不同斷面形狀的河段對整體河道水力特性影響研究

胡海松，羅居剛,2，邰洪生,2，王 兵,2，周建生,2，馬 馳

(1.安徽省建筑工程質量監督檢測站，安徽 合肥 230000；2.安徽省水利部淮河水利委員會水利科學研究院，安徽 蚌埠 233000)

河道的斷面形狀多種多樣，水工建筑物無法避免的要修建在各種斷面形狀的河道上，然而河道局部斷面的形狀不同會使整體河道的水力特性發生改變，這也增加了水工建筑物修建的難度。目前大多數學者都是針對具體工程河道的不同對修建水工建筑物的影響進行研究，如呂宏興[1]通過實例研究了U形渠道斷面測流的方法，其準確度較好，便于在工程中應用；張文倬[2]提出利用水深比簡化計算渠道矩形斷面的水面線方法，以此來減少工程中計算工作量；曹政權等[3]通過對U形、梯形、矩形、半圓形、復合式暗渠斷面的河道進行水力學對比試驗研究，提出了干、支渠道應選取寬淺梯形斷面，農渠道應選取U形斷面；王旭等[4]從水流梯度和紊動能方面對復合式斷面河道水利特性防護設計進行研究，提出應根據具體河道斷面形狀采取河道防護措施；李晉琴[5]對U形渠道斷面流速分布規律及水力特性進行試驗研究，分析了渠道斷面流速分布和水流紊動特性等規律。

1 問題引出及分析

河道斷面形狀分為矩形、U形、V形、梯形四種形式，對于不同斷面形式河道水力特性也會發生變化，目前水工建筑物的修建都是需要進行地形、地質的勘察和物理模型試驗論證，河道斷面的形狀就是其中一個特別重要的參考依據。為此，本文主要在河道中建立四種不同的斷面形狀河段，對整體河道水力特性進行試驗研究，以期為實際工程提供參考依據。

2 試驗方案設計

2.1 試驗模型

本文在某工程實際地形上以水力學相似原理按1∶60建立模型，模型上游河道與下游河道長均為10 m，平均河寬0.5 m，平均河高0.4 m，在河道9～10 m河段處設置矩形、U形、V形、梯形四種斷面形狀。在河道9.5 m處河段布置一個水位觀測點，同時在河道縱斷面中間處沿水流方向布置9個流速測點，分別為上游4個、9.5 m處河段1個、下游4個。河道上游進水口是一個大型水槽，水槽右側為一個水泵，試驗通過水泵向水槽供水，水槽通過水閘控制滿足試驗所需的水量，如圖1所示。

圖1 試驗河道三維布置圖

2.2 試驗工況

為研究不同斷面形狀的河段對整體河道水力特性的影響，在河道9～10 m處設置矩形、U形、V形、梯形四種斷面形狀的河段，四種斷面的河段面積相同，這四種河道斷面形狀為本試驗的四種工況，如圖2所示。本文在統一流量下分別對四種工況進行試驗，主要研究河道內水流流速、流態、水位的變化情況，為便于敘述稱四種不同斷面形狀河段(9～10 m)為“試驗斷面”。

2.3 試驗條件及測量

試驗是在水槽補水充滿后進行的，試驗前河道為無水狀態，試驗開始時開啟水槽閘門，將河道內充滿水，當河道內水流穩定時進行試驗觀測,試驗不停的供水流量Q=5 m3/s。

圖2 四種工況試驗斷面布置圖(單位：m)

水位測量:在試驗斷面處標出刻度，試驗全程用高清攝像機拍攝試驗斷面水位隨時間變化過程，同時記錄整體河道水面的流場動態。

流速測量:流速測量分為試驗斷面流速和縱斷面流速，試驗斷面流速根據水文學[6]三點法，用旋漿式流速儀分別測量水深的0.2、0.6、0.8倍處的流速。縱斷面流速則用三點法進行測量，取其平均值。

3 試驗結果及分析

3.1 流速

3.1.1 橫斷面流速

為研究因河道局部斷面形狀不同對整體河道橫斷面流速影響，觀測了試驗斷面處的0.2、0.6、0.8倍水深處的流速，如圖3所示。由試驗可知：0.8倍水深處大于0.6倍水深處的流速，0.6倍水深處大于0.2倍水深處的流速，這符合水力學斷面流速分布規律情況；V形斷面流速最大，U形和梯形斷面流速其次，矩形斷面流速最小。

圖3 試驗斷面測點流速

3.1.2 縱斷面流速

由于局部河段斷面形狀不同，對上、下游及試驗斷面的流速都造成了一定的影響，為此，試驗測量了河道縱斷面沿水流方向的流速，如圖4所示。由試驗可知：河道縱斷面流速是先增加到一個峰值再緩慢的減少，總體上V形斷面影響河道流速最大，U形和梯形斷面影響河道流速其次，矩形斷面影響河道流速最小。不同工況下河道上游對應測點流速之間相差較小，下游流速之間相差較大，這表明不同斷面形狀河段對整體河道流速影響存在差異，表現在影響下游流速比上游要大。

圖4 河道縱斷面流速

3.2 水面流態

根據水力學[7]明渠流速的變化可知：不同斷面形狀河段對整體河道的水流流態也有一定影響，為此本試驗還觀測河道整體流態變化，如圖5所示。由試驗可知：不同斷面形狀河段對整體河道水流流態影響不同，河道的上游流態基本一致，試驗斷面和下游河道流態存在明顯差異。V形斷面河段對整體河道流態影響最大，在試驗斷面處水流湍急，下游出現大量回流和繞動區，紊動能較大；U形和梯形斷面河段對整體河道影響其次，在試驗斷面處水流波動不大，下游產生局部漩渦流；矩形斷面河段對整體河道流態影響最小，試驗斷面處水流比較平緩，下游出現少量軸向環流區。

圖5 河道水面流態

3.3 水位

為研究不同斷面形狀河段對整體河道水位的影響，本試驗還觀測了布置點的水位50 s內的變化過程，如圖6所示。由水位起漲情況可知：試驗斷面水位都是先上升到一個峰值，然后水位就在一定范圍波動，V形水位峰值最大，梯形和U形水位峰值其次，矩形水位峰值最小。

圖6 試驗斷面測點水位變化過程圖

4 結 論

(1)由于河道中不同斷面形狀河段的影響，河道橫斷面流速、縱斷面流速、測點水位、水面流態都發生了不同規律的變化，但是總體上都符合水力學特征規律。

(2)V形河段對整體河道流速、水位、流態影響最大，U形和梯形河段影響其次，矩形河段影響最小。

(3)在水工建筑修建中，應該避免在V形河段存在的河道中修建，但是針對不同的水工建筑物結構和力學特征需具體分析最佳的適應河道斷面形式。