堆积体对河道流速分布的影响研究.docx

1、堆积体对河道流速分布的影响研究刘家富，彭清娥，郭志学，苏杨中，汤雷(四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川成都610065)摘要：通过水槽实验研究，分析了河流的水流流速分布受堆积体影响的特性，其结果表明：（1）受堆积体影响，水流流态一般可分为4个区段，即水流的主流区、堆积体上游滞流区、堆积体'下游回流区及堆积体下游主流区和回流区之间的过渡区。（2）堆积体体型对主流流速沿程变化影响很大，一般阻水率越大，其对主流流速影响幅度越大，影响范围也越大。堆积体上游段，主流流速受堆积体影响流速减小；堆积体段，主流流速显著加大，堆积体末端附近，流速达到最大；堆积体下游段，水流逐渐扩散,主

2、流流速逐渐减小，但主流流速仍较无堆积体情况明显加大。（3）水流主流流速变化与流量之间无确定相关关系，堆积体对主流流速沿程影响特性完全与堆积体阻水率的变化特性相一致。（4）引入堆积体阻水率概念，堆积体的阻水率对水流结构的影响起决定性作用，阻水率越大，其对水流结构影响越大。关键词：堆积体；水流结构；阻水率；水槽实验中图分类号：TV133文献标识码：A文章编号：10000860（2011）11.0038.04StudyonimpactfromdepositondistributionofchannelflowvelocityLIUJiafu,PENGQinge,GUOZhixue,SUYangzho

3、ng,TANGLei（StateKeylaboratoryofHydraulicsandMountainRiverEngineering,SichuanUniversity,Chengdu610065,Sichuan,China）Abstract:Basedontheflumeexperimentalstudy,thecharacteristicsofthedistributionofchannelflowvelocityundertheimpactfromdepositareanalyzedherein.Theresultshowsthat1.Undertheimpactfromdeposi

4、t,theflowpatterncanbedividedintofoursections,i.e.themainflowzone,thestagnationflowzoneupstreamofdeposit,thebackflowzonedownstreamofdepositandthetransitionzonedownstreamofdepositbetweenboththemainflowzoneandthebackflowzone.2.Theimpactfromtheshapeofdepositissignificantonthevariationofthevelocityofthem

5、ainflowalongriverchannel.3.Nodefinitecorrelativerelationistherebetweenthevariationofmainflowvelocityandtheflowrate,whilethecharacteristicsoftheimpactfromdepositonthevariationofmainflowalongriverchannelisfullycoincidedwiththechangingcharacteristicsofthewalerresistanceratioofdeposit.4.Thewaterresistan

6、ceratiohasapredominanteffectontheimpactfromdepositontheflowstnictureconcerned；i.e.thelargerthewaterresistanceratiois,thegreatertheimpactfromitupontheflowstnicturewillbe.Keywords：deposit；flowstructure；waterresistanceratio；flumeexperiment1引言由于受地震、降水、山洪等影响，破碎的山体会直接滑坡、崩塌，甚至以泥石流等形式侧向进入河流，在河流沿岸形成一般水流条件下难以

7、搬运的大型堆积体。在III区河流中，这些大型堆积体比较常见。特别是“5.12”大地震后，震区附近土体松散，直接或间接形成的大型堆积体更是比比皆是。大型堆积体的存在，会带来许多危害。首先，它们缩小了河道局部过流断面，造成堆积体上游水位雍高，流速减小，增大泥沙淤积，带来上游行洪安全隐患；其次，堆积体会加大堆积体局部段的水流动力,引起河岸侵蚀破坏，带来卜游河道冲淤部位的调整甚收稿日期：2011-04-20基金项目：国家自然科学基金项目(50949057)；973计划资助(2011CB409903)。作者简介：刘家富(1987),湖北鄂州人，硕士研究生。至河型的改变，使下游沿河两岸的防护变得更加困难，

8、危及治岸工程设施及居民安全；随着堆积体泥沙冲刷的外移河岸的侵蚀发展，还可能带来更加严重的河床演变危害，这类危害发生的时间相对滞后，容易受到忽视，其威胁性更大。而要做到对这种危害进行正确合理的分析，堆积体作用下的水流结构影响研究是首当其冲要解决的科学问题。目前，关于堆积体的研究多集中在地学层面。如胥勤勉研究了金沙江金坪子堆积体的形成过程；朱颖彦研究了泥石流堆积体边坡失稳与其他边坡失稳的不同表现2；涂国祥还做了冰水堆积体层流一紊流过渡状态渗流特性的研究，但从收集的资料来看，涉及堆积体对河流水流结构的影响的研究还较少。本实验的目的就是通过不同流量情况下，对不同规模的堆积体的对比实验，从而揭示河流水流

9、结构在堆积体作用下的变化规律。2研究方法2.1实验布置实验采用玻璃矩形水槽，宽Im,高0.75m,坡率0.001,总长12mo堆积体布置在水槽中部，测量断面从上游到下游，依次分为15个断面如图1所示。实验水位测量采用WYG-n型水位仪,在各断面横向上均布7个测点，流速测量采用LGY-ID型多功能智能流速仪，在横向上如水位测量一样，布设7个测线，垂向上从底坡2cm开始，A级流量时每2cm测量一个，B、C流量时每3cm测量一个。实验系统由上游矩形薄壁量水堰、实验段水槽、下游尾水控制装置、回水系统组成。2.2堆积体结构及编号为了对比不同形态的堆积体对水流结构的影响，通过资料收集和对天然堆积体的现场观

10、测，制作了3个堆积体概化模型，长1m,坡度45。，分别占河宽的1/4、1/3、1/2,根据其结构形态依次编为1#3二堆积体模型由有机玻璃制作而成，实验时固定在水槽中。堆积体平面示意如图2所示。图2堆积体模型平面示意（单位：cm）2.3实验工况及条件实验主要针对上述3种不同体型堆积体对水流结构影响进行研究。为分析不同量级的来流量下，堆积体对水流结构的影响，取3个量级的流量分别实验,流量从小到大依次为58L/s、94L/s、128L/s,编号为A、B、Co采用不同的流量堆积体组合，共进行了12组实验。为表达方便，用0#代表无堆积体天然情况,工况用AO、Al、A2表示，如工况A0即为58I/s流量下

11、，无堆积体情况；工况B2表示94L/s流量下,2#堆积体对水流影响情况，如此类推。为分析堆积体对水流结构的影响，首先对无堆积体情况下的工况AO、B0及C0进行实验，通过控制水槽尾水使水流为均匀流，其后各堆积体对水流影响研究实验都基于相应的均匀流尾水控制。考虑堆积体对水流的影响，尾水控制点设在距实验水槽观察段下游十多米的无影响段。实验工况阻水率计算结果见表1,表1中阻水率P为便于后面分析而引入，表示8#断面（CS8）处堆积体对该断面过流面积的影响程度。计算阻水率时，采用下面公式式中，P表示阻水率；S|表示有堆积体时断面CS8的过流面积；S表示天然情况无堆积体时断面CS8的过流面积。表1实验工况阻

12、水率计算注：T.况A3堆积体下游形成水跃，其余丁.况无水跃。T.况s/cm2Si/cm2阻水率P工况S/cm2s】/cm2阻水率PA0108710870A210876840.37m168416840:B2I68411620.31co214421440C2214415120.29Al10876860.37A310876620.39B1168413140.22B316849730.42Cl214417340.19C3214412240.433实哈结果分析3.1堆积体对水流流态的影响分析矩形明渠均匀水流在堆积体的作用下，流态会发生很大的变化。受堆积体的阻流作用，上游形成雍水，下游形成剧烈的紊流。实验

13、研究表明，一般情况下（堆积体无淹没，堆积体下游没有形成水跃），可参照丁坝水流的分区方法,将堆积体影响下的明渠水流可分为图3所示的4个区段。In水流方向.rn图3堆积体作用下矩形明渠的流态分区图3中，区为水流的主流区，其中堆积体上游段（图3中I-I断面以上河段）水流受堆积体的阻流作用，水面壅高，流速较无堆积体时明渠均匀流流速有所减小；堆积体段（I-I断面U-口断面）水流受左岸侧堆积体的束窄作用，在偏离堆积体一岸的同时，水深减小，比降增大，流速开始逐渐增大，在水流绕过堆积体后，由于惯性力作用，水流除了向堆积体一岸扩散外，主流还将进一步收缩，直到堆积体下游收缩断面处（U-11断面），此时主流的过水面

14、积最小，流速达到最大；在H-II断面下游，主流开始扩散，流速开始逐渐降低。区为堆积体上游滞流区，实验研究表明，堆积体上游形成局部滞留区,该区范围不大，水位壅高较明显，与主流区相比，水而较平缓，流速较小。区为堆积体下游回流区，主流在绕过堆积体后，其与堆积体后的静水之间存在着较大的水位差和流速差，产生切应力，堆积体后静水在此切应力作用下开始向下游流动，按照流体的连续性，靠近槽壁的静水必将向前补充，从而形成同流。因而，堆积体下游回流区紊动剧烈，是一系列流向下游的涡旋。受主流影响，下游回流区在下游一定距离消失。区为堆积体下游主流区和回流区之间的过渡区，该区主要由下游主流的扩散引起，其水流即有纵向流速，

15、也有横向流速，紊动较剧烈，但无明显的涡旋。当堆积体下游形成水跃时，水跃上游段水流仍然维持较好的分区，但在水跃之后，流速已骤然减小,且沿程已无多大变化.同时，主流开始向堆积体一岸偏移。3.2堆积体对主流流速的影响分析模型水槽在布置堆积体后，原本的均匀流态受堆积体的阻流作用影响，主流经过束窄和扩散，其流速必定经过一个先增大，后减小的过程。考虑实际工程中，流速增大，水流对河岸、河床的冲刷作用也将加剧。因此，研究主流流速的沿程变化规律十分必要。3.2.1同一来流、不同堆积体下主流的沿程变化规律分析图4给出了各级流量水流受不同堆积体影响下,主流流速的沿程变化。由图4可知，各级流量下，不同堆积体体型对主流

16、流速沿程变化影响很大，其中阻水率越大，其对主流流速影响幅度越大。堆积体上游段即约6#断面（CS6）以上，主流流速受堆积体壅水影响流速减小，但整体流速变化不大；堆积体段（CS6CS10）,主流流速显著加大，堆积体末端附近，流速达到最大；堆积体下游段，水流逐渐扩散，主流流速逐渐减小（除A3工况），但主流流速仍较无堆积体情况明显加大，随后趋于均匀流。图4（a）中A3.工况为来流量最小、堆积体占河宽一半情况，由于该工况下堆积体阻水率较大，导致上游水位壅高较多，而该级流量下游水位相对较低，使堆积体段形成较大的水位差，水力坡度大到一定程度，在堆积体下游形成水跃，致使主流的动能大量消耗，流速急剧减小，其他工

17、况均无水跃现象发生。由此可知，一般情况下（下游未形成水跃），对于同一来流，堆积体阻水率越大，其对水流流速影响越大，影响范围也越大，若堆积体下游形成水跃，则影响范围减小。3.2.2不同来流、同一堆积体下主流的沿程变化规律分析前面分析了堆积体体型对主流流速沿程变化的影响。下面对同一堆积体体型下，流量变化对主流流速沿程变化是否敏感进行分析。图5给出了同一堆积体(a)流量A:58L/s平距/cm(b)流量B：94L/s1601401201008060402050()100()平距/cm(c)流量C:128L/s过水槽实验研究，分析了河流的水流结构受堆积体影响的特性,其结果对防治河流中大型堆积体所引起的

18、危害，保护沿河两岸人民生命财产安全具有现实意义。具体结论如下：(1) 矩形明渠均匀水流在堆积体的作用下，流态发生很大的变化。堆积体影响下的明渠图4各级流量下不同堆积体对主流流速沿程变化的影响水流一般可分为4个区段：水平距/cm(a)F堆积体：1/4河宽05001000平距/cm(b)2,堆积体：1/3河宽平距/cm(c)3雌积体:1/2河宽图5不同来流、同一堆积体下主流流速沿程变化情况下，各级流量水流受堆积体影响下的主流流速沿程变化图。由图5可知，对于同一堆积体体型影响下，堆积体上游段均呈现随流量加大而流速增大现象；堆积体段，对于1气2#堆积体情况，A级流量下主流沿程显著增大，B级、C级流量下

19、主流流速沿程变化幅度明显弱于A级流量情况，且基本相同，3#堆积体情况下，A、B及C级流量下主流流速沿程变化幅度大,且基本相当；堆积体下游段，A级流量下主流沿程变化幅度大于B级、C级流量情况，且B、C级流量情况主流流速也基本相同。由此说明，对于同一堆积体，水流主流流速变化与流量并无确定的相关关系。下面分析其原因，由表2中阻水率计算结果可知,Al、Bl、C1工况的阻水率分别为0.37.0.22.0.19,即A1工况的阻水率明显大于B1及C1,旦B1和C1的阻水率相近；A2、B2、C2工况的阻水率分别为0.37、0.31、0.29,同样A2工况的阻水率明显大于B2及C2,且B2和C2的阻水率也较为接近；A3、B3、C3工况的阻水率分别为0.39、0.42.0.43,此3工况阻水率基本相当。由此可知，图5中各工况下主流流速沿程变化规律和其相应的阻水率的变化规律基本一致。4结论河流中大型堆积体的存在