堆積體作用下陡坡河道流速沿程及橫向分布規(guī)律.docx

1、水利水運工程學報HYDRO-SCIENCEANDENGINEERING堆積體作用下陡坡河道流速沿程及橫向分布規(guī)律郭志學，彭清娥，湯雷，劉家富，蘇楊中(四川大學水力學與山區(qū)河流開發(fā)保護國家重點實驗室，四川成都610065)摘要：滑坡、泥石流等災害過程，常在河流岸邊形成大型堆積體，縮窄了主河道過流寬度,對主河道水流運動產牛影響.通過水槽試臆，研究了堆積體作用下陡坡急流河道流速沿程及橫向分布規(guī)律.試驗結果表明：受堆積體影響，水流流態(tài)一般可分為上游低速區(qū)、主流區(qū)、下游回流區(qū)及堆積體卜-游段折沖水流與隱蔽區(qū)緩流相遇而形成的斜向水躍.堆積體的壅水作用對主流區(qū)流速沿程分布影響較大，隨堆積體尺度的增加，對主流

2、流速影響增大,影響范圍加大.堆積體上游段，主流流速受堆積體影響減小;急流條件下，堆積體段的過流斷面束窄，過流能力降低，主流流速較天然狀態(tài)有所降低，出現急、緩流過渡，堆積體末端逐步恢復至天然狀態(tài).堆積體下游臨近斷面流速大小與天然狀態(tài)基本一致，沿橫斷面的流速比天然狀態(tài)略有增大,對岸流速則略有降低，隨堆積體規(guī)模的增加，流速橫向變化幅度增大.關鍵詞：堆積體；流速沿程分布；流速橫向分布；堆積體規(guī)模中圖分類號：TV131.61；P642.23文獻標志碼：A文章編號：1009-640X(2011)04-0027-052008年5月四川汶川地震,造成震區(qū)大量的滑坡、崩塌災害，同時地表破碎,形成大量松散堆積體.

3、滑坡、崩塌等地質災害,直接堵斷江河，形成堰塞湖(如唐家山堰塞湖)，這種災害因危害嚴重，所以往往能得到足夠的重視.而破碎的山體以滑坡、崩塌、泥石流等形式側向匯入主河道,在河流沿岸形成一般水流條件下難以搬運的大型堆積體，卻因近期危害較小，沒有受到應有的重視，實際上卻會擠壓主河流路，改變主河邊界條件，從而影響河流水流運動規(guī)律.目前關于堆積體對河道水流特性影響的研究成果較少,多數研究主要集中于堆積體自身的穩(wěn)定n-堆.碼頭、丁壩等工程對水流影響的研究成果或可作為借鑒.高桂景等3通過水槽概化試驗,深入研究了丁壩附近水流脈動動能的分布，并對其分布進行了分區(qū)研究，還對壩長、流量以及水深對丁壩附近水流脈動影響的

4、機理進行了詳細闡述.黑鵬飛研究了丁壩下游回流區(qū)的水流特性，系統地對丁壩下游回流區(qū)的各分區(qū)水流特性、水流紊動強度、挾沙能力進行了研究.徐芳等通過大量的概化模型試驗對山區(qū)河道中碼頭工程對河段水流特性的影響進行了研究，分析表明，碼頭工程對上游最大水位壅高值和周圍水流流速的影響程度，主要取決于河道阻水率、碼頭自身形態(tài)尺寸及水流弗勞德數.堆積體作用顯著改變了局部河道的水流條件.在堆積體的壓縮、挑流作用下,河道流速發(fā)生調整,流速的沿程及橫向變化將直接影響泥沙沖淤及河岸侵蝕，該問題的研究對山區(qū)河流防護及整治至關重要，為此本文對不同規(guī)模堆積體作用下的水流流速變化規(guī)律開展了系列水槽試驗研究.1試驗概況試驗水槽底

5、部為光滑的水泥底板,兩側邊壁為鋼化玻璃，水槽底寬1m,高0.75m,床面比降0.01,試驗收稿日期：2011-08-01基金項目：國家自然科學基金項目(50949057)作者簡介：郭志學(1976-),男，黑龍江呼蘭人，副研究員，博士，主要從事泥沙、泥石流輸移規(guī)律研究.E-mail:scugzx段總長12m.堆積體布置于試驗段中部，沿程共布設15個測量斷面（見圖1）.試驗水位測量采用WYG-H型水位儀，在各斷面橫向上均布7個測點;流速測量采用LGY-皿型多功能智能流速儀，橫向上布設7條測線,垂向上從距離床面2cm開始，每2cm（3cm）布1個測點.垂向上從距離床面2cm開始，每2cm（3cm）

6、布1個測點.0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m圖1試驗水槽布置Fig.1layoutofflumeexperiment為了對比不同形態(tài)的堆積體對水流結構的影響，考慮天然堆石的休止角變化范圍，堆積體側向坡度為為了對比不同形態(tài)的堆積體對水流結構的影響，考慮天然堆石的休止角變化范圍，堆積體側向坡度為45。,堆積體占河道寬度分別為河寬的1/4,1/3和1/2,依次編為1#3#,順河向堆積體長度為1m,與河寬相等.堆積體模型采用有機玻璃制作，固定于水槽左岸試驗段中部.根據前期野外調查成果,對堆積體形態(tài)進行概化.堆積體順河向K度為1m,上、下游面及側面分別采用斜平面，側面與上、下游

7、面間采用錐線過渡，過渡曲面寬度隨堆積體規(guī)模改變（見圖2）通過調整尾水，使水槽中的水流達到均勻流.為對比不同量級的來流量下，堆積體對水流的影響，分別取流量為58,94,128和161L/s.圖2堆積體模型平面示意圖（單位：cm）Fig.2Modelforaccumulatedbody2試驗結果分析2.1堆積體對水流流態(tài)的影響在堆積體上游，水流受堆積體阻水影響水位迅速壅高，對于同一流量級F不同堆積體對上游壅水影響的范圍不同，因此在上游不同位置處還有水躍產生,水躍過后水流流速在全斷面上急劇減??；由于上游水面壅高所造成的較大落差，使下游水流紊動更為劇烈，在堆積體一側形成了一個范圍比較大的流速加速區(qū)，同

8、時在加速區(qū)末端形成了一條斜跨明渠的水躍，水躍過后，主流出現了折沖現象.堆積體附近區(qū)域流態(tài)大致分為上游低速區(qū)、主流區(qū)、下游回流區(qū)及水躍.圖3為試驗中水流流態(tài)情況及各流區(qū)分區(qū)示意圖.圖3主河道比降1%時堆積體作用下水流流態(tài)及分區(qū)示意圖Fig.3Regimeofflowandgoingbyactionofaccumulatedbodyunderconditionof1%mainchannelslope該研究成果與河道比降1%。時情況存在差別，河道比降1%。時，堆積體作用下河道水流被分為主流區(qū)、上游滯流區(qū)、下游回流區(qū)、下游主流區(qū)和回流區(qū)之間的過渡區(qū).2.2堆積體對主流流速的影響分模型水槽在布置堆積體后

9、,原本的均勻流態(tài)受堆積體的阻流作用影響,堆積體上游受壅水影響，流速一般有所降低,堆積體段斷面收縮,主流流速將有所增加,下游段受堆積體挑流作用，向岸流速一般加大，對河岸侵蝕加劇.在1%。水面比降條件下，堆積體作用下的流速分布規(guī)律與此一致，但與對河道比降1%的急流條件下的流速變化規(guī)律有所不同.2.2.1主流流速的沿程變化各流量下主流流速的沿程變化見圖4.可見,在堆積體上游，主流流速受堆積體的壅水影響顯著降低，在堆積體上游局部河段，流速降幅更為明顯，且流速降低幅度隨堆積體寬度增加而增大.大約在堆積體上游5#6#斷面之間，流速降到最低.堆積體段主流流速并未較天然狀態(tài)有所增加，而是表現為過流深度的加大,

10、斷面平均流速小于天然狀態(tài)，在堆積體下游段，由于壅水附加比降作用，主流流速有所加大，流速較天然狀態(tài)略有增加或基本一致.可見在急流條件下，堆積體束水沖刷作用并不明顯,其對河道行洪的主要危害主要表現在水位壅高上，堆積體上、下游主流流速總體隨流量的增加而加大，但在堆積體前局部河段，主流流速基本一致，均較天然情況顯著降低.160r-160r402200r80I1#3#天然Li4(),011112004006008001000縱距/cm(c)。=128L/s4006008001000縱距/cmroo641an1一oo2o8OF60k一一天然(.S.E3、®ig8060卜oO42I#2#-*3#4

11、022004006008001000縱距/cm(d)(2=161L/s4006008001000縱距/cm圖4主流流速沿程分布Fig.4Mainflowvelocitydistribution2.2.2主流流速的沿橫斷面變化圖5為堆積體下游10#斷面位置處流速沿橫斷面的分布，由圖可見，對于急流河道，堆積體的影響更主要表現在壅水影響,而非流速分布的調整，堆積體下游臨近斷面的主流流速總體上與天然狀態(tài)一致在堆積體下游隱蔽區(qū)內流速雖較天然狀態(tài)明顯降低,但主流區(qū)流速并未顯著增加（該斷面水深較天然狀態(tài)增大）.流速沿橫斷面的分布，總體上表現為本岸流速略增或與天然狀態(tài)一致，堆積體對岸流速則降低.當堆積體規(guī)模增

12、大時，斷面束水作用加大，堆積體端流速較天然狀態(tài)有所增大2002001208040-S.E?、««1#堆積體一2#堆積體J-3#號堆枳體f一天然o412080I#堆積體2#堆積體*3#號堆積體一*一天然20020406080J00平距/cm(b)0=94I/s020406080J00平距/cm(a)Q=58l/s240I#堆積體2#堆積體f-3#號堆積體一天然1601208040TS.ES、»«1#堆積體y2#堆積體(-23)、««02040608010()020406080100平距/cm平距/cm(c)(2=128L/s(d)()=

13、161L/sf-3#號堆積體Y一天然圖5下游流速橫向分布Fig.5Transversedistributionofdownstreamvelocity急流條件F堆積體段的流速變化規(guī)律與緩流條件下的變化規(guī)律存在明顯差異，在堆積體段，斷面雖然束窄，但水流流速并未增加，而是表現為水深的增大.堆積體下游天然狀態(tài)為急流流態(tài)，堆積體段壅水附加比降引起的水流加速作用并不明顯，水流表現為橫向折沖,受岸壁反彈的急流與受堆積體隱蔽的下游緩流區(qū)水流交匯處出現明顯急、緩交界峰面，呈類水躍流態(tài)(見圖3).3結語河流中大型堆積體的存在，引起河道水流的側向收縮和向岸挑流,常加劇河道岸坡沖刷.本文通過水槽試驗研究了陡坡急流河

14、道受堆積體影響下的水流流速變化規(guī)律.結果表明，急流河道斷面的束窄直接作用改變了河道水流流態(tài),使堆積體段及其上游河道流速顯著降低，由急流變?yōu)榫徚?堆積體段水流流速沿橫斷面的分布相比天然狀態(tài)并未顯著增加，對岸流速略有降低.從堆積體的規(guī)模分析看，堆積體規(guī)模越大，對水流流速的調整作用越大.參考文獻：1 朱穎彥，崔鵬，陳曉晴.泥石流堆積體邊坡失穩(wěn)機理的試驗與穩(wěn)定性分析J.巖石力學與工程學報，2005,21：3927-3934.(ZHUYing-yan,CUIPeng,CHENXiao-qing.Experimentonmechanismofslopefailureofdebrisflowfanandst

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19、ydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity610065,China)Abstract:Thedisasterssuchaslandslidesanddebrisflows,oftenformlargedepositintheriverbank,whichcanexertaninfluenceontheriverflowthroughminishingtheriverway.Basedontheflumeexperiment,thestreamwiseandlateralvelocitydistributionsofsteepch

20、annelundertheimpactofdepositbodyareanalyzedherein.Theresultsshowthat：undertheimpactofdeposit,theflowpatterncanbedividedintofoursections,i.e.thelowspeedzoneupstream,themainflowzone,thebackflowzonedownstreamandtheROEUPcausedbytheencounteroftheskijumpflowdownstreamandthelowspeedflowinshadowzone.Thebackwatersignificantlyaffectsthestreamwisevelocitydistributionofthemainflow.Withtheincreaseofdepositbodyshape,theinfluenceextentandrangebothaugment.Theinfluenceofdepositonthemainstreamvelocityo