不同流量條件下河道邊灘最大沖淤特征研究

馮 軍,劉 沖

(1.湖北省漢江河道管理局 杜家臺分洪閘管理分局,湖北 仙桃 433000;2.湖北省漢江河道管理局 洪湖東荊河管理分局,湖北 洪湖 433200)

1 概 述

邊灘是河段輸沙能力相對減弱而產生的局部淤積體,邊灘的形成導致河道淤積,對航道的安全造成較大的影響。針對如何消除或削弱形成淺灘的因素,許多學者進行了相關研究。王金水等[1]對小流域攔砂壩上下游沖淤特征調查進行了分析,結果表明,實體壩與透過性壩的組合模式對溝道回淤形態(tài)影響明顯。彭秀竹等[2]對黃河下游透水丁壩瞬潰后的水力及沖淤特性進行了研究,結果表明,潰壩對主槽的輸沙能力影響較弱,但對壩區(qū)泥沙的起動和沉降有顯著影響。蘇麗[3]對三峽變動回水區(qū)廣陽壩河段河床演變及整治方案進行了研究,結果表明,采用科學的河道治理方案可提升航道尺度。艾海提江·吐魯洪[4]對供水樞紐河道沖淤規(guī)律及成因進行了分析,結果表明,各樞紐河道段的河床沖淤變化形式呈先淤積后沖刷或持續(xù)沖刷趨勢。馬龍飛[5]對金溝河流域泥沙變化特征及河道沖淤進行了分析,結果表明,砂礫石地層分布區(qū)域是河道內泥沙推移質主要來源。周宇偉等[6]對引黃渠道水沙輸移及沖淤規(guī)律進行了研究,結果表明,停水期泥沙淤積是造成渠道淤積的重要因素。

上述文獻研究了上下游沖淤特征,分析了河道沖淤規(guī)律。本文參考以上研究結論,通過邊灘沖刷模擬試驗,對不同流量條件下,河道邊灘最大沖淤特征進行研究,并對河道邊灘的沖淤深度變化進行分析。

2 試驗材料及方法

2.1 試驗材料

本次邊灘沖刷模擬試驗采用矩型水槽,水槽長32m,寬3.2m,高1m。試驗將水槽分為穩(wěn)水區(qū)、試驗區(qū)、尾水區(qū),穩(wěn)水區(qū)長18m,試驗區(qū)長7.6m,尾水區(qū)長6.4m。模擬試驗選取試驗區(qū)順直段3個斷面進行研究,分別為A1、A2、A3斷面。其中,A1斷面為灘頭與順直段的邊界;A2斷面為灘體中心線位置;A3斷面為順直段與灘尾段的邊界。水槽及試驗斷面位置見圖1。

圖1 水槽平面及測試斷面位置(單位:mm)

為了模擬河道岸邊的環(huán)境,將水槽底部和邊壁采用混凝土抹面,保持底部和邊壁粗糙。在水槽中,邊灘中心線位置鋪設厚250mm的沙床,作為河道沙灘;卵石推移質中,粒徑1.2mm,容重2.73～2.82kN/m3,非均勻系數Cu=1.846。水槽上游設置進水口和攔污網,進水口設置矩形存水槽穩(wěn)定水流,進水口附近的攔污網攔截水流中可見雜質;水槽內的水位高度可通過水槽出口的尾門調節(jié),尾門后設置沉沙池,通過沉沙池可減少出口水流泥沙的淤積。

試驗水槽中水流的流速采用高精度聲學多普勒點式流速儀測量,該測量儀為非接觸式測量系統(tǒng),是由傳感器探頭發(fā)射超聲波,遇到控制體后反射,并由接收探頭接收反射的信號,其測量精度為±0.01cm/s。動水試驗后的地形采用水工物理模型地形測量系統(tǒng),該測量系統(tǒng)為非接觸式測量,用于水槽退水完全干后的地形測量,可實時顯示沖刷后地形斷面的測量。

2.2 試驗方法

本次試驗為某段河道的河灘沖刷過程模擬,通過河道順直邊灘的特征參數,參考該河道的彎道凸岸邊灘和過渡邊灘的平面形態(tài),并對邊灘的面積和尺寸進行分析。根據分析數據,將河道邊灘進行比例縮放,設置兩種不同規(guī)格的邊灘,分別為邊灘1和邊灘2。

邊灘1的長7.6m,寬1.8m,高0.25m,平灘順直段為1.1m,迎水面、背水面和臨水面均為斜平面,灘頭和灘尾為平穩(wěn)過渡的弧形面。其中,迎水坡的坡度11°,迎水坡坡比1∶8.5;背水坡的坡度5°,背水坡的坡比1∶17.5。灘體中間的順直段由平面灘體和斜面坡體組成,與河道實際灘體保持一致,順直段臨水坡坡比1∶5.6,邊灘1的平面形態(tài)見圖2。

圖2 邊灘1的平面形態(tài)

邊灘2的長、寬、高形態(tài)參數與邊灘1均相同,其迎水坡的坡度16°,迎水坡坡比為1∶8.5;背水坡的坡度為8°,背水坡的坡比為1∶17.5,順直段臨水坡坡比1∶4.8,邊灘2的平面形態(tài)見圖3。

圖3 邊灘2的平面形態(tài)

為了研究在相同水深條件下,不同流量對河道及河灘的沖刷特征,試驗設計3種不同大小流量,分別為100、140、180L/s。試驗前,保持水槽內水位均為12cm,以邊灘1和邊灘2為研究對象,分別在3種流量條件下對河道和河灘進行沖刷試驗。為了防止開泵時由于水流的不穩(wěn)定對河灘造成無效的沖刷,需先對水槽進行灌水,灌水持續(xù)1.8h,直至水槽內水位基本保持平穩(wěn)后,再進行沖刷試驗。待開泵后,水流流速穩(wěn)定,再將尾門緩慢調節(jié)至設計水深。水槽兩岸分布若干高清測量設備,對灘體的沖刷試驗進行實時跟蹤,沖刷試驗持續(xù)6h后,待河道和河灘達到沖淤平衡后停止試驗。試驗結束后,等待水槽水流緩緩退去,保證試驗沖刷地形的完整。

3 試驗結果與分析

3.1 不同流量條件下邊灘1沖淤深度變化

試驗結束后,根據測量數據,在不同流量條件下,邊灘1順直段斷面沖淤變化見圖4。其中,正值表示沖刷;負值表示淤積。

圖4 邊灘1順直段斷面沖淤變化

由圖4(a)可知,在流量為100L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度逐漸減小。在距水面距離30cm時,沖刷深度減小為0,然后在水流作用下,沖刷深度逐漸增大,在距水面距離40cm時,沖刷深度達到最大,最大值為0.1cm;在水流持續(xù)作用下,沖刷深度逐漸減小直至為0,然后泥沙開始淤積,當距水面130cm時,水流再次進入沖刷狀態(tài),沖刷深度為0.02cm。A2斷面在A1斷面水流攜沙作用下,先處于淤積狀態(tài),然后隨著水流的沖刷,沖刷深度快速增大,在距水面距離30cm時,沖刷深度達到最大,最大值0.24cm;達到最大值后,沖刷深度快速減小直至減小為0后,開始進入淤積狀態(tài);在距水面距離50cm時,淤積深度達到0.02cm;隨著水流的持續(xù)作用,A2斷面進入沖刷狀態(tài),且隨著距水面距離的增大,沖刷深度先增大再減小。A3斷面先處于淤積狀態(tài),然后在水流作用下,隨著距水面距離的增大,沖刷深度先增大再減小至0,然后進入淤積狀態(tài)。在距水面距離30cm時,淤積深度為0.02cm,然后在水流持續(xù)作用下,進行沖刷狀態(tài),且呈先增大再減小趨勢。由此可知,在A2斷面即灘體中心線位置,距水面距離30cm時,沖刷深度最大,而A1斷面和A3斷面處于淤積狀態(tài)。

由圖4(b)可知,在流量為140L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度在距水面距離0～10cm階段快速減小,隨后減小狀態(tài)趨于穩(wěn)定,直至沖刷深度減小至0,然后進入淤積狀態(tài),當距水面距離70cm時,淤積深度達到最大,最大值0.44cm。在水流持續(xù)作用下,處于淤積狀態(tài)A1斷面逐漸進行沖刷狀態(tài),在沖刷深度為0.07cm時,沖刷深度逐漸減小至0,然后再次進入淤積狀態(tài)。在水流持續(xù)作用下,A2斷面隨著距水面距離的增大,其沖刷深度先減小再增大,然后基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。當距水面距離10cm時,A2斷面的沖刷深度最小,最小值0.01cm;當距水面距離30cm時,A2斷面的沖刷深度最大,最大值為0.73cm。A2斷面在水流攜沙作用下,先處于淤積狀態(tài),隨著距水面距離的增大,沖刷深度先增大再減小,在距水面距離大于80cm階段,沖刷深度基本處于平穩(wěn)狀態(tài)。由此可知,在距水面距離30cm時,A2斷面和A3斷面沖刷深度最大;在距水面距離70cm時,A1斷面處于淤積狀態(tài),且淤積深度最大。

由圖4(c)可知,在流量為180L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面和A3斷面的沖刷深度均呈先增大再減小趨勢,而A2斷面的沖刷深度呈先減小再增大,然后再減小趨勢。當距水面距離30cm時,A1斷面的沖刷深度最大,最大值1.85cm;當距水面距離70cm時,A1斷面的沖刷深度最小,最小值0.76cm。當距水面距離40cm時,A2斷面的沖刷深度最大,最大值為2.6cm;當距水面距離10cm時,A2斷面沖刷深度最小,最小值為1.43cm。當距水面距離60cm時,A3斷面的沖刷深度最大,最大值3.26cm;當距水面距離為0時,A3斷面的沖刷深度最小,最小值為0.41cm。

綜上可知,在距水面距離相同條件下,水流流量越大,沖刷深度越深。在流量為100L/s條件下,隨著距水面距離的增大,各斷面的沖刷深度和淤積深度處于上下波動趨勢,變化較大;在流量為140L/s條件下,當距水面距離大于80cm時,各斷面的沖刷深度趨于平穩(wěn);在流量為180L/s條件下,隨著距水面距離的增大,各斷面的沖刷深度均呈先增大再減小趨勢。

3.2 不同流量條件下邊灘2沖淤深度變化

試驗結束后,根據測量數據,在不同流量條件下,邊灘2順直段斷面沖淤變化見圖5。其中,正值表示沖刷;負值表示淤積。

圖5 邊灘2順直段斷面沖淤變化

由圖5(a)可知,在流量為100L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度先增大再減小,然后再增大再減小。在距水面距離50～70cm階段,A1斷面的沖刷深度最小,最小值1.73cm,然后隨著水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度逐漸增大;當在距水面距離110cm時,沖刷深度最大,最大值2.43cm。隨著距水面距離的增大,A2斷面和A3斷面的沖刷深度均呈上下波動趨勢,且波動幅度較小。當在距水面距離110cm時,A2斷面沖刷深度最大,最大值0.48cm;當在距水面距離130cm時,A3斷面沖刷深度最大,最大值0.59cm。由此可知,在流量較小時,A1斷面沖刷深度較明顯;A2斷面和A3斷面沖刷深度上下波動較大,變化無規(guī)律。

由圖5(b)可知,在流量為140L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度先增大再減小至0;在距水面距離40～90cm階段,A1斷面進入淤積狀態(tài),最大淤積深度0.21cm;在距水面距離90～120cm階段,A1斷面進入沖刷狀態(tài)。隨著距水面距離的增大,A2斷面和A3斷面的沖刷深度均先增大再減小。當距水面距離30cm時,A2斷面的沖刷深度最大,最大值為1.44cm;當距水面距離40cm時,A3斷面的沖刷深度最大,最大值2.52cm。由此可知,在相同流量條件下,A1斷面處于沖刷和淤積之間上下波動狀態(tài);A2斷面和A3斷面沖刷深度均先增大再減小。

由圖5(c)可知,在流量為180L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度先增大再減小,然后再增大。當距水面距離70cm時,A1斷面的沖刷深度最小,最小值0.45cm;當距水面距離130cm時,A1斷面的沖刷深度最大,最大值1.92cm。A2斷面的沖刷深度先減小再增大,然后再減小再增大。當距水面距離10cm時,A2斷面的沖刷深度最小,最小值1.3cm;當距水面距離40cm時,A2斷面的沖刷深度最大,最大值3.33cm。A3斷面的沖刷深度先減小再快速增大,然后再逐漸減小。當距水面距離10cm時,A3斷面的沖刷深度最小,最小值0.41cm;當距水面距離60cm時,A3斷面的沖刷深度最大,最大值4.14cm。由此可知,在相同大流量條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度變化范圍處于0.4～2cm范圍內,深度變化較小;A2斷面和A3斷面的沖刷深度變化明顯。當距水面距離大于80cm時,A1斷面和A2斷面的沖刷深度逐漸增大;A3斷面的沖刷深度逐漸減小。

綜上可知,在距水面距離相同條件下,水流流量越大,沖刷深度越深。在流量為100L/s條件下,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度最大,A2斷面和A3斷面的沖刷深度處于上下波動趨勢,變化無規(guī)律。在流量為140L/s條件下,A1斷面處于沖刷和淤積之間上下波動狀態(tài),A2斷面和A3斷面沖刷深度均先增大再減小。在流量為180L/s條件下,當距水面距離大于40cm時,A1斷面和A2斷面沖刷深度均呈先減小再增大趨勢,A3斷面呈先增大再減小趨勢。

4 結 論

本文通過邊灘沖刷模擬試驗,在不同流量條件下,對河道邊灘最大沖淤特征進行了研究,并對兩種邊灘(邊灘1、邊灘2)的沖淤深度變化進行了分析。結論如下:

1)在邊灘1條件下,當距水面距離相同時,水流流量越大,沖刷深度越深。當流量為100L/s時,隨著距水面距離的增大,A1斷面、A2斷面和A3斷面的沖刷深度和淤積深度均處于上下波動趨勢,變化較大;當流量大于100L/s,距水面距離大于20cm時,A3斷面的沖刷深度大于A1斷面和A2斷面。

2)在邊灘2條件下,當距水面距離相同時,水流流量越大,沖刷深度越深。當流量為100L/s時,隨著距水面距離的增大,A1斷面的沖刷深度最大;當流量大于100L/s,距水面距離大于30cm時,A3斷面的沖刷深度大于A1斷面和A2斷面。

3)在流量相同條件下,當距水面距離相同時,灘體臨水面坡度越大,其水流結構越復雜,沖刷深度越大。