水庫支流異重流入匯區水沙演化特點試驗研究

王婷 王遠見 馬懷寶

摘 要：為研究水庫支流異重流入匯問題，借助水槽試驗，分析了支流異重流入匯干流前后水流運動狀態、異重流頭部特點以及流速、含沙量變化，研究了不同影響因素條件下倒灌干流異重流渾液面、異重流頭部流速以及倒灌長度的變化特點。研究表明：隨著流量、含沙量及入匯角增大，異重流倒灌干流厚度、頭部流速以及倒灌距離增大;隨干流比降增大，異重流倒灌干流厚度、頭部流速以及倒灌距離減小;流量、入匯角及比降對倒灌影響較大，而含沙量變化對倒灌影響較小。

關鍵詞：支流異重流;交匯區;倒灌;渾水厚度

中圖分類號：TV145 文獻標志碼：A

doi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.05.011

Abstract： By means of flume test and taking the tributary density flow as the research object， the paper analyzed the flow movement state， the head characteristics of density flow and the change of velocity and sediment concentration of backflow density from tributary into the main stream and studied the variation law of the muddy liquid level， the head velocity and the length of backflow density under different influence factors. The results show that with the increase of flow capacity， sediment concentration and inflow angle， the thickness， head velocity and backflow distance of the main flow are increased; with the increase of the gradient of main flow， the thickness， head velocity and backflow distance are decreased; the flow capacity， inflow angle and gradient have great influence to the backflow， but the change of sediment concentration has little influence to the backflow.

Key words： tributary density current; confluence area; backflow; muddy water thickness

1 引 言

對于修建在多沙河流上的水庫，支流高含沙洪水入匯可引起局部地形大幅度調整，甚至產生較大規模的沙壩而形成二級水庫，在一定程度上制約了水庫綜合效益的發揮。若支流位于水庫回水區，支流洪水可直接形成高含沙異重流匯入干流庫區，并分別向上游和下游擴散，不僅局部流場復雜，而且局部地形也會隨之發生大幅度調整。例如劉家峽水庫大壩上游1.5 km處匯入的支流洮河是一條多沙河流，洮河渾水多以異重流形式進入黃河干流，在干流形成沙壩，水庫高水位時，沙壩阻擋泥沙在庫區的輸送;低水位時，沙壩攔蓄了其上游來水，影響水庫綜合效益。

目前，水庫異重流入匯相關的研究成果大多限于干流異重流入匯，且主要集中在干流倒灌支流理論及數學模型模擬[1-4]、交匯區水流結構[5-8]、交匯區泥沙運動和河床演變[9-12]三個方面，研究內容主要涉及干流渾水以異重流或明流流態倒灌支流、支流渾水以明流入匯倒灌干流引起的相關問題，或者不同匯流比、干支流流量、入匯角等條件下支流清水或者渾水以明流入匯干流的交匯區域水沙演化及泥沙淤積規律等問題，針對水庫支流異重流入匯問題的研究相對較少。談廣鳴等[13]將相當復雜的干支流異重流入匯運動問題用一個計算程序來處理，計算不同方案下的庫區異重流運動和水庫排沙情況，研究成果具有較大的科學價值與生產意義。但是，因為在計算中作了許多簡化和假定，且未考慮以支流來水來沙為主的支流異重流倒灌干流問題，所以還有待進一步完善。除此之外，其他關于支流異重流入匯的研究成果較少，特別是對水庫影響更為顯著的一種狀態，即支流高含沙異重流入匯而干流能量相對微弱的情況，支流異重流輸移與倒灌基礎研究方面幾乎未有涉及。

筆者針對支流高含沙異重流入匯而干流能量相對微弱的情況，重點研究不同流量、含沙量、入匯角以及比降等條件下異重流入匯區的水流流態、異重流運動及擴散過程、渾液面變化規律，分析入匯區的流速、含沙量分布變化規律。

2 試驗方案

2.1 試驗水槽

試驗水槽見圖1，干流長約30 m、寬0.45 m，兩條支流入匯角分別為60°和90°，長約10 m，寬0.3 m。干支流進口配備電磁流量計和閥門控制清水進水流量，水槽前端設孔口箱控制渾水流量，尾部設活塞式尾門控制尾水位，見圖2。

2.2 測驗內容

試驗過程中需要在干支流交匯區域以及支流異重流倒灌干流區域測驗異重流的流速垂向及沿程分布，同時人工輔助觀測交匯區水流流態、渾水厚度、異重流頭部運行時間以及異重流倒灌長度。采用2D/3D電磁流速儀測流速，采用虹吸管分層取樣，采用比重瓶法計算含沙量，異重流頭部傳播時間用秒表測量，渾水厚度及進入干流的異重流倒灌長度采用人工測量。測驗斷面位置如圖3所示。

2.3 試驗方案

試驗目的是分析不同流量、含沙量、入匯角及比降等因素對支流異重流入匯區水沙演化及泥沙淤積的影響。結合工程實際，對不同影響因素進行組合，開展多組試驗。

水沙條件：流量為0～4 L/s，含沙量為10～300 kg/m3，本研究針對支流異重流入匯而干流能量相對微弱情況，不考慮干流入庫水沙條件。邊界條件：考慮支流分別位于干流三角洲洲面段和三角洲前坡段，選取干流河底比降分別為0.015 0、0.001 5，支流比降為0.005 0。水庫調度方式：蓄水排沙狀態（干支流交匯區為異重流輸沙）。模型沙采用黃河花園口河段淤積的細沙，d50為0.007 mm。

不同組次按“流量-含沙量-入匯角-比降（Q-S-a-J）”編號，如4-200-60-0.015表示支流入口流量為4 L/s，含沙量為200 kg/m3，支流入匯角為60°，干流比降為1.5%。

3 支流異重流入匯干流運動描述

3.1 支流異重流入匯干流前

異重流形成后，向前運動推動不同含沙量、顆粒級配與組成的懸沙不斷發生摻混，其動力過程和淤積過程隨時空演化，引起水流變形，如泥沙輸移、沖刷或淤積、摻混、卷吸清水等，見圖4。異重流從幾何形態可分為3種明顯部分，即頭部、身體和尾部。異重流頭部可概化為半橢球體，在大多數情況下，頭部厚度略大于身體和尾部，這是因為異重流前進時受到前方清水施加的阻力。頭部在異重流運動中起到了重要的作用，因為強烈的三維影響和集中的摻混主要發生在這里。異重流在頭部之后產生大的波浪，形成了一個局部摻混區域，導致清水被卷吸進入異重流。身體部分又分為兩個部分，密度較大的底部區和在此之上的懸浮摻混區之間的界面展現了身體的不連續性（水體分層），這導致了流速、含沙量及黏性的突然的垂向上梯度，見圖5。

3.2 支流異重流入匯干流后

支流異重流經過口門進入干流后，由于約束邊壁突然擴寬，因此異重流頭部迅速擴大，形成“蘑菇云”形態，見圖6。隨后異重流繼續前行到達干流邊壁，受到干流邊壁阻礙，異重流頭部流線發生變形，渾水發生爬高、卷吸、摻混清水等現象（見圖7），并產生巨大的局部能量損失，渾水的動能變為勢能和熱能，又轉化為動能，同時向干流上下游擴散，在干支流交匯區形成旋渦，造成水流強烈的紊動，見圖8。受地形條件影響，倒灌干流上游的異重流厚度明顯小于支流內部的，見圖9。

持續釋放一定流量的渾水進入水槽支流，異重流便繼續向前運動，經過支流口門流向干流上下游。流向下游的異重流到達尾門后排泄渾水，保持渾液面不抬升。尾門排泄渾水前，倒灌干流上游的異重流運動狀態與支流異重流相似，見圖10。尾門泄流后，倒灌進入干流的渾水運行速度減緩，并且部分渾水向下游運動，干流上游渾水運行至支流口時，一部分倒灌進入支流，一部分流向下游，在支流口形成上下兩層渾水運動層，見圖11，其中底層渾水為支流來水進入干流后向干流上下游運動，上層為干流渾水倒灌進入支流。

從試驗過程可以看出，支流異重流在密度差和動水壓力差的作用下進入干流上游，密度差由含沙量的差異產生，動水壓力差是由邊壁阻力和支持力作用產生的。受水沙條件、邊界條件以及能量損失等影響，支流異重流倒灌干流運行一定距離后將不再前行。

4 流速、含沙量分布

各測驗斷面流速、含沙量垂線仍然為異重流分布規律：上層清水沒有流速，清渾水交界面以下隨著水深增加流速增大，在接近底部時達到流速最大值;上層含沙量較小，隨著水深增加，含沙量逐漸增大，其極大值位于底部，如圖12所示。對比各斷面流速、含沙量可以發現：隨著異重流向前運行，流速、含沙量逐漸衰減。在支流內部（支流內部表示支流進口至干支流交匯處，下同），即從1斷面至2斷面，流速、含沙量衰減相對較慢;在交匯區，即從支流口門2斷面流向干流上游3斷面和干流下游5斷面，流速、含沙量衰減較快;倒灌干流上游（干流上游表示支流口門至干流上游部分，下同），即從3段面至4斷面，流速、含沙量衰減幅度也較快，而干流下游（干流下游表示支流口門至干流下游部分，下同），即從5斷面至6斷面，流速、含沙量衰減幅度相對較小。

5 異重流頭部流速分析

異重流頭部流速變化如圖13所示，可以看出，異重流輸移過程中，頭部流速沿程衰減。異重流從支流內部輸移至干支流交匯區時，分別向上下游輸移，其中分流后流向干流上游的異重流流速先出現驟降，之后慢慢衰減，而流向干流下游的異重流，頭部流速衰減相對較慢。

交匯區倒灌干流異重流頭部流速與流量、含沙量、入匯角及干流比降密切相關。不同流量異重流倒灌頭部流速如圖14所示，可以看出，在含沙量、入匯角和比降相同的條件下，隨著流量增大，異重流倒灌頭部流速增大，倒灌流速衰減幅度隨著流量增大而增大，倒灌流速沿程衰減趨勢表現一致。

不同含沙量異重流倒灌頭部流速如圖15所示，可以看出，在流量、入匯角及比降相同的條件下，隨著含沙量增加，異重流倒灌頭部流速增大，倒灌流速沿程衰減速度較快。不同入匯角異重流倒灌頭部流速如圖16所示，可以看出，在其他條件相同的條件下，入匯角越大，意味著倒灌流量越大，異重流倒灌頭部流速越大，異重流頭部衰減速度相對較慢。干流比降越大，意味著倒灌爬坡消耗能量越大，異重流頭部流速衰減越快。

6 渾液面高程及異重流厚度分析

干支流異重流渾液面高程變化過程如圖17所示，可以看出，從支流進口至交匯處支流口門，異重流渾液面高程經歷先下降后抬升的過程。渾液面下降主要是因為異重流剛剛形成，受水壓力作用收縮，從而引起渾液面下降;在接近支流口門處抬升，主要是因為干支流交匯區異重流運行受阻，支流口門異重流壅高。異重流運行至交匯區后，分別向干流上下游擴散，渾液面高程降低，其中向上游倒灌部分的異重流渾液面基本保持水平，而向下游運行的異重流渾液面與河底基本保持平行。

渾液面高程與流量、含沙量、入匯角及干流比降等因素有關。受地形條件影響，將通過異重流厚度來對比不同因素對倒灌渾液面高程的影響，如圖18～圖21所示。在其他因素相同的條件下，入庫流量較大時，倒灌流量較大，異重流厚度較大，渾液面較高;異重流厚度與含沙量存在較弱的正相關關系，即隨著含沙量增加，異重流厚度有所增加，但變化不大;較大的入匯角意味著較多的倒灌分流量，異重流厚度也較大;干流比降越大，異重流厚度衰減越快。

7 倒灌距離分析

異重流倒灌距離隨流量變化如圖22所示，可以看出，隨流量增大，異重流倒灌距離增加。也就是說，流量增大，干流上游倒灌分流量增大，倒灌能量增加，倒灌長度增加。異重流倒灌距離隨進口含沙量變化如圖23所示，可以看出，隨進口含沙量增加，倒灌距離有所增加，但變化不大。干流比降越大，意味著倒灌爬坡消耗能量越大，倒灌能量損失較大，倒灌距離越小。此外，隨入匯角增大，倒灌距離增加。

通過前述分析可知，異重流倒灌距離與流量、含沙量、比降、入匯角有關，不同因素對倒灌距離影響程度不同。其中，流量、比降和入匯角對異重流倒灌影響較為明顯。根據試驗數據，通過回歸分析，得到異重流倒灌距離與流量和比降的關系式。需要說明的是由于含沙量影響較小，大部分試驗組次的入匯角采用60°，本次回歸不考慮含沙量和入匯角影響。

圖24給出了利用式（1）得到的倒灌距離計算值與實測值對比。可以看到，計算結果與實測值吻合較好，可見式（1）對預測支流異重流倒灌干流運行距離有一定的參考價值。

8 結 語

基于水槽試驗，初步分析了不同流量、含沙量、比降以及入匯角等因素對異重流水沙演化的影響。研究表明：隨著流量、含沙量及入匯角增大，異重流倒灌干流厚度、頭部流速以及倒灌距離增大;隨干流比降增大，異重流倒灌干流厚度，頭部流速以及倒灌距離減小;流量、入匯角及比降對倒灌影響較大，而含沙量變化對倒灌影響較小。

由于支流高含沙洪水具有歷時短、強度大的特點以及支流邊界條件的特殊性，因此使得水庫支流異重流物理特性及其對工程的影響不同于干流異重流。關于支流異重流入匯區水沙演化、支流異重流倒灌干流運動規律以及交匯區泥沙淤積分布規律等尚需要深入開展研究。

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【責任編輯 張 帥】