不同边坡比的梯型断面河道水力学研究

牛德东，侯 莹

（1.贵州省交通建设工程质量监督局，贵阳 550081，2.山东省公路设计咨询有限公司，济南250000）

不同边坡比的梯型断面河道水力学研究

牛德东1，侯 莹2

（1.贵州省交通建设工程质量监督局，贵阳 550081，2.山东省公路设计咨询有限公司，济南250000）

在河道中建立3种不同边坡比的梯型断面，通过物理模型试验测量河道的上下游水位、流速、流态，得出了随着边坡比的增加河道断面的水力学参数都发生了不同变化，故在满足河道边坡比规范下，修建河道应尽量取边坡比较小，同时对于不同河道梯型断面的修建进行了综合分析。

模型试验；边坡比；梯型断面

在水利工程河道水力学领域中，河道岸坡稳定需要考虑河道断面具体形状和尺寸，河道断面都是选择梯型断面修建，但是梯型断面的河道边坡比却是水利工程中一直备受关注的问题。目前已有众多学者对此进行研究，如赵毓民［1］关于河道断面形状的探讨，主要就变分化研究河道的塑形；胡鹏［2］通过建立流域水文模型研究河道断面概化的原理和变化模拟；渠庚等［3］通过三峡水库运用后荆江河道断面形态变化及对航道条件的影响得出了三峡水库运用后荆江不同类型河道断面形态呈现不同的变化规律；赵延风等［4］通过建立抛物线类研究渠道断面收缩水深而得出了计算通式；田月等［5］通过建立河道水力学模型来估算最小生态需水量的研究。

然而大多数的学者都是针对具体的实际工程进行相关水力学研究，对于河道断面梯型边坡比的研究较少，因此本文主要通过在河道中建立局部的不同边坡比的梯型断面进行研究。

1 试验设计

1.1 模型建立

按河工模型有关规范建立物理模型。上游河道长8m，下游河道长8m，河道平均河宽1m，河深0.5m，在河道7～8m河段处设置不同边坡比的梯型断面。水位测点布置3个，分别为上游2m处1号水位测点，下游2m处3号水位测点，梯型河段中间2号水位测点；同时在河道纵断面布置11个流速测点间距1m，分别为上游5个、下游5个、梯型断面1个，如图1。

图1 物理模型

1.2 试验工况及条件

在河道7～8m处建立试验需要的边坡比为：1.0，1.25，1.5的梯型断面型式的河段，3种断面的面积相同，这3种边坡比的梯型河段为本试验的3种工况，为了便于叙述分别简称为工况1、工况2、工况3，如图2。试验是在河道水流充满稳定后对各个水力学参数进行观测，具体观测了水流流速、流态、水位3个水力学参数。

图2 不同边坡比梯型断面

2 试验结果及分析

2.1 河道水位

根据水力学［6］河道明渠水流特性，河道梯型断面的边坡比不同可能影响河道内水位的不同变化，为此本文测量了河道3处测点的水位随时间的变化过程，如图3。

图3 3种工况下不同测点水位波动

由图3可知，在相同流量、糙率不变的情况下，整体测点水位先增加到一个最大值，然后水位稳定后在一定范围内波动，并且表现为3个水位测点都是工况1水位大于工况2的水位；3个工况下1#水位测点的水位之间差值较小，2#水位测点其次，3#水位测点差值最大，可知梯型断面边坡比不同对下游水位影响比上游影响大。

2.2 流速

2.2.1 梯型横断面流速

为探究梯型断面的边坡比不同对河道内流速的影响，本试验测量了3个工况下梯型断面的流速变化情况，如表1。

表1 3种工况下梯型断面测点流速 单位：cm/s

由表1可知，3个工况下整体流速都是随着水深增加而减小，这符合流体力学的断面流速分布规律，同时随着边坡比的增加流速也增加，可能由于边坡比不同使断面水流的流向和水深发生改变，导致梯型断面流速的改变。

2.2.2 河道纵断面流速

由于河道内7～8m处设置了不同边坡比的梯型断面，这对整个河道的流速会产生一定影响，为此本试验还测量了3个工况下的河道纵断面的流速变化情况，如图4。

图4 3种工况下测点水位

由图4可知，河道整体流速峰都值发生在梯型断面处，同时由于边坡比增大，梯型断面坡度越陡，对流速影响越大，从而导致了工况3的流速最大，工况2其次，工况1最小；对于上游三者流速差值较小，而下游三者流速差值较大，这也表明边坡比对上下游流速影响存在差异，表现为影响下游流速比上游大。

2.3 水流流态

通过高清摄像设备对3个工况下梯型断面河段进行全程记录，然后用tecplot［7］后处理软件进行处理分析，如图5。

图5 3种工况下流态 单位：m

由图5可知，在不同边坡比梯型断面影响下，河道水流表面流场也在发生变化，随着边坡比的增加，流场紊动越强，具体表现在：边坡比增加梯型断面处的流场波动最明显，3种工况下表面流场基本形态一致，在梯型断面和下游断面存在差异，可知梯型断面边坡比改变对下游流场影响比上游流场要大。

3 结语

（1）随着边坡比的增加，各水力学参数也发生变化，具体表现在：随着边坡比增加，梯型断面流速也增加；上下游水位波动越大，表面流场紊动越强烈。

（2）在满足河道梯型断面边坡比规范下，对于河道断面修建工程，应尽量选取边坡比较小的，但在实际工程中，还要针对具体河道用途、结构特性及经济状况进行综合分析。

［1］赵毓民.关于河道断面形状的探讨［J］.动力建设，1980（1）：39-42.

［2］胡鹏，崔小红，周祖昊，等.流域水文模型中河道断面概化的原理和方法［J］.水文，2010（5）.

［3］渠庚，许辉，唐文坚，等.三峡水库运用后荆江河道断面形态变化及对航道条件的影响［J］.水运工程，2011（12）.

［4］赵延风，王正中，刘计良.抛物线类渠道断面收缩水深的计算通式［J］.水力发电学报，2013（1）.

［5］田月，田淳，郝瑞霞.河道水力学模型及最小生态需水量的估算［J］.太原理工大学学报，2016（4）：536-540.

［6］吴持恭.水力学马山区河流开发保护国家重点实验室（四川大学）.水力学（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［7］蓝霄峰，陈娓，向波，等.Tecplot在大镜山水库洪水演进动态可视化的应用［J］.人民珠江，2010（1）.

The study of water mechanics in the trapezoidal section with different slope

NIU De-dong1，HOU Ying2
（1.Guizhou Quality Supervision Bureau of Transportation Engineering，Guiyang 550081，China；2.Shandong Highway Design Consulting Co.，LTD.，Jinan 250000，China）

Establishes three trapezoidal sections with different slope ratios in the river course，and measures the upstream and downstream water level，velocity and flow regime of the river by physical model test.It is concluded that the hydraulic parameters of the river section of the different changes，so in the river slope to meet the specifications，the construction of the river should try to take the slope is relatively small，while the construction of different sections of the trapezoidal section to be comprehensive analysis.

model test；slope ratio；trapezoidal section

TV147

B

1672-9900（2017）05-0027-03

2017-07-04

牛德东（1983-）男（汉族），山东菏泽人，工程师，主要从事航道水运工程等研究工作，（Tel）15285527929。

（责任编辑：王艳肖）