（水力学及河流动力学专业论文）黄河下游护湾工程控导影响下的河湾特性研究.pdf

华北水利水电学院碗士学位论文摘要 y 9 3 4 4 g 5 摘要 小浪底水库控制运用以后，改变了进入黄河下游河道的水沙条件及洪水过程，中、 小流量出现的几率大大提高。目前己建的河道整治工程能否适应这一新的水沙条件，已 经成为黄河下游亟待解决的重大问题。所以，开展中小流量作用下黄河下游护湾工程控 导影响下的河湾特性研究工作，具有重要的现实意义。 在以往研究成果的基础上，以黄河下游某典型河段为对象，利用前人提出的高含沙 水流模型相似率，按照重力相似，阻力相似，悬沙悬移相似和河床变形相似条件，确定模型 比尺；通过概化模型试验，研究了中小流量作用下丁坝护湾工程对水流的控导效果，提 出与之相适应的河道整治参数。 结合不同的来流条件和控导工程布置方案，分别进行了8 个组次的试验。对试验结果进 行了对比分析，可以得出：当控导工程弯道半径r 确定后，综合圆心角度妒过小，则 工程会失去控导水流的作用，主流脱离工程在其下游形成弯道。如果妒过大，尤其在较 大流量作用下，控导工程下游会出现畸形河湾，不利于控制河势的发展。在本次试验中， 综合圆心角度及控导工程弯道半径取值范围分别为7 0 0 tq o c 9 0 n 和1 8 0 0 m r 5 0 0 。 2 、模型的水流运动不受表面张力干扰，要求模型水深h 。 1 5 c m 。 本次试验中，实测模型雷诺数r e m 介7 ：6 0 0 0 2 0 0 0 0 之间远大于5 0 0 ，模型断面平均水深 凰。介于3 8 c m 也大于1 5 c m 。故满足上述两个约束条件。 2 1 3 模型试验工况 试验放水的流量级是分别为：2 6 0 0 m 3 s 、3 7 0 0 n 1 3 s 和5 0 0 0 m 3 s 。前两个特征流量级表示 为小浪底水库建成后运用初期，黄河下游( 花园口站) 泥沙不淤积的临界流量；5 0 0 0 m 3 s 为 黄河下游的平滩流量。对于每一个特征流量级，放水至河床稳定，其经历的时间为河床稳定 时间。把三个不同流量级进行组合，共分为8 组，8 组试验控导工程半径，均相同，试验中不 9 竺! ! 查型查皇兰坚竺! ：竺些笙_ 义 同工况的技术参数见表2 - 2 ， 篓三皇堡里丝生垄苎墼壁墨 其模型布置见图2 ，1 2 - 4 。 表2 - 2 不同试验工况技术参数对照表 t a b l e2 - 2p a r a m e t e r so fd i f f e r e n tc f s e si nt h ee x p e r i m e n t 2 2 概化模型试验成果 2 2 1 断面主流位置的确定 断面主流位置的确定对于河流平面形态的研究工作是非常重要的，主流流向的发展对于 河流平面形态有着决定性的作用，本文也是依据主流线来进行讨论的。本文在研究河流平面 形态的同时，对断面主流位置的确定也做了深入的讨论。 根据实测断面水深和流速资料，对试验中的测验变量作无量纲化处理，绘制出断面相对 水深皿m 和相对垂线乎均流速k v 与相对起点距尽b 之间的关系图。其中，日；，k ，垦 分别为距断面起点距第f 条垂线处的水深、平均流速和起点距，h ，矿，曰分别为断面平均 水深、平均流速和河宽。 试验结果表明，相对水深。h 和相对垂线平均流速u v 随相对起点距e b 的变化关系 相似但有所不同。多数情况下通常认为，河槽断面中流速最大的位置即是主流的位置，同时 相应位置处水深也最大，这对于理想状况下的均匀流而言是正确的。但是对于天然河道，由 于受不规则的断面形态、来水来沙及河岸抗冲性等边界条件的影响，则上述说法则有不足之 处。就本次试验来说，处于弯道之间的过渡段由于受环流影响较小，河床断面形态沿河宽变 化相对均匀，所以沿河宽日，f f 较大位置处的k v 也较大，如图2 5 与2 - 6 、2 - 9 与2 1 0 、2 1 3 与2 一1 4 所示。而处于弯道段的断面，由于是水流受边壁及环流影响显著，河床断面形态沿河 宽变化不均匀，所以沿河宽。日较犬位置处的v 却不一定较大，如图2 7 与2 - 8 、2 1 l 与2 1 2 、2 - 1 5 与2 - 1 6 、2 1 7 与2 - 1 8 、2 - 1 9 与2 2 0 所示。对于弯道出f ：_ ：lc s l 6 断面，从图2 7 与2 - 8 及2 1 5 与2 - 1 6 可以看出，片。最大处在最b = 0 ( 右岸丁坝群) 附近，由于受边壁 影响，k v 最大处位置并不靠近右岸丁坝，而在旦b = 0 5 ( 河道中心线) 附近。说明水流 华北水利水电学院硕：l 二学位论文第二震模型醚及琏堕堕墨 在弯道断面处的最大水深与最大流速的位置并不重合。 这里需要强调的是，断面主流的位鼍不应该仅仅依照断面最大流速的位置来判别，而是 t ，l ， 应该按照最大单宽流量的位置来确定。用西来表示无量纲单宽流量，q ? = 等。从图2 2 1 、 r 仃 2 2 2 、2 2 3 、2 2 4 可以看出，口? 和日随e 口的变化趋势基本一致。说明断面水深最大位 置处的流速未必最大，但同一位赞处的单宽流量却为最大。所以，在实际工程应用中，为了 简化起见，可以依据断面水深大小来确定断面主流位置。 2 2 2 八组试验结果对比分析 n o 1 n o 8 组次试验对比分析结果如下： 1 、n o 1 和n o 2 组次试验初始地形相同，两组试验河势见图2 2 5 和2 2 6 。 由于n o 2 组试验初始流量( 3 7 0 0 m 3 s ) 比n o 1 组试验大，所以冲刷强度相应较大，在 工程下游弯顶c s l 9 断面右岸向外分别坍塌了初始河宽的7 5 和7 1 0 。虽然水流对边岸冲刷强 度不同，但从河势上看又有相似性，主流都是从c s l 6 断面下挫至c s l 9 断面，然后上挑至c s 2 4 断面然后又下过渡至右岸。由于水流通过c s l 6 断面后对下游c s l 9 断面右岸造成了强烈的冲 刷，故工程对水流控导作用不明显。应加长工程长度，以便于更好地控导水流、稳定河势。 2 、n o 3 和n o 4 组次试验初始地形相同，在n o 1 和n o 2 两组试验基础上将工程圆心角 增至9 0 0 ，工程下游c s l 8 - - c s 2 4 断面地形加以适当修改，以顺应河势发展。 n o 3 组试验放水第5 5 天后( 河势见图2 - 2 7 ) ，控导工程c s l 6 断面处凸岸向内淤积致使 河道缩窄至初始河宽的2 5 ，主流出c s l 6 断面下挑至c s 2 6 断面左岸后又向下游右岸过渡， c s l 9 - - c s 2 5 断面河湾形态已基本稳定。n o 4 组试验初始流量为2 6 0 0m 3 s ，放水8 0 天后( 河 势见图2 - 2 8 ) ，c s l 8 - - c s 2 3 断面右岸受环流影响向外略有冲刷，c s 2 1 断面右岸向外坍塌宽度 为初始河宽的2 5 。从河势图中可以看出主流在该段已逐渐偏离左岸，因而左岸受水流冲刷作 用减弱，不再向外发展。从第8 1 天开始流量增至3 7 0 0 m 3 s 。流量加大以后，水流冲刷作用明 显增强，c s l 9 - - c s 2 5 断面，主流行靠左岸，左岸坍塌速度很快，右岸相应的不断回淤。1 5 0 天后，c s l 9 - - c s 2 5 断面河湾形态已基本稳定，水流冲刷作用，c s 2 5 断面左岸向外坍塌宽度 为初始河宽的1 9 倍，河势见图2 ，2 9 。 3 、为了进一步了解不同入流角度条件下工程对水流的控导效果，n o ，5 和n o 6 两组试验 在n o 3 和n o 4 组试验的基础上将工程入流角度增大至3 0 。，工程下游c s l 8 - - c s 2 4 断面地形 加以适当修改，以顺应河势发展。两组次试验初始地形相同。 5 组试验放水5 0 天后( 河势见图2 - 3 0 ) ，c s l 8 - - c s 2 3 断面左岸受水流冲刷较强烈， c s 2 0 断面左岸向外坍塌了初始河宽的1 1 倍，右岸同时向内淤积，丁程下游河道平面形态为 较缓的“s ”形，放水至9 0 天后，c s l 8 - - c s 2 5 断面紧靠左岸，有进一步冲刷的趋势，右岸同 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章模型设计及试验成果 时回淤，为进一步研究河势发展趋势，9 5 天开始，流量增至3 7 0 0 m 3 s ，1 3 0 天后，c s l 8 - - c s 2 2 断面主流逐渐偏离左岸，左岸受水流冲刷强度减弱；c s 2 2 断面以下主流仍靠左岸至c s 2 6 断 面后又过渡至右岸。控导工程以下河湾弯曲幅度增大，呈一个较缓的“几”字形，见图2 3 1 。 n o 6 组试验初始流量为3 7 0 0 m 3 s ，放水至第1 0 天，c s l 8 一c s 2 3 断面左岸受水流冲刷较强烈， 同时右岸淤积。放水8 5 天后，c s l 8 - - c s 2 2 断面主流逐渐远离左岸，左岸塌落速度明显减小。 但c s 2 3 - - c s 2 5 断面河势下切形成一个急弯，主流顶冲左岸。左岸受水流冲剧作用较强，有向 前塌落形成“横河”的可能( 河势见图2 - 3 2 ) 。1 2 0 天后，水流在c s 2 l 断面分为两股，靠左 岸一股占水流7 0 左右，靠右岸约占水流的3 0 。c s 2 3 断面主流项冲左岸，然后主流下挑 至c s 2 4 断面后又靠右岸。控导工程下游河湾出印酽几”字形河势。第1 2 3 天流量增至5 0 0 0 m 3 s ， 1 5 0 天后主流在c s l 8 - - c s 2 2 断面又汇成一股逐渐靠近河道中部，c s 2 2 断面以后主流坐弯垂 直下切至c s 2 4 断面后靠右岸，见图2 3 3 。 4 、由于n o 5 和n o 6 两组试验过程中出现了畸形河势，为了更好地了解工程对水流的控 导效果，n o 7 和n o 8 两组试验工程圆心角减至5 4 0 ，入流角度增加至3 6 0 。 n o 7 两组试验初始流量为3 7 0 0 m 3 s ，放水至8 0 天，主流出c s l 6 断面后至c s 2 2 断面抵 达弯顶，c s 2 2 断面下游出现“s ”型河湾，见图2 3 4 。9 0 天后，流量增至5 0 0 0 m 3 s ，c s t 6 断面下游右岸冲刷较强烈，右岸向外冲刷宽度约为1 5 初始河宽。放水至1 2 0 天。主流出工 程后逐渐靠近左岸，至c s 2 2 断面抵达弯顶。c s 2 2 断面下游平面形态已发展成为“几”字型 河湾，见图3 - 3 5 。n o 8 组试验初始流量为2 6 0 0 m 3 s ，放水至3 0 天，主流出工程后逐渐靠近 左岸至c s 2 0 断面抵达弯顶，c s 2 0 断面下游主流靠左岸，右岸略有淤积，见图3 3 6 。5 0 天后， c s l 8 - - c s 2 7 断面左岸受水流冲刷其宽度约为1 4 初始河宽，同时右岸淤积。放水至1 0 0 天， 由于河槽进一步刷深，c s l 8 - - - c s 2 7 断面主流位置逐渐靠近河槽中部。见图3 3 7 。 由以上8 组试验结果可以看出，n o 3 、n o 4 和n o 8 组试验，工程对水流控导效果较好， 工程下游河势横向摆幅不大，工程起到了稳定河势的作用。n o 1 和n o 2 两组试验过程中， 由于工程圆心角度( 5 4 。) 较小，水流在工程下游形成弯道，工程没有起到控导水流的作用。 n o 5 、n o 6 两组试验工程圆心角度和入流角度分别增大至9 0 。和3 0 。，工程对水流的控导能力 较强，但是工程下游出现了畸形河湾，不利与工程下游河势的稳定。尽管n o 7 组试验工程圆 心角度( 5 4 。) 不是很大，但与1 和2 两组试验相比入流角度增大至3 6 。，试验过程中， 尤其在较大流量( q 3 7 0 0m 3 s ) 作用下，工程下游同样出现了畸形河湾。所以，受工程圆心 角度和人流角度的综合影响，河湾主要控制参数的选取应在一个合理范围内迸行考虑。 2 2 3 护湾工程主要控制参数的选择 实测河湾主要控制参数见表2 3 ，在表2 3 中，需要指出的是：河湾主要控制参数是依据 主流线位置确定的。表中综合圆心角度妒7 是指考虑入流角度后弯道段所对应的圆心角度。 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章模型设计及试验成果 相应的，弯道弧长“是依据综合圆心角度妒和弯道半径r 所确定。如图2 3 8 所示，考虑入 流角度芦后。圆弧顶点由原来位置m 移至m ，综合圆心角度由妒增至妒。 试验结果表明，当控导工程弯道半径r 确定后，综合圆心角度妒过小( 妒c 5 0 。) ，则 工程会失去控导水流的作用，主流脱离工程在其下游形成弯道，如图2 2 5 和2 2 6 所示； 如果过大( ，9 0 。) ，尤其在较大流量作用下( q2 3 7 0 0m 3 s ) ，控导工程下游会出现畸形 河湾，不利于对工程下游河势进行有效控制，见图2 3 2 、2 3 3 、2 - 3 4 和2 3 5 。 通常情况下，综合圆心角度妒取值范围为5 0 。c 1 2 0 。，护湾工程弯道半径按经验确定为 1 5 0 0 m r 2 5 0 0 m 。从本次试验可以得出，7 0 0 舻。9 0 0 ，1 8 0 0 m r 2 3 0 0 m 时控导工程导 流效果较佳。 表2 - 3 试验中相邻河湾的主要控制参数实测值对比表 t a b l e2 - 3c o n t r a s to f t h em a i n l ym e a s u r e dp a r a m e t e r so f t w oc h a n n e l ! 竺璺! ! 业! ! i 氅! ! 生! ! ! ! ! 垫! ! ! ! ! 壁受墨! 坐 试验 流量 河床稳定弯道半径综合圆心弯道弧长过渡段长 。+ 组次 q ( m 3 s )时间删 ，i n 角度一o b m度三，1 1 3 。l n o 12 6 0 08 0 2 2 8 0 2 2 9 64 8 5 11 9 1 0 2 0 4 4 1 7 2 2 n o 23 7 0 06 01 5 8 4 1 1 5 7 67 5 7 1 2 0 7 3 1 1 9 5 31 8 1 9 n o 33 7 0 05 5 1 8 0 8 1 9 8 47 8 8 02 4 6 1 2 7 7 04 1 8 0 n o 43 7 0 0 n o 5 12 6 0 0 n o 5 23 7 0 0 n o 63 7 0 0 n o 7 - l3 7 0 0 n o ，7 25 0 0 0 7 0 9 5 3 5 1 2 0 9 0 3 0 1 览m 陀0 8 0 1 9 2 0 ，1 9 6 0 1 9 2 0 ，1 9 加 1 8 4 0 ，1 6 8 0 1 8 8 0 ，1 9 4 4 1 8 4 0 ，1 9 6 0 8 3 7 9 9 7 9 i 9 7 9 6 1 2 0 1 1 9 9 0 9 2 9 0 9 4 2 7 8 1 2 8 6 8 3 2 5 1 3 1 1 3 3 2 5 1 3 2 1 7 3 8 5 4 3 4 8 9 2 9 5 3 3 1 2 1 2 8 9 0 3 2 1 6 a 0 8 0 蒙萎豢蔷筹 。晰黎裂髫5 。1 放 4 0 6 9 4 0 1 6 s 0 0 0 絮始9 0 嚣 放水天后 n o 82 6 0 01 0 0 1 8 4 0 1 8 6 49 0 7 6 2 8 9 0 2 4 7 31 3 2 0 注：表中斜杠“”后数值为f 湾数据。 o 图2 - 3 8 综合圆心角度示意圈 f i g 2 - 3 8 t h es y n t h e t i cc e n t r a la n g l ep l a n 1 3 华北术利水电学院硕士学位论文第三章相邻河湾变化特性研究 第三章相邻河湾变化特性研究 关于河湾流路的演变规律，中外许多学者汹“1 6 对此进行了大量的研究工作。探索河湾 流路变化发展规律，首先要了解河湾的平面形态。 3 1 河湾平面形态 河湾的平面形态由河湾要素所决定，河湾要素主要包括河湾半径r 、河湾圆心角妒、河湾 间距f 、弯衄幅度p 、河湾跨度t 以及两湾之间的直河段长度等。受自然地理条件及柯氏力 的影响，完全顺直的天然河道在自然界是不存在的。河湾平面形态如图3 - 1 所示： 图3 - 1 河湾平面形态示意图 f i g 3 - 1 t h ec h a e ib e n d sp l a n 图中符号( 都是针对主流路而言) 物理意义如下； 曲率半径r 弯道主流路的曲率半径； 圆心角伊弯道自进口到出口所包含的圆心角度： 河湾跨度卜两相邻同向河湾湾顶间的直线距离； 河湾间距卜两相邻河湾湾顶间的直线距离： 弯曲幅度p 一相邻湾顶切线间的垂直距离； 过渡段长度己两相邻河湾之间直河段距离。 3 2 相邻河湾变化特性 3 2 1 相邻河湾之间的相似性 由于平原冲积性河流河湾变化发展过程的复杂性，为了进一步地认识和研究河湾流路的 演变规律，并且使问题得到合理的简化，首先提出以下几个基本假设条件： 华北水利水电学院硕士学位论文 第三章相邻河湾变化特性研究 1 、局部河段上无支流汇入或流出，主流没有分汉，且流量沿程不变； 2 、河岸与河床颗粒组成相同，组成均为散粒体颗粒； 3 、某一流量作用下河湾流路趋于稳定时，对于宽浅河流，水面纵比降忽略局部变化，认 为水面线沿程不变； 4 、弯道内横向环流充分发展； 5 、相邻上下河湾之间的直线过渡段分别与两湾的出口和进口处相切； 6 、上下相邻河湾之间水体因为边界摩阻和水流内部紊动耗散所损失的能量，由上下相邻 河湾进口断面处的水头差得到补给。 根据以上6 个基本假设，水流在某一流量作用下达到动力平衡状态，初始河流流路稳定 于矾，岷1 1 ，如图3 2 所示。其中，睨。和，。分别为初始流路的上湾和下湾，两湾之间过 渡段长度为厶，。 一一一j ： ， ，。 - ? 、 圉3 - 2 相邻河湾流路变化特性示意图 m 邸- 2t h ep l a no f m a i nf l o wc h a n g e si nt w oa b u t t i n gc h a n n e lb e n d s 冲积河流常常通过自动调整作用使得河流系统处于平衡状态，并使其断面形态及纵剖面 形态与流域因素之问构成某种定量的关系，这种定量关系被称为河相关系“。 某一流量作用下，经过一段时间的调整后，河流流路保持稳定。如果上湾河道平面形态 满足某一稳定的河道平面关系，则上湾在一定条件下发展成为稳定河湾，那么其对应的下湾 也应当满足这一河相关系，从而下湾也会发展成为稳定河湾。因而在稳定的河相关系下相邻 河湾之间会存在一定程度上的相似性。 流量增大，水流进入弯道后，受弯道环流的影响凹岸附近局部河床被刷深，这使得河宽 相应缩窄，水流大部分集中于靠近凹岸沿河宽的某一宽度内，其单位宽度水流的动能与直河 段相比要大得多，这一现象尤其在弯道出口断面附近更为明显。受惯性力的影响，水流出弯 华北水利水电学院硕士学位论文 第三章相邻河湾变化特性研究 道后，其保持自身状态不变的能力比小流量时要强，虽然河床的抗冲性随着床沙的粗化而增 加，表现为水流对河床的冲刷最终会达到一个相对平衡的状态，河床不会无限制地被刷深； 但河岸抗冲性的变化却不大，表现为靠近主流的一侧河岸在水流冲刷作用下而迅速坍塌，对 平原冲积性河流而言，通常河道平面横向与纵向的调整比沿水深的垂向调整大得多。并且， 河湾在受控状态与自然发展状态下相比，其出口断面水流往往更加集中，故单位宽度水流的 动能要更大些，所以通常情况下，相邻河湾之问过渡段长度厶：i ：l l ：稍大。所以，流量增大后， 经过一段时间的冲刷调整，河道中水流达到动力平衡状态，则有如下结论： 1 、如果上湾既，受限发展，则岷，保持自身形状和位置不变，下湾。，会向前调整至睨。：， 两湾之间过渡段长度由厶，增至厶：，两个相邻河湾的河湾要素相似( 相近) ；如果上湾彬。自 由发展，峨。的位置过渡到矾：，下湾矾。向前调整至：，两湾之间过渡段长度由厶，增至如， 两个相邻河湾的河湾要素相同。并且通常情况下，相邻河湾之间过渡段长度厶：比，稍大。 2 、如果减小流量至河流流路稳定，则主流的发展会出现以上河湾发展相似的逆过程。 由于本次试验的概化条件是依据黄河下游某典型河段平面河相关系确定的，所以相邻河 湾之间具有相似性这一结论适用于满足上述假设条件下的黄河下游典型河段。 3 2 2 河湾相似性的试验验证 本次n o 1 8 组次试验基本满足以上假定。1 和2 组次试验中丁坝群基本失去 了控导作用，主流在丁坝下游c s l 9 断面处形成弯道。对于这两个组次，以c s l 9 和c s 2 4 断 面处两相邻河湾为研究对象，其余各组次均以上湾丁坝群及其相邻的下湾为研究对象，研究 主流线在相邻弯道中的变化规律。 根据表2 3 中列出的数据，对上下两个相邻河湾的河湾系数实测值进行比较，见图3 3 。 对于综合圆心角度一和弯道半径r ，下湾对上湾的相对误差值如表3 - 1 所示。 从图3 3 和表3 - 1 可以得出： 1 、除了n o 8 组试验综合圆心角度相对误差e 。，以及n o 3 ，n o 7 2 ，n o 8 组试验河湾弧 长的相对误差b 大于1 0 以外，其他组次试验河湾系数的相对误差均小于1 0 。可以认为 上湾和下湾的河湾系数基本上是一致的，说明两个相邻河湾的河湾要素确实存在很大程度上 的相似性。 2 、相邻弯道主流路的弯道半径，的相对误差总体上大于o ，说明上湾受限发展情况下， 下湾要略大于上湾主流路的弯道半径。 3 、n o 1 与n o 2 ，n 0 5 1 与n o 5 - 2 ，n o 7 1 与n o 7 2 组试验能够看出，增大流量至河湾 流路稳定后，相邻河湾过渡段长度分别由1 7 2 2 m 、2 3 6 0 m 和4 0 1 6 m 增至1 8 t 9 m 、3 0 9 6 m 和 5 0 0 0 m 。说明河湾流路稳定情况下，两相邻河湾问过渡段长度会随流量增大而增加。 竺! ! 查型查皇兰堕堡主兰堡兰苎蔓三童塑整翌苎窒些鳖堡型塞 表3 - 1 试验中相邻河湾的河湾系数相对误差对照表 t a b l e3 - 1 c o m p a r i s o no f t h er e l a t i v ee r r o rw i t hm e a s u r e d c o e f f i c i e n t s 试验组次 n o 1n o 2n o 3n o 4n o 5 - 1 n o 5 2n o 6n o 7 - 1n o 7 _ 2n o 8 2 4 0 0 皇2 2 0 0 嚣2 0 0 0 删 葡1 8 0 0 1 6 0 0 工习 l ：工鎏i = 芒 ： -。- ： ：蕾 。 n o 1n o2 n o3 n o4n 0 5 1n o 5 2n o bn o 7 一ln o ，7 - 2h o 8 试验组次 图3 - 3 试验中上下相邻河湾的河湾系数实测值对比图 f i g 3 - 3 c o n t r a s to fm e a s u r e dc o e f f i c i e n t so ft w oa d j a c e n tc h a n n e lb e n d si nt h ee x p e r i m e n t 4 、出于n o 1 与n o 2 组试验护湾工程基本上失去了对水流的控导作用，主流在工程下游 形成弯道，把它近似作为河湾自由发展的情况，通常情况下，其相邻河湾过渡段长度比同水流 条件下河湾受控( n o 8 组试验除外) 时的过渡段长度小。 从以上分析结果可以看出，在第3 2 1 节中提出的两点结论是成立的。 在实际工程应用中，人们普遍比较关心的是水流在控导工程的作用下，主流的变化与发 1 7 舯 船 柏 昏越援0醴舡婚 口 t t o t r t t 华北水利水电学院磺士学位论文第三章相邻河湾变化特性研究 展情况。所以，如果利用以上结论中提出的相邻河湾的相似性这一河湾流路的演变规律，并 且知道了相邻河湾之间过渡段的长度，那么我们就可以确定出不同来流条件下 ( 2 6 0 0 m 3 sc q c 5 0 0 咖3 s ) ，河湾发展的平面形态及空间位置。接下来讨论过渡段长度的 确定方法。 3 3 相邻河湾过渡段长度 相邻河湾过渡段长度l 在图3 - 2 中表示为主流线介于上下两个相邻河湾之间的直线段长 度。经过分析可知，过渡段长度与以下因素有关：流量q ，断面平均流速y ，综合圆心角 度妒，圆弧半径，水面纵比降厂。，过渡段河宽b 及平均水深日。 令： 胁s 0 0 0 嚣( ( z 耐虮) ( 3 - ) 式中，矿、b 和h 在在过渡段进口断面处取值。 则k 和过渡段长度三近似有如下线性关系： = 1 0 4 5 8 k + 2 9 2 ( 3 2 ) 因为式3 - 1 中k 的量纲为陋】，所以等式3 2 两边的量纲是和谐的。 越 壁 实测值 图3 - 4 过渡段长度l 计算值与实测值对比图 f i g 3 _ 4c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o m p u t e dv a l u ela n dt h em e a s u r e dv a l u el 图3 4 给出了3 _ 2 式过渡段长度上的计算值与实测值的对比，可以看出，试验点据分布于 直线的两侧，表明浚公式具有较好的拟合性。 华北水利水电学皖硕士学位论文第三章相邻河湾变化特性研究 3 4 受控河湾局部阻力损失 如图3 - 5 所示，水流经过1 - 1 和2 - 2 断面之间的弯道段受到丁坝群及水流进入弯道后产生 的水面横比降的影响而产生局部阻力损失；水流经过2 - 2 和3 - 3 断面之间的过渡段产生沿程 阻力损失。 1 2 二、 ，一一一 ，。眵，i j i 。? 0 、0 、 。 。 。迤v j j 人、一一 二 图3 - 5 河湾能量方程断面划分图 对i - i 和1 - 3 断面列出能量方程， z ，十争+ 盟2 9 - z 2 + 等+ 咝2 9 帆 c 3 。， 1 y。y 7 式中，z、导和!坚分别为过水断面上单位重量液体所具有的平均位能、平均压能和平zy g 。 均动能：h 。为总水头损失。 利用研究河湾流路演变中提出的假设，可知位于相邻河湾进口断面处的动能相等，且水 面比降沿程不变，则式3 3 可化简为： a z ；h 。( 3 4 ) 总水头损失 ，可以看作是断面2 2 和3 - 3 之间的沿程阻力损失 ，和1 1 与2 2 断面之间 的局部阻力损失自之和。 所以，式3 - 4 可以写成： 醒= h i h ? h ，的计算采用均匀流沿程损失公式，即达西( d a r c y ) 公式m ： ，：a 土竺 4 r 2 9 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 式中，丑、三、r 、矿和g 分别代表沿程阻力系数、沿程长度、水力半径、断面平均流 华北水利水电学院硕士学位论文第三章相邻河湾变化特性研究 速和重力加速度。 利用谢才一公式： 和公式： v ；c 4 f j ? 魅 l 。v 了 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 代入3 6 式， h ，= _ d( 3 9 ) 以上三式中，c 和i ，分别为谢才系数和水力坡度( 即能坡) 。 本次试验中，模型雷诺数r e l n 介二于= 8 0 0 0 1 4 0 0 0 之间远大于5 0 0 ，则保证了沿程阻力损失 不受雷诺数影响。由于1 - 1 和2 - 2 断面受到丁坝群和水流进入弯道后产生的水面横比降的影 响而产生的受控河湾局部阻力损失为： ”考善 ( 3 - 1 0 ) 式中，亭为受控河湾局部阻力损失系数。 将式3 - 9 和3 - 1 0 代入3 5 ，可得： 肌叭考善 ( 3 - 1 1 ) 本次模型试验中，相邻河湾之间的过渡段近似当作均匀流来处理，对于3 - 1 1 式，能坡j 近似由水面比降，：代替，即j 2 2 。o o o ，矿采用2 - 2 断面平均流速，利用实测资料可以求出 值。 由分析可知，受控河湾局部阻力损失系数 和雷诺数r e 、综合圆心角度舻r 、水面纵比降 j ：、平均水深日、河宽b 、水力半径r 、圆弧半径r 等因素有关。即： 二= f ( r c ，伊，j z ，h ，b ，r ，r )( 3 1 2 ) 考虑到等式两边量纲的和谐性，由试验数据拟合出受控河湾局部阻力损失系数公式： z 5 x 1 0 - 2r e 比詈( 分2 5 ( 3 - 1 3 ) 对公式3 - 1 3 局部阻力损失系数言的计算值和实测值进行验证，见图3 - 6 。n o 7 1 、n o 7 2 和n o 8 组次试验点据计算与实测 值存在一定的偏差，并且这三组试验所得的e 值普遍较 2 0 华北水利水电学院硕士学位论文第三章相邻河湾变化特性研究 小。这可能是因为，这三组试验中主流顶冲点位置有不同程度的下挫，部分工程不靠溜，这 是造成考值较小的主要原因；也正是由此，致使顶冲点以下至工程出口段的水沙和流速分布 更加紊乱，从而导致计算与实测亭值存在一定的偏差。其它三组试验工程与主流衔接较好， 水流比较平顺，相应地 值也较大，计算与实测毒值偏差较小，拟和度较高。 k “ 趔 瓣 士 实测值f 囤3 - 6 受控河湾局部阻力损失系数毒计算值与实测值对比图 f i g 3 6 c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ec o m p u t e dv a l u e 考a n dt h em e a s u r e dv a l u e0 竺! ! 查型查皂兰堡堡兰兰竺丝塞 丝婴量童望堑鎏垩垡堕望坌塑叁壅 一一一一 第四章弯道环流垂线流速分布公式 水流流经弯道作曲线运动，水面形态和水流结构发生调整和变化，形成弯道水流特有的 运动特性。弯道段的水流受离心加速度的影响，引起水流的螺旋运动和水面超高。螺旋运动 又称为螺旋流、次流或横向环流。横向环流是由于在粘性流体中，水面横比降引起弯道断面 的横向压力差，这种压力差沿垂线分布的均匀性和流速沿垂线分布的不均匀性，使得弯道断 面产生了纵轴环流，这一环流与纵向水流汇合形成了螺旋流。 习惯上定义环流流速的大小v ，为环流的绝对强度；v r 为环流相对强度，v a 。为环流旋 度，其中p k 和v 。分别为极坐标下的纵向垂线平均流速和纵向流速。也有以弯道水流横向坡 降与纵向坡降的比值作为整个弯道环流强度的依据“。环流强度的大小与纵向流速、河湾半 径及水深、糙率等因素有关，纵向流速大，曲率半径大，水深大，糙率小，会导致环流强度 增大。 由实验和天然河流的观测“”可知，环流强度在弯道进口处总是较弱，而在弯顶稍后处达 到最大，在弯道出口附近又有减弱的趋势。因此在弯道的大部分范围内，环流强度是沿程变 化的。沿河宽不同垂线环流强度也不相同，在深槽及主流附近，环流得以充分发展，在浅滩 处及凸岸附近，环流强度迅速降低。 4 1 弯道环流研究综述 1 8 7 6 年，汤姆逊”1 ( t h o m s o nj ) 通过试验首次发现了弯道螺旋流，并对弯道环流的形 成和断面横向输沙的成因等问题给出了正确的物理描述和机理解释。1 9 1 4 年，米洛维奇8 。等 人依据“势流理论”推导出了描述弯道水流运动的第一个理论定律“面积定律”： 即= 常数，或丢警一l ( 4 - 1 ) 式中：圪为弯道纵向流速( 极坐标下) ；，为弯道曲率半径。 很多学者利用边界条件：f ，严0 ，和连续条件：j ：”，d 。20 ( 这里叩2 z l h ，即相对水 深) ，采用不同的纵向流速分布公式推导出环流流速沿垂线的分布公式。 波达波夫”在2 0 世纪3 0 年代，利用s 方程得到了二元水流的运动方程式，采用抛 物线型纵向流速分布公式：“= h 。一u ( 1 一叩) 2 ，导出了仅适用层流或瞬时紊流的s 方 程的环流流速垂线分布公式： 华北水利水电学院硕士学位论文第四章弯道环流垂线流速分布公式 驴警一) 6 + ) 4 2 ( 1 一面3 小肛咿+ 西7 6 m 】( 4 2 ) 式中，u 。：水面速度；1 ，：运动粘滞系数：m ：巴森系数，介于2 2 2 5 之间。 1 9 4 8 年马卡维耶夫借助于椭圆型流速分布公式，“：“。撕= 瓦丽，其中 p = m v c 2 p ，c “：，为纵向垂线平均流速，m 是与谢才系数c 有关的经验系数，导出了环流 流速沿水深分布的计算公式”： 盟：盘i u ：主3 0 竺：趁! 兰p 哇。立z e 4 蔓! 2 ，+ 孟p + 蚤p z + 3 字o + i l p + ；p 2 ， 式中，t = 1 一r ，m 是与谢才系数有关的经验系数。该公式的主要缺陷是结构过于复杂， 而且推演过程中取紊动动力粘滞系数为常量的作法也显粗糙。 1 9 5 0 年罗辛斯基及库兹明借助指数流速分布公式，并采用假设立：兰。兰，导出了环 fu v o 流流速的垂线分布公式“”： y ，。1 5 3 堕圪铆”一o 聊。- s ( 4 4 ) 上述环流流速分布公式形成虽然简单，但v ，与c2 成正比的关系与实测结果相差较大。 1 9 5 5 年a b 卡拉乌舍夫也利用椭圆型流速分布公式，提出如下环流流速垂线分布公式： 警【锈) 2 - 譬 件s ， 式中，k 为系数，取1 0 ，心) ：为某垂线纵向流速平方的平均值。 1 9 5 7 年，罗索夫斯基基手纵向流速的对数分布规律：“：【粤三( 1 + l n ，7 ) + b ，求出 了环流流速的垂线分布公式： v ，= 1 7 h ( 曩仰) 一面g - r l l , , 叩) + o 8 ( 1 + l n 椰 ( 4 6 ) ” 0 曲 巾 土 0” 矿嘞! 场 + p 砖 雕 铲 嗉卅 咭 博 酽 坐，” 等器 华北水利水电学院硕士学位论文第四章弯道环流垂线流速分布公式 式中，f 1 ( 叩) 一一2 旺# 等d ，7 + 1 ) ，e ( 叩) ；f ol ，n2 ，q ，d 叩一2 。由于对数流速分布公式不 适用于近壁流区，故在河底附近，罗索夫斯基公式难与实际相符。 孙东坡5 ”采用普朗紊动切应力的构架表征径向水流切应力，采用上述指数型纵向流速分 布公式，导出环流流速的垂线分布公式： 驴4 8 0 鬈0 7 _ 0 t 4 铆9 7 _ 0 3 0 7 ) ( 4 - 7 ) 张红武1 考虑水流含沙浓度对涡团参数g 的影响，仿照普朗特切力处理方式，利用实测 资料确定的g 修正了掺长，。的表达式，同时也采用指数型纵向流速分布公式，导出环流流速 的垂线分布公式： v ，一8 6 7 等 ( 1 + 5 7 5 讶g 。、n s 5 7 0 r 8 叩2 i 4 + ( o 0 3 4 - 1 2 5 丢。) 0 “8 5 7 + 4 7 2 砉一o 0 8 8 ( 4 - 8 ) 上面各公式都是针对河弯中充分发展的紊流进行分析的。这里，充分发展的紊流是指： 当水流进入弯道时，环流产生，在足够长的棱柱形弯道中，水流最终将达到一种平衡状态。 在这种状态下，水流特性不沿流向改变。弯道水流的各运动要素，在柱坐标下不随极角0 的 变化而改变。水流的这种流动状态我们称其为充分发展的流动。 4 2 弯道环流垂线流速分布公式的推导 弯道水流坐标及符号的定义如图4 1 所示。 不可压缩粘性紊流连续方程和运动方程： o v _ l ：0 氓 监o v 兰_ i ；f 一三望+ 三生 o t 。a x i 。po x i pd o ：| 对上两式按照时均运算规则石= 拇，两边取时均值： m ，+ t i ：2 哦0 v i 讥旦o x i 三t a ，- r z 加等= 。 ( 4 9 ) ( 4 1 0 ) ( 4 1 1 ) 华北水利水电学院硕 ：学位论文 第四章弯道环流垂线流速分布公式 一+ 07 忙焉7 于刁- 2 j _ l ( 4 1 2 ) o 图4 1 弯道水流示意图 f i g4 - 1c h a n n e lb e n d sf l o wm a p 则弯道水流紊动时均连续性方程和运动方程( 沿y 方向即弯道环流流速方向) 如下 塑+ 业+ 业；o