连续性弯曲河道溃堤后的概化水槽试验研究

刘书瑜 张兵戈 朱裕 李梦雨

摘 要：河道决口是我国常见的自然灾害之一，特别是黄河生产堤发生溃口后，溃堤波在滩区的传播扩散对当地的生命财产造成了极大的损失。本文根据黄河下游夹河滩至高村游荡型河段建立了概化水槽物理模型，模拟了弯曲河道溃口处漫滩洪水在滩槽的演进过程。试验通过水位自动跟踪仪及VDMS系统测量了弯曲河道溃堤发生后，滩槽水位及流速的变化过程，并分析了漫滩洪水的演进特性。试验结果表明，溃堤波在溃口处传播呈扇状，在滩区地形影响下，漫滩洪水形成的洪泛区存在不同尺度的涡流;河槽内部水位在溃堤发生后，水位伴随着洪水的演进过程先降低后增大，最终溃口处达到稳定分流的状态。试验结果可为数学模型提供验证参考，并对滩区确定风险区域提供技术支撑。

关键词：溃堤;漫滩洪水;洪水演进;概化试验

中图分类号：TV131    文献标志码：A    文章编号：1003-5168（2022）7-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.013

Abstract：River breach is one of the common natural disasters in China， especially after the breach of the Yellow River dike， the spread of the breach wave in the beach area has caused great losses to local lives and properties. In this paper， a physical model of a generalized flume physical model is established based on the wandering type of river section from the lower Yellow River between Jiehetan and Gaocun to simulate the evolution process of floodplain flood in the flume at the cured channel burst. The experiments measured the changes of water level and flow velocity in the beach channel after the breach of channel bends by means of the water level automatic tracking instrument and VDMS system， and analysed the evolution characteristics of the beach flood. The experimental results show that the wave propagates fan-like at the breach and the mainstream direction is influenced by the beach topography， and there are different scales of eddies in the floodplain formed by the beach flood. After the occurrence of dike-break， the water level in the channel decreases first and then increases along with the flood evolution process， and finally reaches the state of stable diversion at the breach. The experimental results can provide a reference for the validation of the mathematical model and provide technical support for the formulation of risk zones in the beach area.

Keywords： dike-break;overbank flood; flood evolution; generalized experiment

0 引言

黃河下游在历史中发生了1 500余次决口，较大的改道有20余次。溃口处的洪水受滩区地貌影响，在滩区的演进过程中复杂多变，并且溃口大小伴随着洪水演进过程而增大，洪水在河道及滩区的水力特性更为复杂，对滩区的风险规避、灾害控制造成了极大的阻碍[1-2]。虽然近年来黄河下游整治效果显著，滩区逐渐成为人类生产生活的栖息地，但仍是黄河决口时的蓄滞洪区。因此，为了保障滩区居民生命财产安全，漫滩洪水在河道及滩区的演进过程备受研究学者关注。

近年来，伴随着科学技术的发展，针对河道溃口的数值模拟计算研究逐渐深入，一些研究学者取得了大量成果。如夏军强等人[3]建立了溃坝水流在动床条件下的二维模型，分析了河道在溃坝状态下水流、泥沙及床面的交互作用。杨志等人[4]基于DAMBRK算法建立了侧向连接的耦合模型，兼顾了河道内的水流变化以及河道外计算区域内的洪水演进过程。Tadesse等[5]将堤坝决口模型集成到水动力数值模型Telemac-2D中，成功地重现了1996年8月在埃塞俄比亚堤坝溃口的洪水事件。以上数值模拟结果均经过模型试验或实测数据进行验证以确保模拟结果的真实性，但在众多研究中，常常缺乏物理模型试验数据及实测数据。为此，陆灵威等[6]开展了相关的物理模型试验，揭示了河道发生溃口时洪水在河道及洪泛区的演进规律。AlHafidh等[7]针对不同河道入流组合、溃口宽度、滩地蓄滞洪区建立了室内物理模型，发现工程堤防溃口通过对洪水波的修正，有效地减小了溃口上游和下游的洪水深度。Rifai等[8]通过高分辨率3D重建技术及自主研发的新型非侵入式激光轮廓测量技术，实时观测了河流堤防破坏的物理过程，全面地掌握了河流在决口过程中不同阶段出现的水流和侵蚀特征。综上所述，以上学者对于河道溃口的研究局限于较为平直的河段，对于连续性弯曲河段的研究略显不足。因此，本研究选取了黄河下游夹河滩至高村游荡型河段，设计并建立了概化水槽物理模型，研究了河道内不同流量条件下，漫滩洪水在滩槽内演进过程。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

1 试验装置及方法

1.1 试验装置

考虑到风场及其他干扰因素对水流的影响，本次试验在室内进行，此次搭建的物理模型是根据黄河下游夹河滩至高村河段典型滩区（兰考—东明滩区）而建立的概化弯曲水槽模型，如图1所示。研究河段平均河弯半径为2 650 m，平槽流量下河相系数约为9，平滩河槽宽度为873 m，滩槽高差为3.3 m，主槽两侧生产堤超高为1.6 m。考虑到室内场地大小，对研究河段进行合理概化，其中水平比尺1∶1 000，垂向比尺1∶40。

因此，概化物理模型在水平方向上全长18.5 m，宽度8.5 m。其中模型有效长度14.4 m，有效宽度8.0 m;模型进水前池长1.5 m，宽8 m;退水尾池长1.6 m，宽8 m;嫩滩宽0.3 m。物理模型进、出口均设置长度2.0 m直线段，中间有3个连续弯道，弯道中心线方程y=0.8cos（1.2x-2.4）-0.8。垂直方向上滩槽高差为10 cm，生产堤高出滩面5 cm，水槽纵比降8‰，水槽横比降0‰，滩区纵比降2‰。此外，为了研究溃口水流在滩区的演进过程，在生产堤第一个弯曲河段右岸顶冲位置设置了一个宽约为0.5 m的刚性溃口口门。

在试验开始时溃口口门关闭，水流先后通过水泵、阀门、电磁流量计进入模型前池，在模型前池内部蓄水完成后进入河槽内部，再经过河槽后到达退水池，退水池中的水最终进入地下水库以形成循环。待河槽内部水流稳定后，瞬间打开溃口口门以形成漫滩洪水，漫滩洪水在滩区演进过程中形成洪泛区，水流在重力及边界条件作用下最终流入退水池。

1.2 测量方法

为了研究洪水在滩槽演进的特点，在河道左岸布设了5个水位探针，其中C2、C3、C4布设在弯曲河道左岸凹凸侧，C1、C5分别距离河道进出口0.8 m、1.0 m。由于水位探针无法实时提供洪水在滩槽演进中的水位变化过程，因此在滩槽布设了7个水位自动跟踪仪。其中，2#布设在溃口处，用以监测洪水在滩槽演进过程中的水位变化;1#、7#分别布设在水位探测C1、C5右侧和左侧，用以比对水位数据;3#、4#、5#、6#布设在河道右侧的滩区处，考虑到河道滩区处的横纵比降所导致的洪水在滩区的淹没范围，3#、4#、5#分别布设在滩区最右侧，其中3#正对溃口口门，相邻水位跟踪仪的间距分别为3.5 m、5.5 m，6#布设在河道最下游滩区处，距离河道右岸4.5 m。此外，在河道左岸及滩区右侧分别布设了3个摄像头，用以捕捉洪水在滩槽演进时的流场，并通过预试验在滩区确定了12个特征点（A～H、3#、4#、5#、6#），框定了洪水在滩区演进时的主流区域。

1.3 试验工况

在实际工程中，河道的溃堤水流受外在干扰因素较大，且水流具有流速大、水位变化剧烈、流态复杂不定等特点。在物理模型试验中，为了研究不同程度的洪水的滩槽演进规律，须进行不同工况的模型试验，具体工况如表1所示。

2 试验结果及分析

2.1 河槽水位变化分析

不同工况下的水流进入河槽内部并达到稳定时，采用水位探针对河槽沿程水深进行测量，数据如表2所示。由表2不难发现：在同一工况下，河槽水位沿程减小，纵向水面比降为正值。在同一探针下，各位置探针所读取的水位随着河槽内部流量的增大而增大，且在最大流量下，河槽进口处水位最高值为26.38 cm，相应的河槽出水口水位为25.50 cm;而在最小流量下，河槽进口处水位达到最低值21.97 cm，對应的河槽出水口水位仅有21.30 cm。

溃口口门开启时，采用水位自动跟踪仪对河槽进出口（MC1、MC3）、溃口（MC2）实时监测，数据如图2所示。由图2易知：各监测点的水位均在溃口口门开启时先降低、后升高。当河槽内部为最小流量时，溃口处水位随着溃口口门打开突然降低1.10 cm;在其他流量下，河道溃口处水位下降范围为1.87～2.98 cm，其中在最大流量下，溃口处水位下降幅度最大。

这是因为当河槽内部水流达到稳定后，溃口口门突然打开，河槽内部水流下泄到滩区形成漫滩洪水，进而在滩区形成洪泛区。在此期间，河槽内部的水位可保持稳定，随着滩区水位的逐渐升高，溃口处的进滩水流受到阻碍，从而导致河槽内部水位升高，最终滩槽水位基本一致，此时洪水在滩槽的演进达到新的稳态。此外，当河槽内部流量较大时，河槽内部水位也随之增大，此时水流势能达到最大。当溃口口门打开后，溃口处的水流由势能转化为动能，而离溃口较远处的河槽区域随着水跃的产生由动能转化为势能，故使溃口处水位下降幅度随着河槽内部流量的增大而增大。

2.2 滩区水位变化分析

当漫滩洪水进入滩区时，通过水位自动跟踪仪对主要洪泛区进行监测，数据如图3所示。其中FP1、FP2、FP3分别代表水位自动跟踪仪3#、4#、5#。由图3可知：FP1、FP2测点在FP3测点水位增加时先减小、后增加，并且各个测点的水位增加速率逐渐减小;FP1测点在初始阶段水位高于下游的FP2、FP3，在漫滩洪水演进后期，FP1测点的水位低于下游测点。

这是由于漫滩洪水进入滩区后，受滩区横比降影响，漫滩洪水先演进至FP1、FP2测点，致使FP1测点水位相对较大;当溃堤波演进至FP3时，FP3处的水位突然增加，而距离FP3较远处的FP1、FP2测点水位降低;当溃堤波演进至退水池时，各个测点的水位增加速率降低。当溃口口门左右两侧水位基本相等时，各个测点水位的波动仅仅受边界对水流的反射影响，此时FP1处测点水位受滩区纵比降的影响相对较低。

2.3 滩区溃堤洪水演进特性

当溃口口门打开后，河槽与滩槽水位的高差会形成溃堤波。溃堤波在滩区扩散中受到干扰因素较多，滩区内部水流流态也不尽相同。

在漫滩洪水进入滩区初期，由于受到刚性溃口口门的限制，溃堤波呈扇状在滩区扩散传播，并且在滩区横比降影响下，溃堤波主要沿着溃口横向演进，此时水深沿程增大，流速沿程减小，并且遇到边界时发生回流;当回流至滩区内部时，受滩区纵比降及溃口处漫滩的影响，溃堤波主要沿着溃口纵向演进，此时溃口处的水深逐渐增大;随着滩区内部进水流量的增加，溃口处的扇状扩散范围逐渐减小，水位逐渐增大，溃口处两侧的水位落差也逐渐减小，溃堤波影响基本消失，最终溃口处水位逐渐稳定。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

此外，通过6个摄像头组成的VDMS流场实时监测系统采集了不同工况下漫滩洪水在滩槽演进过程中的流场，并解析了水流在河槽进口流量为30 L/s时，漫滩洪水在河槽及洪泛区的流速分布，具体如图4所示。结合图3易知，漫滩洪水在滩区的演进过程中，溃堤波主流冲击边界回流滩区，再次冲击河道生产堤时，在第二个弯曲河道滩区附近形成大尺度涡流，该处涡流在滩区最右侧边界处继续衍生了小尺度涡流，并且小尺度涡流有向滩区下游扩散的趋势。不同尺度涡流形成的洪泛区随着漫滩洪水进入滩区逐渐趋近平稳，并且洪泛区的主流区域大小一定，因此，可用8个洪泛区特征点（A～H）及4个水位自动跟踪仪（3#、4#、5#、6#）框定洪泛区主流范围，并据此采用秒表量测漫滩洪水到各个特征点的所需时间。工况1、2、6的具体数据见表3。

由表3可知，当漫滩洪水通过溃口口门进入滩区时，溃堤波在不同工况下通过各特征点的顺序为3#、4#、5#、6#、C、D、B、E、F、A、G、H，并且溃堤波到达各个特征点的时间随着河槽进口处流量的增大而减小。这是由于滩区横纵比降致使溃堤波主流方向在不同工况下始终一致，并且受滩区横比降影响，溃堤波进入滩区时主流流向沿河道横向传播。因此，漫滩洪水最先演进至3#特征点，并且在最大流量Q=38 L/s时，漫滩洪水演进用时最短，仅为7 s 87 ms;而在最小流量Q=28 L/s时，漫滩洪水演进用时最长，达到了14 s 70 ms，且在该流量条件下，受河槽溃口处势能限制，漫滩洪水无法演进整个滩区，其他工况均可以。

3 结论

本文通过概化物理模型试验模拟并预测了溃口发生后漫滩洪水在滩槽演进的过程，采用水位探针、水位自动跟踪仪、VDMS系统测量了漫滩洪水演进过程中关键物理量，分析并研究了漫滩洪水在滩槽的传播特性，为河道溃口数学模型及滩区内风险区域提供了基础数据资料，并得出如下结论。

①漫滩洪水进入滩区时，河槽内水位沿程降低，纵向水面比降为正值，且河槽在进出口及溃口处水位均有先下降、后上升、最后趋近于平稳的趋势。

②溃堤波在溃口处滩区呈现扇形扩散，在滩区横比降及边界条件的影响下，溃堤波使特征点3#、4#处的水位发生先增大、后减小、再增大的变化，并且水位增大的速率随着漫滩洪水在滩槽的演进而逐渐减小。

③洪泛区的主流区域由多个不同尺度涡流组成，在滩区最右侧的涡流尺度较小，在河道右岸附近的涡流尺度较大，并且伴随着溃堤波的逐渐消失，洪泛区水位基本稳定，在河道附近的风险区大于滩区最右侧，在规划滩区风险逃生时，可使群众沿着滩区上游右侧逃生。

④当溃堤波进入滩区时，溃堤波沿着河道横向扩散流动，最先到达特征点3#，并且随着河槽进口流量的增大，溃堤波演进各个特征点的用时越短，漫滩洪水淹没整个滩槽仅仅用时24 min 30 s。

参考文献：

[1] 程坤，刘锦，巨江.二维溃坝洪水演进数值模拟[J].西北水电，2020（2）：97-101.

[2] 薛文宇，周晓平，冯国娜，等.渐变溃口下的河道溃堤分流数值模拟计算[J].西北水电，2019（4）：86-90.

[3] 夏军强，王光谦，谈广鸣.动床条件下溃坝水流的二维水沙耦合模型[J].水利学报，2011（3）：296-308.

[4] 杨志，冯民权.溃口近区二维数值模拟与溃坝洪水演进耦合[J].水利水运工程学报，2015（1）：8-19.

[5] TADESSE Y B ， FR?HLE P. Modelling of Flood Inundation due to Levee Breaches： Sensitivity of Flood Inundation against Breach Process Parameters[J]. Water， 2020（12）： 3566-3566.

[6] 陸灵威，林斌良，孙健，等.河道溃堤水波的物理模型实验研究[J].水力发电学报，2016（11）：25-34.

[7] ALHAFIDH I A I， CALAMAK M， LAROCQUE L A， et al. Experimental Investigation of Flood Management by an Instantaneous Levee Breach[J]. Journal of Hydraulic Engineering， 2022.

[8] RIFAI I， El K A K， ERPICUM S， et al. Flow and detailed 3D morphodynamic data from laboratory experiments of fluvial dike breaching.[J]. Scientific data， 2019（1）：53.83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F