物理模型试验固化有坎断面方案的水位流量关系分析

陈滋月

（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121002）

物理模型试验固化有坎断面方案的水位流量关系分析

陈滋月

（辽宁省锦州水文局，辽宁锦州121002）

断面固化有利于断面水位流量关系的稳定，本文采用物理模型试验的方法分析断面固化方案对断面水位流量关系的影响。研究结果表明：在固化断面前设置过渡坎断，将减少固化断面的泥沙淤积量，使得固化断面处的水位流量关系趋于稳定。研究成果对于汛期河流测流技术的改进具有参考价值。

物理模型试验；测流断面固化；过渡坎断；水位流量关系影响分析

受断面冲淤变化影响，测流断面水位流量关系常常出现紊乱，而稳定的水位流量关系对于测流技术效率的提高十分重要。运用稳定的水位流量关系，即可通过水位来推求流量，而当前大多数河流都可实现水位的自动遥测，通过自动遥测的水位再结合稳定的水位流量关系即可以实现流域流量的自动遥测，这一技术将提高汛期测流的效率并保障测流人员的安全。对于稳定水位流量关系的推求国内有学者展开过相关研究，取得一定的研究成果［1-6］，这些成果大都采用数学方法来拟合水位流量关系点，通过曲线拟合的方法来模拟稳定的水位流量关系，但这些方法存在计算误差，并且在每次使用前都需要再对拟合的水位流量关系曲线进行重新率定和修正。断面水位流量关系受断面冲淤变化影响较大，理论上通过断面固化，使得断面呈现稳定状态有助于断面水位流量关系的稳定性，为验证这一项理论技术，结合物理模型试验的方法，通过设置固化断面，并设置不同等级的放水流量，通过固化断面处实测的水位流量来分析固化断面对水位流量关系的影响。研究成果对汛期洪水测流技术的改进和效率提高具有一定的参考价值。

1模型试验河槽布置图

本次物理模型试验采用的主河槽长度为45m，由3部分组成，分别为水流稳定段、河床试验段以及2个河段连接的过渡段，河段连接过渡段与河床试验段采用粗砂进行连接，整个试验河槽的纵向比降为1/1000，模型试验河槽各连接段布置如图1所示。

图1模型整体布置平立面图（　单位：mm）

本次物理模型试验水槽宽度为3.95m，水槽的深度为1.1m，整个河床采用粒径为0.42mm的粗砂构建而成。为了模拟天然河道的冲刷情况，整个主河槽采用的粗砂厚度为30cm，边坡系数为1∶2，整个河槽底部的宽度为1.1m，主河槽的两侧有0.37m宽的滩地，试验河槽的剖面如图2所示。

图2模型剖面图（　单位：mm）

2试验方案

本次物理模型试验水流采用高水位的水箱进行供给，主要放水流量概化为10、50、100、85、60、45、30、15（单位为L/s），河槽主试验段内15m为本次物理模型试验的测流范围，在河段试验范围内设置3个断面进行水位测量，每个断面之间的距离为3m，在试验范围区的尾段设置有水位计，主要用来观测退水。试验河槽按照图1的方案进行布置，布置后的效果如图3所示，断面构建完成后，实现水流的倒灌，倒灌后再恢复地形，通过反复倒灌，运用地形观测仪器测量试验河段的初始地形。在模型试验中当每一级放水流量稳定后，观测试验河段的地形以及断面的水位和流速。固化断面布置方案主要为将2号断面（如图4所示）设置为测流控制断面，将该断面进行固化，固化的宽度为6cm，并在2号断面前设置坎断，该坎断高出试验河段底部2cm，并在试验固化断面的上游和下游各设置宽度为20cm的碎石岸边护坡。波动水跃，如图5所示。在放水流量为50L/s时，控制断面水面跌水现象有所减弱，跌水高差为0.3cm，坎下有较大波纹，如图7所示。当流量为100L/s时，水面较平稳，无大波纹。控制断面处的水位流量关系曲线如图9所示。

图3全动床河槽初始断面形态

图510L/s沿程水面线

图610L/s流量现场照片

图750L/s沿程水面线

图850L/s流量现场照片

图4固化断面布置方案

3试验观测成果

3.1控制断面的水位流量关系曲线

通过试验观测放水流量为10L/s时，水面有明显跌水现象，跌水高差为1.83cm，坎下1m范围有

图9试验固化断面处水位流量关系曲线

从试验结果可以看出控制断面流量关系曲线呈反绳套，这是由于断面淤积而致。固化断面固定了断面处的岸壁和河底，但上游河道为水流提供了大量的泥砂，当流量逐渐减小后，水流挟砂能力降低，河底淤积，淤积厚度大于坎高。

3.2固化控制断面的冲淤变化

模型放水前后纵断图如图10所示，黑色实线为初始地形，黑色虚线为退水后地形。洪水过后河底淤积，坎上淤积厚度为0.7cm。

图10试验固化断面退水前后地形纵断对比

图11试验固化断面退水后照片

3.3坎高对糙率的影响

河床糙率是影响河道水位的重要因素。当放水流量不变时，糙率大，则流速小，水深大，因此糙率的大小直接影响流速的大小。对同一个河流，河床糙率可以认为是一个常数，无坎固化是自然的衔接河道上下游，没有改变河道断面，而且固化段只占整个河长的很小一部分，对河道糙率几乎没有影响。而有坎固化方案，坎高会引起局部的水位降落，对水面坡度和糙率是有影响的。从理论上就有坎方案对水力坡降的影响进行分析。河道水深与坎高的比值是一个重要的指标，根据过去水力计算经验分析，如果淹没水深较大，例如水深H是坎高的10倍时，在天然河道的水位落差只有3～5cm（小于等于5cm），而在水深H是坎高的5倍时，在天然河道的水位落差约为5～8cm（小于等于8cm）。由上述有坎水力坡度可知，有坎引起的水位落差越小，则在水力坡度中的比重就小。当水深是坎高的5倍、水位落差为8cm时，假定天然河流水位坡降为1/1000，观测长度L=1000m时，如果将水位观测长度加长为L=2000m，则此时有坎引起的水位落差对比降的影响基本可以忽略，由此推出对糙率的影响也可以忽略不计。

4结论

本文通过物理模型试验的方法分析固化有坎试验方案对测流断面的水位流量关系的影响，通过试验分析得到以下结论：

（1）坎高与水深的比值不能太大，即，只适合洪水期时大流量用。

（2）固化有坎处，水位落差控制在0.1m以下，否则计算误差将很大。观测固化上下游水位的距离应在2000m以上（坎高越大，水位观测的距离就越大）。

（3）在计算有坎河道的流量时，当流量小时，坎高与水深的比值将较大，坎的影响也较大。这时坎高对糙率的影响不能忽略，采用曼宁公式计算出的流量将会偏大，应乘以修正系数，修正系数与坎高和水深的比值有关，应通过试验分析确定。对于洪水时期的大流量可以不考虑坎的影响，已知水位即可直接采用曼宁公式计算出流量。

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P332.4

A

1008-1305（2016）03-0083-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.032

2016-04-01

陈滋月（1989年—），男，助理工程师。