不同護(hù)坡方式下的河道堤防內(nèi)波水動(dòng)力特征試驗(yàn)分析

楊書山

(遼寧省鞍山市岫巖縣水利事務(wù)服務(wù)中心，遼寧 鞍山市 114300)

當(dāng)前，河道堤防設(shè)計(jì)需要結(jié)合護(hù)坡方式確定其內(nèi)波相應(yīng)的水動(dòng)力學(xué)特征，從而提高堤防在高洪期間受水力沖刷的穩(wěn)定性[1]。而由于缺少相應(yīng)的計(jì)算方程，對(duì)于內(nèi)波動(dòng)力學(xué)特征分析主要還依靠水槽試驗(yàn)進(jìn)行[2- 6]，這種方式下需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，且不同護(hù)坡方式下其內(nèi)波水動(dòng)力特征不同，單一護(hù)坡方式下的試驗(yàn)方程很難具有通用性[7]。為此需要結(jié)合不同護(hù)坡方式進(jìn)行試驗(yàn)分析，從而確定不同河道護(hù)坡方式下的內(nèi)波水動(dòng)力學(xué)特征[8]。近些年來(lái)，大型室內(nèi)水槽試驗(yàn)成為研究河道堤防水力學(xué)特征的方式[9- 15]，為此本文結(jié)合室內(nèi)水槽試驗(yàn)方式，重點(diǎn)對(duì)碾壓混凝土、漿砌石護(hù)坡、格賓石籠護(hù)坡、高性能加筋草皮4種常用護(hù)坡方式下，下河道堤防內(nèi)波水動(dòng)力特征進(jìn)行分析，結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果探討相應(yīng)內(nèi)波下的水動(dòng)力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，研究結(jié)果對(duì)于河道堤防穩(wěn)定性設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)方案

本次采用室內(nèi)水槽試驗(yàn)方式，不同護(hù)坡方式下河道堤防內(nèi)波的水動(dòng)力特征進(jìn)行分析。試驗(yàn)水槽長(zhǎng)度為120m，寬度為3.5m，高度為2.5m。河槽泥砂厚度為30cm，邊坡n為1∶2，底寬1.0m，每側(cè)灘地寬度為0.37m，河槽剖面如圖1所示。在河道堤防上游段每隔10m設(shè)置有流速儀以及自動(dòng)水位計(jì)。在試驗(yàn)水槽內(nèi)部設(shè)置深度為1.0m的測(cè)試區(qū)，用來(lái)設(shè)置不同護(hù)坡方式。設(shè)置的4種常用護(hù)坡方式如圖2所示。在進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)時(shí)，共進(jìn)行24組放水試驗(yàn)，各種護(hù)坡方式均進(jìn)行6組試驗(yàn)，部分試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2 主要指標(biāo)計(jì)算方程

主要計(jì)算河流水流內(nèi)波的水動(dòng)力特征，測(cè)定的主要指標(biāo)為平均水深及流速均值的相關(guān)方程。主要通過建立水流內(nèi)波的水深dm與流量qws之間的相關(guān)關(guān)系，相關(guān)方程為：

(1)

式中，dm—水流內(nèi)波的平均水深，m；qws—斷面流量，m3/s；Kdm—內(nèi)坡水深相關(guān)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)于碾壓混凝土、漿砌石、格賓石籠、高性能加筋草皮等四種護(hù)坡而言，其參數(shù)值分別為3.753、2.354、2.251以及2.143。

假定河流內(nèi)波平均流速為斷面水流流量與內(nèi)坡平均水深的比值，則內(nèi)波流速的均值計(jì)算方程為：

(2)

式中，νm—內(nèi)波平均流速，m/s；其他變量同上述方程中的變量含義。

按謝才公式對(duì)方程進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換方程為：

圖2 常用河堤護(hù)坡方式

表1 各護(hù)坡方式下的部分試驗(yàn)組次數(shù)據(jù)

注：Rc為高出河道堤防的水面高度；Hmo為水流有效內(nèi)波的高度；TP為水流內(nèi)波譜周期

(3)

式中，θ—坡角，(°)；fF—范寧摩擦系數(shù)；d—計(jì)算水深，m。

另方程中的兩個(gè)系數(shù)相同，并采用內(nèi)波角β替換方程(3)中的坡角θ，計(jì)算方程為：

(4)

在方程中結(jié)合試驗(yàn)內(nèi)波比例可以推算出4種護(hù)坡方式下的范寧摩擦系數(shù)fF分別為0.0217、0.0652、0.1148、0.1045。因?yàn)榉匠讨蟹秾幠Σ料禂?shù)并非嚴(yán)格意義上的摩擦系數(shù)，需要結(jié)合坡度和底摩阻進(jìn)行內(nèi)坡水深平均值的換算，計(jì)算方程為：

(5)

式中，fF*—轉(zhuǎn)換的摩擦系數(shù)；其他變量同上述方程中的變量含義。

在內(nèi)波平均水深計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合轉(zhuǎn)換系數(shù)對(duì)其內(nèi)坡平均流速進(jìn)行轉(zhuǎn)換計(jì)算，計(jì)算方程為：

圖3 不同護(hù)坡方式下波速和水深的試驗(yàn)結(jié)果

(6)

方程中內(nèi)平均水深和流速計(jì)算的適用范圍為0

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 內(nèi)波平均水深及平均流速相關(guān)關(guān)系

結(jié)合水槽方式試驗(yàn)，分析不同護(hù)坡方式下內(nèi)波平均水深與流速之間的相關(guān)關(guān)系，并分析不同護(hù)坡方式下波速和水深的試驗(yàn)關(guān)系，分析結(jié)果見表2及圖3。

表2 不同護(hù)坡方式下內(nèi)波平均水深與流速之間的相關(guān)關(guān)系試驗(yàn)結(jié)果

結(jié)合波速和水深的推求方程，對(duì)不同護(hù)坡方式下的內(nèi)波波速與水深的相關(guān)關(guān)系進(jìn)行了分析，從表2中可看出，波速與水深均呈現(xiàn)較為明顯的線性關(guān)系，波速是水深的重要影響因素。高性能加筋草皮的相關(guān)系數(shù)最高，這種方式下的范寧摩擦系數(shù)最小，使得其內(nèi)波波速與水深線性關(guān)系擬合度較高，漿砌石下相關(guān)系數(shù)最低，漿砌石增加了范寧摩擦系數(shù)，使得對(duì)應(yīng)的波速減小，且與水深的相關(guān)關(guān)系減弱。通過不同護(hù)坡方式下的波速和水深的相關(guān)方程可看出，同一水深條件下，碾壓混凝土下的波速最大，對(duì)堤防的安全影響程度較大。從圖3中可看出，高性能加筋草皮水深較高的區(qū)域，波速散點(diǎn)約為集中，而其他護(hù)坡方式下水深較大的區(qū)域，其散點(diǎn)分布較為凌亂。

3.2 內(nèi)波波高與峰值水深分布關(guān)系

結(jié)合內(nèi)波特征值波高計(jì)算值以及特征峰值水深下的擬合散點(diǎn)，探討了特征波高與峰值水深的轉(zhuǎn)換關(guān)系和曲線擬合方程，結(jié)果見表3及圖4—5。

表3 不同護(hù)坡方式下河道堤防內(nèi)波波高與水深的分布關(guān)系分析結(jié)果

從圖4中可看出，各有效波高條件下的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值的擬合度均較高，隨著有效波高的遞增，其擬合度有所減小，這一原因在于放水試驗(yàn)的時(shí)間較短，試驗(yàn)樣本不能完全滿足有效波高的計(jì)算。對(duì)于河道堤防而言，洪水波對(duì)河道堤防的沖刷影響主要在于特征峰值，從特征波高與特征峰值水深之間的曲線擬合關(guān)系可看出，當(dāng)Rc逐步趨于最大時(shí)，特征峰值對(duì)于的水深逐步趨于穩(wěn)定變化，這表明不同內(nèi)波之間存在波谷為0的區(qū)域，當(dāng)Rc達(dá)到最大值時(shí)，特征波高與特征峰值對(duì)于的水深相同，此外從圖5中還可看出不同護(hù)坡方式下對(duì)各散點(diǎn)數(shù)據(jù)分布影響程度較小。結(jié)合表1中特征波高與峰值水深轉(zhuǎn)換關(guān)系及其擬合曲線方程，可以對(duì)不同護(hù)坡方式下的特征波高與特征峰值水深進(jìn)行換算。

圖4 內(nèi)波特征波高計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果

圖5 內(nèi)波特征波高與特征峰值水深之間的曲線擬合關(guān)系

3.3 內(nèi)波均方根波高與平均波速的計(jì)算

結(jié)合測(cè)定的波速和水深試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)不同護(hù)坡方式下的內(nèi)波均方根波高與平均波速進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合計(jì)算數(shù)據(jù)，點(diǎn)繪其曲線擬合及相關(guān)方程，探討不同護(hù)坡方式下的內(nèi)波均方根波高與平均流速的簡(jiǎn)單計(jì)算公式，分析結(jié)果見表4和圖6。

圖6 不同護(hù)坡方式下的波高估算及波速試驗(yàn)擬合結(jié)果

表4 內(nèi)波均方根波高與平均流速的簡(jiǎn)單計(jì)算方程

通過內(nèi)波波高分布關(guān)系對(duì)特征峰值對(duì)應(yīng)的水深及特征波高建立相關(guān)方程，因此基于內(nèi)坡均方根即可計(jì)算內(nèi)波不同特征下的波高和不同特征峰值下的平均水深。從圖6中Hrms～Rc的關(guān)系中可看出，不同護(hù)坡方式下的各試驗(yàn)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)較為明顯的分布一致性變化，而vm～gqws呈現(xiàn)較為明顯的線性相關(guān)，不同護(hù)坡方式對(duì)其線性相關(guān)影響程度較低。從圖中還可看出，高性能加筋草皮不同相關(guān)關(guān)系的散點(diǎn)都分布在上端，這主要是因?yàn)楦咝阅芗咏畈萜?duì)河道堤防內(nèi)波水動(dòng)力特征影響程度較小，因此同一試驗(yàn)條件下的相關(guān)性更高，散點(diǎn)更為集中。結(jié)合表6不同護(hù)坡方式下的內(nèi)波均方根波高與平均流速的簡(jiǎn)單計(jì)算方程，可以推算不同護(hù)坡下的特征波高及波速，方便工程設(shè)計(jì)計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)本文建立的特征峰值水深與波高的擬合方程可用來(lái)進(jìn)行峰值水深的預(yù)測(cè)，適用范圍為-0.31

(2)本文建立的均方根波高與平均流速計(jì)算方程適用范圍為0

(3)四種常用護(hù)坡方式按影響程度高低劃分為：高性能加筋草皮>格賓石籠>碾壓混凝土>漿砌石。

(4)本文重點(diǎn)分布不同護(hù)坡方式下對(duì)局部試驗(yàn)斷面內(nèi)波水動(dòng)力特征的影響，但為探討其沿程水動(dòng)力特征的變化，存在不足。