分汊河道近底水流特性試驗(yàn)研究

張 婕, 王平義*, 胡杰龍, 王梅力

(1.重慶交通大學(xué)， 水利水運(yùn)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074； 2.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心， 重慶 400074; 3.重慶交通大學(xué)建筑與城市規(guī)劃學(xué)院， 重慶 400074)

水力特性特別是流速特性對(duì)分汊型河道的泥沙起動(dòng)、灘槽沖淤、分流分沙比、整治建筑物局部沖刷等均有較大影響，其中近底水流起直接作用。分汊河道作為一種重要的河流形態(tài),在長(zhǎng)江中游廣泛存在，水流特性是研究分汊河道河床演變、整治工程等的重點(diǎn)。王云飛[1]、許海勇[2]、肖慶華等[3]相繼開(kāi)展了二維水沙數(shù)值模擬，得到長(zhǎng)江中下游分汊河道水流運(yùn)動(dòng)特性等研究成果，其中不同流量下不同區(qū)域內(nèi)斷面平均流速分布特征以及變化規(guī)律是研究的重點(diǎn)。劉晶等[4]、常宏興等[5]利用三維數(shù)學(xué)模型，探討分析了分汊河段水流結(jié)構(gòu)的三維特性，結(jié)果表明表層和底層流場(chǎng)存在較大的差異，主要體現(xiàn)在水流彎曲曲率以及分流寬度上。物理模型試驗(yàn)也是研究分汊河道水流特性的重要手段，李仟等[6]、顧莉等[7-8]、鄒驥等[9]對(duì)長(zhǎng)江中下游不同河段開(kāi)展了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，分析了不同洲灘形態(tài)、來(lái)流量、汊道寬度比等因素下的水流結(jié)構(gòu)特性及紊動(dòng)強(qiáng)度，研究成果主要包括斷面平均流速以及紊動(dòng)能分布規(guī)律，彎曲分汊河道流場(chǎng)存在明顯的環(huán)流特征，環(huán)流強(qiáng)度主要受江心洲位置的影響。上述的研究采取不同的研究方法，對(duì)長(zhǎng)江中下游分汊河段水流特性與紊流結(jié)構(gòu)進(jìn)行了較為充分的研究，但在分析流速分布等問(wèn)題時(shí)均以垂線(xiàn)平均流速為研究對(duì)象，沒(méi)有考慮近底流速分布規(guī)律及其對(duì)洲灘沖淤的影響。

近年來(lái)，采樣測(cè)量分析等技術(shù)飛速發(fā)展，越來(lái)越多的研究者將目光聚焦近底水流結(jié)構(gòu)，通過(guò)模型試驗(yàn)、理論分析、數(shù)值模擬等手段，對(duì)泥沙起動(dòng)[10-13]、河床變形[14-17]、局部沖刷[18-19]等問(wèn)題進(jìn)行了研究。袁俊[16]通過(guò)多組水槽試驗(yàn)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)、平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程理論等方法對(duì)近底流速進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)近底流速屬于低頻域信號(hào)，其振幅符合正態(tài)分布，圓頻率及相位角符合均勻分布。趙亞飛等[20]通過(guò)對(duì)比矩形水槽橫向測(cè)點(diǎn)的流速結(jié)構(gòu)差異，分析了近底流速分布的變化特點(diǎn)與近壁兩側(cè)的流速結(jié)構(gòu)變異，結(jié)果顯示近底流速的相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度呈現(xiàn)中間區(qū)域最大并向兩側(cè)遞減的趨勢(shì)，在臨近側(cè)壁處有突變波動(dòng)現(xiàn)象。袁俊[16]、趙亞飛等[20]的研究模擬的河道斷面多為矩形，在近底水流流速分布、紊動(dòng)結(jié)構(gòu)等問(wèn)題上取得了較大的進(jìn)展。然而天然河道斷面并不是規(guī)則的矩形，特別是洲灘的存在，使得實(shí)際斷面的水流特性與矩形斷面水流特性存在較大的差異。弄清天然分汊河道近底水流特性對(duì)研究洲灘沖淤、整治建筑物穩(wěn)定性起著重要的作用。基于此，在收集長(zhǎng)江中游洲灘原型資料的基礎(chǔ)上，通過(guò)建立物理概化模型試驗(yàn)，探究近底流速分布規(guī)律以及近底水流脈動(dòng)特性。

1 概化試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

長(zhǎng)江中下游存在大量的分汊河道，而其中大部分按照錢(qián)寧[21]和余文濤[22]的分類(lèi)方法和標(biāo)準(zhǔn)可將其定義為順直分汊河道。夏禹[23]對(duì)長(zhǎng)江中下游順直分汊河道形態(tài)尺寸進(jìn)行了歸納。本次試驗(yàn)在夏禹收集的順直分汊河道武漢天興洲段原型資料的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了概化模型，表1為尺寸參數(shù)。

表1 概化模型尺寸

幾何比尺和流速比尺公式為

(1)

式(1)中：λL為長(zhǎng)度比尺；λH為水深比尺；λV為流速比尺。

三峽水庫(kù)建成后長(zhǎng)江中下游徑流過(guò)程發(fā)生了較大的變化，在前期工作中，收集了武漢水文站2003—2015年的日徑流資料，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法和隨機(jī)理論對(duì)武漢站日徑流序列進(jìn)行了隨機(jī)模擬[24]。本次試驗(yàn)考慮極大洪峰下的徑流過(guò)程，對(duì)其進(jìn)行臺(tái)階化處理,流量過(guò)程如圖1所示。模型試驗(yàn)在重慶交通大學(xué)河海學(xué)院試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)水槽長(zhǎng) 30 m，寬3 m，模型河底坡降取0.1‰。試驗(yàn)段共布置13個(gè)橫向斷面，每個(gè)斷面上設(shè)置14個(gè)測(cè)點(diǎn)(由右壁至左依次標(biāo)記為H1～H14)，相鄰測(cè)點(diǎn)間相距 20 cm，概化模型及測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 日徑流模擬序列Fig.1 Daily runoff simulation series

采用長(zhǎng)時(shí)跟蹤法，采集全流量過(guò)程流速及水位數(shù)據(jù)。模型試驗(yàn)水槽進(jìn)口流量由矩形薄壁堰控制，尾門(mén)由翻板門(mén)結(jié)合小水閥控制。流速測(cè)點(diǎn)布置在離底面1 cm的深度，采用重慶交通大學(xué)自行研制的旋漿流速(譜)采集系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量。該系統(tǒng)由軟件、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、放大器、旋漿等構(gòu)件組成。流速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為瞬變流速長(zhǎng)時(shí)跟蹤采集系統(tǒng)，由重慶交通大學(xué)河海學(xué)院自行研制，采樣頻率設(shè)定為3 000次/s。水位測(cè)量采用同步自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，由西南水運(yùn)科學(xué)研究所研發(fā)，采樣頻率為1次/s，系統(tǒng)利用超聲測(cè)距原理，結(jié)合先進(jìn)的傳感技術(shù)和電子技術(shù)，同步采集、記錄不同測(cè)點(diǎn)的水位數(shù)據(jù)。

W1～W13為橫向斷面圖2 概化模型及測(cè)點(diǎn)布置Fig.2 Generalized model and layout of measuring points

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

在流速信號(hào)的采集、量化、傳輸過(guò)程中，由于測(cè)量環(huán)境、人為因素、元件系統(tǒng)等噪聲的干擾，使測(cè)量數(shù)據(jù)或多或少地受到污染。在分析研究前，應(yīng)當(dāng)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理以盡可能地消除噪聲。常見(jiàn)的方法有3σ準(zhǔn)則法、多項(xiàng)式逼近法、小波去噪法等。采用3σ準(zhǔn)則法對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

2 結(jié)果分析

任一方向的瞬時(shí)流速可以表示為

(2)

表2 分級(jí)流量

2.1 近底水流時(shí)均流速分布特性

近底水流受紊流渦團(tuán)的強(qiáng)烈影響，床面附近水流運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜。測(cè)試斷面不同流量近底時(shí)均流速沿橫向分布如圖3所示。

圖3(a)為分流區(qū)近底時(shí)均流速沿橫向分布，其中斷面W1距離灘頭150 cm，斷面W2距離灘頭 50 cm，斷面W3為灘頭與槽底相接處。從圖3(a)中可以看到，離灘頭較遠(yuǎn)的斷面近底時(shí)均流速沿橫向分布比較均勻，近底水流受灘體分流作用影響較小。斷面W3位于灘頭與平底交界處，受江心洲分流作用影響大，河槽中部流速減小，兩條支流(左右汊)流速增加明顯，流向分別偏向左右兩側(cè)，形成中間小兩邊大的流速分布規(guī)律。分布選取位于逆坡段、灘頂段以及順坡段3個(gè)斷面，對(duì)其近底時(shí)均流速分布進(jìn)行分析，如圖3(b)所示。從圖3(b)中可以看出，順坡段位于江心洲下半段，沿主流方向?yàn)┟娓叱讨饾u降低，流速分布表現(xiàn)為中間低兩邊高的特點(diǎn)；灘頂段高程不變，來(lái)流量較小或一般時(shí)，除灘槽交界處的個(gè)別點(diǎn)存在突變外，近底時(shí)均流速大小沿橫向基本一致；當(dāng)來(lái)流量比較大時(shí)，流速在橫向分布上的波動(dòng)性增強(qiáng)，但總體上仍保持在一個(gè)較窄的區(qū)間內(nèi)。逆坡段位于江心洲的上半段，沿主流方向?yàn)┟嬷饾u抬高，在大流量下，近底時(shí)均流速沿橫向表現(xiàn)為中間略高的特點(diǎn)，與順坡段流速的分布有明顯的差異，其他流量條件下流速沿橫向呈較為均勻的分布。

圖3 不同流量下近底時(shí)均流速橫向分布Fig.3 Transverse distribution of time-averaged velocities under different flows

圖4 近底時(shí)均流速沿縱向分布Fig.4 Longitudinal distribution of time-averaged velocities

而沿水流方向，灘面高程呈先增大再不變后減小的變化過(guò)程，近底時(shí)均流速沿縱向分布如圖4所示。對(duì)于灘面范圍內(nèi)的斷面而言，由于灘體高程的逐漸抬高，近底時(shí)均流速隨之增大；到達(dá)灘頂段后，流速雖有波動(dòng)但總體變化不大；在灘體下半段，高程逐漸降低，流速迅速下降。對(duì)于左右汊而言，沿水流方向底部高程基本保持不變，近底時(shí)均流速變化相對(duì)較小，但受汊道進(jìn)口斷面收縮以及出口斷面放大的影響，進(jìn)出口的流速出現(xiàn)了一定幅度的起落。

2.2 近底時(shí)均流速隨水深變化規(guī)律

圖5 流速隨水深變化曲線(xiàn)Fig.5 Flow velocity curve with water depth

從時(shí)均流速在橫向與縱向上的分布可以看到，近底流速受地形的影響較大。特別是在江心洲范圍內(nèi)，地形起伏較大，測(cè)點(diǎn)以上至水面的水深隨之變化，進(jìn)而影響近底時(shí)均流速。選取流量150 L/s下的橫斷面W7以及縱斷面H6，分別研究近底時(shí)均流速與水深的關(guān)系，如圖5所示。從圖5中可以看到，近底時(shí)均流速與水深是呈負(fù)相關(guān)的。受地形起伏的影響，流速測(cè)點(diǎn)以上至水面的水深變化較大，在橫向上深槽內(nèi)水深最大，經(jīng)灘槽交界區(qū)至灘面水深逐漸減小，灘頂處水深最淺。在縱向上水流依次經(jīng)過(guò)底部逐漸抬高的逆坡段、灘頂段，以及底部逐漸降低的順坡段。試驗(yàn)中近底流速這種異于平底河床流速的分布特性正是由于河床面坡度變化造成的。當(dāng)水流由河床低處向高處流動(dòng)時(shí),表現(xiàn)為單寬過(guò)水面積的逐漸減少,使水流受到來(lái)自河床面的收縮擠壓而產(chǎn)生的束狹作用,并促使中、底層水流流速急劇增大。王偉[25]指出，這種來(lái)自河床面坡度變化所產(chǎn)生的束狹作用是由河底向上逐漸減少的，從而導(dǎo)致流速的增大也是自下而上遞減的，即束狹作用對(duì)底層流速影響最大。

2.3 近底水流脈動(dòng)特性

2.3.1 近底水流脈動(dòng)強(qiáng)度隨來(lái)流量變化特性

圖6 近底水流相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度變化曲線(xiàn)Fig.6 Variation curve of relative fluctuation intensity

2.3.2 近底水流脈動(dòng)強(qiáng)度分布

分析可知，洲灘高程起伏對(duì)近底流速影響較大。為了解灘槽不同位置處近底水流紊動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)實(shí)測(cè)流速數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到不同流量下近底各測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度，其沿不同橫斷面分布如圖7所示。

分流區(qū)測(cè)點(diǎn)斷面W1沿橫向各測(cè)點(diǎn)高程相同，且距離灘頭位置較遠(yuǎn)，近底水流相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度除在個(gè)別測(cè)點(diǎn)有所波動(dòng)外，整體沿橫向分布較為均勻。進(jìn)入汊道段后，江心洲的存在使得地形起伏較大，斷面W7位于江心洲上部，灘面區(qū)(距右壁104～184 cm范圍內(nèi))水深小而流速大，深槽區(qū)(距右壁24～64 cm及224～264 cm范圍內(nèi))水深大而流速小，因此灘面及深槽區(qū)近底水流的相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度相對(duì)較小，唯有在灘槽交界處(距右壁84 cm及 204 cm)水流流體復(fù)雜，紊動(dòng)增強(qiáng)，相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度出現(xiàn)明顯的突變。測(cè)點(diǎn)斷面W9位于灘頂區(qū)域內(nèi)，小流量下灘面范圍的水深極淺，導(dǎo)致水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，而在深槽區(qū)水深相對(duì)較大，水流也較為平穩(wěn)，在大流量下由于整體相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度均不大，因此這種變化特征表現(xiàn)地并不明顯。

圖7 不同流量下近底水流相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度分布Fig.7 Distribution of relative pulsation intensity under different flows

2.3.3 近底水流脈動(dòng)能

圖8 汊道段近底脈動(dòng)能變化曲線(xiàn)Fig.8 Bottom pulsation energy variation curve

近底水流屬于紊流，由無(wú)數(shù)大小不一的渦流組成，具有較強(qiáng)的動(dòng)能，對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)以及床面變形起著重要的作用。長(zhǎng)江干線(xiàn)12月至翌年3月為枯水期，流量較小，自4月份開(kāi)始來(lái)流量上漲，水位逐漸抬高，6—9月一般為洪水期，流量達(dá)到最大。10月份之后，流量逐漸減小，水位回落。圖8顯示了漲水過(guò)程中近底水流脈動(dòng)能隨流量變化特性。分流區(qū)地形平整，水流較為平穩(wěn)。枯水期來(lái)流量小，流速緩慢，近底水流的脈動(dòng)能不大，雖然隨著流量的增長(zhǎng)脈動(dòng)能有所上漲，但增幅較小。自進(jìn)入中水期開(kāi)始，隨著來(lái)流量逐漸增加，近底水流脈動(dòng)能顯著增大，到洪水期脈動(dòng)能達(dá)到最大。汊道段近底水流脈動(dòng)能整體上同樣呈上漲趨勢(shì)，不同于分流區(qū)的是在枯水期近底水流脈動(dòng)能上漲幅度更大，這是江心洲對(duì)河道束窄作用導(dǎo)致的。江心洲的存在使得河道寬度減小，即使在枯水期，流量上漲引起的流速變化更為劇烈，水流脈動(dòng)能也隨之快速增強(qiáng)。從整個(gè)漲水過(guò)程來(lái)看，洪水期近底水流脈動(dòng)能最大，中水期次之，枯水期最小。

3 結(jié)論

(1)由于江心洲的存在，分汊河道河床高程起伏明顯，這對(duì)近底水流流速有較大的影響，具體表現(xiàn)為河床面高的地方水深較淺，水流受河床壓縮作用導(dǎo)致流速增大，這一特征在汊道區(qū)近底水流時(shí)均流速沿橫向縱向的分布上均有所體現(xiàn)。分流區(qū)河床平整，離灘頭較遠(yuǎn)處的測(cè)點(diǎn)斷面流速沿橫向分布均勻；而在灘頭與平底河床交接處的近底時(shí)均流速受水流分流作用明顯，沿橫向呈兩邊大中間小的分布規(guī)律。

(2)相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度一定程度上可以反映近底水流的紊動(dòng)強(qiáng)弱。隨著來(lái)流量的增大，不同區(qū)域內(nèi)的近底水流脈動(dòng)強(qiáng)度變化規(guī)律并不相同。在分流區(qū)內(nèi)，隨著流量的增大近底水流相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度急劇減小，其中枯水期漲水以及行洪過(guò)程中相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度變化幅度較大，而在中水期相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度的變化則較為緩慢。在汊道區(qū)內(nèi)，枯、中水期近底水流的相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度雖有波動(dòng)但幅度較小，在洪水流量下相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度大幅下降，明顯小于中小流量。

(3)受近底時(shí)均流速與水深的影響，不同區(qū)域內(nèi)的相對(duì)脈動(dòng)強(qiáng)度沿橫向分布也不盡相同。具體表現(xiàn)為：分流區(qū)分布均勻，汊道區(qū)逆坡段灘槽交界處水流脈動(dòng)較其他位置大；汊道區(qū)灘頂段灘面處水流脈動(dòng)最強(qiáng)。

(4) 近底水流的脈動(dòng)能對(duì)泥沙運(yùn)動(dòng)以及床面變形起著重要的作用。在整個(gè)試驗(yàn)測(cè)量區(qū)域內(nèi)，近底水流的脈動(dòng)能均隨來(lái)流量的增大而增大，不同的是在枯水期分流區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)能增長(zhǎng)速度較慢，而汊道區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)能增長(zhǎng)速度明顯更快。

此外，本次試驗(yàn)沒(méi)有考慮主支汊寬度比的變化對(duì)近底水流的影響，而事實(shí)上江心洲位置時(shí)常左右擺動(dòng)，后續(xù)將進(jìn)行更加深入的研究。