不同邊坡比的梯型斷面河道水力學研究

牛德東，侯 瑩

（1.貴州省交通建設工程質量監督局，貴陽 550081，2.山東省公路設計咨詢有限公司，濟南250000）

不同邊坡比的梯型斷面河道水力學研究

牛德東1，侯 瑩2

（1.貴州省交通建設工程質量監督局，貴陽 550081，2.山東省公路設計咨詢有限公司，濟南250000）

在河道中建立3種不同邊坡比的梯型斷面，通過物理模型試驗測量河道的上下游水位、流速、流態，得出了隨著邊坡比的增加河道斷面的水力學參數都發生了不同變化，故在滿足河道邊坡比規范下，修建河道應盡量取邊坡比較小，同時對于不同河道梯型斷面的修建進行了綜合分析。

模型試驗；邊坡比；梯型斷面

在水利工程河道水力學領域中，河道岸坡穩定需要考慮河道斷面具體形狀和尺寸，河道斷面都是選擇梯型斷面修建，但是梯型斷面的河道邊坡比卻是水利工程中一直備受關注的問題。目前已有眾多學者對此進行研究，如趙毓民［1］關于河道斷面形狀的探討，主要就變分化研究河道的塑形；胡鵬［2］通過建立流域水文模型研究河道斷面概化的原理和變化模擬；渠庚等［3］通過三峽水庫運用后荊江河道斷面形態變化及對航道條件的影響得出了三峽水庫運用后荊江不同類型河道斷面形態呈現不同的變化規律；趙延風等［4］通過建立拋物線類研究渠道斷面收縮水深而得出了計算通式；田月等［5］通過建立河道水力學模型來估算最小生態需水量的研究。

然而大多數的學者都是針對具體的實際工程進行相關水力學研究，對于河道斷面梯型邊坡比的研究較少，因此本文主要通過在河道中建立局部的不同邊坡比的梯型斷面進行研究。

1 試驗設計

1.1 模型建立

按河工模型有關規范建立物理模型。上游河道長8m，下游河道長8m，河道平均河寬1m，河深0.5m，在河道7～8m河段處設置不同邊坡比的梯型斷面。水位測點布置3個，分別為上游2m處1號水位測點，下游2m處3號水位測點，梯型河段中間2號水位測點；同時在河道縱斷面布置11個流速測點間距1m，分別為上游5個、下游5個、梯型斷面1個，如圖1。

圖1 物理模型

1.2 試驗工況及條件

在河道7～8m處建立試驗需要的邊坡比為：1.0，1.25，1.5的梯型斷面型式的河段，3種斷面的面積相同，這3種邊坡比的梯型河段為本試驗的3種工況，為了便于敘述分別簡稱為工況1、工況2、工況3，如圖2。試驗是在河道水流充滿穩定后對各個水力學參數進行觀測，具體觀測了水流流速、流態、水位3個水力學參數。

圖2 不同邊坡比梯型斷面

2 試驗結果及分析

2.1 河道水位

根據水力學［6］河道明渠水流特性，河道梯型斷面的邊坡比不同可能影響河道內水位的不同變化，為此本文測量了河道3處測點的水位隨時間的變化過程，如圖3。

圖3 3種工況下不同測點水位波動

由圖3可知，在相同流量、糙率不變的情況下，整體測點水位先增加到一個最大值，然后水位穩定后在一定范圍內波動，并且表現為3個水位測點都是工況1水位大于工況2的水位；3個工況下1#水位測點的水位之間差值較小，2#水位測點其次，3#水位測點差值最大，可知梯型斷面邊坡比不同對下游水位影響比上游影響大。

2.2 流速

2.2.1 梯型橫斷面流速

為探究梯型斷面的邊坡比不同對河道內流速的影響，本試驗測量了3個工況下梯型斷面的流速變化情況，如表1。

表1 3種工況下梯型斷面測點流速 單位：cm/s

由表1可知，3個工況下整體流速都是隨著水深增加而減小，這符合流體力學的斷面流速分布規律，同時隨著邊坡比的增加流速也增加，可能由于邊坡比不同使斷面水流的流向和水深發生改變，導致梯型斷面流速的改變。

2.2.2 河道縱斷面流速

由于河道內7～8m處設置了不同邊坡比的梯型斷面，這對整個河道的流速會產生一定影響，為此本試驗還測量了3個工況下的河道縱斷面的流速變化情況，如圖4。

圖4 3種工況下測點水位

由圖4可知，河道整體流速峰都值發生在梯型斷面處，同時由于邊坡比增大，梯型斷面坡度越陡，對流速影響越大，從而導致了工況3的流速最大，工況2其次，工況1最小；對于上游三者流速差值較小，而下游三者流速差值較大，這也表明邊坡比對上下游流速影響存在差異，表現為影響下游流速比上游大。

2.3 水流流態

通過高清攝像設備對3個工況下梯型斷面河段進行全程記錄，然后用tecplot［7］后處理軟件進行處理分析，如圖5。

圖5 3種工況下流態 單位：m

由圖5可知，在不同邊坡比梯型斷面影響下，河道水流表面流場也在發生變化，隨著邊坡比的增加，流場紊動越強，具體表現在：邊坡比增加梯型斷面處的流場波動最明顯，3種工況下表面流場基本形態一致，在梯型斷面和下游斷面存在差異，可知梯型斷面邊坡比改變對下游流場影響比上游流場要大。

3 結語

（1）隨著邊坡比的增加，各水力學參數也發生變化，具體表現在：隨著邊坡比增加，梯型斷面流速也增加；上下游水位波動越大，表面流場紊動越強烈。

（2）在滿足河道梯型斷面邊坡比規范下，對于河道斷面修建工程，應盡量選取邊坡比較小的，但在實際工程中，還要針對具體河道用途、結構特性及經濟狀況進行綜合分析。

［1］趙毓民.關于河道斷面形狀的探討［J］.動力建設，1980（1）：39-42.

［2］胡鵬，崔小紅，周祖昊，等.流域水文模型中河道斷面概化的原理和方法［J］.水文，2010（5）.

［3］渠庚，許輝，唐文堅，等.三峽水庫運用后荊江河道斷面形態變化及對航道條件的影響［J］.水運工程，2011（12）.

［4］趙延風，王正中，劉計良.拋物線類渠道斷面收縮水深的計算通式［J］.水力發電學報，2013（1）.

［5］田月，田淳，郝瑞霞.河道水力學模型及最小生態需水量的估算［J］.太原理工大學學報，2016（4）：536-540.

［6］吳持恭.水力學馬山區河流開發保護國家重點實驗室（四川大學）.水力學（第四版）［M］.北京：高等教育出版社，2008.

［7］藍霄峰，陳娓，向波，等.Tecplot在大鏡山水庫洪水演進動態可視化的應用［J］.人民珠江，2010（1）.

The study of water mechanics in the trapezoidal section with different slope

NIU De-dong1，HOU Ying2
（1.Guizhou Quality Supervision Bureau of Transportation Engineering，Guiyang 550081，China；2.Shandong Highway Design Consulting Co.，LTD.，Jinan 250000，China）

Establishes three trapezoidal sections with different slope ratios in the river course，and measures the upstream and downstream water level，velocity and flow regime of the river by physical model test.It is concluded that the hydraulic parameters of the river section of the different changes，so in the river slope to meet the specifications，the construction of the river should try to take the slope is relatively small，while the construction of different sections of the trapezoidal section to be comprehensive analysis.

model test；slope ratio；trapezoidal section

TV147

B

1672-9900（2017）05-0027-03

2017-07-04

牛德東（1983-）男（漢族），山東菏澤人，工程師，主要從事航道水運工程等研究工作，（Tel）15285527929。

（責任編輯：王艷肖）