局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究

1、2013 年 11 月第 11 期 總第 485 期水運工程Port & Waterway EngineeringNov. 2013No. 11 Serial No. 485 開展正態(tài)物理模型試驗是目前用于研究局部沖刷1-5等三維流場問題的可靠手段,其主要包括正態(tài)系列物理模型、整體正態(tài)物理模型和局部正態(tài)物理模型。長江南京以下12.5 m 深水航道一期工程白茆沙水道工程(圖1在局部沖刷研究中創(chuàng)新了試驗方法,首次將局部正態(tài)物理模型成功應(yīng)用于潮汐河口,并攻克了模型設(shè)計中的一系列難題。模型的成功設(shè)計不僅較好地服務(wù)于白茆沙水收稿日期:2013-08-25*基金項目: 水利部公益性行業(yè)科研專項經(jīng)費

2、項目(201301020;上海市科學(xué)技術(shù)委員會科研計劃項目(11231202300;交通運輸部科技項目(2011328A0670作者簡介:劉猛(1983,男,碩士,助理研究員,從事河口水沙運動及河口航道治理研究。局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究*劉 猛,張宏偉,李為華(上海河口海岸科學(xué)研究中心,河口海岸交通行業(yè)重點實驗室,上海 201201摘要:首次在潮汐河口采用局部正態(tài)物理模型研究了局部沖刷問題,結(jié)果表明:采用局部正態(tài)物理模型研究潮汐河口相關(guān)工程問題是可行的,試驗水力條件的選擇、模型邊界的確定以及模型的整體變坡是將局部正態(tài)模型應(yīng)用于潮汐河口的關(guān)鍵技術(shù),提出了簡便易行且效果良好的模型邊界的

3、確定方法,闡述了模型整體變坡的必要性及方法。關(guān)鍵詞:局部正態(tài)物理模型;潮汐河口;局部沖刷;水力條件;模型邊界;模型整體變坡中圖分類號:TV 148 文獻標志碼:A 文章編號:1002-4972(201311-0106-05道工程局部沖刷問題的研究,也為該模型在潮汐河口進一步推廣應(yīng)用打下了良好的基礎(chǔ)。1 局部正態(tài)物理模型在潮汐河口應(yīng)用難點分析目前尚無局部正態(tài)物理模型在潮汐河口應(yīng)用的先例,若采用該方法開展白茆沙水道工程局部沖刷研究,必須合理地解決以下兩個難題:1合理的試驗水力條件選擇。局部正態(tài)物理Application of local normal physical model in tidal

4、 estuaryLIU Meng, ZHANG Hong-wei, LI Wei-hua(Key Laboratory of Estuarine & Coastal Engineering, Ministry of Transport, Shanghai Estuarine andCoastal Science Research Center, Shanghai 201201, ChinaAbstract: The local normal physical model is adopted to study the local scour (problems on project i

5、n thetidal estuary for the first time. The results show that: 1 It is feasible to apply the local normal physical model tostudy the engineering problems in the tidal estuary; 2 Choice of the test hydraulic conditions, determination of model boundary condition and entire variable slope of the model a

6、re the key techniques to apply the local normalphysical model to the engineering problems in the tidal estuary; 3 A simple and feasible method to determine model boundary condition is presented; 4 The necessity and method of applying entire variable slope of the model are expounded.Key words: local

7、normal physical model; tidal estuary; local scour; hydraulic condition; model shoreline;total variable slope of model 107 第 11 期 模型一般只能模擬恒定流,而白茆沙水道工程所在區(qū)域是潮流起主導(dǎo)作用的非恒定往復(fù)流,因此選擇合理的試驗水力條件是應(yīng)用局部正態(tài)物理模型開展試驗研究必須解決的難題。 2試驗水力條件在模型上的實現(xiàn)。由于潮棱體的存在,潮汐河口潮量沿程不守恒。如何選擇模型邊界,既能確保模型沿程流量守恒,又能較好地模擬目標試驗水力條件是模型設(shè)計首先要解決的技術(shù)難題;其次由

8、于材料限制,正態(tài)模型糙率偏高,模型水面坡度無法與目標水力條件相似,采用怎樣的措施才能使模型上各處水深均與目標水力條件一致也是模型設(shè)計必須解決的技術(shù)難題。2 試驗水力條件選擇及其特征2.1 試驗水力條件選擇依據(jù)文獻6采用正態(tài)系列物理模型對長江口深水航道治理工程丁壩頭部沖刷進行了研究,取得一些重要認識,主要有:1工程區(qū)域洪季大潮落急流速大于漲急流速,落潮流歷時為漲潮流歷時的1.52.0倍,落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上,壩頭沖刷以落潮水流為主;2與采用落急流速的恒定流試驗相比,潮流條件下壩頭沖刷平衡的歷時延長34倍,最大沖刷深度有所減小,約為恒定流條件下最大沖刷深度的0.85倍,

9、采用落急流速的恒定流試驗可以滿足研究需求;3針對工程丁壩壩頭的潮流特點,可采用落急流速進行穩(wěn)定流試驗,壩頭防沖范圍采用對稱布置,以防漲潮流側(cè)的沖刷。圖1 白茆沙水道工程平面布置與長江口深水航道治理工程相比,白茆沙水道整治工程亦具有相似特征:1工程重要區(qū)域護排布置采用對稱布置方式;2白茆沙水道工程處于長江口深水航道治理工程的上游,落潮流優(yōu)勢相對更加顯著,工程區(qū)域洪季大潮落急流速大于漲急流速,落潮流歷時顯著大于漲潮流歷時,落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上。2011年10月12日13日口外潮型為大潮,大通流量為22 000m 3/s ,現(xiàn)場實測點具體位置見圖1,現(xiàn)場實測點SW6,SW

10、7,SW8及SW9流速過程線見圖2。/ m ·s -1圖2 實測流速過程線由圖2可見,即使在大通流量僅為22 000 m 3/s(枯季平均流量約為16 000 m 3/s ,洪季平均流量約為36 000 m 3/s 時,各測點落急流速均超過漲急流速,持續(xù)時間約是漲急流速持續(xù)時間的23倍,落急流速發(fā)生在較低潮位,漲急流速發(fā)生在中潮位之上。從以上分析可見,對于白茆沙水道整治工程的局部沖刷問題研究,采用具有代表性的落急流速開展恒定流試驗是可行的,既滿足安全需求也能加快研究進度。鑒于白茆沙水道整治工程重要性,擬采用防洪設(shè)計洪水(徑流量為100 400 m 3/s 大潮落急流速開展局部沖刷問題

11、的試驗研究。2.2 試驗水力條件特征1在防洪設(shè)計洪水大潮條件下,工程區(qū)域落潮流優(yōu)勢極為顯著。在防洪設(shè)計洪水流量(100 400 m 3/s 條件下,數(shù)模計算點SM1和SM2流速過程線見圖3,數(shù)模劉 猛,等:局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究* 108 水運工程2013 年計算點具體位置見圖1,需要說明的是本文涉及到的數(shù)模計算結(jié)果均考慮了白茆沙水道工程作用。 /I/ m ·s -1圖3 數(shù)模計算流速過程線由圖3可見,在洪水大潮期間,落急流速更大,落潮高流速持續(xù)時間也更長,當上游徑流為防洪設(shè)計洪水流量時,各測點落急流速約是漲急流速的2倍,落潮高流速持續(xù)時間約是漲潮的48倍,落潮流速過程

12、線上出現(xiàn)一個“高流速平臺”。2落急時段工程區(qū)域跌水現(xiàn)象顯著,有利于較強的局部沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生5。在防洪設(shè)計洪水和大潮條件下,白茆沙水道工程圍堤頭部內(nèi)外側(cè)潮位(85高程,下同變化過程見圖4,各測點位置見圖1。 /m/h圖4 圍堤頭部內(nèi)外側(cè)潮位變化過程由圖4可見,在防洪設(shè)計洪水大潮條件下,落潮期間,落急流速大,水位低,潛堤、潛壩兩側(cè)存在較大水位差,易產(chǎn)生明顯跌水現(xiàn)象,如落急時刻圍堤頭部外側(cè)水位較內(nèi)側(cè)高出約0.3 m ,跌水現(xiàn)象將增強工程附近水體的紊動,有利于工程附近局部沖刷的產(chǎn)生5;而漲潮期間,漲急流速小,水位高,圍堤內(nèi)外側(cè)無明顯水位差,亦無明顯的跌水現(xiàn)象產(chǎn)生,不利于顯著的局部沖刷現(xiàn)象產(chǎn)生。從以上分析

13、可見,選擇防洪設(shè)計洪水大潮落急流速作為試驗水力條件開展白茆沙水道整治工程局部沖刷問題研究是合理的。在防洪設(shè)計洪水大潮落潮條件下流速過程線上出現(xiàn)一個“高流速平臺”,在該過程中流速變化雖然不大,但潮位變化明顯?？紤]白茆沙水道工程建筑物頂部高程變化特征,擬選擇兩個特征水位下的水力條件作為模型的試驗水力條件,一個是工程區(qū)域平均水位約1.7 m 的落急流場,與“高流速平臺”最大值基本對應(yīng);另一個是工程區(qū)域平均水位約0.7 m 的準落急流場,與“高流速平臺”末端拐點基本對應(yīng),接近最低潮位。試驗成果取兩種試驗水力條件下工程附近最不利局部沖刷情況的組合,這種試驗水力條件的組合可以基本同時確保堤頂高程較低的丁壩

14、、潛堤和堤頂高程較高(1.0 m 的圍堤、護灘帶局部沖刷達到最不利狀態(tài)。需要說明的是,本文提及用于局部正態(tài)模型試驗的流場不是瞬時流場而是潮波自下而上傳播過程中工程區(qū)域各點同一相位時刻的水流運動組成的流場,它反映的是潮波運動過程中某個相位的水流運動的傳播過程,在這個傳播過程中,工程上每個點流速均達到或接近目標值,可以在模型上采用恒定流較好的模擬(后文的水流驗證將予以證明,而瞬時流場是非恒定流的一個瞬間狀態(tài),不宜在模型上用恒定流模擬。為了方便,在下文模型設(shè)計和水流驗證中僅以防洪設(shè)計洪水大潮落急流場(對應(yīng)工程區(qū)域平均水位約1.7 m 為例進行說明。3 模型設(shè)計在潮汐河口采用局部正態(tài)模型研究局部沖刷問

15、題時,模型設(shè)計不僅涉及常規(guī)的模型比尺選取、模型沙選擇和建筑物模擬等,還需涉及模型邊界的確定和模型的整體變坡。根據(jù)試驗特性、模型場地、模型沙選擇及實驗室供水能力等綜合考慮,選擇白茆沙水道工程局部正態(tài)模型幾何比尺L =H = 125,其流速比尺V =11.18。3.1 模型邊界確定方法在徑流河段采用局部正態(tài)模型可以直接將109 第 11 期劉猛,等:局部正態(tài)物理模型在潮汐河口的應(yīng)用研究*流線作為岸線,但在潮汐河口情況則不同,由于潮棱體的存在,潮汐河口兩岸之間潮通量沿水流方向是變化的,越往口外潮量越大,若采用某個試驗流場的流線直接作為岸線,流線之間潮量也是變化的,不符合開展恒定流試驗對流量沿程不變的

16、基本要求,因此,若想在潮汐河口開展局部正態(tài)模型試驗,必須解決模型邊界確定的技術(shù)難題,選擇的模型邊界必須滿足以下兩點: 1對于選定的目標試驗流場,若統(tǒng)計模型邊界范圍以內(nèi)流量時,沿程流量應(yīng)基本相等。2對于選定的目標試驗流場,模型邊界各處切線方向與流向夾角應(yīng)盡可能小,否則會影響目標試驗流場,根據(jù)規(guī)范要求,其最大夾角不應(yīng)超過10°。下面對白茆沙水道工程局部正態(tài)模型采用的岸線確定方法及效果進行介紹,模型邊界確定方法可總結(jié)為3個步驟(圖5,即選流線、畫斷面和移交點,具體如下: 圖5 模型邊界確定示意圖1選流線。在目標試驗流場中提取3根流線,分別為左側(cè)流線、右側(cè)流線和參考流線,左側(cè)流線和右側(cè)流線分

17、別作為模型左側(cè)岸線和右側(cè)岸線最終確定的初始位置,參考流線位置在模型入流處盡可能將左側(cè)流線和右側(cè)流線之間流量均分為二。2畫斷面。在目標試驗流場中順水流方向布置了12個斷面(斷面越多,最終確定的模型邊界位置越精確,但計算量也相應(yīng)增加,每個斷面均與左側(cè)流線、右側(cè)流線和參考流線相交。3移交點。在每個斷面上分別對左側(cè)流線和右側(cè)流線與斷面的交點位置進行調(diào)整,既要確保每個斷面上新得到左側(cè)交點至參考流線之間的流量基本相等,也要確保每個斷面上新得到右側(cè)交點至參考流線之間的流量基本相等,將各斷面上左右兩側(cè)新得到的交點分別平順連接,便得到需要的模型邊界。通過上述岸線的確定,模型邊界之間的流量沿程基本相等,而調(diào)整前左

18、側(cè)流線與右側(cè)流線之間的流量在進口與出口位置相差超過20%;比較模型邊界與目標流場發(fā)現(xiàn),模型邊界各處切線方向與流向夾角基本在3°以內(nèi),最大僅為5°,完全滿足規(guī)范7小于10°要求,可見按照上述方法確定的模型邊界是可以滿足白茆沙水道工程局部正態(tài)模型設(shè)計的要求,目標試驗流場可以在模型中較好地復(fù)演。上述分析表明在潮汐河口開展局部正態(tài)模型試驗,模型邊界問題是可以較好地解決的。上述的模型邊界確定方法簡便易行且效果好,可以在解決類似問題中使用。最終確定的白茆沙水道工程局部正態(tài)模型最長約140 m,最寬約54 m,面積為3 522 m2,折合天然約55 km2。3.2 模型整體變坡

19、必要性和變坡坡度確定為了滿足模型水流運動與天然相似,通常情況下模型設(shè)計應(yīng)滿足糙率相似條件,即:n=H2/3/L1/2(1式中:n為糙率比尺;H為垂直比尺;L為平面比尺。當L=H=125時,n=2.236,白茆沙水道河段河床天然糙率在0.010.028,根據(jù)糙率相似準則,模型糙率應(yīng)在0.0040.009,受到制作材料的糙率限制,模型糙率是無法滿足的,因此需進行模型的整體變坡處理。長江口特征水面坡度,如平均潮位面坡度、最高潮位面坡度、最低潮位面坡度以及其它潮波是由傳播過程中的相同相位點組成的 110 水運工程2013 年 (如落急流場潮位面坡度均較小,坡度一般在0.010.02。在防洪設(shè)計洪水大潮

20、落急流場條件下,白茆沙水道工程天然水面坡度約為0.018,表明整個工程區(qū)域上下游最大水位差約為0.18 m 。若在局部正態(tài)物理模型上模擬防洪設(shè)計洪水大潮落急流場,其水面坡度可采用下面公式計算9:i v n h 2234=- (2式中:i 為水面坡度;v 為平均流速(m/s;n 為模型糙率;h 為水深(m。根據(jù)式(2計算,白茆沙水道工程局部正態(tài)物理模型水面坡度在0.20.3,這表明模型中整個工程區(qū)域上下游最大水位差約為2.03.0 m ,可見若不進行變坡處理,模型上無法復(fù)演目標試驗流場。考慮到在模型中增加糙率較為容易而減少糙率難以實施,為了便于模型水流的驗證,白茆沙水道工程局部正態(tài)模型整體變坡坡度確定為0.3。4 水流驗證前文對白茆沙水道工程局部正態(tài)模型設(shè)計進行了詳細的闡述,模型設(shè)計的優(yōu)劣最終需通過水流驗證的效果來證明,下面對白茆沙水道工程局部正態(tài)模型水流驗證情況進行介紹。在防洪設(shè)計洪水大潮落急流場條件下根據(jù)兩側(cè)岸線之間的潮通量計算,模型上游徑流施放量約為0.31 m 3/s ,換算至天然為54 000 m 3/s 。經(jīng)過模型河床糙率局部調(diào)整后,模型水面平均坡度最終約為0.32,折算至天然約為0.02,與天然0.018的水面坡降基本吻合,模型各處水深達到目標水深要求。白茆沙水道工程局部正態(tài)模型水流驗證測點位置見圖6,在模型上游進口斷面和工程重點區(qū)域共布置16個流速驗證點,各點流