非恒定流作用下淹沒式矮堰渾水沖刷機(jī)理研究

趙麗梅,王路,聶銳華

(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,成都,610065)

0 引言

淹沒式矮堰(如底檻、攔砂壩等)是廣泛修建的河道整治建筑物,通常橫跨河道兩岸修建,可以雍高水位、降低流速、攔截來沙,常用于河床下切防治、岸坡防護(hù)、航道整治等[1]。淹沒式矮堰的修建會(huì)改變其周圍的水流結(jié)構(gòu),產(chǎn)生局部沖刷,威脅其結(jié)構(gòu)安全。淹沒式矮堰一旦失穩(wěn),會(huì)造成上游河道侵蝕基面下降,引發(fā)河床急劇下切,對(duì)河勢穩(wěn)定和涉河建筑物安全造成嚴(yán)重威脅[2]。因此,為了保障上游河勢穩(wěn)定和淹沒式矮堰的結(jié)構(gòu)安全,有必要對(duì)其沖刷機(jī)理進(jìn)行系統(tǒng)研究。

最早的關(guān)于矮堰沖刷的研究可追溯至20世紀(jì)30年代[1],Breusers et al.[3]在1932年首次開展了矮堰的物理模型沖刷試驗(yàn)。Scurlock et al.[4](2012)和Pagliara et al.[5](2014)基于水槽試驗(yàn),研究了三維矮堰(A,W,U型矮堰)下游的沖刷機(jī)理,提出了三維矮堰的沖刷尺度計(jì)算方法;Si et al.[6](2018)基于粒子圖像測流技術(shù),研究了矮堰下游沖刷區(qū)域的流場演變特性;Ben et al.[7](2020)研究了矮堰下游坡面對(duì)沖刷坑形態(tài)的影響,建立了矮堰下游沖刷尺度計(jì)算的新方法;Zhang et al.[8](2021)利用粒子追蹤測流技術(shù),研究了不同沖刷階段沖刷坑內(nèi)的水流形態(tài)、湍流強(qiáng)度和近床面雷諾剪應(yīng)力的分布,分析了下游沖刷如何產(chǎn)生及平衡后沖刷不再進(jìn)一步發(fā)展的原因。

上述研究多基于清水沖刷試驗(yàn),由于洪水期間矮堰為淹沒狀態(tài)且伴隨強(qiáng)輸沙,基于清水沖刷試驗(yàn)的相關(guān)結(jié)論和方法無法直接適用。近年來,國內(nèi)外學(xué)者圍繞淹沒式矮堰的渾水沖刷機(jī)理開展一系列研究。Guan et al.[9-10](2015,2016)開展了渾水沖刷條件下淹沒式矮堰的沖刷試驗(yàn),研究了水流強(qiáng)度、堰高、河床泥沙粒徑與下游尾水深對(duì)淹沒式矮堰上、下游沖刷深度的影響;Wang et al.[11-13](2018a,b,2019)進(jìn)一步研究了淹沒式矮堰幾何形態(tài)對(duì)沖刷的影響機(jī)制,提出了帶坡淹沒式矮堰沖刷深度的計(jì)算方法;Guan et al.[14](2022)基于水槽試驗(yàn),探明了淹沒式矮堰渾水沖刷深度振蕩頻率與上游沙波運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的量化關(guān)系,提出了淹沒式矮堰渾水沖刷深度振蕩頻率的計(jì)算公式。

然而,已有研究多基于恒定流條件下的沖刷試驗(yàn),對(duì)非恒定流條件下的淹沒式矮堰渾水沖刷機(jī)理認(rèn)識(shí)不清,嚴(yán)重制約了矮堰的沖刷設(shè)計(jì)水平。本文通過開展一系列水槽實(shí)驗(yàn),研究非恒定流作用下淹沒式矮堰的沖刷機(jī)理,分析水流非恒定性對(duì)淹沒式矮堰渾水沖刷深度發(fā)展過程和振蕩頻率的定量影響。

1 試驗(yàn)設(shè)置

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)室進(jìn)行,采用可變坡水-沙循環(huán)順直玻璃邊壁水槽開展,水槽長20m、寬0.5m、深0.5m(圖1)。水槽設(shè)有水泵和沙泵,水泵流量通過電磁流量計(jì)進(jìn)行測量,沙泵流量為恒定值(20L/s)。水槽進(jìn)水口處安裝了PVC水流順直器,用于消能與平順?biāo)?。水槽尾部設(shè)有水-沙分離漏斗,泥沙通過分離漏斗進(jìn)入沙管中,由沙泵輸送至水槽進(jìn)水口處。水槽末端水箱中設(shè)置了溢流管,用于調(diào)節(jié)水位。試驗(yàn)用沙中值粒徑d50=1.2mm,比重Ss=2.65,標(biāo)準(zhǔn)偏差σg=1.28。試驗(yàn)中矮堰模型為10mm厚的PVC板,與水槽等寬。

圖1 水槽示意

試驗(yàn)采用Seatek多傳感器陣列(Multiple Transducer Array,MTA)測量淹沒式矮堰沖刷發(fā)展過程中的地形變化。傳感器通過發(fā)射超聲波可以快速測量水下河床與傳感器之間的距離,測量精度為±2mm[15]。超聲波距離探測器的具體布置如圖2所示。

圖2 MTA傳感器布置示意

本研究共開展3組非恒定流渾水沖刷試驗(yàn),試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置如表1所示。其中矮堰下游初始尾水深ht=150mm,堰高z=30mm(相關(guān)參數(shù)如圖3所示)。流量范圍34L/s～76L/s,流量梯級(jí)ΔQ=6L/s,漲水時(shí)間間隔Δtris=0.5h～1.16h,退水時(shí)間間隔Δtrec=0.5h～1.16h,流量過程如圖4所示。

表1 非恒定流渾水沖刷試驗(yàn)條件

圖3 淹沒式矮堰沖刷示意

圖4 非恒定流流量過程示意

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

2.1 淹沒式矮堰上游沖刷深度發(fā)展過程

圖5為洪峰流量Qpeak=76L/s洪水過程作用下,淹沒式矮堰上游沖刷深度的歷時(shí)變化過程。試驗(yàn)初始階段,由于矮堰高于床面對(duì)上游的來沙有攔截作用,矮堰上游附近床面出現(xiàn)淤積的現(xiàn)象,此時(shí)矮堰上游并未形成明顯沖刷坑。隨著流量的增加,泥沙運(yùn)動(dòng)逐漸加劇,矮堰上游開始出現(xiàn)“沖刷-填充”的現(xiàn)象,沖刷深度發(fā)生周期性振蕩。隨著流量的升高,上游沖刷深度振蕩的周期變短,即頻率增大;洪峰流量達(dá)到后,上游沖刷深度振蕩頻率隨流量下降而降低。

圖5 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水過程下淹沒式矮堰上游沖刷深度發(fā)展過程

2.2 淹沒式矮堰下游沖刷深度發(fā)展過程

圖6為洪峰流量Qpeak=76L/s洪水過程作用下,淹沒式矮堰下游沖刷深度歷時(shí)變化過程。試驗(yàn)初始階段,矮堰下游沖刷深度隨時(shí)間的發(fā)展單調(diào)遞增,近似于清水沖刷。隨著流量的增加,由于上游泥沙的補(bǔ)給作用,矮堰下游的沖刷深度開始減小,出現(xiàn)周期性振蕩現(xiàn)象。圖6顯示,隨著流量的升高,下游沖刷深度振蕩的周期變短,即頻率增大;洪峰流量達(dá)到后,下游沖刷深度振蕩頻率隨流量下降而降低。

圖6 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水過程線下淹沒式矮堰下游沖刷發(fā)展過程

2.3 淹沒式矮堰上游床面高程的變化過程

圖7展示了洪峰流量Qpeak=76L/s洪水過程線下,淹沒式矮堰上游90cm處床面高程隨時(shí)間的變化。試驗(yàn)初始階段,水流速度較小,上游床面只存在少量泥沙運(yùn)動(dòng),床面高程發(fā)生輕微變化,未形成明顯的沙波。隨著時(shí)間的變化,水流速度增大,上游輸沙強(qiáng)度增加,形成明顯的沙波,沙波尺寸和頻率隨流量增加而增大。達(dá)到洪峰流量后,此時(shí)沙波尺寸和頻率逐漸減小。

圖7 洪峰流量Qpeak=76L/s的洪水過程下淹沒式矮堰上游90cm處床面高程歷時(shí)變化過程

圖5-圖7展示的試驗(yàn)結(jié)果表明:非恒定流作用下,淹沒式矮堰上游河床高程、上下游沖刷深度振蕩頻率隨流量的變化趨勢是一致的。這是因?yàn)樯嫌蔚纳巢ㄟ\(yùn)動(dòng)是引發(fā)淹沒式矮堰上下游沖刷深度振蕩的主要原因[14]。當(dāng)上游沙波的波谷運(yùn)動(dòng)至矮堰上游迎水面,會(huì)使矮堰上游形成沖刷坑并產(chǎn)生周期性振蕩;泥沙以沙波形式越過矮堰進(jìn)入下游沖刷坑,又使下游沖刷深度發(fā)生振蕩。

2.4 洪峰流量對(duì)沖刷深度振蕩頻率的影響

圖8展示了洪峰流量分別為52L/s、64L/s和76L/s時(shí)淹沒式矮堰上游沖刷深度振蕩頻率、下游沖刷深度振蕩頻率與上游沙波頻率的歷時(shí)變化過程。由圖8可知,在漲水階段,淹沒式矮堰上游沖刷深度振蕩頻率、下游沖刷深度振蕩頻率與沙波頻率均隨流量的增大而增大,在洪峰流量附近達(dá)到最大值,最后再隨流量的減小而降低。圖8還顯示,相同洪水過程下沙波頻率大于淹沒式矮堰上下游沖刷深度振蕩頻率,該現(xiàn)象與恒定流條件試驗(yàn)結(jié)論不一致[14]。恒定流作用下沙波頻率與淹沒式矮堰上游沖刷深度振蕩頻率接近,比淹沒式矮堰下游沖刷深度振蕩頻率更大[14]。這主要是因?yàn)樵诜呛愣鞯淖饔孟?沙波和沖刷坑并未發(fā)育到平衡階段,其幾何形態(tài)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)與恒定流條件下有顯著差異。

(a)洪峰流量對(duì)上游沖刷深度振蕩頻率的影響

(b)洪峰流量對(duì)下游沖刷深度振蕩頻率的影響

(c)洪峰流量對(duì)沙波振蕩頻率的影響圖8 不同洪峰流量淹沒式矮堰上游、下游沖刷深度振蕩頻率與上游沙波頻率歷時(shí)變化過程

3 結(jié)論

本文通過開展水槽試驗(yàn),揭示了非恒定流作用下淹沒式矮堰的渾水沖刷機(jī)理,探明了水流非恒定性對(duì)淹沒式矮堰沖刷深度振蕩頻率的影響機(jī)制,主要結(jié)論如下:

(1)在洪水的漲水階段,沙波頻率、淹沒式矮堰上游沖刷深度振蕩頻率和下游沖刷深度振蕩頻率均隨水流強(qiáng)度的增加而增大;在洪水的退水階段,沙波頻率、淹沒式矮堰上游沖刷深度振蕩頻率和下游沖刷深度振蕩頻率均隨水流強(qiáng)度的下降而減小。

(2)非恒定流作用下沙波頻率明顯大于淹沒式矮堰上下游沖刷深度振蕩頻率,與恒定流作用下淹沒式矮堰沖刷過程有顯著差異。

(3)洪峰流量的增大能顯著增大沙波頻率和淹沒式矮堰上下游沖刷深度的振蕩頻率。