口處達(dá)到穩(wěn)定分流的狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果可為數(shù)學(xué)模型提供驗(yàn)證參考，并對(duì)灘區(qū)確定風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提供技術(shù)支撐。

關(guān)鍵詞：潰堤;漫灘洪水;洪水演進(jìn);概化試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TV131 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-5168（2022）7-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.013

Abstract：River breach is one of the common natural disasters in China， especially after the breach of the Yellow River dike， the spread of the breach wave in the beach area has caused great losses to local lives and properties. In this paper， a physical model of a generalized flume physical model is established based on the wandering type of river section from the lower Yellow River between Jiehetan and Gaocun to simulate the evolution process of floodplain flood in the flume at the cured channel burst. The experiments measured the changes of water level and flow velocity in the beach channel after the breach of channel bends by means of the water level automatic tracking instrument and VDMS system， and analysed the evolution characteristics of the beach flood. The experimental results show that the wave propagates fan-like at the breach and the mainstream direction is influenced by the beach topography， and there are different scales of eddies in the floodplain formed by the beach flood. After the occurrence of dike-break， the water level in the channel decreases first and then increases along with the flood evolution process， and finally reaches the state of stable diversion at the breach. The experimental results can provide a reference for the validation of the mathematical model and provide technical support for the formulation of risk zones in the beach area.

Keywords： dike-break;overbank flood; flood evolution; generalized experiment

0 引言

黃河下游在歷史中發(fā)生了1 500余次決口，較大的改道有20余次。潰口處的洪水受灘區(qū)地貌影響，在灘區(qū)的演進(jìn)過程中復(fù)雜多變，并且潰口大小伴隨著洪水演進(jìn)過程而增大，洪水在河道及灘區(qū)的水力特性更為復(fù)雜，對(duì)灘區(qū)的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、災(zāi)害控制造成了極大的阻礙[1-2]。雖然近年來黃河下游整治效果顯著，灘區(qū)逐漸成為人類生產(chǎn)生活的棲息地，但仍是黃河決口時(shí)的蓄滯洪區(qū)。因此，為了保障灘區(qū)居民生命財(cái)產(chǎn)安全，漫灘洪水在河道及灘區(qū)的演進(jìn)過程備受研究學(xué)者關(guān)注。

近年來，伴隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)河道潰口的數(shù)值模擬計(jì)算研究逐漸深入，一些研究學(xué)者取得了大量成果。如夏軍強(qiáng)等人[3]建立了潰壩水流在動(dòng)床條件下的二維模型，分析了河道在潰壩狀態(tài)下水流、泥沙及床面的交互作用。楊志等人[4]基于DAMBRK算法建立了側(cè)向連接的耦合模型，兼顧了河道內(nèi)的水流變化以及河道外計(jì)算區(qū)域內(nèi)的洪水演進(jìn)過程。Tadesse等[5]將堤壩決口模型集成到水動(dòng)力數(shù)值模型Telemac-2D中，成功地重現(xiàn)了1996年8月在埃塞俄比亞堤壩潰口的洪水事件。以上數(shù)值模擬結(jié)果均經(jīng)過模型試驗(yàn)或?qū)崪y數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證以確保模擬結(jié)果的真實(shí)性，但在眾多研究中，常常缺乏物理模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)及實(shí)測數(shù)據(jù)。為此，陸靈威等[6]開展了相關(guān)的物理模型試驗(yàn)，揭示了河道發(fā)生潰口時(shí)洪水在河道及洪泛區(qū)的演進(jìn)規(guī)律。AlHafidh等[7]針對(duì)不同河道入流組合、潰口寬度、灘地蓄滯洪區(qū)建立了室內(nèi)物理模型，發(fā)現(xiàn)工程堤防潰口通過對(duì)洪水波的修正，有效地減小了潰口上游和下游的洪水深度。Rifai等[8]通過高分辨率3D重建技術(shù)及自主研發(fā)的新型非侵入式激光輪廓測量技術(shù)，實(shí)時(shí)觀測了河流堤防破壞的物理過程，全面地掌握了河流在決口過程中不同階段出現(xiàn)的水流和侵蝕特征。綜上所述，以上學(xué)者對(duì)于河道潰口的研究局限于較為平直的河段，對(duì)于連續(xù)性彎曲河段的研究略顯不足。因此，本研究選取了黃河下游夾河灘至高村游蕩型河段，設(shè)計(jì)并建立了概化水槽物理模型，研究了河道內(nèi)不同流量條件下，漫灘洪水在灘槽內(nèi)演進(jìn)過程。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

1 試驗(yàn)裝置及方法

1.1 試驗(yàn)裝置

考慮到風(fēng)場及其他干擾因素對(duì)水流的影響，本次試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，此次搭建的物理模型是根據(jù)黃河下游夾河灘至高村河段典型灘區(qū)（蘭考—東明灘區(qū)）而建立的概化彎曲水槽模型，如圖1所示。研究河段平均河彎半徑為2 650 m，平槽流量下河相系數(shù)約為9，平灘河槽寬度為873 m，灘槽高差為3.3 m，主槽兩側(cè)生產(chǎn)堤超高為1.6 m?？紤]到室內(nèi)場地大小，對(duì)研究河段進(jìn)行合理概化，其中水平比尺1∶1 000，垂向比尺1∶40。

因此，概化物理模型在水平方向上全長18.5 m，寬度8.5 m。其中模型有效長度14.4 m，有效寬度8.0 m;模型進(jìn)水前池長1.5 m，寬8 m;退水尾池長1.6 m，寬8 m;嫩灘寬0.3 m。物理模型進(jìn)、出口均設(shè)置長度2.0 m直線段，中間有3個(gè)連續(xù)彎道，彎道中心線方程y=0.8cos（1.2x-2.4）-0.8。垂直方向上灘槽高差為10 cm，生產(chǎn)堤高出灘面5 cm，水槽縱比降8‰，水槽橫比降0‰，灘區(qū)縱比降2‰。此外，為了研究潰口水流在灘區(qū)的演進(jìn)過程，在生產(chǎn)堤第一個(gè)彎曲河段右岸頂沖位置設(shè)置了一個(gè)寬約為0.5 m的剛性潰口口門。

在試驗(yàn)開始時(shí)潰口口門關(guān)閉，水流先后通過水泵、閥門、電磁流量計(jì)進(jìn)入模型前池，在模型前池內(nèi)部蓄水完成后進(jìn)入河槽內(nèi)部，再經(jīng)過河槽后到達(dá)退水池，退水池中的水最終進(jìn)入地下水庫以形成循環(huán)。待河槽內(nèi)部水流穩(wěn)定后，瞬間打開潰口口門以形成漫灘洪水，漫灘洪水在灘區(qū)演進(jìn)過程中形成洪泛區(qū)，水流在重力及邊界條件作用下最終流入退水池。

1.2 測量方法

為了研究洪水在灘槽演進(jìn)的特點(diǎn)，在河道左岸布設(shè)了5個(gè)水位探針，其中C2、C3、C4布設(shè)在彎曲河道左岸凹凸側(cè)，C1、C5分別距離河道進(jìn)出口0.8 m、1.0 m。由于水位探針無法實(shí)時(shí)提供洪水在灘槽演進(jìn)中的水位變化過程，因此在灘槽布設(shè)了7個(gè)水位自動(dòng)跟蹤儀。其中，2#布設(shè)在潰口處，用以監(jiān)測洪水在灘槽演進(jìn)過程中的水位變化;1#、7#分別布設(shè)在水位探測C1、C5右側(cè)和左側(cè)，用以比對(duì)水位數(shù)據(jù);3#、4#、5#、6#布設(shè)在河道右側(cè)的灘區(qū)處，考慮到河道灘區(qū)處的橫縱比降所導(dǎo)致的洪水在灘區(qū)的淹沒范圍，3#、4#、5#分別布設(shè)在灘區(qū)最右側(cè)，其中3#正對(duì)潰口口門，相鄰水位跟蹤儀的間距分別為3.5 m、5.5 m，6#布設(shè)在河道最下游灘區(qū)處，距離河道右岸4.5 m。此外，在河道左岸及灘區(qū)右側(cè)分別布設(shè)了3個(gè)攝像頭，用以捕捉洪水在灘槽演進(jìn)時(shí)的流場，并通過預(yù)試驗(yàn)在灘區(qū)確定了12個(gè)特征點(diǎn)（A～H、3#、4#、5#、6#），框定了洪水在灘區(qū)演進(jìn)時(shí)的主流區(qū)域。

1.3 試驗(yàn)工況

在實(shí)際工程中，河道的潰堤水流受外在干擾因素較大，且水流具有流速大、水位變化劇烈、流態(tài)復(fù)雜不定等特點(diǎn)。在物理模型試驗(yàn)中，為了研究不同程度的洪水的灘槽演進(jìn)規(guī)律，須進(jìn)行不同工況的模型試驗(yàn)，具體工況如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 河槽水位變化分析

不同工況下的水流進(jìn)入河槽內(nèi)部并達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，采用水位探針對(duì)河槽沿程水深進(jìn)行測量，數(shù)據(jù)如表2所示。由表2不難發(fā)現(xiàn)：在同一工況下，河槽水位沿程減小，縱向水面比降為正值。在同一探針下，各位置探針?biāo)x取的水位隨著河槽內(nèi)部流量的增大而增大，且在最大流量下，河槽進(jìn)口處水位最高值為26.38 cm，相應(yīng)的河槽出水口水位為25.50 cm;而在最小流量下，河槽進(jìn)口處水位達(dá)到最低值21.97 cm，對(duì)應(yīng)的河槽出水口水位僅有21.30 cm。

潰口口門開啟時(shí)，采用水位自動(dòng)跟蹤儀對(duì)河槽進(jìn)出口（MC1、MC3）、潰口（MC2）實(shí)時(shí)監(jiān)測，數(shù)據(jù)如圖2所示。由圖2易知：各監(jiān)測點(diǎn)的水位均在潰口口門開啟時(shí)先降低、后升高。當(dāng)河槽內(nèi)部為最小流量時(shí)，潰口處水位隨著潰口口門打開突然降低1.10 cm;在其他流量下，河道潰口處水位下降范圍為1.87～2.98 cm，其中在最大流量下，潰口處水位下降幅度最大。

這是因?yàn)楫?dāng)河槽內(nèi)部水流達(dá)到穩(wěn)定后，潰口口門突然打開，河槽內(nèi)部水流下泄到灘區(qū)形成漫灘洪水，進(jìn)而在灘區(qū)形成洪泛區(qū)。在此期間，河槽內(nèi)部的水位可保持穩(wěn)定，隨著灘區(qū)水位的逐漸升高，潰口處的進(jìn)灘水流受到阻礙，從而導(dǎo)致河槽內(nèi)部水位升高，最終灘槽水位基本一致，此時(shí)洪水在灘槽的演進(jìn)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)。此外，當(dāng)河槽內(nèi)部流量較大時(shí)，河槽內(nèi)部水位也隨之增大，此時(shí)水流勢能達(dá)到最大。當(dāng)潰口口門打開后，潰口處的水流由勢能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，而離潰口較遠(yuǎn)處的河槽區(qū)域隨著水躍的產(chǎn)生由動(dòng)能轉(zhuǎn)化為勢能，故使?jié)⒖谔幩幌陆捣入S著河槽內(nèi)部流量的增大而增大。

2.2 灘區(qū)水位變化分析

當(dāng)漫灘洪水進(jìn)入灘區(qū)時(shí)，通過水位自動(dòng)跟蹤儀對(duì)主要洪泛區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，數(shù)據(jù)如圖3所示。其中FP1、FP2、FP3分別代表水位自動(dòng)跟蹤儀3#、4#、5#。由圖3可知：FP1、FP2測點(diǎn)在FP3測點(diǎn)水位增加時(shí)先減小、后增加，并且各個(gè)測點(diǎn)的水位增加速率逐漸減小;FP1測點(diǎn)在初始階段水位高于下游的FP2、FP3，在漫灘洪水演進(jìn)后期，F(xiàn)P1測點(diǎn)的水位低于下游測點(diǎn)。

這是由于漫灘洪水進(jìn)入灘區(qū)后，受灘區(qū)橫比降影響，漫灘洪水先演進(jìn)至FP1、FP2測點(diǎn)，致使FP1測點(diǎn)水位相對(duì)較大;當(dāng)潰堤波演進(jìn)至FP3時(shí)，F(xiàn)P3處的水位突然增加，而距離FP3較遠(yuǎn)處的FP1、FP2測點(diǎn)水位降低;當(dāng)潰堤波演進(jìn)至退水池時(shí)，各個(gè)測點(diǎn)的水位增加速率降低。當(dāng)潰口口門左右兩側(cè)水位基本相等時(shí)，各個(gè)測點(diǎn)水位的波動(dòng)僅僅受邊界對(duì)水流的反射影響，此時(shí)FP1處測點(diǎn)水位受灘區(qū)縱比降的影響相對(duì)較低。

2.3 灘區(qū)潰堤洪水演進(jìn)特性

當(dāng)潰口口門打開后，河槽與灘槽水位的高差會(huì)形成潰堤波。潰堤波在灘區(qū)擴(kuò)散中受到干擾因素較多，灘區(qū)內(nèi)部水流流態(tài)也不盡相同。

在漫灘洪水進(jìn)入灘區(qū)初期，由于受到剛性潰口口門的限制，潰堤波呈扇狀在灘區(qū)擴(kuò)散傳播，并且在灘區(qū)橫比降影響下，潰堤波主要沿著潰口橫向演進(jìn)，此時(shí)水深沿程增大，流速沿程減小，并且遇到邊界時(shí)發(fā)生回流;當(dāng)回流至灘區(qū)內(nèi)部時(shí)，受灘區(qū)縱比降及潰口處漫灘的影響，潰堤波主要沿著潰口縱向演進(jìn)，此時(shí)潰口處的水深逐漸增大;隨著灘區(qū)內(nèi)部進(jìn)水流量的增加，潰口處的扇狀擴(kuò)散范圍逐漸減小，水位逐漸增大，潰口處兩側(cè)的水位落差也逐漸減小，潰堤波影響基本消失，最終潰口處水位逐漸穩(wěn)定。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

此外，通過6個(gè)攝像頭組成的VDMS流場實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)采集了不同工況下漫灘洪水在灘槽演進(jìn)過程中的流場，并解析了水流在河槽進(jìn)口流量為30 L/s時(shí)，漫灘洪水在河槽及洪泛區(qū)的流速分布，具體如圖4所示。結(jié)合圖3易知，漫灘洪水在灘區(qū)的演進(jìn)過程中，潰堤波主流沖擊邊界回流灘區(qū)，再次沖擊河道生產(chǎn)堤時(shí)，在第二個(gè)彎曲河道灘區(qū)附近形成大尺度渦流，該處渦流在灘區(qū)最右側(cè)邊界處繼續(xù)衍生了小尺度渦流，并且小尺度渦流有向?yàn)﹨^(qū)下游擴(kuò)散的趨勢。不同尺度渦流形成的洪泛區(qū)隨著漫灘洪水進(jìn)入灘區(qū)逐漸趨近平穩(wěn)，并且洪泛區(qū)的主流區(qū)域大小一定，因此，可用8個(gè)洪泛區(qū)特征點(diǎn)（A～H）及4個(gè)水位自動(dòng)跟蹤儀（3#、4#、5#、6#）框定洪泛區(qū)主流范圍，并據(jù)此采用秒表量測漫灘洪水到各個(gè)特征點(diǎn)的所需時(shí)間。工況1、2、6的具體數(shù)據(jù)見表3。

由表3可知，當(dāng)漫灘洪水通過潰口口門進(jìn)入灘區(qū)時(shí)，潰堤波在不同工況下通過各特征點(diǎn)的順序?yàn)?#、4#、5#、6#、C、D、B、E、F、A、G、H，并且潰堤波到達(dá)各個(gè)特征點(diǎn)的時(shí)間隨著河槽進(jìn)口處流量的增大而減小。這是由于灘區(qū)橫縱比降致使?jié)⒌滩ㄖ髁鞣较蛟诓煌r下始終一致，并且受灘區(qū)橫比降影響，潰堤波進(jìn)入灘區(qū)時(shí)主流流向沿河道橫向傳播。因此，漫灘洪水最先演進(jìn)至3#特征點(diǎn)，并且在最大流量Q=38 L/s時(shí)，漫灘洪水演進(jìn)用時(shí)最短，僅為7 s 87 ms;而在最小流量Q=28 L/s時(shí)，漫灘洪水演進(jìn)用時(shí)最長，達(dá)到了14 s 70 ms，且在該流量條件下，受河槽潰口處勢能限制，漫灘洪水無法演進(jìn)整個(gè)灘區(qū)，其他工況均可以。

3 結(jié)論

本文通過概化物理模型試驗(yàn)?zāi)M并預(yù)測了潰口發(fā)生后漫灘洪水在灘槽演進(jìn)的過程，采用水位探針、水位自動(dòng)跟蹤儀、VDMS系統(tǒng)測量了漫灘洪水演進(jìn)過程中關(guān)鍵物理量，分析并研究了漫灘洪水在灘槽的傳播特性，為河道潰口數(shù)學(xué)模型及灘區(qū)內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料，并得出如下結(jié)論。

①漫灘洪水進(jìn)入灘區(qū)時(shí)，河槽內(nèi)水位沿程降低，縱向水面比降為正值，且河槽在進(jìn)出口及潰口處水位均有先下降、后上升、最后趨近于平穩(wěn)的趨勢。

②潰堤波在潰口處灘區(qū)呈現(xiàn)扇形擴(kuò)散，在灘區(qū)橫比降及邊界條件的影響下，潰堤波使特征點(diǎn)3#、4#處的水位發(fā)生先增大、后減小、再增大的變化，并且水位增大的速率隨著漫灘洪水在灘槽的演進(jìn)而逐漸減小。

③洪泛區(qū)的主流區(qū)域由多個(gè)不同尺度渦流組成，在灘區(qū)最右側(cè)的渦流尺度較小，在河道右岸附近的渦流尺度較大，并且伴隨著潰堤波的逐漸消失，洪泛區(qū)水位基本穩(wěn)定，在河道附近的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)大于灘區(qū)最右側(cè)，在規(guī)劃灘區(qū)風(fēng)險(xiǎn)逃生時(shí)，可使群眾沿著灘區(qū)上游右側(cè)逃生。

④當(dāng)潰堤波進(jìn)入灘區(qū)時(shí)，潰堤波沿著河道橫向擴(kuò)散流動(dòng)，最先到達(dá)特征點(diǎn)3#，并且隨著河槽進(jìn)口流量的增大，潰堤波演進(jìn)各個(gè)特征點(diǎn)的用時(shí)越短，漫灘洪水淹沒整個(gè)灘槽僅僅用時(shí)24 min 30 s。

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