堆积体对上游附近河道三维流速分布影响的试验研究

何岸霞，周珏西，张 婧，刘 磊

(1.西华大学 能源与动力工程学院，成都 610039; 2.西安科技大学 通信与信息工程学院，西安 710600)

堆积体对上游附近河道三维流速分布影响的试验研究

何岸霞1，周珏西1，张 婧1，刘 磊2

(1.西华大学 能源与动力工程学院，成都 610039; 2.西安科技大学 通信与信息工程学院，西安 710600)

堆积体的存在易对河道的水流流速产生影响。通过水槽试验，采用ADV观测堆积体附近的三维流速。通过控制流量大小，研究堆积体作用下河道三维流速沿堆积体上游临近横断面的分布规律。试验结果表明：①流量相同时，流速受堆积体形态影响。离河床越近，三维流速沿横断面的分布曲线：顺水流方向流速u的趋势线越陡，指向右岸一侧流速v和垂直河床向下流速w的峰值越向堆积体在横断面的投影线靠近。v由天然情况下趋于0的直线变成离河床越近，流速峰值越大，两岸流速越小的下抛物线。w在河床附近，曲线呈“勺子”形态，远离河床，曲线失去“勺子”形态。②随着流量增加，同一流层上，u流速增大，流速沿横向的分布越不均匀，曲线越陡。u流速方向和v流速方向的夹角θ，在离左岸(堆积体一侧)大约1/2堆积体半径时取得最小值。离左岸越远θ值越大，直至离左岸45 cm后θ才恢复天然值90°。研究成果可为河流防护和治理工作提供技术支撑。

堆积体；三维流速；定床；流速横向分布；水槽试验

1 研究背景

河道中堆积体的存在会带来很多安全隐患。目前,对传统的涉水建筑，如丁坝[1]、桥墩[2]、码头等工程对附近水流特性的影响研究成果比较丰富,但关于堆积体对河道水流特性影响的研究成果较少。近年由于汶川地震的影响，山区地表条件多有变动，泥石流灾害频繁。泥石流灾害容易使河道中出现大型堆积体，这些堆积体会影响河道水流特性，以及河床演变趋势。堆积体的形态与丁坝、码头等挡水、护堤建筑物有一定差别。一些大型堆积体能够侵占较大比例的河道过流面积，且在平面上多呈现扇形，在立面上侵占河宽的比例自上而下逐渐增大。因此，将丁坝、桥墩等的研究成果直接应用于堆积体时，并没有足够的代表性。

郭维东等[3-4]采用三维声学多普勒流速仪ADV测量了弯道内丁坝附近水流流速，较为深入探讨了纵向紊流强度的分布规律。拾兵等[5]基于紊动水流的基本方程，研究了河道障碍物后不同断面上的流速分布。已有的关于堆积体的研究，主要集中在堆积体的成因[6]和稳定性[7]分析。堆积体对水流流态影响的研究，大多数是研究堆积体作用下水流的壅水影响[8-9]、主流流速的沿程变化特性等。刘家富等[10]通过水槽实验，分析了缓坡时堆积体对河道流速分布的影响，并进行了堆积体附近的流态分区。郭志学等[11]研究了堆积体作用下陡坡急流河道水流流态的分区、主流流速的沿程分布情况以及堆积体下游主流流速沿横断面的变化规律。

前人关于堆积体对水流流速的研究，仅限于顺水流方向流速的变化特征，缺乏三维流速沿横断面分布的研究成果。然而，堆积体的存在显著改变了附近河道的三维水流特性。在堆积体的压缩、挑流作用下，河道流速发生调整且流速沿横向的变化可能导致对岸的冲刷等失稳现象。因此，堆积体作用下三维流速沿横向变化规律的研究对于河道防护和治理工作以及水上作业安全显得至关重要。针对此问题，本文设计了多组水槽试验，进行了不同流量下堆积体附近三维流速沿横断面分布的分析研究。

2 试验概况

试验在四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室泥沙试验厅进行。试验水槽由两侧钢化玻璃壁及底部光滑水泥板组成。水槽底部宽0.5 m，高度0.42 m,试验段长16 m,进出口段的长度各为1 m，水槽底部坡降为0.1%。由循环供水系统提供试验用水。阀门控制来水量的大小，薄壁堰出口设有静水池。静水池上设有压水排，使水流平顺。水槽出口处设有尾水挡板，通过调整挡板的坡度可以控制水深。

从上游到下游一共布置了19个测量断面，测量断面布置如图1所示。每个断面上布置了7条测线，自左岸到右岸分别命名为A,B,C,D,E,F,G，如图2所示。每条测线上按流量大小布置了5～7个测点，采用多普勒声波三维流速仪ADV测量每个测点的流速。

图1 试验水槽测量布置图Fig.1 Arrangement of the flume experiment

图2 试验水槽横断面测线布置Fig.2 Arrangement of cross-sectional measuringline for the flume experiment

图3 堆积体模型平面示意图Fig.3 Plane view ofthe deposit model

堆积体模型采用有机玻璃制作，固定于水槽试验段中部左岸，位置如图1所示。堆积体顺河向长度采用与水槽宽度一致，为0.5 m。考虑天然堆石的休止角范围，本试验堆积体坡度采用45°。堆积体模型的平面示意图如图3所示，为直径50 cm的半圆形。

本文对不同流量下有堆积体和无堆积体的上游6#断面的三维流速沿横向的分布进行试验研究，共进行了6组有效试验，本试验采用的来水流量依次为Q1=0.019 0 m3/s,Q2=0.031 9 m3/s,Q3=0.045 0 m3/s，如表1。

表1 试验工况

3 试验结果分析

3.1 顺水流方向的流速u沿横断面的变化

顺水流方向流速u沿横断面分布曲线见图4。图4中，z01,z02,z03分别表示在流量Q1,Q2和Q3情况下，无堆积体时测点距离河床的高度;z1,z2和z3分别表示流量Q1,Q2和Q3情况下，有堆积体时测点距离河床的高度(其余图中对应符号含义同上)。

图4 u沿横断面分布曲线Fig.4 Curves of distribution of velocity u alongthe cross-section

图4(a)反映了流量为Q1，不同的测点距河床的高度条件下的流速分布。可见，无堆积体情况下，u方向流速沿横断面的分布呈抛物线的形态。大致在水槽中部的流速最大，且测点流速随着测点高度的升高而增加；堆积体存在时，由于堆积体的壅水影响，左岸流速显著降低。由于下游断面受堆积体束窄影响，水面流速加大， 靠近6#断面右岸的u方向流速也受此影响，流速比无堆积体情况下略有增加。因为堆积体的形态为下大上小，所以越靠近河床底部的测点受堆积体的影响越大,离河床越近的测点，其流速沿横向变化的斜率越大。

图4(b)反映了测点距河床的高度为0.5 cm，不同的流量下的流速分布。由图4(b)可见，在同一高度流层上,纵向流速随着流量的增大而增加;随着来水流量的增加，u沿横向的分布越不均匀，曲线越陡，导致了远离堆积体一侧的床面切应力增加，加大了对河床的冲刷。

3.2 与水流方向垂直，且指向右岸一侧流速v沿横断面的变化

流量为Q3时与水流方向垂直，且指向右岸一侧流速v沿横断面的分布曲线见图5。

图5 v沿横断面分布曲线(流量为0.045 m3/s)Fig.5 Curves of distribution of velocity v alongthe cross-section under the flow rate of 0.045 m3/s

由图5可知，v比u小。这说明堆积体存在时水流流速依旧是以顺水流方向的流速为主要流速。在堆积体上游端的6#断面，由于靠近两岸的水流受河岸边壁的影响，流速分布没有偏离对数分布太远。而在水槽中央时，水流流速受边壁的影响越来越小，下游堆积体的影响起了主导作用，越靠近床面时，堆积体对河道的束窄作用越明显，v也就越大。所以v沿6#横断面的分布曲线由天然情况下趋于0的直线变成随着距离床面的高度减小，中间流速峰值逐渐增加，而靠近两岸流速却逐渐减小的抛物曲线。因为堆积体下大上小的形态，越靠近床面水流流速受堆积体影响就越大。所以在同一流量工况下，随着测点高度的减小，v沿横断面的分布曲线峰值逐渐向堆积体在6#横断面的投影轮廓线靠近。随着距离床面的高度增加，水流受堆积体影响就越来越小，最大值也就越来越靠近水槽中部，与天然情况下的v流速曲线沿横断面分布取到最大值的位置相近。这一现象进一步说明了堆积体下大上小的形态对流速是有影响的。

各个流量下床面附近v/u沿横断面的变化见图6，v和u之比为二者夹角θ的余切值。天然情况下，u流速和v流速夹角θ为90°。由于堆积体的存在，堆积体上游产生了绕流，所以在堆积体上游6#断面，河道水流u流速和v流速的夹角θ产生了变化。由图6可知：堆积体对6#断面u流速和v流速之间夹角θ的影响范围很大，大约在离左岸45 cm后，夹角θ的值才恢复到天然状态。夹角θ的最小值出现在离左岸大约1/2堆积体半径时，说明此处堆积体对夹角θ的影响最大。然后随着离左岸的距离加大，夹角θ值逐渐增大，直至恢复到天然状态。Q1流量时，在左岸v1/u1出现负值是由于此处u1的流速方向发生了反向现象。

图6 各个流量下床面附近v/u沿横断面分布曲线

3.3 垂直河床向下流速w沿横断面的变化

图7是流量为Q3时w流速沿横断面分布曲线图。

图7 w沿横断面分布曲线(流量为0.045 m3/s)Fig.7 Curves of distribution of velocity w along the cross-section under the flow rate of 0.045 m3/s

由图7可见，在同一流量工况下，距离河床较近的位置，从z=0.5 cm 处开始，w流速在6#横断面上的曲线分布，随着离左岸的距离增大，流速数值先减小至最小值，而后突然增加，曲线呈现“勺子”的形态，在靠近右岸时w流速与天然流速十分接近。而在距离河床较高的位置，从z=6.62 cm开始，曲线失去“勺子”形态：w流速在6#横断面上的曲线分布，从左岸到右岸，流速由最小值开始逐渐上升，大致在水槽中部取得最大值，然后缓缓降低，在靠近右岸时w仍高于天然流速。靠近堆积体附近处w出现负值说明，在一定水深时水流具有向上运动分量,这可能是由于堆积体附近绕流场产生的漩涡引起的。堆积体的存在对河道过流断面起了束缚作用，使过流断面由水面到河床逐渐减小。这一现象对靠近堆积体的上游6#断面起到了一定的影响，所以在同一流量下，6#断面距离床面不同高度测点的w沿横断面分布曲线的峰值，随着距离床面的高度减少，逐渐向堆积体在6#横断面的投影线靠近。

4 结 论

本文通过水槽试验，对堆积体作用下堆积体前的6#断面河道三维流速沿横断面分布规律进行研究，结果表明：

(1) 堆积体作用下，由于堆积体下大上小的形态，越靠近河床底部的流层，受堆积体的影响越大。在同一流量工况下，离河床越近的测点，u沿6#横断面的趋势线越陡。v和w沿横断面的分布曲线峰值随着距离床面的高度减小，逐渐向堆积体在6#横断面的投影轮廓线靠近。

(2) 同一流量,在堆积体的作用下,v沿横断面的分布曲线由天然情况下趋于0的直线变成随着距离床面的高度减小，中间流速峰值逐渐增加，而靠近两岸流速却逐渐减小的抛物线。w在距离河床较近的位置，其沿6#横断面的分布曲线呈现“勺子”的形态，随着距离河床高度的增加，曲线失去“勺子”的形态。

(3) 在堆积体的作用下，随着流量增加，u增大。u沿横向的分布越不均匀，曲线越陡。且床面附近u和v的夹角θ，在离左岸大约1/2堆积体半径时取得最小值。离左岸越远θ值越大，直至离左岸45 cm后θ才恢复天然值90°。本文研究成果可为河道防护和治理工作提供一定的技术支撑作用。

[1]GHODSIAN M, VAGHEFI M. Experimental Study on Scour and Flow Field in a Scour Hole Around a T-shape Spur Dike in a 90 Degrees Bend[J]. International Journal of Sediment Research, 2009, 24(2): 145-158.

[2]CHAURASIA E S R, LAL P B B. Local Scour Around Bridge Abutments[J]. International Journal of Sediment Research, 2002,17(1): 48-74.

[3] 郭维东，周 阳，梁 岳，等. 丁坝对弯道水流紊动强度影响的试验研究[J].水电能源科学，2005,23(5):70-72.

[4] 郭维东，周 阳，张云清，等. 丁坝对弯道水流影响的分析[J].沈阳农业大学学报，2006,37(4):666-668.

[5] 拾 兵，曹叔尤. 障碍物后紊动水流的流速分布[J].甘肃科学学报，1999,11(4):39-43.

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[9]李 果，郭志学，李 彬，等. 堆积体作用下水流水力特性变化试验研究[J].四川大学学报(工程科学版)，2016,48(增1):14-19.

[10]刘家富，彭清娥，郭志学，等. 堆积体对河道流速分布的影响研究[J].水利水电技术，2011,42(11):38-41.

[11]郭志学，彭清娥，汤 雷，等. 堆积体作用下陡坡河道流速沿程及横向分布规律[J].水利水运工程学报，2011,(4):27-31.

(编辑:王 慰)

Influence of Deposit on 3-D Velocity Distributionin the Vicinity of Upstream Channel

HE An-xia1, ZHOU Jue-xi1, ZHANG Jing1, LIU Lei2

(1.School of Energy and Power Engineering, Xihua University,Chengdu 610039, China; 2.School of Communication and Information Engineering, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710600, China)

The flow velocity of river is easily affected by deposit. In this research, the 3-D flow velocity in the vicinity of deposit was observed by ADV through flume experiment, and the cross-sectional 3-D velocity distribution in

the upstream channel nearby the deposit was researched by controlling the flow rate. Results suggest that under the same flow rate, velocity is affected by the shape of deposit. As the distance to the riverbed reduces, the curve of velocity distribution inudirection (the direction of flow) becomes steeper, and the peak of velocity invdirection (pointing to the side of the right bank) andwdirection (vertical to riverbed) is closer to the projection line of the deposit in cross-section.The curve of velocity invdirection is a straight line approaching zero value in natural conditions; while in the presence of deposit, the straight line transformed into a parabola that reflects the increase of peak velocity and the decrease of velocity in two sides as the distance to riverbed gets smaller. The curve of velocity inwdirection in the vicinity of riverbed displays a “spoon” shape; while as the distance to riverbed increases, the “spoon” shape disappears. Moreover, as flow rate increases, the velocity inudirection increases at the same height, and the transverse velocity distribution gets more uneven and the curve becomes steeper. The angleθbetween the velocity inudirection and the velocity invdirection reaches the minimum when the distance to the left bank (with deposit) is about half of the deposit radius. As the distance to the left bank grows, the value ofθincreases, and then returns to the natural value 90° until the distance to left bank reaches 45 cm.The research results provide technical support for river protection and treatment.

deposit; 3-D velocity; fixed bed; lateral velocity distribution; flume experiment

2016-05-17；

2016-06-16

国家自然科学基金项目(51409224);研究生创新基金项目(ycjj2016094)

何岸霞(1993-)，女，四川成都人，硕士研究生，主要从事河流工程及水力学研究工作,(电话)18200399423(电子信箱)461522383@qq.com。

张 婧(1986-)，女，湖北武汉人，副教授，博士，研究方向为水力学及河流动力学，(电话)028-87720521(电子信箱)phyllis_zj@yeah.net。

10.11988/ckyyb.20160476

2017,34(8):64-67，71

TV131

A

1001-5485(2017)08-0064-04