不同繞流結構體對河道水流的影響

張 婧,王 東,何岸霞,周玨西,楊 陽

(1. 西華大學能源與動力工程學院,四川 成都 610039; 2. 四川省交通運輸廳公路規劃勘察設計研究院,四川 成都 610041；3.交通運輸部天津水運工程科學研究所工程泥沙交通運輸行業重點實驗室，天津 300456)

2008年汶川地震過后,震區河流泥沙補給增加,沿河兩岸堆積體林立。2010年清平、映秀、洪口等地泥石流均表明,在今后一段時間內,地震造成的松散堆積體在適宜的觸發條件下,仍將造成大量的泥沙側向匯入河道形成堆積體[1],危及河道行洪及沿河居民生命財產安全。

目前國內外關于堆積體的研究主要集中在成因和穩定性問題上[2-3],少量學者開展了關于其與河道水流相互作用的研究。郭志學等[4]研究了大型堆積體在不同比降河道上引起的水位和水面附加比降的變化,發現急、緩流條件下堆積體阻水特性在物理機制上有差異。郭志學等[5]和劉家富等[6]分別分析了堆積體影響下陡坡和緩坡河道上水流流速的二維分布特性。張婧等[7]研究了堆積體對陡、緩坡河道流速橫向分布不均勻性的影響,結果表明緩坡河道受到的影響比陡坡河道更為明顯。蘇楊中等[8]通過水槽試驗得出堆積體引起河道上游的壅水高度經驗公式,并發現堆積體阻水率越大,上游的相對壅水高度越大,且水面附加比降最大值越靠近下游。

丁壩作為常用的河道整治結構物對流場及河床演變有顯著的影響[9-10],其繞流研究一直是比較經典的工程問題,從時均流場[11]到紊動特性[12]都有許多成果。丁壩、橋臺在河道中引起的繞流[13-14]及局部沖刷[15-16]的現象與堆積體有一定的相似性。但前者一般相對河道尺度較小,寬長比較大;后者形態上具有三維特性,對水流的束窄作用自下而上逐漸減弱,且相對河道尺度變化范圍大,體型較大者甚至可以截斷河流[17]。在堆積體試驗研究中,運用丁壩、橋臺等建立的最大沖深公式計算堆積體河道的沖坑時,由于水流結構差異和公式適用范圍的限制,計算結果普遍產生較大誤差[18]。

本文通過將丁壩和堆積體多種概化模型在同一水流條件下進行水槽試驗,分析不同形態、尺度的結構體對河道流場產生的不同影響,從而探討丁壩與堆積體對流場影響的異同,為堆積體河道河床演變的研究打下基礎。

圖1 試驗測量布置示意圖

1 試驗概況

1.1 試驗布置

試驗在四川大學水力學與山區河流開發保護國家重點實驗室泥沙實驗廳進行。試驗水槽由兩側鋼化玻璃壁及底部光滑水泥板組成,底部寬0.5 m,高度0.42 m。試驗段長16 m,進出口段的長度各為1m,水槽底部坡降為0.1%,試驗采用的流量為31.9 L/s。由循環供水系統提供試驗用水,閥門控制來水量的大小,薄壁堰出口設有靜水池,靜水池上設有壓水排,使水流平順。水槽出口處設有尾水擋板,通過調整擋板的坡度來控制水深。

試驗測量斷面及測線布置如圖 1所示,從上游到下游一共布置了19個測量斷面。每個斷面的橫向上布置了4～7條測線,水位采用武漢大學水沙科學實驗室研發的LH-1自動水位儀進行測量,流速采用激光測速儀PIV測量。

xOy平面坐標如圖1所示,坐標原點在9號斷面與水槽左側壁的交點處。定義縱向流速u與水流一致時為正;橫向流速v指向結構體一側時為正;垂向(z方向)流速w指向床面時為正。文中流速均采用相對流速,如縱向相對流速表示為u/u0,u0為無任何繞流結構體時均勻流流速。以無量綱參數x/L表示斷面相對位置,y/L表示測點相對位置,其中L為繞流結構體沿水流方向的長度,L=50 cm。

1.2 繞流結構模型

本次試驗共采用3種形態的概化模型作為水槽試驗的繞流結構體,分別是方形丁壩、梯形丁壩和堆積體(見圖2)。如圖2(a)和圖2(b)所示,該種形態的方形丁壩是以往丁壩研究中采用較多的概化模型。丁壩沿程方向的尺寸遠小于沿橫向上的尺寸,在概化時,甚至用薄壁板替代,因此認為此類丁壩在x方向的尺寸可被忽略。同時,丁壩形態在y、z方向上沒有任何變化,因此直立方形丁壩可被看作是一維的繞流結構體。

圖2 繞流結構模型(單位:cm)

如圖2(c)和圖2(d)所示,梯形丁壩上下游采用坡面,沿程寬度不變,且底部沿水流方向長度為50 cm。此時,丁壩沿程(x方向)上的長度不能被忽略,其形態在y方向上仍然沒有任何變化, 而在z方向有變化,因此梯形丁壩可被看作是二維的繞流結構體。

天然形成的堆積體可概化成如圖2(e)和圖2(f)所示的半圓錐體,平面形態為直徑50 cm的半圓,立視圖為等腰直角三角形。可以發現,堆積體形態在x、y和z三個方向上都有變化,因此可被看作是三維的繞流結構體。

2 試驗結果分析

描述繞流結構體阻流特性的常用指標有進占寬度比、阻流面積比和阻流流量比。如圖3所示,ACE為繞流結構體;H0為無結構體時河道的正常水深;結構體進占寬度比指CE段長度與CF段長度之比;阻流面積比是BCED區域的面積與正常水深以下過流面積之比;阻流流量比是無結構體時,通過BCED區域面積的流量與斷面總流量之比。

圖3 最大壓縮斷面示意圖

如表1所示,從尺寸上看,如果在縱向上無限壓縮,梯形丁壩就成為了方形丁壩;而堆積體的不同在于最大截面面積較小。另外,從形態上看,堆積體在上下游的邊界都是圓弧,邊界是逐漸變化的。對比三者可以發現,梯形丁壩與方形丁壩、堆積體都能進行結構上的過渡變化,因此下文以梯形丁壩的試驗為基本參照,分析不同結構體對附近流場的影響。

表1 不同繞流結構體幾何指標值

2.1 水面線分析

圖4為當|y/L|=0.5時,不同繞流結構體影響下,相對水位z/H0在沿程上的分布曲線。從圖4可以看出,結構體的存在使上游水位抬升,在最大截面下游出現水躍現象,并在一定距離之后恢復到天然水位。如圖5(a)所示,梯形丁壩上游及阻流段的相對水深等值線大致與水流方向垂直,說明水位橫比降不大。

圖4 不同繞流結構體影響下水位沿程變化曲線(|y/L|=0.5)

如圖4所示,相比較梯形丁壩,方形丁壩順水流方向的尺度大大減少,上游的壅水作用減弱,下游的水躍段距離明顯縮減,但是水跌的縱向比降更加陡峭,這是因為下游發生水躍的起始點向上游移動,圖5(b)中密集的等值線帶體現了這一變化。從圖5(b)可見,方形丁壩附近跌水水流的等值線密集帶在水槽右側偏向下游,說明存在較明顯的水流橫向比降。縱向和橫向比降相疊合形成傾斜水面。

相比較梯形丁壩,堆積體的最大截面面積減小,同時上下游邊界變化更接近流線形態。從圖4可以發現,與梯形丁壩相比,盡管沿水流方向尺度相同,但堆積體上游的壅水作用大幅降低(甚至低于方形丁壩),但水跌時的水面縱向比降相當。從圖5(c)可見,堆積體附近的水深等值線也在水槽右側偏向下游,說明同樣存在由縱、橫向水面比降形成的傾斜水面。

總的來說,從水位上來看,梯形丁壩的阻流作用最強,方形丁壩次之,堆積體最小。但是方形丁壩在沿水流方向的單位距離內水位變化最大,也就是說水跌和水躍現象最劇烈。

2.2 三維流速分析

2.2.1 縱向流速沿程變化

圖6為|y/L|=0.7時,不同繞流結構體影響下縱向相對流速u/u0在近底床面上(z=0.5 cm)沿程分布曲線。在試驗過程中發現,梯形丁壩存在兩個回流區:第一回流區在x/L=-0.05～0.5范圍內,第二回流區在丁壩下游x/L>0.5處。第一回流區緊貼丁壩側面,進一步縮減了主流流動的面積,實際上變相增大了阻流的最大截面面積,因此在圖4水位沿程曲線上表現為對上游的壅水更強烈。然而,第一回流區的存在也加劇了高低速水流之間的剪切應力,一部分動能以熱能形式被消耗。因此,梯形丁壩的主流縱向流速與其他兩種結構體相比相差不大。結合圖7橫向流速的沿程分布曲線可以看出圖6中縱向流速減小的位置,恰好橫向流速增加,說明此處縱向流速的減小是水流偏轉導致的縱向分量減小。

相比較梯形丁壩,方形丁壩縱向流速沿程分布曲線的斜率更大,即縱向流速在單位距離里增加的速度更多,說明水流勢能轉換為動能的效率更高,這與梯形丁壩第一回流區對水流的能量消耗有關。

圖5 不同繞流結構體影響下相對水深等值線分布

圖6 不同繞流結構體影響下縱向相對流速沿程分布曲線(|y/L|=0.7,z=0.5 cm)

對于堆積體,從圖6可以看出水流從進入堆積體段開始加速,直至過水斷面面積恢復后,由于水流慣性繼續加速至最大值,在開始水躍后,流速回落。相比較梯形丁壩,堆積體由于最大截面面積較小,對水流的束窄作用不夠強烈,縱向流速整體低于梯形丁壩,同時沿程分布曲線的斜率更小,即水流的縱向流速在單位距離增加的速度更小。

從縱向流速的沿程分布來說,方形丁壩的加速作用最強,梯形丁壩由于存在第一回流區而次之,堆積體最小。但從能量損失來說,正是由于梯形丁壩側面的回流區導致實際阻流面積更大,產生的局部阻力是最大的。

2.2.2 橫向流速沿程變化

圖7 不同繞流結構體影響下橫向相對流速沿程分布曲線(|y/L|=0.7,z=0.5 cm)

圖7為|y/L|=0.7時,不同繞流結構體影響下橫向相對流速v/u0在近底床面上(z=0.5 cm)沿程分布曲線。梯形丁壩橫向流速沿程曲線呈現“W”形態,說明存在兩次向右岸的水流強烈偏轉。在上游漸變段的過渡后,水流向右岸的橫向速度逐漸增加,第一次偏轉的峰值出現在最大截面的位置,這是由于邊界變化導致的。由于x/L>0.05時,丁壩阻流面積開始逐漸減小,第一回流區的低速水流形成擴散帶,且擴散帶寬度沿程有一定增長,當寬度超過回流區的最大寬度時,對右側的主流再次產生擠壓,形成向右岸的橫向流速峰值。當x/L=0.5時,過水面積完全恢復,右側主流也逐漸向左岸擴散,因此橫向速度沿程不斷增加。

相比較梯形丁壩,縱向長度可被忽略的方形丁壩僅存在一個下游的回流區,同樣也是在最大截面的位置流速達到偏轉峰值,但是由于沒有上游的截面漸變段,橫向速度要更大一些。當x/L=0.05時,過水面積就完全恢復,主流在慣性作用下繼續收縮達到最小寬度后開始向左岸擴散,橫向速度大于零并逐漸增大。偏轉達到最大之后,隨著主流擴散越充分,橫向速度逐漸減小。

相比較丁壩，堆積體不僅最大截面面積減小,同時上下游邊界是漸變的,因此其水流上下游偏轉的幅度較小,即橫向速度較小。堆積體指向右岸的橫向速度峰值同樣發生在最大截面處,隨著過水面積的恢復,水流逐漸向左岸偏轉,并達到速度峰值,隨后逐漸恢復到天然情況。

從橫向速度的沿程分布來看,方形丁壩發生的水流橫向偏轉幅度最大,梯形丁壩次之,堆積體最小。但是,梯形丁壩由于形態的特殊性,附近流場水流發生多次來回偏轉,水流紊動強烈。

2.2.3 垂向流速沿程變化

圖8為|y/L|=0.7時,不同繞流結構體影響下垂向相對流速w/u0在z/H0=0.28流層高度上的沿程分布曲線。在x/L=-0.5～0.3范圍內,不同結構體形成的繞流水流的垂向流速背離床面,垂直向上,說明在該流層上水流有離開床面向上層流動的現象。垂向流速沿程不斷增大,并且分布曲線的斜率不斷增加,形成向上凸型曲線。3種結構體相比較,梯形丁壩垂向流速沿程增長的曲線斜率最大,達到的峰值也遠遠超過方形丁壩和堆積體,方形丁壩次之,堆積體最小。

圖8 不同繞流結構體影響下垂向相對流速沿程分布曲線(z/H0=0.28，|y/L|=0.7)

3 結 論

本文根據繞流結構體的尺寸變化,定義不同維度的結構體,并通過對一維方形丁壩、二維梯形丁壩和三維堆積體進行同一水流條件下的水槽試驗,分析了不同維度結構體對河道水面線和三維時均流場的影響。結果表明:梯形丁壩相比較方形丁壩加長了沿水流方向的尺度,不僅增加了水躍的距離,而且改變了水流流態,出現兩個回流區,且在結構體側面的水流出現多次橫向折返,也加劇了流層之間水流的摻混,使得局部阻力增加。堆積體相比較梯形丁壩在垂向上沿水深的形態尺度變化,對水流的阻流影響明顯下降,上游壅水作用降低,流速變化幅度減小,且沿程變化率降低。這是因為堆積體的阻流面積減小,形態也更接近流線。

以往通常采用進占寬度比、阻流面積比和阻流流量比等指標來區分結構體對流場的阻流作用,然而本文發現,在結構體形態不相同時,以上指標均不能全面表達結構體對流場的影響。因此,仍有必要對三維形態的堆積體作用下流場開展研究。從水位和三維流速的沿程分布來看,方形丁壩和堆積體所遵循的變化規律一致。但是,考慮到在過去的研究[19]中發現,堆積體由于形態的三維特點,在不同高度的水流流層存在上下反向流動的水體。因此,還需要進一步詳細開展堆積體與丁壩之間繞流流場的比較研究。