河道坡度和流量比對(duì)匯流處沖刷特征的影響研究

陳浩然

(宿州市水利水電建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,安徽 宿州 234000)

1 概 述

河流匯流處的局部沖刷通常受到碰撞水流動(dòng)量比、匯合河道幾何形狀、匯流角度和沉積物等影響,主流和側(cè)向流相碰撞,速度分布發(fā)生變化,從而導(dǎo)致渦流、二次環(huán)流、河床侵蝕和沖刷坑的形成[1]。根據(jù)已有研究,當(dāng)匯流角為90°,且主流河道和支流河道的水流量相同時(shí),沖刷深度最大[2]。曾誠等[3]研究了明渠匯流處的水流動(dòng)力學(xué),認(rèn)為在匯流處可以分為6個(gè)不同的區(qū)域,包括上游停滯區(qū)、流動(dòng)偏轉(zhuǎn)區(qū)、匯流處下游的水流分離區(qū)、由流動(dòng)收縮引起的最大速度區(qū)、剪切層以及水流恢復(fù)區(qū)。

本文通過河道匯流模擬試驗(yàn),研究主河道不同邊坡角度以及流量比和密度弗勞德數(shù)對(duì)匯流處沖刷坑形成和滲透的影響,對(duì)深入理解河道匯流處沖刷特征以及形成過程具有一定意義,研究成果可為類似工程案例提供參考。

2 材料和方法

在匯流試驗(yàn)研究中,許多變量會(huì)影響沖刷坑的尺寸。利用π-Huckingham理論,得到無量綱方程,公式如下:

(1)

式中:L為橫向河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度;M為主河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度;N為匯流后河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度;K為進(jìn)入橫向河道的滲透長(zhǎng)度;Q為流量;P為河床負(fù)荷;H為底部寬度;α為匯流角;θ為主河道的邊坡角度;S為主河道的河床坡度;Re為雷諾數(shù);We為韋伯?dāng)?shù);Fr為密度弗勞德數(shù);下腳標(biāo)中,下和支分別為下游主河道和支流河道。

由于湍流中黏度和表面張力的影響可以忽略不計(jì),在分析中可忽略雷諾數(shù)和韋伯?dāng)?shù)。在所有試驗(yàn)中,匯流處上游河道無推移質(zhì)輸送,在尺寸分析中忽略河床負(fù)荷。在亞臨界流動(dòng)條件下,床面坡度對(duì)匯流的流動(dòng)模式影響可以忽略不計(jì),故本文沒有考慮這一因素。同時(shí),本研究中匯流角和河道底部寬度是固定值,應(yīng)在變量組中省略。在推導(dǎo)無量綱變量時(shí),沒有考慮與上游河道相關(guān)的流量和河道特性。因此,式(1)可以簡(jiǎn)化為:

(2)

本研究在室內(nèi)水力實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)裝置包括一個(gè)矩形截面的主水槽(長(zhǎng)6.5m、寬1.0m、深0.5m)以及一個(gè)側(cè)向矩形水槽(長(zhǎng)5.0m、寬0.3m、深0.5m),兩個(gè)水槽的縱向河床坡度均設(shè)置為0。在主水槽和側(cè)水槽的入口處,使用兩個(gè)蜂窩狀裝置,防止進(jìn)入水流的過度湍流。兩個(gè)水槽的恒定排放量由高位水箱提供,兩個(gè)水槽的底部在中間形成一個(gè)凹槽,凹槽內(nèi)填滿沙子。主水槽和側(cè)水槽中,凹槽部分的長(zhǎng)度分別為3和1.5m。為了使主水槽的側(cè)壁傾斜,其底部寬度減小至0.5 m,匯流角固定為90°。主水槽設(shè)置3個(gè)不同的邊坡角,即30°、60°和90°。進(jìn)入試驗(yàn)系統(tǒng)的總流量設(shè)置為30L/s。

表1為試驗(yàn)過程中各水道的不同流量。流動(dòng)深度使用Milltronics型液位監(jiān)測(cè)裝置測(cè)量,精度為±0.1 mm。河床材料的中值粒徑d50為1.33,均勻系數(shù)Cu為1.486,曲率系數(shù)Cc為0.954mm。

表1 試驗(yàn)過程中各水道的不同流量

試驗(yàn)前,平整凹槽部分的砂床,在主水道確定流量后,關(guān)閉支流水道的閘門,不允許橫向流動(dòng)。然后,逐漸打開支流水道閘門,以實(shí)現(xiàn)理想的后期排水量。同時(shí),在主河道的下游端,使用止水閘門調(diào)整水深。每次試驗(yàn)都采用6h的持續(xù)時(shí)間,試驗(yàn)結(jié)束后,應(yīng)將水排出,以免干擾已形成的沖刷坑和沉積點(diǎn)壩,并測(cè)量匯流處沖刷坑的尺寸。主河道不同邊坡角度對(duì)應(yīng)的沖刷坑和點(diǎn)壩均應(yīng)沿4個(gè)方向延伸。

3 結(jié)果和討論

試驗(yàn)過程中,在4個(gè)方向上測(cè)量沖刷坑的特征長(zhǎng)度,即本研究中的滲透長(zhǎng)度:橫向河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度(L)、主河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度(M)、沿匯流后河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度(N)和進(jìn)入橫向河道的滲透長(zhǎng)度(K)。因?yàn)闆_刷發(fā)展是一個(gè)隨時(shí)間變化的過程,應(yīng)在達(dá)到平衡狀態(tài)之后測(cè)量。本文針對(duì)不同的流量比(Q比),分析主河道邊坡角(θ)和密度弗勞德數(shù)(Fr)對(duì)沖刷坑滲透長(zhǎng)度的影響。

3.1 沖刷坑穿過橫向河道的滲透

圖1為邊坡角(θ)、密度弗勞德數(shù)(Fr)和流量比(Q比)對(duì)沖刷坑橫向無量綱長(zhǎng)度(L/H下)的影響。對(duì)于給定的密度弗勞德數(shù),無量綱長(zhǎng)度(L/H下)隨著流量比的增加而增加。對(duì)于較大的流量比,最大沖刷深度的位置向主河道上游移動(dòng)。同時(shí),對(duì)于給定的流量比和邊坡角,密度弗勞德數(shù)的增加導(dǎo)致更大的沖刷坑橫向無量綱長(zhǎng)度。由圖1(a)可知,當(dāng)流量比為0.333、θ為60°情況下,密度弗勞德數(shù)為2.1時(shí)較密度弗勞德數(shù)為1.5、1.7和1.9時(shí),無量綱長(zhǎng)度(L/H下)分別增大約1.85倍、0.68倍和0.13倍。在試驗(yàn)過程中,密度弗勞德數(shù)的增加是通過移除位于主河道下游端的攔水墩來實(shí)現(xiàn)的,隨后水流速度增加。流速的增加會(huì)導(dǎo)致更大的二次環(huán)流,從而擴(kuò)大沖刷坑的尺寸。

圖1 不同流量比下沖刷坑穿過橫向河道的滲透

對(duì)于給定的密度弗勞德數(shù),橫向河道的沖刷坑滲透長(zhǎng)度隨著邊坡角度的增加而增加。對(duì)于較小的邊坡角度,由于傾斜側(cè)壁斜度較小,橫向水流大多傾向于從交界點(diǎn)的主河道側(cè)壁上通過,水流與床面材料的接觸較少,因此匯流處橫向水道的剪切應(yīng)力較小。隨著θ的增加,當(dāng)流量比分別為0.333、0.500和0.667時(shí),L/H下平均增加38.6%、26.4%和15.5%。θ對(duì)滲透長(zhǎng)度(L)的影響隨著流量比的增大而減小,當(dāng)流量比等于0.667時(shí),θ對(duì)L的影響較小。在河流和原型河道中,橫向流量通常遠(yuǎn)小于主河道流量。因此,在實(shí)際工程中,不能忽略主河道邊坡角對(duì)沖刷坑滲透長(zhǎng)度的影響。

3.2 沖刷坑穿過主河道的滲透

圖2為不同流量比下,沖刷坑穿過主河道的滲透長(zhǎng)度與Fr的關(guān)系。對(duì)于給定的流量比和邊坡角度,可以觀察到M/H下隨著密度弗勞德數(shù)的增加而增加。對(duì)于給定的密度弗勞德數(shù)和流量比,沖刷坑穿過主河道的滲透長(zhǎng)度隨著θ的增加而增加。隨著θ的增加,當(dāng)流量比為0.500和0.667較流量比為0.333時(shí),M/H下的平均增加分別5.4%和12.2%。θ對(duì)滲透長(zhǎng)度M的影響隨著流量比的增加而減弱,與圖1中觀察到的趨勢(shì)相同。因此,采取較小的θ和流量比可減少螺旋運(yùn)動(dòng)和剪切應(yīng)力,從而減小沖刷坑穿過主河道的滲透長(zhǎng)度。

圖2 不同流量比下沖刷坑穿過主河道的滲透

3.3 匯流后河道沖刷坑的滲透

圖3為匯流后河道沖刷坑的滲透情況?？梢钥闯?滲透長(zhǎng)度N隨著密度弗勞德數(shù)的增加而增加。同時(shí),對(duì)于給定的流量比和密度弗勞德數(shù)值,主通道的滲透長(zhǎng)度N隨著θ的減小而增加。由于靠近匯流后河道內(nèi)壁分離區(qū)的減壓和二次環(huán)流的影響,形成沉積點(diǎn)壩。側(cè)流和密度弗勞德數(shù)的值越大,沉積點(diǎn)壩與匯流后河道起點(diǎn)的距離越遠(yuǎn),即N值越高。另一方面,在本研究中θ越小的情況下,在距離匯流后河道起點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方形成沉積點(diǎn)壩。當(dāng)坡角為30°時(shí),在匯流后河道處造成的分離區(qū)可以忽略不計(jì),主河道的邊坡角越小,貫穿長(zhǎng)度N就越大。當(dāng)流量比為0.333、0.500和0.667時(shí),θ從90°減少至60°和45°,使無量綱滲透長(zhǎng)度N/H下分別平均增加14.8%和8.2%。隨著流量比的增加,θ增加對(duì)滲透長(zhǎng)度N的影響減小。因此,當(dāng)流量比為0.667時(shí),不同θ的滲透長(zhǎng)度N數(shù)值較為接近。

圖3 不同流量比下匯流后河道沖刷坑的滲透

3.4 沿橫向河道的沖刷坑滲透

在本研究中,使用不同的邊坡角(θ),分析不同流量比和密度弗勞德數(shù)的滲透長(zhǎng)度K的影響,見圖4。當(dāng)流量比為0.333、0.500和0.667時(shí),θ從90°減少至60°和45°,使無量綱滲透長(zhǎng)度K/H下分別平均增加12.7%和6.4%。根據(jù)試驗(yàn)期間的觀察結(jié)果,當(dāng)主通道側(cè)坡較緩時(shí),側(cè)向通道中接近匯流處的水流較容易越過側(cè)壁,由于流速較高,側(cè)向通道的剪切應(yīng)力增加。因此,在側(cè)坡角較小的主河道中,沿橫向通道的滲透長(zhǎng)度增加,且在側(cè)坡角為30°和60°時(shí)更為明顯。對(duì)于給定的流量比和邊坡角,密度弗勞德數(shù)的增加導(dǎo)致更大的無量綱滲透長(zhǎng)度K/H下。由圖4(b)可知,當(dāng)流量比為0.500、θ為60°情況下,密度弗勞德數(shù)為2.26時(shí)較密度弗勞德數(shù)為1.70、1.85和2.17時(shí),無量綱滲透長(zhǎng)度K/H下分別增大183.3%、82.7%和9.7%。

圖4 不同流量比下沿橫向河道的沖刷坑滲透

4 結(jié) 論

本文在明渠匯流試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜕?設(shè)置不同的邊坡角度和流量比,研究了主河道坡度和流量對(duì)沖刷滲透長(zhǎng)度的影響,結(jié)論如下:

1)密度弗勞德數(shù)的增加導(dǎo)致更大的沖刷坑橫向無量綱長(zhǎng)度。當(dāng)流量比為0.333、θ為60°情況下,弗勞德數(shù)為2.1時(shí)較1.5、1.7和1.9時(shí),L/H下分別增大約1.85倍、0.68倍和0.13倍。橫向河道的沖刷坑的滲透長(zhǎng)度隨著邊坡角度的增加而增加。

2)沖刷坑穿過主河道的滲透長(zhǎng)度隨著θ的增加而增加,當(dāng)流量比為0.500和0.667較流量比為0.333時(shí),M/H下分別平均增加5.4%和12.2%。采取較小的θ和流量比可減少螺旋運(yùn)動(dòng)和剪切應(yīng)力,從而減小沖刷坑穿過主河道的滲透長(zhǎng)度。

3)當(dāng)坡角為30°時(shí),在匯流后河道處造成的分離區(qū)可以忽略不計(jì)。當(dāng)流量比為0.333、0.500和0.667時(shí),θ從90°減少至60°和45°,使無量綱滲透長(zhǎng)度N/H下分別平均增加14.8%和8.2%。

4)當(dāng)流量比為0.333、0.500和0.667時(shí),θ從90°減少至60°和45°,無量綱滲透長(zhǎng)度K/H下分別平均增加12.7%和6.4%。對(duì)于給定的流量比和邊坡角,密度弗勞德數(shù)的增加導(dǎo)致更大的無量綱滲透長(zhǎng)度K/H下。