（水力学及河流动力学专业论文）泡漩水水流结构分析与研究.pdf

摘要 我国西部山区河流滩险流急，各类碍航险滩众多，而险滩的存在严重影响船 舶航行安全。开发西部水运交通必将对众多碍航滩险河段迸行整治，泡漩水是山 区河流主要碍航滩险之一，对船舶安全航行威胁极大，常使船舶、船队偏离航线， 造成歪船、严重时使船舶翻倾沉没，造成海损事故。深入研究其形成机理和治理 方法，将为碍航泡漩水滩险治理提供可靠的手段，对加快西部山区河流碍航滩险 的治理具有重要的现实意义。 本课题采用相似模型试验，针对典型工程，即突咀深沱边界条件下泡漩水问 题进行研究。 在玻璃水槽模型试验中，采用美国s o n t e k 公司的三维超声波多普勒测速仪( 简 称a d v 测速仪) 精细地测量了不同流量、不同水深条件下突咀深沱泡漩水的三维 流场，其特征流态包括突咀前部的分离流、突咀后面的回流及近区的水位波动。 a d v 测速仪实测结果与理论分析对照，得到了较好的验证。试验观察发现，泡漩水 形成的必然条件是水流动能与位能之间发生转换，水流之间发生这种能量转换又 需要一定的边界条件和水力条件。由于突咀挑流，在突咀断面前发生水流分离， 突咀的下游有大范围的回流，在回流与分离区的边界上有一串串漩涡。当水深小、 流速小时，泡漩很弱少，且只出现在回流与分离区的边界上；当流量加大以后， 除在这些区域有泡漩之外，回流区内以及下游近区域都有泡水和漩涡。这种泡漩 强度大，频率高，范围广；通过对大量试验数据分析影响泡漩水强弱的主要因素 包括边界条件和水力条件，并通过回归分析推导出泡高公式。 关键词；突咀；深沱；泡漩水；水流结构；泡水高度 a b s t r a c t i nw e s tr e g i o n so fo u rc o u n t r yt h ec a s c a d ei sd a i l g e r o u sa n dn 皿e r o u s ， b u tt h ee x is t e n c eo ft h ec a s c a d e i n f l u e n c e st h es e c u r i t yo f 、_ a t e r c r a f t s h i p p i n gb a d l y t h ec a s c a d ew i l lb er e g u l a t e dw h e nw e s t e n l w a t e rt r a n s p o r t i se m p o l d e r e d b o i l v o r t e xf l o wi so n eo ft h em a i nc a s c a d eb l o c k i n gs h i p p i n g w h i c ht h r e a t e n st h es e c u r i t yo f 祝t e r c r a f ts h i p p i n gs t r o n g l y ，r h i c hu s u a ll y m a k e st h e 帆t e r c r a f tf l e e td e p a r ts e ar o u t e ，a n dr e s u l t si ns k e w ，_ a t e r c r a f t a n da v e r a g ec a s u a l t y t h o r o u g h l ys t u d yo ff o r m i n gm e c h 锄i s ma n dc o n t r 0 1 m e a s u r e霄i l lp r o v i d ed e p e n d a b l ei n s t n m e n t a l i t y 刊缸c hh a sp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c ef o re x p e d i t i n gt h er e g u l a t i o no ft h ec a s c a d ew i t hb o i l v o r t e x f l o 吼 t h ep a p e ra d o p t sa n a l o g o u s o d e lt e s t st os t u d yt h eb o i l v o r t e xf l o 霄 i nt h ec o n d i t i o no ft h ec o n v e xb a n ka n dd e e pp 0 0 1b o u n d a r y i n9 1 a s sf l m et e s t s ，仰v 配d eb ya e r i c a ns o n t e kc 伽p 锄yi su s e df o r e a s u r i n g t l l r e e d i m e n s i o n a lf l u i d i t yo ft h e b o i1 一v o r t e xf l o wi nt h e c o n d i t i o no ft h ec o n v e xb m ka n dd e e pp 0 0 1u n d e rd i f f e r e n tf l u xa n dw a t e r d e p t h t h em e a s u r er e s u l to fa d vi sv a l i d a t e dc o 皿e n d a b l yw h e nc o n t r a s t e d w i t ht h e o r ya n a l y s i s t e s t sd i s c o v e r e dt h a tt h ef o r m i n gc o n d i t i o no f b o i l y o r t e xf l o ，i st h ec d n v e r s i o nb e t 可e e nk i n e t i ce n e r g y 锄dp o t e n t i a l e n e r g yo ft h ef l o 矾 t h ec o n v e r s i o nb e t w e e nt h ef l o 霄n e e d 8d e t e 珈i n a t e b o l l i l d a r ya n dw a t e r p o w e rc o n d i t i o n s d o et oc o n v e xb a r l kd i s t r i b u t i o n ，t h e r e a r eal l a i l do fs w i r l si nb o u n d l r yo fc i r c u m f l u e n c ea n ds e p a r a t i o r lw h e n 耽t e r d e p t hi ss m a l la n dv e l o c i t yo ff l 傩i ss l o 啊b o i l o r t e xf l 凹i sp u n ya 1 1 d o n l ye x i s t si nt h eb 叫n d a 盯yo fc i r c u m f l u e n c e 锄ds e p a r a t i o n ：w h e nv e l o c i t y o ff l i ss t r o n g ， t h e r ea r eb o i l 一v o r t e xf l o w si nt h ec i r c 珊f l u e n c ea 1 1 d c a t c h m e n ta r e ae x c e p tt h eb o l l i i d a r yo fc i r c u m f l u e n c e 锄ds e p a r a t i o n ，w h i c h a r eh i g h - i n t e n s i t y ，h i g h f r e q u e n c ya n df a r g o i n g b a s e do na n a l y s i s0 fm o s t o ft e s td a t a i td r a w so u tt h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gb o i l v o r t e xf l o 可s i n t e n s i t yw 】1 i c hi n c l u d e sb o u n d a r y 锄d 曹a t e r p o 霄e rc o n d i t i o n s ，a n dt h r o u g h d i m e n s i o n a la n a l y s i st h ep 印e rc o n e l u d e dt h ef o 瑚u 1 8o ft h eh e i g h to f b o i l v o r t e xf l o e 趾da l s o d i s c u s s e dt h ec o m p a 一a b i l i t yo ft 们g r o u po ff 1 衄e t e s t s k e y 舶r d s ：c o n v e xb a r l k ；d e e pp 0 0 1 ； b o i l y o r t e xf l a w ；s t r e a mf r a m e 们r k ； h e i g h to fb o i l l o r t e xf 1 钾 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 学位论文作者签名：亍翮弗 日期：2 0 0 7 年千月3 日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论 文。 学位论文作者签名：亍丽，f 手) 日期：2 d o 声年月3 日 指导教师签名： _ ；缈 日期：、“7 年缈月严日 第1 章绪论 第一章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 1 1 1 研究课题的提出 交通运输是现代国民经济的重要组成部分。现代的交通运输方式主要包括铁 路、公路、管道、水路及航空，其中水运具有运量大、成本低、能耗小等优势， 一直受到世界各国的广泛重视。例如美国、德国、荷兰等经济发达的国家都已经 基本建成了一个四通八达的内河航道网络，其货物周转量仅次子公路。我国国土 面积居世界第三位，江河湖泊星罗棋布，海岸线位居世界前十位，长达3 2 0 0 0 多 公里。然而我国水运状况还较为落后，优越的水运资源还未充分开发和利用。我 国现有内河通航里程是铁路的数倍，但是水运量却远小于铁路运输。落后的原因 是多方面的，从航道角度而言航道标准低，极大地制约着船舶的通航能力。例如 各种碍航滩险的存在，一方面会增加运输成本和限制船舶的通航能力，另一方面 也会对船舶的航行安全造成严重威胁，给国家和人民的生命财产带来损失。因此， 随着国民经济的不断向前发展，我国的水运事业也将驶入发展的快车道。 我国西部地区内河航运开发程度不高，航道大多呈自然状态，碍航建筑物较 多，干支航道不能高标准贯通，从而货物运输量相对较小，制约着西部地区内河 运输业的发展。西部地区多为山区，蕴藏着极为丰富的矿产资源和旅游资源、物 产丰富、内河众多、水量充沛、冬季不冻，有着发展水路运输得天独厚的自然条 件。由于地理环境因素，内河航运在西部部分地区与其它方式共同构筑了西部地 区综合交通运输网，且具有不可替代的作用。例如：长江干流上游的川江，不仅 通过金沙江、岷江、沱江、嘉陵江和乌江等支流连接了具有丰富资源和巨大发展 潜力的广大腹地，而且是沟通西南、华中和东南沿海的极为重要的水运通道，是 我国东部沿海地带与横贯东西的长江结合而成的“t ”字型经济发展构架的不可残 缺的重要组成部分。山区河流的河床多由原生基岩、乱石或卵石组成。覆瓦状排 列是卵石河床的常见形式，也有呈松散堆积的，一般在水流强弱适中、持续时间 较长且位置偏下游的河段，多呈覆瓦状排列；在水流较弱、且急剧降低的偏上游 河段，原来大量堆积的卵石或乱石迅速停止运动，来不及分选排列而呈松散堆积。 卵石粒径常呈现沿程递减趋势。我国西部山区河流的河床质多为石质或沙卵石， 一般为半冲积性河流或非冲积性河流，所以石质滩险所占比重最大，倒如：乌江 第l 章绪论 2 全部滩险中石质滩险占9 7 ，赤水河占7 4 。西部山区具有峡谷河段多，坡陡流 急，河道蜿蜒曲折的特点，急、弯、浅、险各类碍航滩险众多。险滩成因复杂、 数量较大，各个河段数量虽然不同，但一般险滩数量占2 0 以上，其中川江最大， 例如：重庆至万县河段滩睑占5 0 以上；乌江段大乌江至龚滩为2 5 ；赤水河中 赤水至合江段占4 8 左右。在浅、急，险三种滩险中，浅滩碍航主要影响航道尺 度；急滩主要影响船舶上航通过能力，丽险滩或急滩并存的险滩则影响船舶的航 行安全，这种航道现状，严重制约当地的航运和经济的发展。因此，总结山区河 流典型险滩整治的成功经验，研究山区河流险滩治理技术，可为提高碍航险滩整 治效果提供有益的借鉴，同时对于繁荣我国的水运事业，促进西部地区社会经济 发展，缩小东西部地区差距等方面具有十分重要的现实意义。 1 1 2 泡漩水简介嘲 按碍航特点分：险滩包括礁石险滩和不良流态险滩，礁石险滩也可能伴随着 发生不良流态险滩。不良流态险滩主要有泡漩水险滩、剪刀水险滩、滑梁水险滩 和扫弯水险滩四种，这些有害副流对船舶航行安全危害颇大。 泡水多出现在滩险的下深潭，或河床地形极不规则，纵比降大及流速大的河 谷内。泡水是一种由水底向水面翻涌有如锅内开水沸腾的水流，亦称“泡喷水”。 它是局部的高速水流在其紊动流动过程中，受到障碍物阻挡或者另一不同速度、 不同流向的水流反击而向上涌而产生高压水流，冲破水面时所表现的水面流态， 其弱者为翻花水，强者为泡喷。泡水的特点是泡心的压力与强度均大于四周，所 以泡心水面向上隆起，水流并向四周成辐射状滚出，形似泡花。在兴建葛洲坝水 利工程前，长江流域规划办公室1 9 7 4 年至1 9 7 5 年曾对南津关泡漩区进行了多项 目的观测。资料表明：在宜昌水位5 4 4 6 m 、流量6 1 5 0 0 m s 时，最大泡高达o 9 8 m ， 平均泡高o 5 0 m ，单泡扩散流速最大为2 6 4 s 、最小为1 9 3 s 、平均2 2 8 m ， 泡涌周期2 4 m i n 。葛洲坝建成前，南津关河段洪水期泡喷在川江是很典型的，依 据有关资料估计，川江碍航泡水的平均泡高约在0 2 0 5 m ，单泡扩散平均流速大 予l m s 。泡涌周期一般在2 7 m i n 。泡水形态见图i 1 。漩水是环形水流的一种， 相似回流，但是与回流有区别。回流的旋转速度小，面积大，中心水面不做起伏 运动，在同一水位下平面上的位置大都保持常态不变。漩水的中心旋转速度大予 边缘旋转速度，从产生的时候起，其旋转速度逐渐增加，中心水面随之低凹，构 成锅底形，并随着水流逐渐向下游移动。由于漩水中心凹陷，形似锅状，故而又 称为漩涡。漩水形态见图1 2 。一般说来，泡水和漩水均常见于山区河流，且常相 第1 章绪论 3 伴相生，故称泡漩水 ( b ) 泡水形态 田1 1 泡水示意图 ( a ) 漩水图片 ( b ) 漩水形态 田1 2 漩水示意田 形成泡漩水的基本因素包括流速、水深与河床形态。其中流速为产生泡漩水 的动力因素，流速较小时，不足以形成强烈的泡漩水。水深亦是产生泡漩水的必 要条件，当水深较小时，在水面可能出现浪花紊流，但不一定呈现泡漩水的形态。 根据川江情况，一般水深大于2 m ，流速大于2 m s 才会出现泡漩水。再就是地形因 素，虽有足够大的流速与水深，如果河床较规则平整，亦不会形成泡漩水。因此， 形成泡漩水的这三种基本因素，是缺一不可的。 泡漩水是山区河流主要碍航滩险之一，对船舶安全航行威胁极大。泡水由中 心产生向四周扩散的推力，其方向大部分与主流方向不一致。容易迫使船舶偏离 罄善罨甲 第1 章绪论 4 正常航线而产生海损事故。由于存在不同的河床形态，川江在各水位期均可能出 现泡漩水。洪水期出现泡漩水的河段最多，特别在峡谷河段，几乎满江泡漩水翻 滚，流态紊乱，往往造成航船触礁或歪船、扎驳，以至发生断缆、散队、沉船等 严重事故。强大的漩水亦可能将小型船舶漩沉。因此，在峡谷河段高洪水期船舶 往往需扎水停航，如瞿塘峡与巫峡在水位高于4 衄，铜锣峡在水位高于1 7 时，上、 下行拖驳船队均需扎水停航。 1 1 3 泡漩水的研究意义 泡漩水的研究与分析对治理泡漩水险滩，为碍航泡漩水险滩治理提供可靠的 手段。对加快西部山区河流碍航滩险的治理具有重要的现实意义。 1 2 国内外发展现状与存在问题口h - 1 2 1 国内外泡漩水险滩治理概况 有关泡漩水险滩方面的治理研究，国外相关资料很少。 国内有关泡漩水险滩方面的研究也不多，且都停留在初步摸索阶段。我国对 泡漩水险滩整治始于5 0 年代。长江上游的川江为当时西部地区进出物资运输主要 通道。为解决船舶航行困难，开始整治观音滩及崆岭滩、青滩等泡漩水险滩。以 后为提高通航能力，先后整治了许多险滩，如折桅子、钓鱼咀、小南沱滩等，西 江上游及其主要支流，先后整治了鲫鱼滩、盐蛇滩、蓬莱滩等。尽管这些泡漩水 险滩得以成功整治，但都不是理论指导的结果。如方滩的米心石险滩是设计、旌 工和驾引人员经过现场查勘，勘测和设计后进行整治的；川江折桅子滩、钓鱼咀 滩、西江的鲫鱼滩、盐蛇滩是经过多次整治或河工模型试验才得以成功整治。山 区河流航道整治关键技术研究为交通部西部交通建设科技项目，其研究内容中 包括泡漩水形成机理的研究，根据其研究成果对泡漩水的治理归纳出了相应的认 识：调整航线位置，避开碍航泡漩水；改变主流的方向；降低主流流速， 削弱主流动量；改变撞击面的形态条件；减小底部缓流区的大小，压缩和分 散底流；改变底流的方向，改变撞击的条件，增大能耗；减小回流区的大小， 增大面流强度，拦截上升水流，即“引流压泡”；当上述各类措施都难以消除 碍航泡漩水的话，则可通过工程措施将泡漩水移到航线以外，即“移泡技术”。 该研究成果在红水河的滩险治理中得到了应用，并取得了成功。 第1 章绪论 5 1 2 。2 泡漩水险滩整治方法总结嘲 整治工程措施：主要是采取爆破清槽方法。既清除碍航礁石，又消除泡水， 改善船舶航行条件。 直槽礁石泡漩水滩险整治 整治工程措施：主要是采取爆破清槽方法，既清除碍航礁石，又消除泡水， 改善船舶航行条件。 如川江方滩的米心石，为江中孤礁，礁顶水深为设计水位下1 9 m ，达不到2 9 m 航深要求。由于孤礁阻水，在其上产生强烈泡水，泡水与礁石均碍航。整治时主 要将米心石炸至设计水位下5 0 ，航槽有足够水深，水流障碍消除，泡水也消失， 船舶航行安全通畅。采取类似方法取得成功还有碑滩等。有一些礁石航槽，有淤 沙存在，在炸除礁石的同时，配以束水建筑物，调整水流，冲刷航槽也取得成功。 炸除石咀，清理河床，平整岸线 整治工程措施：由于河岸有局部突出障碍物阻水而造成的泡水，可以通过炸 除局部障碍物，使河床趋于平整，从而平顺水流，减弱因挑流而产生的不利副流， 达到消除或削弱泡漩水的目的。 例如川江的螃蟹岬( 见图1 3 ) 就是采取这种方法取得成功的。螃蟹岬河道弯 曲，位于凹顶的两侧及凸岸的一侧有品字形突咀交错挑流，洪水期产生较大的回 流，泡漩汹涌，严重碍航。整治采用炸除两岸突咀平顺岸线的方法，使回流和泡 漩水范围缩小，减弱了强度，满足船舶安全航行要求。金沙江的洒水坝滩等也是 采取类似的整治方法取得成功的。 ( a ) 整治前( b ) 整治后 第l 章绪论 6 图1 3 螃蟹岬整治前后流态变化图 深槽建潜坝，调整断面流量分配，扩散底流 整治工程措施：由于凹岸突咀挑流而形成泡水，突咀为高山峻岭一部分，炸 咀工程量很大，越凹越扫弯，可在突咀上游适当距离深槽中建潜坝，调整底部水 流结构，扩散底流，达到消泡的目的。 钓鱼咀险滩为成功整治一实例。钓鱼咀( 见图1 4 ) 滩段微弯，凹岸有一卵石 碛洲( 木鱼碛) ，凸岸略下有突出石咀( 钓鱼咀) ，由于碛洲和石咀对峙，形成 咀段深槽，该深稽和上下深槽形成两个过渡段航槽。枯水期河宽仅1 5 0 ，由于木 鱼碛洲头挑流，使主流直冲钓鱼咀，主流受阻后下切经河底至对岸木鱼碛边滩陡 坡上升至水面形成泡水，木鱼碛外沿形成大片回流，水位愈枯，水势愈汹。船舶 上下航行靠左会擦浅，靠右可能触礁，航行极为困难。若炸除突咀，因木鱼碛挑 流尚存，则愈炸扫弯的滩势愈汹，若在突咀上做挑丁坝，泡水虽有所减少，因河 面狭窄，航槽流速加大，因此在突咀上游适当距离建一条潜坝，扩散冲向突咀的 底流，并在木鱼碛航槽浅段疏浚，拓宽航槽。潜坝使流量重新分配，减弱冲向突 咀主流，增加航槽左侧挖槽的流速，收到很好的整治效果。模型试验确定，潜坝 位置在钓鱼咀上游1 6 0 m 处最合适。潜坝为梯形左低右高，效果最好。 图1 4 钓鱼嘴整治工程示意图 凹岸建丁坝，调整流速，改善流态 整治工程措施：有些泡水的形成机理是由于凹岸有突出的岩嘴，使主流受阻 下切，经河底至对岸沿边滩陡坡上翻而成泡水，可采取凹岸建丁坝，调整流速， 改善流态的工程措施。 如宜昌上游3 9 9 处的折桅子( 见图1 5 ) 的泡水，就是由于右岸突出的崖嘴 第l 章绪论 7 阻水而形成，同时因泡水的滞流作用，在泡水的稍上游卵石受阻，形成江中浅包， 不满足航行水深要求，上述两者均严重碍航。通过模型试验，弄清了泡水的成因， 在右岸突嘴上游建一条丁顺坝。筑坝后丁顺坝将主流挑离下游突嘴，调顺了流向， 减小了突嘴的阻水影响，既使泡水下移减弱，又使滞流形成的浅碛消失，航深达 到4 m ，航宽8 0 m 。比较折桅子与钓鱼嘴两滩的整治经验，可以得出这样的认识， 同是弯曲有突嘴，同是泡水危害，一个可以有丁坝挑流，一个则不行，这是由于 前者筑丁顺坝处的枯水河宽有3 5 0 m ，而后者枯水河宽较窄，仅约1 5 0 2 0 0 ，如 采有丁坝挑流，缩窄河床，必然造成流速、比降过大而影响执行，而用潜坝则对 河宽无影响，对调整水流结构却有明显效果，故应区别对待，因地制宜。 ( a ) 整治前( b ) 整治后 图1 5 折桅子整治前后流态变化图 引流压泡，减弱泡强 整治工程措施：切除突嘴，平顺岸线，减弱挑流，压缩回流范围，增大主流 宽度和流速，使上升水流受纵向水流冲压、掺混，以达到减弱或消除泡水的目的。 西陵峡出口的小南沱至南津关段案( 见图1 6 ) ，洪水期泡漩水汹涌，采用引 流压泡取得成功。西陵峡的出口段，河道弯曲，巷子口处河道右转3 0 度，至南津 关时再右转6 0 度，使原来由西向东水流改为由北向南，在约1 0 0 0 m 河段内拐了一 个9 0 度大弯。河床由基岩构成，右有巷子口突咀，形成小南沱泡水。左有玉井突 咀交错，又因小南沱以下河床为大幅度升高的反坡，且高低起伏，洪水期形成满 江泡漩水，严重碍航。建葛洲坝枢纽时，同期整治该河段。经模型试验，采取切 除巷子口突咀措施，改善小南沱泡水，切除玉井突咀，平顺岸线，既压缩玉井下 段回流范围，增大主流区宽度，又调整了泡漩区的流速分布，增大陡坎上部过势范 量，加大面层，减小底层流速，降低水流升力，消弱了泡漩水强度，整治后，泡 第l 章绪论 8 高由o 9 0 m 降至0 3 0 ，整治效果良好。 巷子n ( a ) 整治前 母。 ， 函) 整治后 图1 6 南滓关整治前后流态变化图 洲头建坝，拓宽主流 整治工程措施：有一些汉流河段，一汉河床较高，分流不多，水深较小，另 一汉为主汉，因洲头阻力作用，洲头处水流形成由浅汉向深汉的横流，形成压缩 剪刀水。主汉进口处弯道弯曲，水流进汉集中，并项冲凹岸，形成强烈的泡漩水， 严重碍航，整治时，在洲头建倒顺坝，坝头伸向上游，既调整入汉的分流点，又 拦截入主汉的横流，使主流段拓宽，改变入流的顶冲点，达到消泡和减弱泡强的 目的。 渣角险滩整治采用这种方法，达到加宽航道，消除扫弯的险患的目的，如图 1 7 所示。例如位于宜昌上游8 9 6 k m 的瓦窑滩，即为汉道进口处的泡漩水险滩。滩 段河床由上而下逐渐放宽，滩上段处洪水河段仅为6 0 0 m ，至滩段放宽至1 0 0 0 m 。 上游冲刷下来的卵石在放宽段江中淤成宽长的芙蓉碛，将江床分为两汊。左汉狭 窄水浅，上口最小水深仅1 2 m ，枯水期不能通航；右槽水深大于7 m ，但航槽弯窄， 且由于碛脑挑流，主流冲向右岸突出的瓦窑滩石梁，形成强泡，对上下船舶航行 安全均有威胁，尤其是下行船更易被推向右岸石梁，从而发生触礁事故。根据滩 险成因，整治方案确定在芙蓉碛脑建碛头坝一道，同时疏浚部分芙蓉碛脑突向江 中的浅嘴，以调顺流向，减缓顶冲右岸的急流。整治时仅建碛头坝一道，工程量 1 7 9 0 加3 ，疏浚工程未进行。施工后横流和泡漩水减弱，主流宽度增大约3 0 m 。基 本上消除了强烈泡水对船舶的威胁，如果同时进行碛脑浅嘴的疏浚工程，效果可 能更佳。 第1 章绪论 9 ( a ) 整治前( b ) 整治后 图1 7 渣角滩整治前后流态变化圈 开辟副槽航道，避开下航船舶遇泡的危险 整治工程措施：有一些分汉险滩、主汉航道过于弯曲，航道又窄，水流湍急， 因而在弯顶以下形成泡漩水，下航船舶难以控制航向，酿成海事。此类险滩，在 副槽有条件开辟新航槽时，可开辟新航槽，作为下水航道，由于分流，减小了原 航槽的流量，达到减小流速和减弱泡水的目的。 广西浔江的鲫鱼滩、红水河十五滩的整治，经模型试验，采用辟副槽方法， 达到改善通航条件的目的。 复杂泡漩水险滩整治 整治工程措施：除上述七种措施对相应成泡原因的河段滩险整治取得效果， 但有许多复杂的泡漩水险滩，既要切除突嘴，平整河床，又要采用建筑物，调整 水流结构和流向，才能取得成功。 如西江的盐沱滩等；一些急险并存的滩险，采取切咀增加弯曲半径，同时拓 宽主流，引流压泡，如红水河蓬莱滩的整治。 以上是泡漩水险滩整治的基本方法和措施，是航道整治工程多年来积累的基 本经验。山区河流河床形态比较复杂，形成泡漩水原因多种多样，随着工程实践 和认识的逐步深化，整治方法越来越多，成功的把握越来越大。 1 2 3 存在的问题 虽然泡漩水险滩治理工程实践中取得了许多宝贵经验，但是由于山区河流航 道整治技术的复杂性，仍然还有很多关键问题没有得到很好的解决。很少对泡漩 水进行专题研究，更未见对此建立数学模型进行数值计算方面的文献。针对泡漩 水研究现状，为更好的治理泡漩水险滩，在西部交通科技项目“山区河流航道整 第1 章绪论 l o 治关键技术研究”中，专列“石质险滩泡漩水治理技术理论分析研究和概化模型 试验研究”专题( 编号：2 0 0 13 2 82 2 46 8 一0 7 0 2 ) ，对泡漩水形成机理或形成 条件、碍航泡漩水治理方法、泡高和泡漩水平面尺度对船舶航行的影响进行专门 研究，但由于受时间、经费及测试设备的限制，泡漩水水流结构方面的研究及数 值模拟等方面还有待开展。 1 3 本文所要解决的问题 山区河流的航道条件在建国后有了很大的改善，泡漩水险滩治理工程实践中 取得了许多宝贵经验，这些研究成果带来了显著的社会经济效益，具有广阔的应 用前景。由于泡漩水是复杂的三维性水流，过去由于受到时间或测试设备等的限 制对泡漩水的研究受到了限制，随着科技的进步及满足山区河流险滩治理的需要， 需对泡漩水进一步深入开展研究。 在总结天然山区河流出现泡漩水地形条件的基础上，概化出突咀深沱、孤礁 挡水以及深沱孤礁挡水这三种产生明显泡漩水的典型边界。本文主要通过顺直河 段突咀深沱边界条件下产生的泡漩水研究泡漩水的水流结构。 试验研究的目的，通过观测泡漩水流态和测量泡漩水流场，直观了解泡漩水 流场结构，分析其形成机理，为有效治理碍航泡漩水奠定基础。本文通过1 0 m 宽 水槽模拟试验来研究顺直河段突咀深沱边界条件下产生的泡漩水水流结构。运用 a d v 测速仪对突咀下游产生泡漩水的主要区域的三维流场进行精细测量。由本试验 和其它相关试验资料分析拟合得出泡高计算公式。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法介绍 原型观测和野外调查：对泡漩水所在河段，进行直观观测，收集掌握第一手 材料，是进行科学研究、检查科研成果的基础，也是研究自然水流现象的最好手 段。 室内系统试验：由于种种客观原因，野外资料往往无法取得，或取得的部分 数据不能充分反映原型现象的规律性，此时可在实验室内模拟原型水流进行系统 的实验和观测。试验中先假定一部分因素不变，研究某些因素的相对变化关系； 再控制另一些因素不变，观察另外一些因素的相对变化关系；最后全面揭示各个 变化因素之间的内在联系，建立现象变化规律的一般性函数表达式。系统实验资 第1 章绪论 料，是原型观测和野外调查资料的补充和完善，是研究现象的第二手资料，但却 是认识和发现水流运动规律必不可少的基础资科。 相似模型试验：又称比尺模型试验，它是把原型水流及其河床边界特征按照 相似理论和相似比尺关系缩制成模型，预演或重演自然现象，进行观测分析，再 把试验观测成果通过相似比尺换算，应用到原型水流，以解决生产实践中的具体 问题。相似模型试验的目的，在于用模型试验代替原型观测，不证实模型现象与 原型是否相似，就不能实现预期目的。为此而进行的证实试验，叫做验证试验。 概化模型试验；对类型基本相同、大小不等的许多条河流，进行水力因素与 河床因素的概化或典型化，选取各个相关因素的代表值进行相似模型设计，并按 相似水流条件系统试验，取得该类型许多条河流的一般性试验成果。 上述三种试验性质和作用是不同的。系统试验不是针对某一具体河流现象， 而是研究一般水流运动的共同规律，即研究水流现象的共性。相似模型试验是针 对某条河流的具体水流现象，研究其洪水现象的特殊变化规律，即研究某一条具 体河流的个性。概化模型试验介于二者之间，研究一部分或一批河流运动的一般 规律，这些河流属于相同的变化类型。 上述科学实验和试验观测目的，在于充分掌握水流现象在时间和空间上的变 化过程，以便剖析这些现象变化所反映的内在规律。有了足够的观测和调查数据， 就可运用流体力学基本原理和数学分析手段，建立理论或经验的函数表达式，明 确各有关因素的相互关系。当然，实践是检验真理的标准，所建立的函数关系是 否能符合客观实际情况，还要在生产实践中进一步检验和修正嘲。 1 4 2 本文研究方法与路线 本试验目的在于研究泡漩水水流结构及其对突咀深沱条件下泡漩水的研究。 根据所研究问题的性质与特点，在理论分析的基础上采用模型试验的方法进行研 究。 收集泡漩水的相关资料，为试验做好相关准备工作。 根据相似原理与准则，建造产生泡漩水的概化物理模型。确定模型( 包括 突咀和深沱等) 的形式、尺寸及布置位置。 在玻璃水槽的模型中进行不同流量、不同水深的系列模型试验。 试验阶段：使用a d v 流速仪测量不同流量下顺直河段突咀深沱边界条件下产生 的泡漩水的三维流速。 分析泡漩水水流结构，迸一步弄清泡漩水的产生机理。 第1 章绪论 1 2 推求泡高公式。 本试验研究流程见图1 8 ： 图1 8 泡漩水水流结构试验研究流程图 占 第2 章模型概化与泡漩水试验概况 1 3 第二章模型概化与泡漩水试验概况 水槽模型试验是研究泡漩水问题的重要技术手段，与理论研究和资料分析同 等重要。本试验中是以顺直河段突咀、深沱边界条件下产生的泡漩水为研究对象， 进行泡漩水水流结构的研究。 2 1 模型概化田， 本试验目的在于研究突咀、深沱边界条件下泡漩水的水流结构。顺直河段中， 突咀和深沱的地形组合是形成泡漩水的典型边界条件之一。根据山区河流河床以 石质河床为主、比降陡的特点，在对模型进行概化时主要考虑以下几点； 尾门调节水位，控制比降，保证水面流态与天然流态相接近，无较大跌水； 并将比降控制在山区河流平均比降的l 左右。 障碍物的尺寸除了满足试验的操作可能性，还要与水槽的比例及天然情况 相符。 深沱的坡度不能过大，与天然河道相接近。 2 2 模型布置及制作 本试验使用重庆交通大学河海学院航道厅内的水槽，其水槽长2 5 6 、宽1 咖、 高1 0 m 、最大流量为0 2 3 5 3 s 。取水槽中部长1 5 2 m 为试验工作段，底坡降为5 。底坡从底部向上铺垫粗沙、细沙，再用水泥面抹光。一般来说，正态模型总 是要求较光的糙率。因此本课题中采用水泥沙浆面的模型。在工作段设有突咀及 深沱。槽中段两侧装有玻璃窗以便观察。水槽尾部有一翻板尾门，试验时通过升 降尾门来控制槽内水深。水槽两侧设有测针以便量测水位变化。使用三维声学多 普勒流速仪a d v 测量水槽中产生泡漩水部分在不同流量下，不同断面、不同水深 处的三维流速。 流量由矩形量水堰控制，循环水系统由蓄水池、回水沟和试验水槽三部分组 成。试验用水由水泵从地下蓄水池中抽出，通过输水管( 输水管中安装电磁流量 计及分流阀门) 进入试验水槽，水流进入水槽后经尾门进入回水沟流入蓄水池。 模型区布置示意图见图2 1 图2 4 。 第2 章模型概化与泡漩水试验概况 1 4 图2 1 试验水槽图片 圈2 2 模型中深沱部分图片模型中突咀部分图片 圈2 3 模型布置囝 第2 章模型概化与泡漩水试验概况 2 3 模型量测设备 圈2 4 整体模型3 - d 示意圈 水槽上游来水由矩形量水堰控制流量，下游水位由尾门调节。 水槽两侧分别设有测针量测水位变化。 使用三维声学多普勒流速仪a d v 测量水槽中产生泡漩水部分不同断面、不同 水深处的三维流速。 所有量测设备均符合河工模型试验规程( s l 9 9 呵9 5 ) 2 4 试验概况 突咀深沱边界条件下泡漩水试验； 顾直河段中，突咀和深沱地形组合是形成泡漩水的典型边界条件之一。由于 时间及试验经费有限，本文在试验过程中改交流量及水深。边界条件不变如图 2 5 。 突咀相对宽度l b ：l 3 凸咀倾角o q 5 。 深沱尺寸见图2 5 所示。 工况组合见表2 1 ： 第2 章模型概化与泡漩水试验概况 1 6 表2 1 试验组合表 窟次 类别 l 234567 流量q 9 5 1 29 5 1 26 3 4 16 3 - 4 15 0 7 35 0 7 33 1 - 7 1 ( u s ) 水深h ( c m ) 2 52 2 1 72 1 1 7 1 7 1 7 1 8 3 3 1 4 1 71 4 6 7 用尾门控制水深，使水槽中的水流流态尽量与天然的相符合。且每个流量抬 升尾门一次。在突咀上游有小范围的回流，下游a - a 到b b 断面范围内有很强的 泡漩水和回流( 见图2 5 ) 。当边界条件一定时，流量越大，泡漩水范围也越大， 泡水个数也越多，泡水和漩涡的直径越大，泡水高度也越高。 l ，2 9 2 n 、 o 0 5 、水流雷诺数r 2 5 0 0 0 时，泡漩水才会出现。突咀突出尺度 越小，这个临界值就要求越大；相反，突咀突出尺度越大，这个临界值就要求越 小。 第4 章突咀深沱边界条件下泡漩水的研究 4 3 泡漩水的强弱与水力条件的关系 当槽中边界条件一定时，如果流量不变，则槽中水面比降越大，泡水高度越 高、个数越多、出现的频率越高，且漩涡速度越快，总之泡漩越强。随着水面比 降的减小，泡漩随之减弱甚至消失。如果水面比降也保持不变，则流量小时，泡 水只出现在水流分离区界面上，且很微弱；随着流量的增大，泡漩水增强，泡水 的高度增高，回流范围增大，泡水个数增多、频率增高，连成片成长泡状。 流速v 、水深h 、突咀倾角。及突咀突出尺度l 对泡高h 影响 1 ) 流速v 、水深h 对泡高h 的影响 表4 1 流速与泡高的关系表( 三= 2 0 册，口= 3 0 。) 窟 物次 l 2345678 霉| 流速v ( c 血s ) 3 3 5 34 7 0 93 8 7 96 0 27 0 5 57 7 5 36 8 0 68 9 7 8 水深 4 26 61 6 8l o 61 4 61 6 62 7 62 2 6 ( c m ) v 宰h 1 4 0 8 33 1 0 7 96 1 2 8 86 3 8 1 21 0 3 0 0 3 1 2 8 7 0 01 8 7 8 4 62 0 2 9 0 3 ( c _ 2 8 ) 泡高h ( c - ) 0 0 4o 1 70 1 80 3 70 5 7o 9 21 0 61 5 3 从表4 1 中可以看出，并非水深h 越小或是流速v 越大时泡高h 越大，而是h 和v 同时作用下w h 值增大时，h 才会增大。但在同一种流量下，水深h 越小，流 速v 越大，泡高h 就会越大。对于不同流量，水深h 越大，泡高h 就不一定会越 低，这是由于h 还要受到流速v 的影响。这与观察的试验现象一致。 2 ) 突咀倾角。对泡高h 的影响： 表4 2 泡高与突咀倾角关系表( q = 8 0 帕，三= 2 0 侧) 突咀倾角83 0 。4 5 。6 0 。8 0 。 泡高h ( c m ) 0 5 70 5 90 6 20 5 9 从表4 2 中可以看出，当口6 0 。时，h 会随着8 增大而有所增大，口= 8 0 。时h 第4 章突咀深沱边界条件下泡漩水的研究 “ 没增大反而减小。这是由于。太大以后，主流挑就向了右岸，向回流区扩散的主 流动能降低而导致的结果。在试验过程中发现，流量q 、突嘴尺度l 不变时，改变 突咀的倾角e ，不仅对泡高h 的大小有一定的影响，而且回流和泡漩的范围有所 改变。 3 ) 突咀突出尺度l 对泡高h 的影响： 表4 ，3 泡高与突咀尺度关系表( q = 8 0 ，只口= 4 5 。) 突咀尺度l ( c m ) 2 03 0 4 06 0 泡高h ( c m ) 0 5 90 6 6 0 7 80 9 9 从表4 3 中可以看出，当流量和突咀尺度不变时，随着突咀尺度l 的增大， 泡高h 会增大。 4 5 分析数据推求泡高公式冽 根据一百多组水槽实验分析发现，泡高h 与突咀断面处流速v 、水面比降j 、 突咀相对尺寸l b 、突咀断面水力半径r 、突咀倾角e 及水的粘滞系数u 有关。选 取v 和r 为基本量纲，根据b u c k i n g h a n 提出的定理有5 个无量纲数，可分别求 出： = 形( 口一dn 1 = 叫p2 = ， n j = 口 4 = 上口 髓h | 媾一酗= f 幔| ，j ，8 ，l | 玢 其中冠2f 纠”为凸咀断面雷诺数。( 取2 8 时的y 2 0 0 0 8 3 9 c 珑2 a ) 。 为求得泡高的具体表达式，可假定 形( 口一do c 口电 ( 4 1 ) 形( 曰一d 篮( 仞。 ( 4 2 ) 形( 口一da c 咒4 ( 4 3 ) 形( 口一d ， ( 4 4 ) 式( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) 和式( 4 4 ) 就是h r 与四个独立因子的相依关系， 这三个关系分别反映了泡水强度的一个方面。式( 4 1 ) 表明，泡高h 与突咀断面的 水力半径r 的比值h r 有随突咀倾角e 的增大而增大的趋势，从图4 4 大致可看 出这种变化。但由于受多种因素的影响，这种线性关系并不明显。因为如果只改 变突咀倾角日，其它条件不变的话，突咀断面的平均流速及水力半径的变化不大， 第4 章突咀深沱边界条件下泡漩水的研究 4 5 则对泡高影响并不显著。式( 4 2 ) 反映了h r 与突咀相对突出程度l b 的线性关 系，即突咀相对突出程度越大，泡高与突咀断面水力半径比值h r 越大。从图4 5 可以看出，在流量和水面比降相同的情况下，突咀相对突出程度对泡高的影响是 比较显着的。当流量和水面比降一定时，突咀越突出，突咀断面过水面积越小， 流速相对越大，泡水越高。式( 4 3 ) 反映了泡高与水力半径的比值h r 与突咀断 面雷诺数r e 的线性关系，从图4 6 可以看出，雷诺数r e 越大，h r 也越大，且 这种线性关系非常明显。而雷诺数是水流惯性力与粘滞力的比值，r e 越大，说明 惯性力相对粘滞力越大，水流越不稳定，越容易形成漩涡和泡水。从图4 7 可以 看出水面比降变化对泡高的影响，当流量一定时，突咀下游水越深，即水面比降 越小，泡水相对越弱。说明下游水越深，泡水在上升的过程遇到的阻力越大，损 失的能量越多，因而泡水越弱。 启示：对于主要由突咀挑流形成的泡漩水险滩，整治泡漩水最好的办法是削 减突咀。 o 1 6 0 1 4 0 1 2 0 1 冬 o o 0 6 o 0 4 0 0 2 0 受 矗 受 0 l5 口= 1 0 0 l 8 ，l b = l 2 q ：1 0 0 l s ，l b = l 6 矗q = 5 0 l s 。 啪= 1 2 0 ：5 0 l 8 。 l b = 】4 图4 4o 与h r 的关系圈 第4 章突咀深沱边界条件下泡漩水的研究 图4 5l b 与h r 的关系图 图4 6 鼬与h r 的关系图 第4 章突咀深沱边界条件下泡漩水的研究 4 7 图4 7h r 与j 的关系图 单因子表达式( 4 1 ) 、( 4 2 ) 、( 4 3 ) 、【4 4 ) 个能全面、正确的反映泡两的 变化规律。 假定： 形( 口一d = a 冠1 ，口2 口。( 上口) “ ( 4 5 ) 令 y = h 一dx 1 2 r | x 2 = jx 3 。8 x 4 = l ? b 代入式( 4 5 ) 有 l ，2a x 产x 孑x x 令l ，。= h y ，嘞2 地，x i =