連續性彎曲河道潰堤后的概化水槽試驗研究

劉書瑜 張兵戈 朱裕 李夢雨

摘 要：河道決口是我國常見的自然災害之一，特別是黃河生產堤發生潰口后，潰堤波在灘區的傳播擴散對當地的生命財產造成了極大的損失。本文根據黃河下游夾河灘至高村游蕩型河段建立了概化水槽物理模型，模擬了彎曲河道潰口處漫灘洪水在灘槽的演進過程。試驗通過水位自動跟蹤儀及VDMS系統測量了彎曲河道潰堤發生后，灘槽水位及流速的變化過程，并分析了漫灘洪水的演進特性。試驗結果表明，潰堤波在潰口處傳播呈扇狀，在灘區地形影響下，漫灘洪水形成的洪泛區存在不同尺度的渦流;河槽內部水位在潰堤發生后，水位伴隨著洪水的演進過程先降低后增大，最終潰口處達到穩定分流的狀態。試驗結果可為數學模型提供驗證參考，并對灘區確定風險區域提供技術支撐。

關鍵詞：潰堤;漫灘洪水;洪水演進;概化試驗

中圖分類號：TV131 ? ?文獻標志碼：A ? ?文章編號：1003-5168（2022）7-0058-05

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.013

Abstract：River breach is one of the common natural disasters in China， especially after the breach of the Yellow River dike， the spread of the breach wave in the beach area has caused great losses to local lives and properties. In this paper， a physical model of a generalized flume physical model is established based on the wandering type of river section from the lower Yellow River between Jiehetan and Gaocun to simulate the evolution process of floodplain flood in the flume at the cured channel burst. The experiments measured the changes of water level and flow velocity in the beach channel after the breach of channel bends by means of the water level automatic tracking instrument and VDMS system， and analysed the evolution characteristics of the beach flood. The experimental results show that the wave propagates fan-like at the breach and the mainstream direction is influenced by the beach topography， and there are different scales of eddies in the floodplain formed by the beach flood. After the occurrence of dike-break， the water level in the channel decreases first and then increases along with the flood evolution process， and finally reaches the state of stable diversion at the breach. The experimental results can provide a reference for the validation of the mathematical model and provide technical support for the formulation of risk zones in the beach area.

Keywords： dike-break;overbank flood; flood evolution; generalized experiment

0 引言

黃河下游在歷史中發生了1 500余次決口，較大的改道有20余次。潰口處的洪水受灘區地貌影響，在灘區的演進過程中復雜多變，并且潰口大小伴隨著洪水演進過程而增大，洪水在河道及灘區的水力特性更為復雜，對灘區的風險規避、災害控制造成了極大的阻礙[1-2]。雖然近年來黃河下游整治效果顯著，灘區逐漸成為人類生產生活的棲息地，但仍是黃河決口時的蓄滯洪區。因此，為了保障灘區居民生命財產安全，漫灘洪水在河道及灘區的演進過程備受研究學者關注。

近年來，伴隨著科學技術的發展，針對河道潰口的數值模擬計算研究逐漸深入，一些研究學者取得了大量成果。如夏軍強等人[3]建立了潰壩水流在動床條件下的二維模型，分析了河道在潰壩狀態下水流、泥沙及床面的交互作用。楊志等人[4]基于DAMBRK算法建立了側向連接的耦合模型，兼顧了河道內的水流變化以及河道外計算區域內的洪水演進過程。Tadesse等[5]將堤壩決口模型集成到水動力數值模型Telemac-2D中，成功地重現了1996年8月在埃塞俄比亞堤壩潰口的洪水事件。以上數值模擬結果均經過模型試驗或實測數據進行驗證以確保模擬結果的真實性，但在眾多研究中，常常缺乏物理模型試驗數據及實測數據。為此，陸靈威等[6]開展了相關的物理模型試驗，揭示了河道發生潰口時洪水在河道及洪泛區的演進規律。AlHafidh等[7]針對不同河道入流組合、潰口寬度、灘地蓄滯洪區建立了室內物理模型，發現工程堤防潰口通過對洪水波的修正，有效地減小了潰口上游和下游的洪水深度。Rifai等[8]通過高分辨率3D重建技術及自主研發的新型非侵入式激光輪廓測量技術，實時觀測了河流堤防破壞的物理過程，全面地掌握了河流在決口過程中不同階段出現的水流和侵蝕特征。綜上所述，以上學者對于河道潰口的研究局限于較為平直的河段，對于連續性彎曲河段的研究略顯不足。因此，本研究選取了黃河下游夾河灘至高村游蕩型河段，設計并建立了概化水槽物理模型，研究了河道內不同流量條件下，漫灘洪水在灘槽內演進過程。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

1 試驗裝置及方法

1.1 試驗裝置

考慮到風場及其他干擾因素對水流的影響，本次試驗在室內進行，此次搭建的物理模型是根據黃河下游夾河灘至高村河段典型灘區（蘭考—東明灘區）而建立的概化彎曲水槽模型，如圖1所示。研究河段平均河彎半徑為2 650 m，平槽流量下河相系數約為9，平灘河槽寬度為873 m，灘槽高差為3.3 m，主槽兩側生產堤超高為1.6 m。考慮到室內場地大小，對研究河段進行合理概化，其中水平比尺1∶1 000，垂向比尺1∶40。

因此，概化物理模型在水平方向上全長18.5 m，寬度8.5 m。其中模型有效長度14.4 m，有效寬度8.0 m;模型進水前池長1.5 m，寬8 m;退水尾池長1.6 m，寬8 m;嫩灘寬0.3 m。物理模型進、出口均設置長度2.0 m直線段，中間有3個連續彎道，彎道中心線方程y=0.8cos（1.2x-2.4）-0.8。垂直方向上灘槽高差為10 cm，生產堤高出灘面5 cm，水槽縱比降8‰，水槽橫比降0‰，灘區縱比降2‰。此外，為了研究潰口水流在灘區的演進過程，在生產堤第一個彎曲河段右岸頂沖位置設置了一個寬約為0.5 m的剛性潰口口門。

在試驗開始時潰口口門關閉，水流先后通過水泵、閥門、電磁流量計進入模型前池，在模型前池內部蓄水完成后進入河槽內部，再經過河槽后到達退水池，退水池中的水最終進入地下水庫以形成循環。待河槽內部水流穩定后，瞬間打開潰口口門以形成漫灘洪水，漫灘洪水在灘區演進過程中形成洪泛區，水流在重力及邊界條件作用下最終流入退水池。

1.2 測量方法

為了研究洪水在灘槽演進的特點，在河道左岸布設了5個水位探針，其中C2、C3、C4布設在彎曲河道左岸凹凸側，C1、C5分別距離河道進出口0.8 m、1.0 m。由于水位探針無法實時提供洪水在灘槽演進中的水位變化過程，因此在灘槽布設了7個水位自動跟蹤儀。其中，2#布設在潰口處，用以監測洪水在灘槽演進過程中的水位變化;1#、7#分別布設在水位探測C1、C5右側和左側，用以比對水位數據;3#、4#、5#、6#布設在河道右側的灘區處，考慮到河道灘區處的橫縱比降所導致的洪水在灘區的淹沒范圍，3#、4#、5#分別布設在灘區最右側，其中3#正對潰口口門，相鄰水位跟蹤儀的間距分別為3.5 m、5.5 m，6#布設在河道最下游灘區處，距離河道右岸4.5 m。此外，在河道左岸及灘區右側分別布設了3個攝像頭，用以捕捉洪水在灘槽演進時的流場，并通過預試驗在灘區確定了12個特征點（A～H、3#、4#、5#、6#），框定了洪水在灘區演進時的主流區域。

1.3 試驗工況

在實際工程中，河道的潰堤水流受外在干擾因素較大，且水流具有流速大、水位變化劇烈、流態復雜不定等特點。在物理模型試驗中，為了研究不同程度的洪水的灘槽演進規律，須進行不同工況的模型試驗，具體工況如表1所示。

2 試驗結果及分析

2.1 河槽水位變化分析

不同工況下的水流進入河槽內部并達到穩定時，采用水位探針對河槽沿程水深進行測量，數據如表2所示。由表2不難發現：在同一工況下，河槽水位沿程減小，縱向水面比降為正值。在同一探針下，各位置探針所讀取的水位隨著河槽內部流量的增大而增大，且在最大流量下，河槽進口處水位最高值為26.38 cm，相應的河槽出水口水位為25.50 cm;而在最小流量下，河槽進口處水位達到最低值21.97 cm，對應的河槽出水口水位僅有21.30 cm。

潰口口門開啟時，采用水位自動跟蹤儀對河槽進出口（MC1、MC3）、潰口（MC2）實時監測，數據如圖2所示。由圖2易知：各監測點的水位均在潰口口門開啟時先降低、后升高。當河槽內部為最小流量時，潰口處水位隨著潰口口門打開突然降低1.10 cm;在其他流量下，河道潰口處水位下降范圍為1.87～2.98 cm，其中在最大流量下，潰口處水位下降幅度最大。

這是因為當河槽內部水流達到穩定后，潰口口門突然打開，河槽內部水流下泄到灘區形成漫灘洪水，進而在灘區形成洪泛區。在此期間，河槽內部的水位可保持穩定，隨著灘區水位的逐漸升高，潰口處的進灘水流受到阻礙，從而導致河槽內部水位升高，最終灘槽水位基本一致，此時洪水在灘槽的演進達到新的穩態。此外，當河槽內部流量較大時，河槽內部水位也隨之增大，此時水流勢能達到最大。當潰口口門打開后，潰口處的水流由勢能轉化為動能，而離潰口較遠處的河槽區域隨著水躍的產生由動能轉化為勢能，故使潰口處水位下降幅度隨著河槽內部流量的增大而增大。

2.2 灘區水位變化分析

當漫灘洪水進入灘區時，通過水位自動跟蹤儀對主要洪泛區進行監測，數據如圖3所示。其中FP1、FP2、FP3分別代表水位自動跟蹤儀3#、4#、5#。由圖3可知：FP1、FP2測點在FP3測點水位增加時先減小、后增加，并且各個測點的水位增加速率逐漸減小;FP1測點在初始階段水位高于下游的FP2、FP3，在漫灘洪水演進后期，FP1測點的水位低于下游測點。

這是由于漫灘洪水進入灘區后，受灘區橫比降影響，漫灘洪水先演進至FP1、FP2測點，致使FP1測點水位相對較大;當潰堤波演進至FP3時，FP3處的水位突然增加，而距離FP3較遠處的FP1、FP2測點水位降低;當潰堤波演進至退水池時，各個測點的水位增加速率降低。當潰口口門左右兩側水位基本相等時，各個測點水位的波動僅僅受邊界對水流的反射影響，此時FP1處測點水位受灘區縱比降的影響相對較低。

2.3 灘區潰堤洪水演進特性

當潰口口門打開后，河槽與灘槽水位的高差會形成潰堤波。潰堤波在灘區擴散中受到干擾因素較多，灘區內部水流流態也不盡相同。

在漫灘洪水進入灘區初期，由于受到剛性潰口口門的限制，潰堤波呈扇狀在灘區擴散傳播，并且在灘區橫比降影響下，潰堤波主要沿著潰口橫向演進，此時水深沿程增大，流速沿程減小，并且遇到邊界時發生回流;當回流至灘區內部時，受灘區縱比降及潰口處漫灘的影響，潰堤波主要沿著潰口縱向演進，此時潰口處的水深逐漸增大;隨著灘區內部進水流量的增加，潰口處的扇狀擴散范圍逐漸減小，水位逐漸增大，潰口處兩側的水位落差也逐漸減小，潰堤波影響基本消失，最終潰口處水位逐漸穩定。83E769D4-5711-4039-9B75-9CD6F56C153F

此外，通過6個攝像頭組成的VDMS流場實時監測系統采集了不同工況下漫灘洪水在灘槽演進過程中的流場，并解析了水流在河槽進口流量為30 L/s時，漫灘洪水在河槽及洪泛區的流速分布，具體如圖4所示。結合圖3易知，漫灘洪水在灘區的演進過程中，潰堤波主流沖擊邊界回流灘區，再次沖擊河道生產堤時，在第二個彎曲河道灘區附近形成大尺度渦流，該處渦流在灘區最右側邊界處繼續衍生了小尺度渦流，并且小尺度渦流有向灘區下游擴散的趨勢。不同尺度渦流形成的洪泛區隨著漫灘洪水進入灘區逐漸趨近平穩，并且洪泛區的主流區域大小一定，因此，可用8個洪泛區特征點（A～H）及4個水位自動跟蹤儀（3#、4#、5#、6#）框定洪泛區主流范圍，并據此采用秒表量測漫灘洪水到各個特征點的所需時間。工況1、2、6的具體數據見表3。

由表3可知，當漫灘洪水通過潰口口門進入灘區時，潰堤波在不同工況下通過各特征點的順序為3#、4#、5#、6#、C、D、B、E、F、A、G、H，并且潰堤波到達各個特征點的時間隨著河槽進口處流量的增大而減小。這是由于灘區橫縱比降致使潰堤波主流方向在不同工況下始終一致，并且受灘區橫比降影響，潰堤波進入灘區時主流流向沿河道橫向傳播。因此，漫灘洪水最先演進至3#特征點，并且在最大流量Q=38 L/s時，漫灘洪水演進用時最短，僅為7 s 87 ms;而在最小流量Q=28 L/s時，漫灘洪水演進用時最長，達到了14 s 70 ms，且在該流量條件下，受河槽潰口處勢能限制，漫灘洪水無法演進整個灘區，其他工況均可以。

3 結論

本文通過概化物理模型試驗模擬并預測了潰口發生后漫灘洪水在灘槽演進的過程，采用水位探針、水位自動跟蹤儀、VDMS系統測量了漫灘洪水演進過程中關鍵物理量，分析并研究了漫灘洪水在灘槽的傳播特性，為河道潰口數學模型及灘區內風險區域提供了基礎數據資料，并得出如下結論。

①漫灘洪水進入灘區時，河槽內水位沿程降低，縱向水面比降為正值，且河槽在進出口及潰口處水位均有先下降、后上升、最后趨近于平穩的趨勢。

②潰堤波在潰口處灘區呈現扇形擴散，在灘區橫比降及邊界條件的影響下，潰堤波使特征點3#、4#處的水位發生先增大、后減小、再增大的變化，并且水位增大的速率隨著漫灘洪水在灘槽的演進而逐漸減小。

③洪泛區的主流區域由多個不同尺度渦流組成，在灘區最右側的渦流尺度較小，在河道右岸附近的渦流尺度較大，并且伴隨著潰堤波的逐漸消失，洪泛區水位基本穩定，在河道附近的風險區大于灘區最右側，在規劃灘區風險逃生時，可使群眾沿著灘區上游右側逃生。

④當潰堤波進入灘區時，潰堤波沿著河道橫向擴散流動，最先到達特征點3#，并且隨著河槽進口流量的增大，潰堤波演進各個特征點的用時越短，漫灘洪水淹沒整個灘槽僅僅用時24 min 30 s。

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