不同護坡方式下的河道堤防內波水動力特征試驗分析

楊書山

(遼寧省鞍山市岫巖縣水利事務服務中心，遼寧 鞍山市 114300)

當前，河道堤防設計需要結合護坡方式確定其內波相應的水動力學特征，從而提高堤防在高洪期間受水力沖刷的穩定性[1]。而由于缺少相應的計算方程，對于內波動力學特征分析主要還依靠水槽試驗進行[2- 6]，這種方式下需要耗費大量的時間和經費，且不同護坡方式下其內波水動力特征不同，單一護坡方式下的試驗方程很難具有通用性[7]。為此需要結合不同護坡方式進行試驗分析，從而確定不同河道護坡方式下的內波水動力學特征[8]。近些年來，大型室內水槽試驗成為研究河道堤防水力學特征的方式[9- 15]，為此本文結合室內水槽試驗方式，重點對碾壓混凝土、漿砌石護坡、格賓石籠護坡、高性能加筋草皮4種常用護坡方式下，下河道堤防內波水動力特征進行分析，結合試驗結果探討相應內波下的水動力計算經驗公式，研究結果對于河道堤防穩定性設計具有重要的參考價值。

1 試驗方案

本次采用室內水槽試驗方式，不同護坡方式下河道堤防內波的水動力特征進行分析。試驗水槽長度為120m，寬度為3.5m，高度為2.5m。河槽泥砂厚度為30cm，邊坡n為1∶2，底寬1.0m，每側灘地寬度為0.37m，河槽剖面如圖1所示。在河道堤防上游段每隔10m設置有流速儀以及自動水位計。在試驗水槽內部設置深度為1.0m的測試區，用來設置不同護坡方式。設置的4種常用護坡方式如圖2所示。在進行室內試驗時，共進行24組放水試驗，各種護坡方式均進行6組試驗，部分試驗結果見表1。

2 主要指標計算方程

主要計算河流水流內波的水動力特征，測定的主要指標為平均水深及流速均值的相關方程。主要通過建立水流內波的水深dm與流量qws之間的相關關系，相關方程為：

(1)

式中，dm—水流內波的平均水深，m；qws—斷面流量，m3/s；Kdm—內坡水深相關經驗參數，對于碾壓混凝土、漿砌石、格賓石籠、高性能加筋草皮等四種護坡而言，其參數值分別為3.753、2.354、2.251以及2.143。

假定河流內波平均流速為斷面水流流量與內坡平均水深的比值，則內波流速的均值計算方程為：

(2)

式中，νm—內波平均流速，m/s；其他變量同上述方程中的變量含義。

按謝才公式對方程進行轉換，轉換方程為：

圖2 常用河堤護坡方式

表1 各護坡方式下的部分試驗組次數據

注：Rc為高出河道堤防的水面高度；Hmo為水流有效內波的高度；TP為水流內波譜周期

(3)

式中，θ—坡角，(°)；fF—范寧摩擦系數；d—計算水深，m。

另方程中的兩個系數相同，并采用內波角β替換方程(3)中的坡角θ，計算方程為：

(4)

在方程中結合試驗內波比例可以推算出4種護坡方式下的范寧摩擦系數fF分別為0.0217、0.0652、0.1148、0.1045。因為方程中范寧摩擦系數并非嚴格意義上的摩擦系數，需要結合坡度和底摩阻進行內坡水深平均值的換算，計算方程為：

(5)

式中，fF*—轉換的摩擦系數；其他變量同上述方程中的變量含義。

在內波平均水深計算的基礎上，結合轉換系數對其內坡平均流速進行轉換計算，計算方程為：

圖3 不同護坡方式下波速和水深的試驗結果

(6)

方程中內平均水深和流速計算的適用范圍為0

3 試驗結果

3.1 內波平均水深及平均流速相關關系

結合水槽方式試驗，分析不同護坡方式下內波平均水深與流速之間的相關關系，并分析不同護坡方式下波速和水深的試驗關系，分析結果見表2及圖3。

表2 不同護坡方式下內波平均水深與流速之間的相關關系試驗結果

結合波速和水深的推求方程，對不同護坡方式下的內波波速與水深的相關關系進行了分析，從表2中可看出，波速與水深均呈現較為明顯的線性關系，波速是水深的重要影響因素。高性能加筋草皮的相關系數最高，這種方式下的范寧摩擦系數最小，使得其內波波速與水深線性關系擬合度較高，漿砌石下相關系數最低，漿砌石增加了范寧摩擦系數，使得對應的波速減小，且與水深的相關關系減弱。通過不同護坡方式下的波速和水深的相關方程可看出，同一水深條件下，碾壓混凝土下的波速最大，對堤防的安全影響程度較大。從圖3中可看出，高性能加筋草皮水深較高的區域，波速散點約為集中，而其他護坡方式下水深較大的區域，其散點分布較為凌亂。

3.2 內波波高與峰值水深分布關系

結合內波特征值波高計算值以及特征峰值水深下的擬合散點，探討了特征波高與峰值水深的轉換關系和曲線擬合方程，結果見表3及圖4—5。

表3 不同護坡方式下河道堤防內波波高與水深的分布關系分析結果

從圖4中可看出，各有效波高條件下的計算值和實測值的擬合度均較高，隨著有效波高的遞增，其擬合度有所減小，這一原因在于放水試驗的時間較短，試驗樣本不能完全滿足有效波高的計算。對于河道堤防而言，洪水波對河道堤防的沖刷影響主要在于特征峰值，從特征波高與特征峰值水深之間的曲線擬合關系可看出，當Rc逐步趨于最大時，特征峰值對于的水深逐步趨于穩定變化，這表明不同內波之間存在波谷為0的區域，當Rc達到最大值時，特征波高與特征峰值對于的水深相同，此外從圖5中還可看出不同護坡方式下對各散點數據分布影響程度較小。結合表1中特征波高與峰值水深轉換關系及其擬合曲線方程，可以對不同護坡方式下的特征波高與特征峰值水深進行換算。

圖4 內波特征波高計算值與試驗值對比結果

圖5 內波特征波高與特征峰值水深之間的曲線擬合關系

3.3 內波均方根波高與平均波速的計算

結合測定的波速和水深試驗數據，對不同護坡方式下的內波均方根波高與平均波速進行計算，結合計算數據，點繪其曲線擬合及相關方程，探討不同護坡方式下的內波均方根波高與平均流速的簡單計算公式，分析結果見表4和圖6。

圖6 不同護坡方式下的波高估算及波速試驗擬合結果

表4 內波均方根波高與平均流速的簡單計算方程

通過內波波高分布關系對特征峰值對應的水深及特征波高建立相關方程，因此基于內坡均方根即可計算內波不同特征下的波高和不同特征峰值下的平均水深。從圖6中Hrms～Rc的關系中可看出，不同護坡方式下的各試驗數據呈現較為明顯的分布一致性變化，而vm～gqws呈現較為明顯的線性相關，不同護坡方式對其線性相關影響程度較低。從圖中還可看出，高性能加筋草皮不同相關關系的散點都分布在上端，這主要是因為高性能加筋草皮對河道堤防內波水動力特征影響程度較小，因此同一試驗條件下的相關性更高，散點更為集中。結合表6不同護坡方式下的內波均方根波高與平均流速的簡單計算方程，可以推算不同護坡下的特征波高及波速，方便工程設計計算。

4 結語

(1)本文建立的特征峰值水深與波高的擬合方程可用來進行峰值水深的預測，適用范圍為-0.31

(2)本文建立的均方根波高與平均流速計算方程適用范圍為0

(3)四種常用護坡方式按影響程度高低劃分為：高性能加筋草皮>格賓石籠>碾壓混凝土>漿砌石。

(4)本文重點分布不同護坡方式下對局部試驗斷面內波水動力特征的影響，但為探討其沿程水動力特征的變化，存在不足。