（农业水土工程专业论文）滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究.pdf

摘要 弯道是天然河流的重要组成因素，在山区和平原区特别是冲击平原的河道上广泛 存在。弯道水流受重力和离心惯性力的双重作用，水流和泥沙运动情况与顺直河段不 同，水流结构非常复杂；同时弯道凹岸处受水流的项冲作用，往往存在退岸、塌岸的 危险，是河道整治工程中的重点对象。因此，研究弯道水流泥沙运动特性，既有理论 价值，又有现实意义。 滦河迁西县城段为一。u ”型弯道，在弯道处存在河心岛，目前防洪能力不足1 0 年一遇洪水。规划工程保留河心岛进行生态建设，并在弯道进口、出口处修建两座溢 流堰进行调坡，水流经过时不但受到弯道的控制还要受到河心岛和水工建筑物的影 响，使得此河段与一般弯道相比更加复杂。 河工物理模型可以在一定的空间与时间范围内，重演天然河流的演变过程，或预 报修建工程后的发展趋势，是解决三维性较强问题或试验范围内有水工建筑物的情况 下不可替代的方法，一直以来受到水利界工作者的普遍重视。本文结合滦河迁西县城 段弯道整治工程，对物理模型设计和弯道水沙运动规律进行了研究，取得了下列成果： ( 1 ) 在模型设计过程中：对原型河道水文、泥沙资料进行了分析，抓住问题的 实质，合理地选择模型相似律；对本文研究的复杂弯道，尝试性的选择模型变率为 2 4 ，通过模型的验证及试验结果的合理性可知，变态的影响有限，可以满足试验要 求；通过对各种模型沙的比较，选择天然沙作为模型沙，即经济合理又避免了采用轻 质沙带来的一系列问题。 ( 2 ) 通过对不同流量条件下弯道水流特性的研究得出：弯道水面最大横比降出 现在弯项附近，随着流量增大变大，并且发生的位置向上游移动；最大流速在弯道范 围内的凹岸，随着流量的增大而增大，并且发生的位置向下游移动。 ( 3 ) 栖凤岛的存在对弯道水流有壅高和分流的作用，小流量时岛的影响明显， 横向水面线呈中间高两端低的马鞍型，大流量时岛的影响减弱，横向水面线为凹岸缓， 凸岸陡的倾斜线。岛两侧分流比不随流量的变化而变化。 ( 4 ) 通过对不同流量条件下弯道泥沙冲淤规律的研究得出：弯道进口处，水流 转弯在左侧堰与滩连接处脱离主槽壁产生紊动，随着流量的增大，紊动加剧，冲刷也 加剧，并且在堰下游有不同程度的淤积。小流量时水流对岛的边坡冲刷严重，泥沙在 纵向输移的同时，存在小部分横向输移；大流量时水流对岛的整体冲刷严重，泥沙向 下游推移前进，横向输移不明显。 关键词：滦河；弯道；推移质模型；水流特性；泥沙冲淤 m o d e ld e s i g na n de x p e r i m e n t a ls t u d yo nw a t e ra n ds e d i m e n t a t i o no f m e a n d e r i n gr i v e rf o rq i a n x ic i t ys e c t i o no fl u a nr i v e r n a m e ：w a n g m e n g t u t o r ：c h e n gw u q u n m a j o r ：a g r i c u l t u r a ls o i la n dw a t e re n g , n e e r i n g a b s t r a e t t h eb e n di sa ni m p o r t a n te l e m e n to fn a t u r a lf i v e r , a n da l w a y se x i s te x t e n s i v e l ya t m o n t a n ea n dp l a i nr i v e re s p e c i a l l ya l l u v i a lp l a i n t h eb e n dw a t e rc u r r e n t l yi sf u n c t i o nb y g r a v i t a t i o n a lf o r e a n dc e n t r i f u g a li n e r t i af o r c e m o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rf l o wa n d s e d i m e n ti nb e n dr e a c ha r ed i f f e r e n tf r o mt h a ti ns t r a i g h ts t r e a mb yc t o s sc u r r e n ta n d u a l n s v c q r s eg r a d i e n to f w a t e rs u r f a c e ，t h ew a t e rs t r u c t u r ei sv e r yc o m p l e x a tt h es a m et i m e ， t l l ec o n c a v eb a n ko f b e n di sc u tb yt h ew a t e rc u r r e n t , s ot h e r ei st h ed a n g e ro ft h er i v e r b a n kc o l l a p s eo rd e g r a d a t i o n , a n db e n di st h ei m p o r t a n to b j e c ti nt h er i v e ri m p r o v e m e n t e n g i n e e r i n g t h u s ，t h es t u d y i n go nt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fw a t e rf l o wa n ds e d i m e n t i nb e n dr e a c h e si sv a l u a b l ei nt h e o r y ，a n dr e a l i s t i cs i g n i f i c a t i o n t h eb e n ds h a p el i k ea u ”a n dh a v ea l la i ti nt h eq i a n x ir i v e rr e a c ho fl u a nr i v e r n o wt h ef l o o dc o n t r o lc a p a c i t yo ft h i sr e a c hc a n tr e a c ht e n t h , t h ep l a n n i n gp r o j e c tw i l l h o l dt h ea i t , c a r r yo nae c o s y s t e mc o n s u l l c t i o na n db u i l dt w oo v e r f l o ww e i r sf o ra d j u s t i n g r i v e rs l o p e t h ew a t e rc u r r e n ti sn o to n l yc o n t r o l l e db yb e n db u ta l s oi n f l u e n c e db yt h ea i t a n dh y d r a u l i cs t r u c t u r ew h e ni t sp a s s i n gb y ，t h a tm a k e st h er i v e rr e a c hm o r ec o m p l i c a t e d c o m p a r i n gw i t l lg e n e r a lb e n d t h ep h y s i c a lm o d e lo fr i v e re n g i n e e r i n gc a nr e p e a tt h ee v o l u t i o no ft h en a t u r a lr i v e r w i t h i nt h es c o p eo fc e r t a i ns p a c ea n dt i m e ，o rf o r e c a s tt h ed e v e l o p m e n tt r e n do ft h e f i n i s h i n ge n g i n e e r i n g i ti sa n o tr e p l a c e a b l em e t h o dt or e s o l v et h r e e - d i m e n s i o n a lp r o b l e m s o ri n s t a n c e si n c l u d i n gh y d r a u l i cs t r u c t u r ei nt h et e s ta r e a , o p e r a t o ri nw a t e rc o n s e r v a n c y a l w a y sa t t a c hw i d e s p r e a di m p o r t a n c et ot h er i v e rm o d e l t h i sp a p e rs t u d i e do nt h eb e n d r e a c hr e g u l a t i o nw o r k so fl u s nr i v e ri nq i a n x ic o u n t y ，a n dh a sr e s e a r c h e do nt h em o t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f w a t e rf l o wa n ds e d i m e n ti nb e n dr e a c h e sa c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lm o d e l o f r i v e re n g i n e e r i n g ，t h em a i nc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w ： ( 1 ) t h ei n f o r m a t i o no fh y d r o l o g ya n db e d l o a da b o u ta n t e t y p er i v e r w a yi sa n a l y s e d , c a t c ht h en a t u r eo fq u e s t i o n s ，a n dc h o o s et h em o d e lo ft h es i m i l a rr u l ei nr e a s o n t ot h e c o m p l i c a t e db e n d , t h i sp a p e rc h o o s et e n t a t i v e l yt h a tt h em o d e ld i s t o r t i o nr a t i oi s2 4 。 t h r o u g ht h em o d e lv e r i f i c a t i o na n dt h er a t i o n a l i t yr e s u l to f t e s t , w ek n o wt h a tt h ei n f l u e n c e o fd i s t o r t i o nr a t i oi sl i m i t e da n ds a t i s f yt h er e q u e s to ft h i st e s t ；b a s e do na n a l y s i n gt h e c u r v eo fb e d l o a dm a t c ha b o u ta n t e t y p er i v e r b e d , a n dc h o o s en a t u r es a n dw h i c hi s e c o n o m i c a la n dl o g i c a lf o rt h em o d e lt h r o u g ht h i n k i n go v e rt h eq u e s t i o ni nm o r ea s p e c t , i t a l s oa v o i das e r i e so f p r o b l e mw h i c hi sc a u s e db yu s i n gg e n t l es e n d ( 2 ) a c c o r d i n gt or e s e a r c h i n gt h em o t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fb e n dw a t e rf l o ww i t h d i f f e r e n td i s c h a r g ec o n d i t i o n s ，c o n c l u s i o n sa r eb e l o w ：t h em a x i m a lt t a n s v e t s eg r a d i e n to f b e n dw a t e rs u r f a c et u r n e du pa tt h et o po f t h eb e n dn e a r b y ，a l o n gw i t ht h ea u g m e n t a t i o no f t h ed i s c h a r g e ，t h eg e n e r a n tp o s i t i o nw o u l dr e m o v et ot h eu p s 仃e a m ；t h em a x i m a lf l o w v e l o c i t yw o u l da l o n gw i t ht h ea g g r a n d i z e m e n tb u tt h ea g g r a n d i z e m e n to ft h ed i s c h a r g e d u r i n gt h eb e n dr e a c h , a n d t h eg e n e r a n tp o s i t i o nw o u l dr e m o v et ot h ed o w n s t r e a m ( 3 ) t h ea i th a st h ef u n c t i o n so fb a c k w a t e ra n dd i s t r i b u t a r yf o rb e n dw a t e rf l o w t h e i n f l u e n c eo ft h ea i ti so b v i o u sw h e nt h ed i s c h a r g ei ss m a l l ，t h ei i a n s v 黜w a t e rs u r f a c e p r o f i l ei sas a d d l et y p e 9i e t h ec e n t e ri sh i g ha n dt w oe n d si sl o w n ei n f l u e n c eo f t h ea i t w i l lt r a i lo f fw h e nt h ed i s c h a r g eb e c o m el a r g e t h en 硼v e r s ew a t e rs u r f a c ep r o f i l ei s i n c l i n a t i o n , m o r eg e n t l yi nt h ec o n c a v eb a n ka n dm o r es t e e pi nt h ec o n v e xb a n k t h e d i v e r s i o nr a t i oo f t h ea i tt w os i d ei sn o tc h a n g ew i t ht h ev a r i e t yo f t h ed i s c h a r g e ( 4 ) t h ed e p o s i t i o na n de r o s i o no fs e d i m e n ti nb e n dw a sr e s e a r c h e dw i t i id i f f e r e n t d i s c h a r g ec o n d i t i o n s ，t h er e s u l t s ：t h eb e n dd i s c h a r g ee s c a p e df r o mt h em a i nc h a n n e lw a l l a n da p p e a r e dt u r b u l e n tm o t i o ni nt h ej o i n to fn o 1 w e i r sn e a r s i d ea n db o t t o m l e n d a l o n g w i t ht h e a g g r a n d i z e m e n to ft h ed i s c h a r g e , t h et u r b u l e n tm o t i o nb e c o m e da c u t e , t h e f l u s h i n ga l s ob e c o m e dw o r s e ，a n dh a dt h ed i f f e r e n td e g r e ed e p o s i t i o ni nt h ed o w n s t r e a mo f n o 1 w e i r t h es m a l ld i s c h a r g ef l u s h e dt h es i d es l o p eo ft h ea i tb a d l y , t h es e d i m e n te x i s t s t h es m a l lt r a n s v e r s et r a n s p o r t a t i o na tt h et i m eo ft h el a r g el o n g i t u d i n a lt r a n s p o r t a t i o n ；n e a i rw a sf l u s h e do b v i o u s l ya tt h ew h o l ea f t e rb i gd i s c h a r g e , t h es e d i m e n tp u s h e sa n d p r o g r e s s e st od o w n s t r e a m ，t h et r a n s v c t s et r a n s p o r t a t i o ni st m c o n s p i c u o u s k e y w o r d s ：l u a nr i v e r ；b e n d ；b e dl o a dm o d e l ；f l o wc h a r a c t e r i s t i c s ；d e p o s i t i o na n de r o s i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得塑i 垦盔些盘堂或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：夏嘏 签字日期：2 0 0 1 年6 月阡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑些叁些盘茔有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。 本人授权塑i 堡壅些盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：王萌 导师签名： 签字日期：2 0 0 年6 月仟日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 9 年 电话： 邮编： ，月f 啦日 滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究 1 1 研究背景和意义 1 引言 弯道是组成河流的最基本单元【1 】。如海河流域的南运河，素有。九曲回肠”之称的长江下荆 江河段等都是由大大小小的弯道组成。弯道水流是指行进在弯曲河道中的水流，它不但受到重力 的作用而且受到离心惯性力的作用，水流为了平衡这个力，通过调整，使得凹岸的水面升高，凸 岸的水面降低，这一力学现象决定了弯道水流结构的特点。这些特点主要反映在水面横比降、凹 岸和凸岸的纵比降、横向环流、纵向垂线平均流速和水动力轴线的变化上。弯道水流特有的运动 现象，使得泥沙运动规律也有所不同。由于横向环流的存在，泥沙运动既存在纵向输移又存在横 向输移。 正确认识弯道中水流和泥沙运动规律，对河道整治的规划设计和工程建设、港口的兴建、电 站的引水排沙、以及改善河道的通航运行条件，都具有十分重要的意义。了解弯道的水流特性， 巧妙地利用其自身特点，有时候可以实现工程的优化。例如历史悠久的都江堰工程，就是利用弯 道水沙运动规律，科学地解决了江水自动分流、自动捧沙、控制进水流量等问题【2 】；侯杰、牧振 伟”1 等人利用弯道环流原理，通过试验研究，人为地创造了形成弯道环流的边界条件，形成“人” 形对称的弯道环流，将中进水闸前的泥沙导向远离中进水闸的两侧，通过左、右两侧泄洪冲沙闸 挥向下游，避免或大大减少进入中进水闸的推移质泥沙量，较好地解决了泥沙入渠问题。因此， 对弯道水流泥沙规律的研究有广泛的应用前景和科学价值 长期以来广大的水利工作者对弯道水流泥沙问题进行了很多研究，也取得了不少成果。然 而天然河道的复杂性决定不同的弯道情况水流泥沙运动情况也有所不同。 滦河迁西县城段弯道为一。u ”字型，在县城处由南北走向转为西南一东北走向。迁西县城 处于弯道顶冲部位，目前仅修建了部分堤防工程，据分析现状工程防洪能力不足1 0 年一遇，洪 水仍威胁着迁西县城的安全。为完善迁西县城防洪工程体系，提高县城防洪能力，并给迁西人民 创造一个良好的生活环境t 在迁西县总体规划及防洪规划中，结合国家规范确定迁西县城防洪标 准采用2 0 年一遇。按此标准对滦河主河槽疏导清淤，完善两岸防洪设施建设，确保规划城区汛 期洪水不漫滩，2 0 年一遇洪水不淹县城。规划工程结合生态与防洪，在原河道的基础上进行适当 人工渠化，保留了河道弯道处主河槽内原有的河心岛，即栖凤岛，并在弯道进口处和出口处分别 布置两座溢流堰，以调节原河床坡度，并实现在非汛期保留一定水面美化环境的目标。本文结合 滦河迁西县城段弯道整治工程，考虑河心岛与水工建筑物的影响来研究弯道水沙运动规律，研究 结果可为该类河道的规划设计和整治工程提供相应参考。 目前研究河道水流、泥沙及冲刷等问题的方法主要有传统的经验公式法、数学模型法和物理 模型法。这些方法各自有其优点和缺点以及特定的适用范围。就经验公式法而言，方法简单，便 于使用，其主要问题是精度不高，因此不能很好解决工程所提出的问题，发展速度也比较慢。近 年来t 根据数理方程利用数学模型使用电子计算机进行计算的方法，在河流问题的研究中获得了 广泛的使用和发展，它具有移植性强能节约大量人力、物力和时间的显著优点。缺点是数值计 算结果直接依赖于控制方程的离散方法，并且目前许多理论例如紊流模型理论、泥沙运动理论等 l 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 尚不成熟，都是基于一系列的假定和引入较多的试验参数情况下简化得到的1 4 肛j ，当水流情况复 杂或试验范围内水流通过重要的水工建筑物时，难以用数理方程表达，数学模型无法解决问题。 一般而言，数学模型的缺点正是物理模型的优点许多河床演变问题由于其复杂性还不能用分析 计算的方法完善地加以解决，而可以采用物理模型试验的方法来研究。物理模型试验是运用河流 动力学知识，根据水流和泥沙运动的力学相似原理，模制与原型相似的边界条件和动力条件，研 究河流在天然河流情况下或在有水工建筑物的情况下水流结构，河床演变过程和工程方案效果的 一种方法州。物理模型试验可以在一定的空间与时问范围内，重演天然河流的某些演变过程或预 报修建工程后的发展趋势，是研究河床演变、河道整治及洪水预测预演和水库运用方式等边界条 件复杂、三维性较强的问题的重要手段。就目前的学科发展状况而言，对某些问题的研究，物理 模型试验甚至是唯一的手段1 7 1 。因此，研究物理模型对解决复杂的水流问题有着重要的意义。 本文研究的弯道是一个复合弯道即个大弯道内包含了几个较小弯道，在弯道内部又有天 然沙洲( 栖凤岛) 。虽然通过人工整治：拓宽河道、调整坡降、规划主槽、滩地和边坡、在弯道 上下游各设一个溢流堰，这在一定程度上实现天然河道的渠道化，但由于弯道、堰流、沙洲( 栖 凤岛) 等的相互作用、相互影响使弯道内水流、泥沙运移非常复杂。根据工程主管部门的要求， 我们运用动床物理模型的方法对滦河迁西县城段弯道水流、泥沙的运动规律进行研究，并对规划 工程布局提出改进意见， 1 2 国内外研究现状 1 2 1 弯道水沙运动规律研究现状 对弯道水流的认识开始于1 8 7 6 年l t h o m p o sn 【q 在实验室发现弯道螺旋水流，之后国内外 学者根据不同的研究目的，对弯道水沙运动规律进行大量试验研究，己经有很多理论和经验成果 苏联学者m b 波达波夫唧根据纵向水流的二次抛物线分布，利用n s 方程研究弯道水流运动规律。 k i k k a w a 等人提出了只适用于单一弯道的二维水流模型i l 川。我国学者姚仕明等在考虑了横向水流 影响的条件下，导出了弯道河段泥沙的起动流速公式，并认为在相同的纵向流速条件下，弯道段 凹岸侧泥沙的起动粒径和泥沙输移速率较顺直段太】。孙东坡应用普朗特紊流切应力构架建立了 横向水流切应力的形式【1 日。由于弯道水流的复杂性和数学手段的限制性，目前还只有近似的理论 成果。对弯道水流的研究，重点是研究水流水面横比降、纵向垂线平均流速、横向环流、及输沙 特性规律等方面。 1 弯道横比降 水流在弯道内作曲线运动的时候。必然产生指向凹岸的离心力，水流为了平衡这个力，通过 自身调整，使得凹岸的水面升高，凸岸方向的水面降低，从而形成了横比降。横比降的存在往往 会给工程带来不利的影响，尤其是最大横比降的影响，研究者对其研究较多。菲德曼i i ”通过试验 实测弯道水位等值线图，得出弯道横比降最大值一般出现在弯道顶点附近。张红武l l ”通过试验得 知，进入弯段后即有横比降的出现，最大横比降出现在弯项以下，继而逐渐减小，但自至弯段出 口处仍有一定数值，出弯段后迅速消失。刘焕芳根据黄科院开展的浑水动床模型试验结果给出了 水面横比降在全弯道上的分布公式”1 工程中关于横比降的计算主要有罗索夫斯基公式”6 1 、马卡 2 滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究 维耶夫公式i 、张红武公式i 、宋志尧公式1 ”等。这些公式大都是以单位水柱为研究对象，列出 动力平衡方程式并整理得到： u 2 ：2 口0 西 式中j z 为横比降，g 为重力加速度，a o u 2 r 为离心力加速度，u 为时均流速，a o 为流 速分布系数，可根据流速分布公式求得。如果采用卡曼普兰特尔的对数流速分布公式代入上式， 则得： 纠- + 舞】等 式中c 为谢才系数，k 为卡曼系数，其余符号同前。 2 弯道纵向垂线流速分布 文献婶对弯道纵向流速分布作了定性的分析分析认为：弯道凹岸一侧的流速远大于凸岸一 侧的流速，纵向垂线平均流速沿横向分布很不均匀，同样是凹岸一侧的恒大于凸岸一侧，其最大 值不在最大水深处而是偏向凸岸一些。纵向水流各断面的最大垂线平均流速的连线，称为水流 动力轴线常称主流线。在弯道进口段，主流偏靠凸岸一侧；进入弯道后，逐渐向凹岸靠近 对纵向垂线流速分布的定量研究主要有以下研究成果i 刎： 波达波夫早在3 0 年代根据n s 方程，假设沿弯道曲率半径方向和高度方向水流速度为零， 可以导出如下流速分布： 一 = a r l n r + 打+ 詈 式中口，b 。c 待定。式中采用的假设和实际有些不符，因为弯道中水流做圆形轨迹运动是不可 能的。 张植堂等人通过对二维河湾水流运动研究获得： = 此式将以认为是常数，有待验证。 王韦、蔡金德对矩形断面人工弯道的纵向垂线平均流速进行了理论推导得： 嘭彰如鲁一等去 式中文为弯道中心线上床面切向坡度此式可用于弯道内任意一点，在中心部分计算值与实 铡值较接近。 另外，罗索夫斯基从三维水流角度出发，导出了只适用于较短距离的纵向流速分布；王韦、 蔡金德从谢才公式和水面超高公式入手，对矩形断面的人工弯道水深和流速平面分布进行了理论 分析建立了弯道内任一点水深纵向垂线平均流速的计算公式2 ”，此公式在中心部分计算值与实 铡值较接近。 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 3 横向环流流速分布 据文献【蠲中分析，由于横比降的水体受力特点，必然会形成横向环流，环流的方向，其上部 恒指向凹岸，下部恒指向凸岸。有横向环流就存在横向流速的问题，国内外对横向流速的研究较 多。因为横向流速与纵向流速关系密切，自1 9 3 3 年马卡维耶夫由雷诺方程导出了轴对称流的运 动方程后，很多学者采用不同的纵向流速分布公式，得到不同的横向流速分布公式。 目前，研究横向流速的成果很多，比较符合实际，并得到广泛应用的是罗索夫斯基公式，他 采用卡曼普兰特尔对数流速公式 驴巾等m 占) i 求得横向流速分布公式 铲孙鼢誓删 从式中可以看出，横向流速与水深及垂线平均流速成正比，与水流弯曲半径成反比 式中，e p ) 和e g ) 是相对水深的函数，可参考关系曲线图查得。此式看似简单但由于 表达式不确定，需要查图估算，这样运算起来相当麻烦。在kz0 5 和c 5 0 时上式可简化为 ：= 6 u ( 拓一1 ) 4 弯道输沙特性 弯道处存在横向环流，决定了泥沙运动的特点。因此，对弯道输沙特性的研究主要集中在横 向环流所引起的横向输沙问题。 丁君松删根据罗索夫斯基横向流速分布简化公式和劳斯含沙量沿垂线分布公式得到了单位 面积上环流横向输沙率沿垂线分布公式，并由公式作图得到：环流下部的输沙率横大于上部，并 指出这一现象的根本原因与含沙量沿垂线分布有关。1 9 世纪末t t h o m s o n 等人通过试验得到：弯 道水流一般都存在横向输移。随后的学者通过研究表明，只有在曲率半径很小、且弯角较大的陡 弯上，横向环流强、底部螺旋流的旋度大的情况下才存在横向输沙现象；横向输移要小于纵向输 移，并且随流量的增大，横向输移减小 1 2 2 河工物理模型研究现状 河工物理模型试验以河流动力学和相似理论为基础，是研究河床演变、河道整治及洪水预测 预演和水库运行方式等边界条件复杂、三维性较强问题的重要手段。 从1 8 8 5 年o r e y n o l d s 运用弗劳德相似率进行m e r s e y 河相似模型试验起，河工模型用于江河 治理的历史已愈百年，并发挥了巨大作用 2 4 1 。河工模型试验技术得到了飞速发展，不仅在水利工 程建设方面发挥了巨大的作用，而且还大大推动了河流动力学及河床演变学等学科的发展阱j 。我 国在河工动床模型试验方面起步较晚，但近二十年发展相当快，目前的水平已处于世界领先地位。 1 模型相似律的研究 4 滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究 模型相似律的研究是动床模型试验发展的动力。近些年来，致力于治理河道的研究工作者成 功进行了无数次模型试验，其中包括小浪底水库泥沙动床模型试验、南水北调中线穿黄工程河道 模型试验、三门峡库区动床模型试验等大型试验，河工模型相似律的研究有了很大进展。 根据试验河段泥沙运动特点，可分为推移质和悬移质动床模型相似律。无论推移质还是悬移 质，首先必须满足水流运动相似条件，即九= 九和a 。= 卅6 硝”在推移质泥沙运动相似 方面，现有模型相似率大都保留着1 9 9 3 年h d 维格尔提出的相似条件a r ，= 九，对于底沙的起 动剪切力，广泛采用谢尔兹的公式f ，( n r ) a = f ( u j v ) ，h a 爱因斯坦、m m 冽维等认为 细沙起动相似还应满足沙粒雷诺数相等这一条件：九= l 3 。唧。李昌华及z w a m b o r n 通过研 究认为，实际上不满足沙粒雷诺致相等的条件，对冲淤相似，并无重要影响1 2 7 1 。在悬移质泥沙运 动相似方面采用前苏联学者中h r h k a j i o b 提出的泥沙运动相似条件o = l 及a = l1 2 7 j 张红武 6 1 等在前人研究的基础上，系统开展了动床河工模型相似条件的研究，提出了一套完 整的模型相似率，推动了相似率的发展，同时为模型设计工作提供科学依据，其中泥沙运动相似 条件包括：水流挟沙相似条件= ：河床冲淤变形相似条件九= 九砧力；泥沙起动及 扬动相似条件= = ；泥沙悬移相似条件九= 如t 九。 2 几何变态问题的研究 河工模型试验中，由于试验场地的限制，模型沙的选择限制等因素，往往不能将模型做成与 原型完全相似，而是允许水平比尺与垂直比尺有所偏差，这就是变态模型。变态模型会带来一些 水沙运动情况不相似的问题，很多学者对此作了大量的研究。 围绕模型变率问题，张红武嗍、颜国红1 2 9 1 、姚仕明【3 0 j 、粱斌川等先后进行了变率f 2 l o 的概化模型试验研究，得出了一些规律性的成果。顺直河段变率小于1 0 时，弯道变率小于l o ， 并且模型宽深比大于1 9 时，水流动力轴线及垂线平均流速沿横向与沿流程的分布基本一致，相 对误差都小于1 0 ，但弯道段纵向流速剖面的影响较顺直段明显，变率大于3 ，失真严重。顺直 河段中变率加大，模型糙率加大，纵向流速垂线分布偏离正态模型加大，变态模型表层流速较正 态模型增大，而底层流速较正态模型小。虞邦义【3 2 1 1 3 3 1 通过试验发现，对于淮河干流这样的平原河 流，变率加大到8 l o 以后，纵向垂线流速分布指数从1 6 1 7 变到l 3 l 4 。 目前关于几何变态对推移质泥沙运动的影响的研究较少。吕秀贞p 4 1 的研究认为，几何变态使 得河床纵横坡降均加大了一个变率的倍数，顺坡河床上泥沙和逆坡河床上的泥沙输移速度分别加 快和减慢，输沙量分别偏大和偏小。姚仕明1 3 0 1 利用概化模型研究变率对弯道推移质泥沙运动的影 响得出：宽深比4 5 2 7 3 时，变率为3 的模型水流动力轴线、深泓线、断面冲淤与正态模型基 本相似，变率为6 的模型偏离较大，并且冲淤部位偏离明显，冲淤量偏大3 0 以上。 3 时间变态的研究 动床河工模型试验中存在两个时间比尺，即河床变形时间比尺和水流运动时间比尺，通常试 验中主要研究河床变形问题，因此，常把河床变形时间比尺作为模型控制时间比尺，同时较小的 时问比尺能够模拟包括若干年长系列的河床冲淤过程。两个时间比尺的不同即为时间变态。由于 恒定流的水力要素不随时间变化，时间变态对其影响不明显当水流为非恒定流时，含沙量过程 不相似，就会导致河床变形不相似。 王兆印、黄金池口”，吕秀贞、戴清o q 和张春丽p 1 等人对模型时间变态问题进行了研究。对推 移质泥沙模型时间变态问题的研究认为，落水时输沙率的偏大比涨水时输沙率的偏小要显著的 5 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 多，输沙率增大，但来沙不增，就会冲刷河床，所以时间变态主要造成模型试验的非相似冲刷。 这些研究成果，为推移质时间变态问题的逐步解决和有效降低其不利影响，提供了思路和方向。 虞邦义p ”通过试验对时间变态引起的沿程水位、比降、流速、水流夹沙力等参数的偏离趋势进行 了分析，对引起这些物理量偏离的内在原因进行了探讨 箍着河工模型试验工作的开展，众多水利学者越来越认识到时间变态带来的问题，并努力寻 找解决的办法p q 。然而经过多年的研究发现，任何解决或补偿的方法都是难以奏效的。并可能带 来新的问题，因此，时间变态问题有待于进一步的研究。 4 测量、控制系统的研究 对于河工物理模型试验而言，试验成果的质量在很大程度上取决于量测技术和试验的控制水 平。随着微型计算机技术和自动控制技术的不断进步与发展，计算机自动检测与控制技术逐步被 应用到河工模型试验的领域，并引起了广大模型设计工作者的兴趣。田文栋 4 0 l 等根据河工模型流 场测量特点，建立了一套d p i v 系统，可以对近千平方米区域内的流体表面流场进行快速测量， 达到了实时测量和记录的要求。虞邦义等人1 4 ”在进行淮河干流正阳关至田家庵段河工模型试验 中，首次将工控组态软件技术应用于大型河工模型试验，取得了很好的效果。 5 模型设计中一些特殊处理技术的研究【2 】 随着模型相似律的不断发展，广大水利工作者在研究中发现，模型设计中有许多特殊处理技 术，可以达到事半功倍的效果。 有些研究项目。由于原型沙很细，即便使用轻质沙使模型沙粒径变粗，但仍然是很困难的， 采用原型沙粒径的模型相似律，即用模型沙粒径等于原型沙，允许模型沙的粒径在一定程度上变 动，这种处理方法对这类模型设计带来许多方便简捷之处。 天然河道的复杂性决定生产中会遇到各种复杂的课题，变态模型可以使模型沙变得粗些，能 够解决很多问题。由于各种条件的限制有时不允许做成变态模型，“人工小河”自然河工模型 就能达到要求，其实质是略掉一些模型沙的相似律的条件，以模型量与原型量的比例来确定模型 的其他比尺量，这种方法与张红武【4 m 自然河工模型的方法相类似。白世录1 4 4 1 在漳卫新河险工段已 经实践过，并取得满意的成果，该试验成果经实测资料验证，表明成果可靠。 在动床模型中由于模型沙的运动很难与原型沙完全相似，试验结果难免会有偏差。偏差的 大小与模型的大小有一定的联系，模型越大，偏差越小，当模型大到与原型一样时，也就不存在 偏差依据这种概念，可以同时制造一系列大小不同的模型，将各模型得出的结果，顺其趋势延 伸到原型，可得接近于天然的结果。这种方法称为系列模型延伸法。沙玉清1 4 2 早期发表了系列模 型延伸理论，是以原型沙在不同几何比尺的模型上进行系列试验，然后将试验成果依比尺关系外 延到原型。这种方法比较适用于单体的局部冲刷和淤积的模型，其成果可信度很高。 在系列模型延伸法中，往往需要作几个比尺不同的模型，耗费时间和人力、物力。为了克服 这种缺点，水利工作者研究出了系列模型沙延伸法。就是用改变模型沙的粒径，来代替改变模型 比尺，只需要一个比尺模型相对来说，省时省力。此种方法已别成功实践过多次，结果都令人 满意。 总之，河工模型设计的技巧很多1 + 1 4 ”，根据不同的研究课题、工程的实际情况，选择不同 的设计方法和试验方案，可以做到既解决工程实际问题，又经济可靠。 随着计算机的快速发展和计算方法的创新，数值模拟技术也得到了快速的发展。许多复杂边 6 滦河迁西县城段弯道水沙物理模型设计与试验研究 界条件下的三维流场的数学模型已获得成功，数学模型的适用范围越来越广。同时，物理模型试 验也得以深化。目前国内外正大力发展将数学模型与物理模型结合的复合模型。这种复合模型取 各自的优点，避免各自的缺点得到了一定的发展，如在长江葛洲坝和三峡枢纽工程的泥沙问题 的研究中，就大量采用了这种复合模型的方法【”h 5 9 1 。 由于现有泥沙运动的基本理论还不够完善，在模型设计及试验过程中经常会出现各种问题 如几何变态及其对流速场的影响：泥沙起动相似条件难以把握的问题；推移质泥沙模型阻力相似 及进口加沙问题：含沙量比尺确定问题；时间变态问题等，但随着模型试验的不断开展，泥沙运 动基本理论不断完善，模型试验技术也会突破一道道难关，今后它仍会是解决重大工程泥沙问题 的主要手段。 1 3 本文研究内容 通过上述对弯道水沙运动和物理模型设计方面的历史和现状的分析，本文结合滦河迁西县城 段弯道整治工程的实际情况，对物理模型的设计和弯道的水沙运动规律进行研究，主要内容包括： ( 1 ) 对试验河段河道基本情况进行介绍和分析，整理出与模型设计和试验研究有关的信息 资料。 ( 2 ) 结合适应试验河段情况的相似理论，通过对几何变态问题、模型沙选择问题、时间变 态问题的充分考虑，设计推移质泥沙模型，并用数学模型的计算结果( 注释：河北省水利水电第 二勘测设计研究院，滦河迁西河段洪水数值模拟研究报告，2 0 0 6 ) 和定床模型试验结果对设计 的模型进行验证。 ( 3 ) 针对滦河1 0 年一遇流量7 8 8 0 1 1 1 3 s ，2 0 年一遇流量1 2 3 5 0 m 3 s ，5 0 年一遇流量7 8 s o m 3 s 等条件下，研究在有栖风岛和水工建筑物的影响时，弯道水流特性和泥沙冲淤规律。主要包括弯 道水面横比降、纵比降、纵向流速、一号堰处冲淤情况、栖凤岛处冲淤情况和二号堰处冲淤情况。 ( 4 ) 对本次模型设计研究成果和试验研究成果进行总结。 7 河北农业大学硕士学位( 毕业) 论文 2 1 河道概况 2 1 1 自然地理 2 试验河段基本情况 迁西县位于河北省唐山市北部，燕山南麓，长城脚下。地理坐标为：东经1 1 8 。6 4 9 ”1 1 8 。3 7 1 9 ”，北纬3 9 95 7 7 1 5 ”4 0 。2 7 4 8 ”。县城南距唐山市区6 0 k i n ，西距北京市区1 6 0 k i n ， 距省会石家庄市区4 5 0 k i n 。周边与七县( 区) 接壤：东连青龙、迁安两县( 市) ，南接唐山市丰 润区、滦县，西邻遵化市，北与兴隆、宽城两县以长城为界。全县总面积1 4 3 9 k m 2 ，城区面积7 5 8 k i n 2 。 迁西地处燕山余脉的低山丘陵区，境内山多林密，总的地势为三面高陡，东南低洼，北宽南 尖，沿滦河走向形成一条低洼带。最高地势为上营北境的八面峰，海拔8 4 2 m ，晟低