河道坡度和流量比对汇流处冲刷特征的影响研究

陈浩然

(宿州市水利水电建筑勘测设计有限公司,安徽 宿州 234000)

1 概 述

河流汇流处的局部冲刷通常受到碰撞水流动量比、汇合河道几何形状、汇流角度和沉积物等影响,主流和侧向流相碰撞,速度分布发生变化,从而导致涡流、二次环流、河床侵蚀和冲刷坑的形成[1]。根据已有研究,当汇流角为90°,且主流河道和支流河道的水流量相同时,冲刷深度最大[2]。曾诚等[3]研究了明渠汇流处的水流动力学,认为在汇流处可以分为6个不同的区域,包括上游停滞区、流动偏转区、汇流处下游的水流分离区、由流动收缩引起的最大速度区、剪切层以及水流恢复区。

本文通过河道汇流模拟试验,研究主河道不同边坡角度以及流量比和密度弗劳德数对汇流处冲刷坑形成和渗透的影响,对深入理解河道汇流处冲刷特征以及形成过程具有一定意义,研究成果可为类似工程案例提供参考。

2 材料和方法

在汇流试验研究中,许多变量会影响冲刷坑的尺寸。利用π-Huckingham理论,得到无量纲方程,公式如下:

(1)

式中:L为横向河道的冲刷坑渗透长度;M为主河道的冲刷坑渗透长度;N为汇流后河道的冲刷坑渗透长度;K为进入横向河道的渗透长度;Q为流量;P为河床负荷;H为底部宽度;α为汇流角;θ为主河道的边坡角度;S为主河道的河床坡度;Re为雷诺数;We为韦伯数;Fr为密度弗劳德数;下脚标中,下和支分别为下游主河道和支流河道。

由于湍流中黏度和表面张力的影响可以忽略不计,在分析中可忽略雷诺数和韦伯数。在所有试验中,汇流处上游河道无推移质输送,在尺寸分析中忽略河床负荷。在亚临界流动条件下,床面坡度对汇流的流动模式影响可以忽略不计,故本文没有考虑这一因素。同时,本研究中汇流角和河道底部宽度是固定值,应在变量组中省略。在推导无量纲变量时,没有考虑与上游河道相关的流量和河道特性。因此,式(1)可以简化为:

(2)

本研究在室内水力实验室进行,试验装置包括一个矩形截面的主水槽(长6.5m、宽1.0m、深0.5m)以及一个侧向矩形水槽(长5.0m、宽0.3m、深0.5m),两个水槽的纵向河床坡度均设置为0。在主水槽和侧水槽的入口处,使用两个蜂窝状装置,防止进入水流的过度湍流。两个水槽的恒定排放量由高位水箱提供,两个水槽的底部在中间形成一个凹槽,凹槽内填满沙子。主水槽和侧水槽中,凹槽部分的长度分别为3和1.5m。为了使主水槽的侧壁倾斜,其底部宽度减小至0.5 m,汇流角固定为90°。主水槽设置3个不同的边坡角,即30°、60°和90°。进入试验系统的总流量设置为30L/s。

表1为试验过程中各水道的不同流量。流动深度使用Milltronics型液位监测装置测量,精度为±0.1 mm。河床材料的中值粒径d50为1.33,均匀系数Cu为1.486,曲率系数Cc为0.954mm。

表1 试验过程中各水道的不同流量

试验前,平整凹槽部分的砂床,在主水道确定流量后,关闭支流水道的闸门,不允许横向流动。然后,逐渐打开支流水道闸门,以实现理想的后期排水量。同时,在主河道的下游端,使用止水闸门调整水深。每次试验都采用6h的持续时间,试验结束后,应将水排出,以免干扰已形成的冲刷坑和沉积点坝,并测量汇流处冲刷坑的尺寸。主河道不同边坡角度对应的冲刷坑和点坝均应沿4个方向延伸。

3 结果和讨论

试验过程中,在4个方向上测量冲刷坑的特征长度,即本研究中的渗透长度:横向河道的冲刷坑渗透长度(L)、主河道的冲刷坑渗透长度(M)、沿汇流后河道的冲刷坑渗透长度(N)和进入横向河道的渗透长度(K)。因为冲刷发展是一个随时间变化的过程,应在达到平衡状态之后测量。本文针对不同的流量比(Q比),分析主河道边坡角(θ)和密度弗劳德数(Fr)对冲刷坑渗透长度的影响。

3.1 冲刷坑穿过横向河道的渗透

图1为边坡角(θ)、密度弗劳德数(Fr)和流量比(Q比)对冲刷坑横向无量纲长度(L/H下)的影响。对于给定的密度弗劳德数,无量纲长度(L/H下)随着流量比的增加而增加。对于较大的流量比,最大冲刷深度的位置向主河道上游移动。同时,对于给定的流量比和边坡角,密度弗劳德数的增加导致更大的冲刷坑横向无量纲长度。由图1(a)可知,当流量比为0.333、θ为60°情况下,密度弗劳德数为2.1时较密度弗劳德数为1.5、1.7和1.9时,无量纲长度(L/H下)分别增大约1.85倍、0.68倍和0.13倍。在试验过程中,密度弗劳德数的增加是通过移除位于主河道下游端的拦水墩来实现的,随后水流速度增加。流速的增加会导致更大的二次环流,从而扩大冲刷坑的尺寸。

图1 不同流量比下冲刷坑穿过横向河道的渗透

对于给定的密度弗劳德数,横向河道的冲刷坑渗透长度随着边坡角度的增加而增加。对于较小的边坡角度,由于倾斜侧壁斜度较小,横向水流大多倾向于从交界点的主河道侧壁上通过,水流与床面材料的接触较少,因此汇流处横向水道的剪切应力较小。随着θ的增加,当流量比分别为0.333、0.500和0.667时,L/H下平均增加38.6%、26.4%和15.5%。θ对渗透长度(L)的影响随着流量比的增大而减小,当流量比等于0.667时,θ对L的影响较小。在河流和原型河道中,横向流量通常远小于主河道流量。因此,在实际工程中,不能忽略主河道边坡角对冲刷坑渗透长度的影响。

3.2 冲刷坑穿过主河道的渗透

图2为不同流量比下,冲刷坑穿过主河道的渗透长度与Fr的关系。对于给定的流量比和边坡角度,可以观察到M/H下随着密度弗劳德数的增加而增加。对于给定的密度弗劳德数和流量比,冲刷坑穿过主河道的渗透长度随着θ的增加而增加。随着θ的增加,当流量比为0.500和0.667较流量比为0.333时,M/H下的平均增加分别5.4%和12.2%。θ对渗透长度M的影响随着流量比的增加而减弱,与图1中观察到的趋势相同。因此,采取较小的θ和流量比可减少螺旋运动和剪切应力,从而减小冲刷坑穿过主河道的渗透长度。

图2 不同流量比下冲刷坑穿过主河道的渗透

3.3 汇流后河道冲刷坑的渗透

图3为汇流后河道冲刷坑的渗透情况。可以看出,渗透长度N随着密度弗劳德数的增加而增加。同时,对于给定的流量比和密度弗劳德数值,主通道的渗透长度N随着θ的减小而增加。由于靠近汇流后河道内壁分离区的减压和二次环流的影响,形成沉积点坝。侧流和密度弗劳德数的值越大,沉积点坝与汇流后河道起点的距离越远,即N值越高。另一方面,在本研究中θ越小的情况下,在距离汇流后河道起点较远的地方形成沉积点坝。当坡角为30°时,在汇流后河道处造成的分离区可以忽略不计,主河道的边坡角越小,贯穿长度N就越大。当流量比为0.333、0.500和0.667时,θ从90°减少至60°和45°,使无量纲渗透长度N/H下分别平均增加14.8%和8.2%。随着流量比的增加,θ增加对渗透长度N的影响减小。因此,当流量比为0.667时,不同θ的渗透长度N数值较为接近。

图3 不同流量比下汇流后河道冲刷坑的渗透

3.4 沿横向河道的冲刷坑渗透

在本研究中,使用不同的边坡角(θ),分析不同流量比和密度弗劳德数的渗透长度K的影响,见图4。当流量比为0.333、0.500和0.667时,θ从90°减少至60°和45°,使无量纲渗透长度K/H下分别平均增加12.7%和6.4%。根据试验期间的观察结果,当主通道侧坡较缓时,侧向通道中接近汇流处的水流较容易越过侧壁,由于流速较高,侧向通道的剪切应力增加。因此,在侧坡角较小的主河道中,沿横向通道的渗透长度增加,且在侧坡角为30°和60°时更为明显。对于给定的流量比和边坡角,密度弗劳德数的增加导致更大的无量纲渗透长度K/H下。由图4(b)可知,当流量比为0.500、θ为60°情况下,密度弗劳德数为2.26时较密度弗劳德数为1.70、1.85和2.17时,无量纲渗透长度K/H下分别增大183.3%、82.7%和9.7%。

图4 不同流量比下沿横向河道的冲刷坑渗透

4 结 论

本文在明渠汇流试验模型上,设置不同的边坡角度和流量比,研究了主河道坡度和流量对冲刷渗透长度的影响,结论如下:

1)密度弗劳德数的增加导致更大的冲刷坑横向无量纲长度。当流量比为0.333、θ为60°情况下,弗劳德数为2.1时较1.5、1.7和1.9时,L/H下分别增大约1.85倍、0.68倍和0.13倍。横向河道的冲刷坑的渗透长度随着边坡角度的增加而增加。

2)冲刷坑穿过主河道的渗透长度随着θ的增加而增加,当流量比为0.500和0.667较流量比为0.333时,M/H下分别平均增加5.4%和12.2%。采取较小的θ和流量比可减少螺旋运动和剪切应力,从而减小冲刷坑穿过主河道的渗透长度。

3)当坡角为30°时,在汇流后河道处造成的分离区可以忽略不计。当流量比为0.333、0.500和0.667时,θ从90°减少至60°和45°,使无量纲渗透长度N/H下分别平均增加14.8%和8.2%。

4)当流量比为0.333、0.500和0.667时,θ从90°减少至60°和45°,无量纲渗透长度K/H下分别平均增加12.7%和6.4%。对于给定的流量比和边坡角,密度弗劳德数的增加导致更大的无量纲渗透长度K/H下。