堆積體對(duì)河道流速分布的影響研究.docx

1、堆積體對(duì)河道流速分布的影響研究劉家富，彭清娥，郭志學(xué)，蘇楊中，湯雷(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065)摘要：通過水槽實(shí)驗(yàn)研究，分析了河流的水流流速分布受堆積體影響的特性，其結(jié)果表明：（1）受堆積體影響，水流流態(tài)一般可分為4個(gè)區(qū)段，即水流的主流區(qū)、堆積體上游滯流區(qū)、堆積體'下游回流區(qū)及堆積體下游主流區(qū)和回流區(qū)之間的過渡區(qū)。（2）堆積體體型對(duì)主流流速沿程變化影響很大，一般阻水率越大，其對(duì)主流流速影響幅度越大，影響范圍也越大。堆積體上游段，主流流速受堆積體影響流速減??；堆積體段，主流流速顯著加大，堆積體末端附近，流速達(dá)到最大；堆積體下游段，水流逐漸擴(kuò)散,主

2、流流速逐漸減小，但主流流速仍較無堆積體情況明顯加大。（3）水流主流流速變化與流量之間無確定相關(guān)關(guān)系，堆積體對(duì)主流流速沿程影響特性完全與堆積體阻水率的變化特性相一致。（4）引入堆積體阻水率概念，堆積體的阻水率對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響起決定性作用，阻水率越大，其對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響越大。關(guān)鍵詞：堆積體；水流結(jié)構(gòu)；阻水率；水槽實(shí)驗(yàn)中圖分類號(hào)：TV133文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10000860（2011）11.0038.04StudyonimpactfromdepositondistributionofchannelflowvelocityLIUJiafu,PENGQinge,GUOZhixue,SUYangzho

3、ng,TANGLei（StateKeylaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China）Abstract:Basedontheflumeexperimentalstudy,thecharacteristicsofthedistributionofchannelflowvelocityundertheimpactfromdepositareanalyzedherein.Theresultshowsthat1.Undertheimpactfromdeposi

4、t,theflowpatterncanbedividedintofoursections,i.e.themainflowzone,thestagnationflowzoneupstreamofdeposit,thebackflowzonedownstreamofdepositandthetransitionzonedownstreamofdepositbetweenboththemainflowzoneandthebackflowzone.2.Theimpactfromtheshapeofdepositissignificantonthevariationofthevelocityofthem

5、ainflowalongriverchannel.3.Nodefinitecorrelativerelationistherebetweenthevariationofmainflowvelocityandtheflowrate,whilethecharacteristicsoftheimpactfromdepositonthevariationofmainflowalongriverchannelisfullycoincidedwiththechangingcharacteristicsofthewalerresistanceratioofdeposit.4.Thewaterresistan

6、ceratiohasapredominanteffectontheimpactfromdepositontheflowstnictureconcerned；i.e.thelargerthewaterresistanceratiois,thegreatertheimpactfromitupontheflowstnicturewillbe.Keywords：deposit；flowstructure；waterresistanceratio；flumeexperiment1引言由于受地震、降水、山洪等影響，破碎的山體會(huì)直接滑坡、崩塌，甚至以泥石流等形式側(cè)向進(jìn)入河流，在河流沿岸形成一般水流條件下難以

7、搬運(yùn)的大型堆積體。在III區(qū)河流中，這些大型堆積體比較常見。特別是“5.12”大地震后，震區(qū)附近土體松散，直接或間接形成的大型堆積體更是比比皆是。大型堆積體的存在，會(huì)帶來許多危害。首先，它們縮小了河道局部過流斷面，造成堆積體上游水位雍高，流速減小，增大泥沙淤積，帶來上游行洪安全隱患；其次，堆積體會(huì)加大堆積體局部段的水流動(dòng)力,引起河岸侵蝕破壞，帶來卜游河道沖淤部位的調(diào)整甚收稿日期：2011-04-20基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50949057)；973計(jì)劃資助(2011CB409903)。作者簡介：劉家富(1987),湖北鄂州人，碩士研究生。至河型的改變，使下游沿河兩岸的防護(hù)變得更加困難，

8、危及治岸工程設(shè)施及居民安全；隨著堆積體泥沙沖刷的外移河岸的侵蝕發(fā)展，還可能帶來更加嚴(yán)重的河床演變危害，這類危害發(fā)生的時(shí)間相對(duì)滯后，容易受到忽視，其威脅性更大。而要做到對(duì)這種危害進(jìn)行正確合理的分析，堆積體作用下的水流結(jié)構(gòu)影響研究是首當(dāng)其沖要解決的科學(xué)問題。目前，關(guān)于堆積體的研究多集中在地學(xué)層面。如胥勤勉研究了金沙江金坪子堆積體的形成過程；朱穎彥研究了泥石流堆積體邊坡失穩(wěn)與其他邊坡失穩(wěn)的不同表現(xiàn)2；涂國祥還做了冰水堆積體層流一紊流過渡狀態(tài)滲流特性的研究，但從收集的資料來看，涉及堆積體對(duì)河流水流結(jié)構(gòu)的影響的研究還較少。本實(shí)驗(yàn)的目的就是通過不同流量情況下，對(duì)不同規(guī)模的堆積體的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，從而揭示河流水流

9、結(jié)構(gòu)在堆積體作用下的變化規(guī)律。2研究方法2.1實(shí)驗(yàn)布置實(shí)驗(yàn)采用玻璃矩形水槽，寬Im,高0.75m,坡率0.001,總長12mo堆積體布置在水槽中部，測(cè)量斷面從上游到下游，依次分為15個(gè)斷面如圖1所示。實(shí)驗(yàn)水位測(cè)量采用WYG-n型水位儀,在各斷面橫向上均布7個(gè)測(cè)點(diǎn)，流速測(cè)量采用LGY-ID型多功能智能流速儀，在橫向上如水位測(cè)量一樣，布設(shè)7個(gè)測(cè)線，垂向上從底坡2cm開始，A級(jí)流量時(shí)每2cm測(cè)量一個(gè)，B、C流量時(shí)每3cm測(cè)量一個(gè)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由上游矩形薄壁量水堰、實(shí)驗(yàn)段水槽、下游尾水控制裝置、回水系統(tǒng)組成。2.2堆積體結(jié)構(gòu)及編號(hào)為了對(duì)比不同形態(tài)的堆積體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，通過資料收集和對(duì)天然堆積體的現(xiàn)場(chǎng)觀

10、測(cè)，制作了3個(gè)堆積體概化模型，長1m,坡度45。，分別占河寬的1/4、1/3、1/2,根據(jù)其結(jié)構(gòu)形態(tài)依次編為1#3二堆積體模型由有機(jī)玻璃制作而成，實(shí)驗(yàn)時(shí)固定在水槽中。堆積體平面示意如圖2所示。圖2堆積體模型平面示意（單位：cm）2.3實(shí)驗(yàn)工況及條件實(shí)驗(yàn)主要針對(duì)上述3種不同體型堆積體對(duì)水流結(jié)構(gòu)影響進(jìn)行研究。為分析不同量級(jí)的來流量下，堆積體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，取3個(gè)量級(jí)的流量分別實(shí)驗(yàn),流量從小到大依次為58L/s、94L/s、128L/s,編號(hào)為A、B、Co采用不同的流量堆積體組合，共進(jìn)行了12組實(shí)驗(yàn)。為表達(dá)方便，用0#代表無堆積體天然情況,工況用AO、Al、A2表示，如工況A0即為58I/s流量下

11、，無堆積體情況；工況B2表示94L/s流量下,2#堆積體對(duì)水流影響情況，如此類推。為分析堆積體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，首先對(duì)無堆積體情況下的工況AO、B0及C0進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過控制水槽尾水使水流為均勻流，其后各堆積體對(duì)水流影響研究實(shí)驗(yàn)都基于相應(yīng)的均勻流尾水控制?？紤]堆積體對(duì)水流的影響，尾水控制點(diǎn)設(shè)在距實(shí)驗(yàn)水槽觀察段下游十多米的無影響段。實(shí)驗(yàn)工況阻水率計(jì)算結(jié)果見表1,表1中阻水率P為便于后面分析而引入，表示8#斷面（CS8）處堆積體對(duì)該斷面過流面積的影響程度。計(jì)算阻水率時(shí)，采用下面公式式中，P表示阻水率；S|表示有堆積體時(shí)斷面CS8的過流面積；S表示天然情況無堆積體時(shí)斷面CS8的過流面積。表1實(shí)驗(yàn)工況阻

12、水率計(jì)算注：T.況A3堆積體下游形成水躍，其余丁.況無水躍。T.況s/cm2Si/cm2阻水率P工況S/cm2s】/cm2阻水率PA0108710870A210876840.37m168416840:B2I68411620.31co214421440C2214415120.29Al10876860.37A310876620.39B1168413140.22B316849730.42Cl214417340.19C3214412240.433實(shí)哈結(jié)果分析3.1堆積體對(duì)水流流態(tài)的影響分析矩形明渠均勻水流在堆積體的作用下，流態(tài)會(huì)發(fā)生很大的變化。受堆積體的阻流作用，上游形成雍水，下游形成劇烈的紊流。實(shí)驗(yàn)

13、研究表明，一般情況下（堆積體無淹沒，堆積體下游沒有形成水躍），可參照丁壩水流的分區(qū)方法,將堆積體影響下的明渠水流可分為圖3所示的4個(gè)區(qū)段。In水流方向.rn圖3堆積體作用下矩形明渠的流態(tài)分區(qū)圖3中，區(qū)為水流的主流區(qū)，其中堆積體上游段（圖3中I-I斷面以上河段）水流受堆積體的阻流作用，水面壅高，流速較無堆積體時(shí)明渠均勻流流速有所減??；堆積體段（I-I斷面U-口斷面）水流受左岸側(cè)堆積體的束窄作用，在偏離堆積體一岸的同時(shí)，水深減小，比降增大，流速開始逐漸增大，在水流繞過堆積體后，由于慣性力作用，水流除了向堆積體一岸擴(kuò)散外，主流還將進(jìn)一步收縮，直到堆積體下游收縮斷面處（U-11斷面），此時(shí)主流的過水面

14、積最小，流速達(dá)到最大；在H-II斷面下游，主流開始擴(kuò)散，流速開始逐漸降低。區(qū)為堆積體上游滯流區(qū)，實(shí)驗(yàn)研究表明，堆積體上游形成局部滯留區(qū),該區(qū)范圍不大，水位壅高較明顯，與主流區(qū)相比，水而較平緩，流速較小。區(qū)為堆積體下游回流區(qū)，主流在繞過堆積體后，其與堆積體后的靜水之間存在著較大的水位差和流速差，產(chǎn)生切應(yīng)力，堆積體后靜水在此切應(yīng)力作用下開始向下游流動(dòng)，按照流體的連續(xù)性，靠近槽壁的靜水必將向前補(bǔ)充，從而形成同流。因而，堆積體下游回流區(qū)紊動(dòng)劇烈，是一系列流向下游的渦旋。受主流影響，下游回流區(qū)在下游一定距離消失。區(qū)為堆積體下游主流區(qū)和回流區(qū)之間的過渡區(qū)，該區(qū)主要由下游主流的擴(kuò)散引起，其水流即有縱向流速，

15、也有橫向流速，紊動(dòng)較劇烈，但無明顯的渦旋。當(dāng)堆積體下游形成水躍時(shí)，水躍上游段水流仍然維持較好的分區(qū)，但在水躍之后，流速已驟然減小,且沿程已無多大變化.同時(shí)，主流開始向堆積體一岸偏移。3.2堆積體對(duì)主流流速的影響分析模型水槽在布置堆積體后，原本的均勻流態(tài)受堆積體的阻流作用影響，主流經(jīng)過束窄和擴(kuò)散，其流速必定經(jīng)過一個(gè)先增大，后減小的過程?？紤]實(shí)際工程中，流速增大，水流對(duì)河岸、河床的沖刷作用也將加劇。因此，研究主流流速的沿程變化規(guī)律十分必要。3.2.1同一來流、不同堆積體下主流的沿程變化規(guī)律分析圖4給出了各級(jí)流量水流受不同堆積體影響下,主流流速的沿程變化。由圖4可知，各級(jí)流量下，不同堆積體體型對(duì)主流

16、流速沿程變化影響很大，其中阻水率越大，其對(duì)主流流速影響幅度越大。堆積體上游段即約6#斷面（CS6）以上，主流流速受堆積體壅水影響流速減小，但整體流速變化不大；堆積體段（CS6CS10）,主流流速顯著加大，堆積體末端附近，流速達(dá)到最大；堆積體下游段，水流逐漸擴(kuò)散，主流流速逐漸減?。ǔ鼳3工況），但主流流速仍較無堆積體情況明顯加大，隨后趨于均勻流。圖4（a）中A3.工況為來流量最小、堆積體占河寬一半情況，由于該工況下堆積體阻水率較大，導(dǎo)致上游水位壅高較多，而該級(jí)流量下游水位相對(duì)較低，使堆積體段形成較大的水位差，水力坡度大到一定程度，在堆積體下游形成水躍，致使主流的動(dòng)能大量消耗，流速急劇減小，其他工

17、況均無水躍現(xiàn)象發(fā)生。由此可知，一般情況下（下游未形成水躍），對(duì)于同一來流，堆積體阻水率越大，其對(duì)水流流速影響越大，影響范圍也越大，若堆積體下游形成水躍，則影響范圍減小。3.2.2不同來流、同一堆積體下主流的沿程變化規(guī)律分析前面分析了堆積體體型對(duì)主流流速沿程變化的影響。下面對(duì)同一堆積體體型下，流量變化對(duì)主流流速沿程變化是否敏感進(jìn)行分析。圖5給出了同一堆積體(a)流量A:58L/s平距/cm(b)流量B：94L/s1601401201008060402050()100()平距/cm(c)流量C:128L/s過水槽實(shí)驗(yàn)研究，分析了河流的水流結(jié)構(gòu)受堆積體影響的特性,其結(jié)果對(duì)防治河流中大型堆積體所引起的

18、危害，保護(hù)沿河兩岸人民生命財(cái)產(chǎn)安全具有現(xiàn)實(shí)意義。具體結(jié)論如下：(1) 矩形明渠均勻水流在堆積體的作用下，流態(tài)發(fā)生很大的變化。堆積體影響下的明渠圖4各級(jí)流量下不同堆積體對(duì)主流流速沿程變化的影響水流一般可分為4個(gè)區(qū)段：水平距/cm(a)F堆積體：1/4河寬05001000平距/cm(b)2,堆積體：1/3河寬平距/cm(c)3雌積體:1/2河寬圖5不同來流、同一堆積體下主流流速沿程變化情況下，各級(jí)流量水流受堆積體影響下的主流流速沿程變化圖。由圖5可知，對(duì)于同一堆積體體型影響下，堆積體上游段均呈現(xiàn)隨流量加大而流速增大現(xiàn)象；堆積體段，對(duì)于1氣2#堆積體情況，A級(jí)流量下主流沿程顯著增大，B級(jí)、C級(jí)流量下

19、主流流速沿程變化幅度明顯弱于A級(jí)流量情況，且基本相同，3#堆積體情況下，A、B及C級(jí)流量下主流流速沿程變化幅度大,且基本相當(dāng)；堆積體下游段，A級(jí)流量下主流沿程變化幅度大于B級(jí)、C級(jí)流量情況，且B、C級(jí)流量情況主流流速也基本相同。由此說明，對(duì)于同一堆積體，水流主流流速變化與流量并無確定的相關(guān)關(guān)系。下面分析其原因，由表2中阻水率計(jì)算結(jié)果可知,Al、Bl、C1工況的阻水率分別為0.37.0.22.0.19,即A1工況的阻水率明顯大于B1及C1,旦B1和C1的阻水率相近；A2、B2、C2工況的阻水率分別為0.37、0.31、0.29,同樣A2工況的阻水率明顯大于B2及C2,且B2和C2的阻水率也較為接近；A3、B3、C3工況的阻水率分別為0.39、0.42.0.43,此3工況阻水率基本相當(dāng)。由此可知，圖5中各工況下主流流速沿程變化規(guī)律和其相應(yīng)的阻水率的變化規(guī)律基本一致。4結(jié)論河流中大型堆積體的存在