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(yùn)工程學(xué)報(bào)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(xué)，彭清娥，湯雷，劉家富，蘇楊中(四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都610065)摘要：滑坡、泥石流等災(zāi)害過(guò)程，常在河流岸邊形成大型堆積體，縮窄了主河道過(guò)流寬度,對(duì)主河道水流運(yùn)動(dòng)產(chǎn)牛影響.通過(guò)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(yàn)結(jié)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(duì)主流區(qū)流速沿程分布影響較大，隨堆積體尺度的增加，對(duì)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(guò)流斷面束窄，過(guò)流能力降低，主流流速較天然狀態(tài)有所降低，出現(xiàn)急、緩流過(guò)渡，堆積體末端逐步恢復(fù)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(duì)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(guān)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(hào)：TV131.61；P642.23文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：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(zāi)害，同時(shí)地表破碎,形成大量松散堆積體.

3、滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害,直接堵斷江河，形成堰塞湖(如唐家山堰塞湖)，這種災(zāi)害因危害嚴(yán)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(cè)向匯入主河道,在河流沿岸形成一般水流條件下難以搬運(yùn)的大型堆積體，卻因近期危害較小，沒(méi)有受到應(yīng)有的重視，實(shí)際上卻會(huì)擠壓主河流路，改變主河邊界條件，從而影響河流水流運(yùn)動(dòng)規(guī)律.目前關(guān)于堆積體對(duì)河道水流特性影響的研究成果較少,多數(shù)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(duì)水流影響的研究成果或可作為借鑒.高桂景等3通過(guò)水槽概化試驗(yàn),深入研究了丁壩附近水流脈動(dòng)動(dòng)能的分布，并對(duì)其分布進(jìn)行了分區(qū)研究，還對(duì)壩長(zhǎng)、流量以及水深對(duì)丁壩附近水流脈動(dòng)影響的

4、機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)闡述.黑鵬飛研究了丁壩下游回流區(qū)的水流特性，系統(tǒng)地對(duì)丁壩下游回流區(qū)的各分區(qū)水流特性、水流紊動(dòng)強(qiáng)度、挾沙能力進(jìn)行了研究.徐芳等通過(guò)大量的概化模型試驗(yàn)對(duì)山區(qū)河道中碼頭工程對(duì)河段水流特性的影響進(jìn)行了研究，分析表明，碼頭工程對(duì)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(shù).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(diào)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(wèn)題的研究對(duì)山區(qū)河流防護(hù)及整治至關(guān)重要，為此本文對(duì)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(yàn)研究.1試驗(yàn)概況試驗(yàn)水槽底

5、部為光滑的水泥底板,兩側(cè)邊壁為鋼化玻璃，水槽底寬1m,高0.75m,床面比降0.01,試驗(yàn)收稿日期：2011-08-01基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50949057)作者簡(jiǎn)介：郭志學(xué)(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(zhǎng)12m.堆積體布置于試驗(yàn)段中部，沿程共布設(shè)15個(gè)測(cè)量斷面（見圖1）.試驗(yàn)水位測(cè)量采用WYG-H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-皿型多功能智能流速儀，橫向上布設(shè)7條測(cè)線,垂向上從距離床面2cm開始，每2cm（3cm）布1個(gè)測(cè)點(diǎn).垂向上從距離床面2cm開始，每2cm（3cm）

6、布1個(gè)測(cè)點(diǎn).0m1m2m3m4m5m6m7m8m9m10m11m12m圖1試驗(yàn)水槽布置Fig.1layoutofflumeexperiment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，考慮天然堆石的休止角變化范圍，堆積體側(cè)向坡度為為了對(duì)比不同形態(tài)的堆積體對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響，考慮天然堆石的休止角變化范圍，堆積體側(cè)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(zhǎng)度為1m,與河寬相等.堆積體模型采用有機(jī)玻璃制作，固定于水槽左岸試驗(yàn)段中部.根據(jù)前期野外調(diào)查成果,對(duì)堆積體形態(tài)進(jìn)行概化.堆積體順河向K度為1m,上、下游面及側(cè)面分別采用斜平面，側(cè)面與上、下游

7、面間采用錐線過(guò)渡，過(guò)渡曲面寬度隨堆積體規(guī)模改變（見圖2）通過(guò)調(diào)整尾水，使水槽中的水流達(dá)到均勻流.為對(duì)比不同量級(jí)的來(lái)流量下，堆積體對(duì)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(yàn)結(jié)果分析2.1堆積體對(duì)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(duì)于同一流量級(jí)F不同堆積體對(duì)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(chǎn)生,水躍過(guò)后水流流速在全斷面上急劇減?。挥捎谏嫌嗡孥崭咚斐傻妮^大落差，使下游水流紊動(dòng)更為劇烈，在堆積體一側(cè)形成了一個(gè)范圍比較大的流速加速區(qū)，同

8、時(shí)在加速區(qū)末端形成了一條斜跨明渠的水躍，水躍過(guò)后，主流出現(xiàn)了折沖現(xiàn)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(yàn)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(shí)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(shí)情況存在差別，河道比降1%。時(shí)，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(guò)渡區(qū).2.2堆積體對(duì)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(duì)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(duì)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(xiàn)為過(guò)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(duì)河道行洪的主要危害主要表現(xiàn)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(duì)于急流河道，堆積體的影響更主要表現(xiàn)在壅水影響,而非流速分布的調(diào)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(nèi)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(xiàn)為本岸流速略增或與天然狀態(tài)一致，堆積體對(duì)岸流速則降低.當(dāng)堆積體規(guī)模增

12、大時(shí)，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(hào)堆枳體f一天然o412080I#堆積體2#堆積體*3#號(hào)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(hào)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(hào)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)明顯急、緩交界峰面，呈類水躍流態(tài)(見圖3).3結(jié)語(yǔ)河流中大型堆積體的存在，引起河道水流的側(cè)向收縮和向岸挑流,常加劇河道岸坡沖刷.本文通過(guò)水槽試驗(yàn)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(jié)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(duì)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(duì)水流流速的調(diào)整作用越大.參考文獻(xiàn)：1 朱穎彥，崔鵬，陳曉晴.泥石流堆積體邊坡失穩(wěn)機(jī)理的試驗(yàn)與穩(wěn)定性分析J.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005,21：3927-3934.(ZHUYing-yan,CUIPeng,CHENXiao-qing.Experimentonmechanismofslopefailureofdebrisflowfanandst

15、abilityanalysisJ.ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,21:3927-3934.(inChinese)董志高，吳繼敏，王文遠(yuǎn).地震作用崩塌堆積體邊坡穩(wěn)定性分析J.水利水電科技進(jìn)展，2006(5)：37-10.(DONGZhi-gao,WUJi-min,WANGWen-yuan.Stabilityanalysisofavalanchedepositslopesunderearthquakeaction1J.AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResources,2006(5):37

16、-40.(inChinese)2 高桂景，王平義.丁壩附近水流動(dòng)能分布研究J.水運(yùn)工程，2007(11)：75-79.(GAOGui-jing,WANGPing-yi.DistributionofpulsationkineticenergyofflowaroundspurdikeJ.Port&WaterwayEngineering,2007(11)：75-79.(inChinese)4黑鵬飛.丁壩回流區(qū)水流特性的實(shí)驗(yàn)研究D.北京：清華大學(xué)，2009.(HEIPeng-fei.Experimentalstudyontheflowstructuredownstreamofthespurdi

17、keDJ.Beijing：TsinghuaUniversity,2009.(inChinese)5 徐芳，楊勝發(fā)，付旭輝.碼頭工程對(duì)山區(qū)河道水流特性影響試驗(yàn)研究J.水道港口，2010,31(5):454458.(XUFang,YANGSheng-fa,FUXu-hui.ExperimentalstudyonimpactofwharfstructuresonflowcharacteristicsinmountainstreamJ.JournalofWaterwayandHarbour,2010,31(5)：454-458.(inChinese)湯雷.堆積體作用下河道水流特性試驗(yàn)研究D.成都：四川

18、大學(xué)，2010.(TANGLei.ExperimentalstudyontheflowcharacteristicsofchannelundertheinfluencesofaccumulationbodyDJ.Chengdu:SichuanUniversity,2010.(inChinese)StreamwiseandlateralvelocitydistributionofsteepriverundertheactionofdepositbodyGUOZhi-xue,PENGQing-e,TANGIi,LIUJia-fu,SUYang-zhong(StateKeyLaboratoryofH

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

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