窝崩区水流结构的概化水槽试验研究
2023-08-17孙启航夏军强邓珊珊周美蓉司金华张幸农
孙启航 夏军强 邓珊珊 周美蓉 司金华 张幸农
摘要：窝崩是长江中下游常见的一种崩岸类型，具有流场结构复杂、发展速度快、破坏力强等特点。为揭示不同类型窝崩三维水流结构的特点，以长江中游虾子沟和下游扬中窝崩为例，设计了一般型与口袋型的窝崩概化模型，开展了相应的水槽试验。采用PIV流场测量技术，获得了一般型和口袋型窝崩的三维流场，研究了这2类窝崩的水流结构。试验结果表明：① 窝塘及附近区域可分为主流区、掺混区和回流区;② 一般型与口袋型窝崩回流区流速的最大值分别为主流平均流速的0.19倍和0.27倍，掺混区存在着较大的流速梯度且紊动强度大，掺混宽度沿主流方向逐渐增大;③ 一般型窝崩回流区的垂向平均流速比口袋型大48%～76%，且回流中心相比于口袋型更靠近窝塘外侧，这导致一般型窝崩更易将窝塘内泥沙输运至主流区;④ 在较高主流流速条件下，一般型窝崩窝塘水体与主流的交换速率大于口袋型窝崩，较低主流流速下则相反。
关键词：窝崩;三维流场;紊动强度;粒子图像测速技术;水槽试验
中图分类号：TV147
文献标志码：A
文章编号：1001-6791（2023）01-0144-13
收稿日期：2022-07-12;
网络出版日期：2022-11-03
网络出版地址：https：∥kns.cnki.net/kcms/detail/32.1309.P.20221102.1822.004.html
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51725902;U2040215）
作者简介：孙启航（1996—），男，河南驻马店人，博士研究生，主要从事水力学及河流动力学方面研究。E-mail：sunqihang@whu.edu.cn
通信作者：夏军强，E-mail：xiajq@whu.edu.cn
窝崩是长江中下游一种典型的崩岸形式，形状多为“Ω”型，且具有发展速度快、破坏力强等特点［1-2］。三峡工程运用后，水沙条件的大幅改变和局部河势的剧烈调整，使长江中下游局部河段发生了十分严重的窝崩险情。长江中游洪湖长江干堤燕窝虾子沟堤段于2017年4月19日发生窝崩险情，崩窝长约75 m、宽约20 m，距堤脚最近14 m，严重危及长江干堤的度汛安全；长江下游扬中市指南村附近于2017年11月8日发生窝崩险情，崩窝长约420 m、宽约210 m。窝崩的发生不仅直接威胁堤防安全，造成防洪险情，而且容易造成局部河势突变，对航运、供水等造成不利影响。
窝崩的形成与发展涉及到近岸水流与河岸土体的相互作用，深入研究窝崩区域的水流结构特征及其变化规律对于揭示窝崩的力学机理具有重要意义［2-3］。现有研究方法主要包括数值模拟、原型观测和概化水槽试验。数值模拟技术主要将三维水沙模型与二元结构河岸崩塌计算耦合［1］，采用考虑回流区紊动影响的挟沙力公式模拟窝塘内泥沙输移，初步建立起窝崩三维数值模拟方法。通过原型观测发现，窝塘内的回流动力来自于主流分离出的一部分水流［4］，并且崩塌的土体能够将水流转向河岸，促使河岸持续崩塌［5］。原型观测方法只能捕捉窝崩发生之后窝塘内的流场，且由于场地和设备限制使得观测断面较少。概化水槽模拟试验［1，6-7］在窝崩研究中通常被用于分析表层和部分断面的水流结构特征及地形变化规律，其中水流结构参数主要包括流速、紊动强度、雷诺应力等。受试验设备、水流含沙或模型尺寸等原因的限制，对于窝崩三维特性尤其是垂向的变化规律研究较少。
本文基于长江中游虾子沟和下游指南村窝崩的实测水下地形资料，设计一般型和口袋型窝崩的概化模型，开展室内概化水槽试验，采用粒子图像测速技术（PIV），无接触式测量了不同主流平均流速条件下窝崩及其附近区域内的三维流场，定量分析不同类型窝崩的三维水流结构及不同区域紊动强度的分布特征。
1 试验概况
1.1 试验布置及测量方法
根据窝塘平面形态不同，窝崩可分为一般型和口袋型窝崩［3-4］，其中一般型窝崩的河岸边界为劣弧（图1（a）），而口袋型窝崩则为优弧（图1（b））。天然窝崩由于近岸水深较小以及测速仪器设备的使用条件限制，难以对三维流场进行精细测量。在室内条件下，可以通过概化模型试验，采用更为精密的测速仪器来获取窝崩的流场结构。本试验在武汉大学水力学实验室长5 m、宽0.3 m的自循环水槽中进行，水槽的边壁采用亚克力玻璃板，具有良好的透光性。试验的仪器设备布置如图2（e）、图2（f）所示，水流通过离心泵上扬和稳流板平顺后，作为水槽进口的水流条件。窝崩模型上、下游分别設置1.5 m和1.7 m模拟河岸，模拟河岸的高度为7.5 cm，坡比为2∶1。
一般型与口袋型窝崩模型分别参考虾子沟和指南村窝崩发生后实测的水下地形图进行概化设计（图1），并使用3-D打印机打印制成。一般型窝崩模型长Lg=15 cm、宽Bg=4 cm、平面和垂向比尺均为1∶500（图2（c））;口袋型窝崩长Lp=12 cm、宽Bp=6 cm、平面比尺为1∶3 500，垂直比尺为1∶500，变率为7（图2（d））。
将坐标原点（0，0，0）设置于崩岸顶点所对应的水槽底部，x轴正方向为水槽内主流方向，y轴正方向垂直于水槽侧壁且背向主流，z轴正方向垂直向上。流场的测量仪器为美国TSI公司生产的粒子图像测速仪，其中主要包括脉冲激光发射器（型号为YAG200-NWL_532/266，最大频率15 Hz）、CCD相机（型号为630062，分辨率为4 000×2 600像素，像素深度为12 bit，帧频率为4.8帧/s）、同步仪（型号为610035），图像采集与处理软件为Insight 4G 10.1。试验过程中，激光的脉冲间隔设置为400 μs，图像采集频率为7.25 Hz，后处理的网格大小为32×32像素。
1.2 试验组次
长江中下游的窝崩在汛期、汛后退水期和枯水期均有发生，不同时期发生窝崩的近岸流速条件相差较大。为了揭示流速大小对不同类型窝崩区域水流结构的影响，按照进口断面的平均流速大小和窝崩类型的不同设置试验组次（表1），其中未布设崩岸模型的组次作为对照工况。窝崩处无实测流速资料，因此，
参考长江中游调关段近岸流速实测结果确定试验流速。该河段近岸流速实测值为0.06～1.21 m/s，距离岸边79～660 m，且由于流速测量时间处于汛期，上游来流量偏大，因此，试验流速的选择需较调关处实测近岸流速偏小，故大、中、小流速工况的主流平均流速（U）分别确定为0.62、0.45、0.32 m/s，并且保证窝塘处水位（H）在3种主流平均流速工况下均为7.5 cm。试验组次共为9组，每组试验测量水平面（x-y）15个，垂直面（x-z）11个，来获取研究区域的三维流场。测量水平面时，CCD相机布置于窝崩区域正上方，脉冲激光發射器布置于水槽侧面。水平测量面的范围为z∈［0.5 cm，7.3 cm］，第1个测量面（z=7.3 cm）与水体表面的距离为0.2 cm，与第2个水平测量面的距离为0.3 cm，其余测量面的间距均为0.5 cm。测量垂直面时，CCD相机与脉冲激光发射器的位置互换。垂直测量面的分布范围为y∈［2 cm，7 cm］，每2个测量面的间距为0.5 cm。每种工况的每个测量平面均拍摄500张图片用于瞬时流场计算。进口断面过水面积A=162 cm2，湿周χ=36 cm，雷诺数（Re）特征几何长度R=A/χ=4.5 cm;试验时水温平均值约为15.7℃，经查表，动力黏度μ=1.14×10-3Pa·s;特征流速取进口断面平均流速（0.62、0.45、0.32 m/s），故雷诺数分别为24 474、17 763和12 632。各试验组次的水流条件及相关参数见表1，其中，L为崩岸长度，B为崩岸宽度，Q为流量。
1.3 计算方法
窝崩区水流结构是窝崩发展的重要影响因素，内部的回流结构及水流紊动强度在近岸侵蚀以及泥沙运输过程中具有重要作用［6，10］。本研究将重点分析窝崩区流场及紊动强度的分布情况，其中x、y、z方向的瞬时流速、时均流速及紊动强度的表达式分别为
式中：ut、vt、wt分别为x、y、z方向的瞬时流速，m/s;u、v、w分别为x、y、z方向的时均流速，m/s;u′、v′、w′分别为x、y、z方向的脉动流速，m/s;Uxy、Uxz分别为x-y平面、x-z平面的合速度，m/s;Iu、Iv、Iw分别为x、y、z方向的紊动强度，m/s;ρ为水的密度，kg/m3。
量纲一化的x方向时均流速（u∧）和紊动强度（u+）、y方向时均流速（v∧）和紊动强度（v+）、z方向时均流速（w∧）和紊动强度（w+）、x-y平面合速度（U∧xy）和x-z平面合速度（U∧xz）由下式给出：
式中：u*为根据对数流速分布确定的剪切流速（u*=0.014 m/s），对数流速公式为u/u*=1/κln（z/z0），其中κ为卡门常数（κ=0.40），z0为等效粗糙度，取值0.001 4 cm［11］。
2 流场量测结果对比分析
2.1 流场结构
当主流流经窝塘时，由于断面突然扩大，流速减小，根据伯努力方程，沿流动方向的压力增大，出现压力梯度，导致主流与河岸边界发生分离，部分主流进入窝塘，形成主副流分区流动［12］。为了揭示一般型与口袋型窝崩的主、副流掺混机制，设置了a—g共7个横向监测断面（图3），并将进口断面平均流速视为主流平均流速。参考矩形空腔流的水流结构以及窝崩区域的紊动特性［13］，将研究区域划分为回流区、掺混区和主流区（图3）。
2.1.1 一般型窝崩
图4（a）—图4（f）给出了一般型窝崩区域在主流平均流速为0.62 m/s时的平面流场，可以看出，在窝塘内部存在明显的回流结构。主流平均流速越小，窝塘底部的回流结构越明显。在主流区域，流线近似为平行于河岸的直线，表明主流区近似为有势流动［12］，回流区的流速为0～0.19U。从图4（b）和图4（d）可以看出，回流中心处的流速较小，在水流挟带泥沙时，容易在此处产生淤积。此外在口门下游，流速在空间上的梯度较大，动能转换为压能，进而通过压力作用于河岸边界，这可能是口门下游发展速度大于上游的重要原因［14］。口门断面的平均垂向速度随主流平均流速的减小呈先增大后减小趋势，表示在口门断面的垂向掺混强度随主流平均流速的增加并非呈简单的正相关关系。当主流平均流速分别为0.62、0.45、0.32 m/s时，口门处垂直面上的垂向速度绝对值分别为7.6×10-5～8.8×10-2、5.3×10-6～1.3×10-1、3.3×10-5～3.6×10-2m/s，平均值分别为1.7×10-5、2.0×10-2、7.1×10-3m/s。垂向掺混强度除了与主流平均流速相关外，还与口门断面的水流结构密切相关。对比口门断面的流速剖面（图4（g）—图4（i））发现：在U=0.62 m/s和U=0.32 m/s的条件下，垂向水流结构相似，口门断面下游侧的垂向速度向上，上游侧的垂向速度向下，流线方向呈逆时针，有利于下游侧泥沙起悬并输运至上游侧;在U=0.45 m/s条件下水流结构发生变化，流线方向始终朝向下游。此外口门区的流速等值线呈波浪型，流速及压强沿横向分布不均，容易引起河床侵蚀速率在口门区空间上的差异［14-15］。
以U=0.62 m/s为例，给出了一般型窝崩区域7个典型横向断面在不同水深处的（z/H=0.93、z/H=0.67）速度剖面（图5）。主流区流速受窝崩影响较小，但在靠口门区域流速迅速减小，直至窝崩区域内侧，横向流速为逆主流方向。口门区流速梯度相比于窝塘区和主流区均较大，流速梯度最大为60 s-1，位于口门区上游侧，沿主流方向口门区的最大流速梯度逐渐减小。由于地形的垂向变化，口门区的横向长度随着水深的增加而逐渐减小，窝塘的尺寸与逆压梯度也逐渐减小。至窝崩底层，逆压梯度产生的压力不足以克服剪切力形成逆主流方向的流速，因此难以产生回流，而剪切力使窝塘水流具有与主流同向的横向流速。回流结构的改变导致上下壁附近的流速在沿水深增加方向发生了如下变化：上壁附近区域的横向流速在窝塘表层（z/H=0.97）为负值，在窝塘下层为正值;下壁附近区域的横向流速在窝塘表层为负值，在窝塘下层为正值。此外，在上唇（a点附近）与下唇（b点附近）区域流場结构不对称，
上唇区域流速接近于0，下唇区域横向流速始终为正值。主要原因在于：水流流经窝塘区域，由于紊动和剪切作用，产生了能量耗散，窝崩区水流的动能部分转化为热能，从而使下游的流速断面不能恢复至与上游相同的情况，导致速度剖面不对称。此外，由于在主副流交界区域（口门区）存在着较大的流速梯度，主流对口门处的副流持续剪切，为窝塘区域内的回流提供了部分动力［12］。
2.1.2 口袋型窝崩
边界形态的差异导致了一般型与口袋型窝崩区域水流结构的不同［3］，主要体现在水流垂向掺混、回流中心位置以及窝塘流速分布等方面。图6给出了口袋型窝崩在不同主流平均流速条件下的流场。对于水平面流场，与一般型窝崩在较高主流平均流速条件下窝崩底部平面无回流的现象不同，口袋型窝崩在各试验工况下的水平面内均存在旋涡结构，这与口袋型窝崩区域下层的窝塘依然具有较大的宽长比有关［16］。在窝崩区域的左右两侧（图6（a），图6（b）），沿流线方向速度和动能先减小后增大，根据伯努力方程压能先增大后减小，在窝崩区域两侧达到最大值，这种空间上速度的剧烈变化可能是造成窝崩纵向发展程度大于横向的主要原因之一［14］。在主流区域，流线同样近似为平行于河岸的直线，表明口袋型窝崩主流区近似为有势流动。口袋型窝崩回流区的流速为0～0.27U，比一般型窝崩回流区的流速范围大。对比图6（g）—图6（i）可以发现，口袋型窝崩在口门断面的流线基本平行于x-y平面，垂向速度小于一般型窝崩，表明口袋型窝崩在口门断面的掺混程度小于一般型窝崩。当主流平均流速分别为0.62、0.45、0.32 m/s时，口门处垂直面上的垂向速度绝对值分别为3.5×10-6～3.8×10-2、4.6×10-6～2.5×10-2、2.0×10-5～2.2×10-2m/s，平均值分别为8.7×10-3、4.7×10-3、4.1×10-3m/s，明显小于一般型窝崩的平均值1.7×10-5、2.0×10-2、7.1×10-3m/s。Ouro等［10］的研究成果表明，在空腔内，泥沙淤积的范围与相对较小垂向速度范围对应。可以认为垂向速度越小越有利于泥沙的淤积，因此，若只考虑垂向速度的影响，口袋型相比于一般型窝崩更易引起泥沙在窝塘区域沉积。
此处以U=0.62 m/s为例，给出了口袋型窝崩区域7个典型横向断面在不同水深处的（z/H=0.93、z/H=0.67）横向速度的剖面（图7）。在水体上层（z/H=0.93），窝崩区域内部纵向流速自口门沿横向先减小为0，然后速度方向由顺主流转变为逆主流，其大小先增大后逐渐减小，至窝崩边界减小为0。其根本原因是窝崩区域内部的回流使临近窝崩内边界区域的流速转向。对比窝崩偏上游b、c断面与偏下游e、f断面的流速剖面，发现其较为对称，但f断面的最大逆主流方向的速度小于b断面，主要原因在于窝崩区域水流能量耗散的影响。此外，在口袋型窝崩下层z/H=0.67，主流与副流的口门断面处横向速度较小，主要原因在于越往下层，口门断面的长度越小，主流对副流的影响越小，窝塘内回流的主要驱动力在于上层水体对下层的剪切作用。
2.2 紊动特性
2.2.1 紊动强度分布
选取典型断面（z/H=0.93、z/H=0.8、z/H=0.67与y/B=-1）研究不同区域的紊动强度分布情况，其中，z为纵坐标。主流脱离边界形成主、副流分区流动之后，由于在主、副流口门断面处存在着较大的流速梯度，大小尺度的涡体产生强烈的横向掺混，主、副流亦将产生动量和水体交换，其动量交换体现为主流通过紊动切力的形式不断地作用于副流。在持续恒定的紊动切应力的作用下，靠近口门断面内侧的水体将随之运动［15］。因此，口门断面附近涡体的横向掺混产生的紊动切应力也是窝崩回流形成的重要驱动力。
图8和图9分别给出了一般型和口袋型窝崩区域纵向紊动强度沿水深的分布。可以看出，在掺混区纵向紊动强度较大且从上游至下游口门处紊动较强区的面积逐渐增大。这是因为主流在口门区脱离形成主、副流分区流动，且口门断面处存在着较大的流速梯度，导致大小尺度的涡体产生并伴随着强烈的横向掺混［2，12］，且掺混区的宽度与距上唇的距离呈正比。除了掺混区，在主流区存在2处横向和纵向紊动强度较大的L1和L2区域（图8、图9），2处区域包含窝崩区的水流纵向运动的主要路径，纵向流速梯度较大，由于水流的剪切作用导致该区域紊动强度较大。对比图8和图9（d）—图9（f）可以看出，纵向紊动强度在垂直平面上的分布呈现由水面中心向边壁逐渐减小的趋势，且上、下游不对称，下游侧横向紊动强度大于上游侧。纵向紊动强度的分布规律相比于横向紊动强度的差异主要体现在纵向紊动强度整体上大于横向紊动强度，原因在于口门、L1和L2区纵向速度梯度大于横向速度梯度。此外需要指出的是，在较低水流流速条件下（U=0.45 m/s、U=0.32 m/s），口袋型窝崩口门区的紊动强度较强区的边界与掺混区边界相差较大，这可能与口袋型窝塘内的回流受主流的影响较小有关。
2.2.2 不同区域紊动强度随主流平均流速的变化
为探究窝崩及近岸不同区域的平均紊动强度随水深的分布情况，计算了在不同主流平均流速（U=0.62 m/s、U=0.45 m/s和U=0.32 m/s）条件下口门区、窝塘区、L1区和L2区的紊动强度平均值（表2）。相比于无崩岸情况，口袋型窝塘的存在增加了L1和L2区的纵向与横向紊动强度，以及口门区的横向紊动强度;但对于口门区，较小主流平均流速（U=0.45 m/s和U=0.32 m/s）条件下，口门区的纵向紊动强度相比于无崩岸情况有所减弱，只有在较高的主流平均流速条件下，口门区的平均纵向紊动强度才大于无崩岸工况。一般型窝塘的存在减弱了L1区的横向与纵向紊动强度;对于L2区，在较小主流平均流速条件下，一般型窝塘的存在才减弱了L2区的横向与纵向紊动，在较大主流平均流速条件下则是增大了该区域的横向与纵向紊动强度。对于口门区，在低流速工况下，横向与纵向紊动强度均较无崩岸情况有所减弱;在中流速工况下，纵向紊动强度有所增强，横向紊动强度有所减弱;在高主流平均流速工况下，横向与纵向紊动强度均有所增强。
对于L1区，相比于一般型窝崩，口袋型窝崩的横向与纵向紊动强度均较强;对于L2区和口门区，在低主流平均流速条件下，口袋型窝崩的横向与纵向紊动强度大于一般型窝崩，在高主流平均流速条件下则相反;对于窝塘区，口袋型窝崩的横向与纵向紊动强度均大于一般型窝崩，且随着主流平均流速的增加两者的差别越来越小。随着主流区流速的增加，一般型窝崩各区域的横向与纵向紊动强度均呈增加的趋势;口袋型窝崩L1区、L2区、口门区和窝塘区的横向紊动强度以及L2区和口门区的纵向紊动强度均随主流平均流速的增大而增强，但L1区和窝塘区的纵向紊动强度随着主流平均流速的增大先增强后减弱。
3 讨论
窝崩内部的回流是影响窝崩发展的主要因素之一，其形态、范围和强度随窝崩发展而不断变化［3，17］。由于河岸地形在垂向上的变化，导致回流中心在垂向上具有明显的变化［10］。揭示回流中心沿垂向的变化规律对于明析窝塘内的三维回流结构具有重要意义，也有助于后续分析区域内的泥沙分布及输移规律。泥沙输移和动量交换以水体为媒介，研究窝崩区与主流区的水体交换有助于揭示窝崩及附近区域的泥沙输移路径和动量交换的强度。
3.1 回流中心位置
在天然河流中，回流中心处因流速较小通常存在泥沙淤积的情况，其中心位置的变化在一定程度上反映了局部区域泥沙运输的路径［18］，此处结合回流中心位置变化与泥沙输移关系对窝塘与主流在不同流速条件下的泥沙交换作出定性讨论。将由外部流线包围的区域视为回流中心［19］，图10给出了不同类型窝崩回流位置中心沿水深的分布。纵向上，在主流平均流速分别为0.62、0.45和0.32 m/s条件下，一般型窝崩回流中心的x相对坐标平均值分别为0.008、0.008和0.029，变化范围分别为［-0.020，0.040］、［-0.010，0.030］和［0.001，0.047］。回流中心位置略偏向下游，且随着主流平均流速的减小，回流中心位置向下游移动;回流中心变化范围随着主流平均流速的减小而减小。横向上，当主流平均流速分别为0.62、0.45和0.32 m/s时，一般型窝崩的回流中心平均横向坐标分别为沿水深增加具有向窝崩区域外侧移动、在横向上摆动和向窝崩区域内侧移动的趋势。
在较高的主流平均流速条件下，窝崩通常持续发展，河岸土体不断坍落，窝崩区域内回流将一部分坍落土体分解为泥沙，回流中部分泥沙随水流绕回流中心进行旋转，一部分泥沙在口门区通过主流与回流的掺混进入主流，另一部分泥沙由于紊动的随机性或泥沙粒径较大的原因逐渐靠向回流中心，因回流中心流速较小，这部分泥沙逐渐沿回流中心下沉，沿水深增加方向逐渐向窝崩区域外侧移动，移动至紊动强烈的掺混区，随着主流和回流在此区域掺混交换，被主流挟带至下游;在较低的主流平均流速条件下，窝崩通常停止发展，坍落土体分解完毕，窝塘内水流的含沙量小于主流区，窝塘区域的泥沙随回流绕中心进行旋转，但部分泥沙由于紊动的随机性或泥沙粒径较大的原因逐渐靠向回流中心，回流中心流速较小，泥沙沿回流中心逐渐下降，沿水深向窝崩区域内侧移动，逐渐在窝塘内淤积。
在主流平均流速分别为0.62、0.45和0.32 m/s条件下，口袋型窝崩回流中心的相对横坐标分别为0.04、0.09与0.04，变化范围分别为［-0.01，0.13］，［-0.05，0.25］，［-0.004，0.110］。相比于一般型窝崩，口袋型窝崩的回流中心位置更加偏向下游，且在低流速条件下变化范围最小。回流中心纵坐标平均值分别为-0.49、-0.58与-0.56，相比于一般型窝崩更加靠近窝塘内侧。这导致在较高主流平均流速且窝崩持续发展的条件下，窝塘中心底部的泥沙不能通过主流直接输送至下游。在较低流速条件下的泥沙输运方式与一般型窝崩类似，即主流区的泥沙通过口门区的掺混进入窝塘区［10］。
3.2 水体交换
在窝崩发生及发展过程中，回流区与主流区水体存在水量交换，而在河道中泥沙运输又以水为载体，因此，水量交换的过程伴随着泥沙输移，水量交换量的大小关系到窝塘区域内泥沙输移量的大小。为了定量描述窝塘区域内水体交换的快慢，定义水体交换系数k=E/V，其中，E为每秒主流与窝塘的水体交换量，m3;V为窝塘区域内水体体积，m3。在主流与副流的口门断面，+v和-v分别为主流区域水体流入、流出窝塘，将正向交换中心定义为v的最大值点，负向交换中心定义为v的最小值点。图11（a）—图11（f）给出了口门断面（x-z面）横向速度的分布，主流区水流主要分别通过口门断面上、下游区域流出和流入窝塘。通过图2（b）可以看出，上游侧水体较为浑浊，下游侧水体较为清澈，口袋型窝塘区域的泥沙通过上游区域输送至主流区，较好地印证了试验结果。一般型与口袋型窝崩垂直面的上、下游分别有1个出、入窝塘的中心，但一般型窝崩出、入窝塘的中心并不对称，上游的流出中心更加偏向上层，而下游的流入中心更加偏向于下层。口袋型窝崩的进、出窝塘中心在垂向基本对称。|v|max随着主流速度的减小逐渐减小。一般型窝崩的水量交换系数随主流平均流速的减小而减小，原因在于整个垂直面上|v|随主流平均流速的减小而减小。口袋型窝崩口门垂直面上的水量交换主要集中于上层（z/H∈［0.8，0.93］）。当主流平均流速逐渐减小，上层的|v|逐渐较小，但下层的|v|逐渐增大，导致口袋型窝崩的水量交换系数先减小后增大，且总体变化较小。对比不同主流平均流速条件下2种不同类型的窝崩水量交换系数，可以发现，当主流平均流速较大时，一般型窝崩的水量交换系数大于口袋型窝崩，加速了一般型窝崩的发展;当主流平均流速较小时，口袋型窝崩的水量交換系数大于一般型，导致口袋型窝崩的窝塘在低流速时更容易引起淤积。
4 结论
基于概化水槽试验，采用PIV流场测量技术和组合平面拍摄的方法，测量了不同来流情况下一般型和口袋型窝崩的三维流场，分析了不同类型窝崩的流场结构和紊动特性，根据水流结构及紊动强度分布情况，窝崩及其附近区域可以分为回流区、掺混区和主流区，得出的主要结论如下：
（1） 主流区近似为有势流动;掺混区存在着较大的流速梯度且紊动强度大、纵向掺混强烈，主流与回流在此区域产生水体交换，其范围沿水流方向逐渐增大;回流区中的大尺度旋涡几乎布满整个窝塘，流速介于主流平均流速的0～0.27倍。
（2） 一般型窝崩的回流中心在横向上随主流平均流速的增加分别呈现向窝塘区域内侧移动、摆动、向窝塘区域外侧移动的趋势。口袋型窝崩的回流中心比于一般型更靠近窝塘里侧，这可能导致一般型与口袋型窝崩在窝塘与主流区的泥沙交换和输运过程中的模式不相同。此外，当主流平均流速较大时一般型窝崩的水量交换系数比口袋型窝崩大22%，而主流平均流速较小时则比口袋型窝崩小49%。
（3） 在3种不同主流平均流速条件下，口袋型窝塘区域的平均紊动强度比一般型强15%～70%。在较小主流平均流速工况下，一般型和口袋型窝塘的存在减弱了口门区纵向紊动强度，但在较高主流平均流速工况下，则是增大了口门区的纵向紊动强度。
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Experimental study on flow structures in arc-shaped bank erosion zones
The study is financially supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51725902;No.U2040215）.
SUN Qihang1，XIA Junqiang1，DENG Shanshan1，ZHOU Meirong1，SI Jinhua2，ZHANG Xingnong3
（1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science， Wuhan University，Wuhan 430072，China;2. State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China;3. State Key Laboratory of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering，Nanjing Hydraulic Research Institute，Nanjing 210029，China）
Abstract：Arc-shaped bank erosion is a common type of bank erosion in the middle and lower reaches of the Yangtze River.It has the characteristics of complex three-dimensional （3-D） flow structures，rapid expansion，and strong destructive capacity.The general and pocket types of arc-shaped bank erosion models were designed on the basis of actual bank erosion events.3-D flow fields in general and pocket-type bank erosion zones were obtained from generalized tests by using particle image velocimetry technology.Flow structure and turbulence characteristics were analyzed.Results showed the following：① The arc-shaped bank erosion zone can be divided into the main flow，mixing，and backflow zones in accordance with the flow structures and distributions of turbulent intensity.② In the mixing zone，the velocity gradient and turbulence intensity were large，and the width of the mixing zone gradually increased along the main flow direction.The maximum values of the flow velocity at the backflow zone of the general and pocket types were approximately 0.19 and 0.27 times the average velocity of the mainstream，respectively.③ The vertical average flow velocity at the backflow region of the general bank erosion zone was 48%—76% larger than that in the pocket-type bank erosion zone.The backflow center of the general bank erosion type was closer to the outer side of the bank erosion zone than that of the pocket-type bank erosion zone，thus facilitating the transport of sediment from the bank erosion zone to the main flow area.④ Under the condition of high mainstream flow velocity，the exchange rate between the water in the general-type bank erosion zone and the main flow was higher than that in the pocket-type bank erosion zone，and the opposite was true under low mainstream flow velocity.
Key words：arc-shaped bank erosion;three-dimensional flow field;turbulence intensity;particle image velocimeter;laboratory experiments
