不同断面形状的河段对整体河道水力特性影响研究

胡海松，罗居刚,2，邰洪生,2，王 兵,2，周建生,2，马 驰

(1.安徽省建筑工程质量监督检测站，安徽 合肥 230000；2.安徽省水利部淮河水利委员会水利科学研究院，安徽 蚌埠 233000)

河道的断面形状多种多样，水工建筑物无法避免的要修建在各种断面形状的河道上，然而河道局部断面的形状不同会使整体河道的水力特性发生改变，这也增加了水工建筑物修建的难度。目前大多数学者都是针对具体工程河道的不同对修建水工建筑物的影响进行研究，如吕宏兴[1]通过实例研究了U形渠道断面测流的方法，其准确度较好，便于在工程中应用；张文倬[2]提出利用水深比简化计算渠道矩形断面的水面线方法，以此来减少工程中计算工作量；曹政权等[3]通过对U形、梯形、矩形、半圆形、复合式暗渠断面的河道进行水力学对比试验研究，提出了干、支渠道应选取宽浅梯形断面，农渠道应选取U形断面；王旭等[4]从水流梯度和紊动能方面对复合式断面河道水利特性防护设计进行研究，提出应根据具体河道断面形状采取河道防护措施；李晋琴[5]对U形渠道断面流速分布规律及水力特性进行试验研究，分析了渠道断面流速分布和水流紊动特性等规律。

1 问题引出及分析

河道断面形状分为矩形、U形、V形、梯形四种形式，对于不同断面形式河道水力特性也会发生变化，目前水工建筑物的修建都是需要进行地形、地质的勘察和物理模型试验论证，河道断面的形状就是其中一个特别重要的参考依据。为此，本文主要在河道中建立四种不同的断面形状河段，对整体河道水力特性进行试验研究，以期为实际工程提供参考依据。

2 试验方案设计

2.1 试验模型

本文在某工程实际地形上以水力学相似原理按1∶60建立模型，模型上游河道与下游河道长均为10 m，平均河宽0.5 m，平均河高0.4 m，在河道9～10 m河段处设置矩形、U形、V形、梯形四种断面形状。在河道9.5 m处河段布置一个水位观测点，同时在河道纵断面中间处沿水流方向布置9个流速测点，分别为上游4个、9.5 m处河段1个、下游4个。河道上游进水口是一个大型水槽，水槽右侧为一个水泵，试验通过水泵向水槽供水，水槽通过水闸控制满足试验所需的水量，如图1所示。

图1 试验河道三维布置图

2.2 试验工况

为研究不同断面形状的河段对整体河道水力特性的影响，在河道9～10 m处设置矩形、U形、V形、梯形四种断面形状的河段，四种断面的河段面积相同，这四种河道断面形状为本试验的四种工况，如图2所示。本文在统一流量下分别对四种工况进行试验，主要研究河道内水流流速、流态、水位的变化情况，为便于叙述称四种不同断面形状河段(9～10 m)为“试验断面”。

2.3 试验条件及测量

试验是在水槽补水充满后进行的，试验前河道为无水状态，试验开始时开启水槽闸门，将河道内充满水，当河道内水流稳定时进行试验观测,试验不停的供水流量Q=5 m3/s。

图2 四种工况试验断面布置图(单位：m)

水位测量:在试验断面处标出刻度，试验全程用高清摄像机拍摄试验断面水位随时间变化过程，同时记录整体河道水面的流场动态。

流速测量:流速测量分为试验断面流速和纵断面流速，试验断面流速根据水文学[6]三点法，用旋浆式流速仪分别测量水深的0.2、0.6、0.8倍处的流速。纵断面流速则用三点法进行测量，取其平均值。

3 试验结果及分析

3.1 流速

3.1.1 横断面流速

为研究因河道局部断面形状不同对整体河道横断面流速影响，观测了试验断面处的0.2、0.6、0.8倍水深处的流速，如图3所示。由试验可知：0.8倍水深处大于0.6倍水深处的流速，0.6倍水深处大于0.2倍水深处的流速，这符合水力学断面流速分布规律情况；V形断面流速最大，U形和梯形断面流速其次，矩形断面流速最小。

图3 试验断面测点流速

3.1.2 纵断面流速

由于局部河段断面形状不同，对上、下游及试验断面的流速都造成了一定的影响，为此，试验测量了河道纵断面沿水流方向的流速，如图4所示。由试验可知：河道纵断面流速是先增加到一个峰值再缓慢的减少，总体上V形断面影响河道流速最大，U形和梯形断面影响河道流速其次，矩形断面影响河道流速最小。不同工况下河道上游对应测点流速之间相差较小，下游流速之间相差较大，这表明不同断面形状河段对整体河道流速影响存在差异，表现在影响下游流速比上游要大。

图4 河道纵断面流速

3.2 水面流态

根据水力学[7]明渠流速的变化可知：不同断面形状河段对整体河道的水流流态也有一定影响，为此本试验还观测河道整体流态变化，如图5所示。由试验可知：不同断面形状河段对整体河道水流流态影响不同，河道的上游流态基本一致，试验断面和下游河道流态存在明显差异。V形断面河段对整体河道流态影响最大，在试验断面处水流湍急，下游出现大量回流和绕动区，紊动能较大；U形和梯形断面河段对整体河道影响其次，在试验断面处水流波动不大，下游产生局部漩涡流；矩形断面河段对整体河道流态影响最小，试验断面处水流比较平缓，下游出现少量轴向环流区。

图5 河道水面流态

3.3 水位

为研究不同断面形状河段对整体河道水位的影响，本试验还观测了布置点的水位50 s内的变化过程，如图6所示。由水位起涨情况可知：试验断面水位都是先上升到一个峰值，然后水位就在一定范围波动，V形水位峰值最大，梯形和U形水位峰值其次，矩形水位峰值最小。

图6 试验断面测点水位变化过程图

4 结 论

(1)由于河道中不同断面形状河段的影响，河道横断面流速、纵断面流速、测点水位、水面流态都发生了不同规律的变化，但是总体上都符合水力学特征规律。

(2)V形河段对整体河道流速、水位、流态影响最大，U形和梯形河段影响其次，矩形河段影响最小。

(3)在水工建筑修建中，应该避免在V形河段存在的河道中修建，但是针对不同的水工建筑物结构和力学特征需具体分析最佳的适应河道断面形式。