干支流交织角对汇口水面形态的影响

干支流交织角对汇口水面形态的影响

0通道形态及汇流问题干支流的交叉口形成了一个水道网。十字路口是水和河发展的关键部分。另一方面，干支流相交，水相对较高。交叉处的水流紊乱，混合，其能量不可避免地损失。沙卵石和砾石在交叉处形成一个海滩（也称为河口海滩）。河口海滩与干支流的输送沙有关，变化非常复杂。因此，交叉口是航行工具的难点。由于河槽边界形态不一,以及这一问题所包括的变量如交汇角、河宽、河床组成、水沙组合等有多种的组合类型,使河道汇流问题变得相当复杂.同时交汇角本身也存在两种不同的观点:一种观点认为交汇角应为干支流水流动力轴线的夹角,这样,对同一个交汇河口而言,干支流的流量在不时地发生变化,因而其交汇角也在不停地改变,对一个交汇河口的交汇角无法给出一个确定的值,使得对交汇河口的描述变得较为困难;另一种观点认为交汇角为干支流几何轴线的夹角,这样就可以定量说明一个交汇河口交汇角的大小.本文为便于说明和分析,采用后一种观点,即认为交汇角为干支流几何轴线夹角(如图1所示α角).交汇河口水流特性决定了水面形态的复杂性,本文正是基于此,根据收集的资料,分别以交汇角、汇流比、干流流量为变量进行试验,希望找出各变量与描述水面形态特征的比降之间的关系,从而为河口滩的整治提供一些理论依据.1汇流试验设计本文收集了几乎所有四川省境内通航的交汇河口资料,如长江上的嘉陵江口、岷江口、沱江口、长宁河口以及嘉陵江上一系列支流河口的资料,通过分析发现,交汇角几乎都在30°～90°之间,而且交汇河口形态一般为支流斜接干流,即交汇前后干流走向基本未变.为此,本文进行了交汇角为30°、60°、90°支流斜接干流的交汇水流试验(见图1),每一交汇角又进行了15组不同流量组合汇流试验,并在选定流量下在交汇口处沿角平分线布置挑流坝进行对比试验.1.1汇流比对产品结构的影响由于天然情况下干支流洪水期的不一致,造成了干支流的多种流量组合,为了深入研究汇流比的改变对交汇河段水流形态特征的影响,采用了几种流量组合如(表1):1.2试验平面布置模型干流长7～8m,宽1.2m,支流长6～7m,宽0.8m,下游长6.5～7.5m,宽1.6m,横断面为抛物线型.挑流坝长70cm,宽6cm,高6cm.为达到要求的交汇角,本试验设计成干流位置不变,改变支流位置以达到不同的交汇角,设置两个量水堰来控制流量,一个矩形宽顶堰来控制总流量,在支流进口处设置三角堰控制支流流量,这样,干流流量也随之确定.试验平面布置见图1.1.3汇流坝和挑流坝布置方案(1)以交汇角为变量,考虑天然情况交汇角的变化范围,选定交汇角分别为30°、60°、90°进行试验研究.(2)在交汇角一定的情况下,汇流比和干流流量的改变对汇口段的水流特征变化作用非常大.为此,考虑3组干流流量、5个汇流比共15组流量组合(见表1)进行试验.(3)为研究挑流坝对交汇河口水流的影响,在汇口处沿角平分线布置挑流坝.2试验结果的分析2.1挑流坝水面横向形态特征干支流相汇,由于水流汇合时相互冲击、摩擦和挤压,在掺混区,中心水位高于两岸,即掺混区并非为单一比降断面,而是有一水面凸起,水面横向中高两边低,由于掺混区水流特别紊乱,其横比降与其它因素的关系很难用一个关系式表示出来,但对其横向特征可定性分析描述如下:①RQ增大,支流的水流动量增大,干支流交汇口处的紊动掺混增强,导致汇口处水面凸起增大.②α增大,干支流交汇的交接线变短,使紊动加剧,汇口处水面凸起也随之变陡.③Q干增大,干支流的动量增大,水面凸起增大.④交汇河段出口处沿下游方向,环流逐渐消失,凸起逐渐减缓.⑤布置挑流坝后,水面横向形态特征也有以上规律.⑥布置挑流坝后,支流水流沿坝体而下,与干流相交比较平顺,水流碰撞减小,掺混强度减弱,因而水面凸起较筑坝前为小.2.2汇口上游水流形态特征为便于分析说明,将交汇河段(干支流交汇相互影响的整个范围)分为三个区域:壅水区Ⅰ区、合流区Ⅱ区、集流区Ⅲ区,如图2所示.干支流交汇,水流相互顶托使上游形成壅水,故Ⅰ区水流较平稳.由于干支流所处的方位与下游衔接不同,尽管作用机理相同,但其影响程度各异,本文主要分析汇口上游干流水面形态变化(Ⅰ干),同理可分析支流的水面形态特征.2.2.1u3000结论分析汇口上游干流水位Z干与干流流量、汇流比的关系(图3、图4),可以得出下列关系图:Z干与RQ成线性关系,Q干,RQ任一因素的增大,都会使支流的动量增加,对干流的顶托作用加强,造成干流壅水加重,从而使Z干增加,此结论已在其它物理模型上得到验证.因此,在生产、科研中,当资料缺乏时,我们可以引用此结论根据已知资料绘制图3、图4所示的关系线,然后对Z干或RQ进行线性内插推求Q干或Z干,且能达到一定的精度.合流区(Ⅱ区)干支流两股水流汇合时互相冲击、挤压,产生强烈的紊动掺混,水面波动剧烈,紊动掺混使水流能量损失很大,由上至下产生大幅度跌落,水流结构极其复杂,两股水流交界处形成水面脊线.由于支流的挑流和水流在下方的折冲,在集流区(Ⅲ区)形成一系列旋涡.2.2.2区合流区的水流比降变化(1)Ⅰ区的水面纵比降变化支流对干流的顶托使上游干流Ⅰ区壅水,水面比降变缓.分析干流的水面比降变化可得如下结论:①RQ增大,Q支增大,支流对干流的顶托作用加强,Ⅰ干的水面比降随之而变小(图5).②Ⅰ干的水面比降随α的增大而变小(图5).③Q干增加,Ⅰ干的水面纵比降变小(图6).④布置挑流坝后,减小干支流的交汇角,从而使支流对干流的顶托作用减弱,导致Ⅰ干的水面比降增大(图7).(2)Ⅱ区(合流区)的水面纵比降变化与Ⅰ区刚好相反,随RQ的增大,支流一侧水流变急,干流一侧受支流的冲击摩擦,流态紊乱,其比降J′干有以下变化特点:①Q干,α一定,RQ增大,J′干也增大(图8).②RQ,α一定,Q干增大,J′干增大(图8).③RQ,Q干一定,α增大,J′干也增大(图9).Q干,RQ,α任何一因素的增大,都会加强合流区的紊动掺混,从而使J′干增大.关于筑坝对J′干的影响,我们可以分析交汇角α为60°、Q干=45.255l/s时合流区干流一侧的纵比降J′干的变化(见表2).从表2可以看出,筑挑流坝后,干流一侧的比降增大许多,由于挑流坝缩窄了干流的过水断面,增大了流速,加大比降,合流区正好处于坝头冲刷区,因而J′干也很大,从表中资料看来,筑坝后J′干仍随RQ的增大而增大.3下一种作为收支流场分布的冲击方式,主要表现为通过以上分析,可得以下结论:1.对同一交汇河段,汇流比RQ是影响交汇段水面形态的主要因素,RQ的改变直接表明干、支流的水流受阻情况,具体说明如下:RQ增大,干流Ⅰ区水位壅高,比降变缓,且RQ与Z干成正比,在生产、科研中,Q干已知时,可通过对RQ线性内插求Z干;或在Z干已知的情况下,对RQ线性内插推Q干,具有实用价值.RQ增大,支流动量增大,导致支流一侧流速变急,使合流区一侧比降增大,合流区水面横向凸起带增高.2.交汇角对交汇河口的水流形态起控制作用,对不同的交汇河口,交汇角的大小决定了干支流的相对位置,也就控制了干、支流的相互作用.交汇角的增大,加剧了两江水流的紊动掺混,使汇流段水流弯曲程度加大,导致水流现象更加紊乱,增大了两江顶托作用,使上游干流段比降减缓,合流区干流一侧比降加大.3.布置挑流坝实际上减小了两江交汇角,如上述,上游干流比降增大,另外,合流区正好处于坝