宽窄相间河道上游流速特性分析

徐威震，邓一平

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 规划所， 重庆 401120)

宽窄相间河道上游流速特性分析

徐威震，邓一平

(重庆市水利电力建筑勘测设计研究院 规划所， 重庆 401120)

山区河道受地质和河床演变的影响，平面形态呈宽窄相间的形态特征。采用水槽模型试验，建立不同比例的宽窄相间河道模型，对上游断面进行流速测量，对比均匀流分析其流速变化规律，并反算其摩阻流速。结果表明：宽窄相间河道上游较远处流速分布基本符合对数流速分布规律，接近收缩段处不符合对数流速分布规律；宽窄相间河道横向流速分布符合指数分布规律，其横向流速分布参数与摩阻流速呈规律性变化，与宽窄比及距收缩段的距离有关。研究成果可为宽窄相间河道工程整治提供理论参考。

宽窄相间河道上游；宽窄比；流速特性；摩阻流速；对数流速分布；横向流速分布

1 研究背景

山区河流在峡谷地区受地质条件约束，经过极长时间调整常形成宽窄相间形态，如长江铜锣峡最宽处为1 010 m，而其它地方河宽多在300 ～600 m之间。宽窄相间的平面形态显著影响河道水沙运动及其演化特性。Lucy 等(2010)[1]基于野外调查认为河道宽度变化是影响河床演化的关键因素之一。Singha 等(2011)[2]基于试验指出，河道形态变化将重新调整水流紊动能的分布特性。Armellini 等(2009)[3]基于数值计算得出，受岸滩形态的影响，水流结构出现极为明显的分离区。Paiement-Paradis等(2011)[4]通过试验表明河道宽窄变化引起的水流减速或加速运动对泥沙推移质输移有重要的影响。闫旭峰等(2011)[5]基于室内试验指出渐变河道形态显著影响宽窄相间区域的局部水头损失。

对于天然河道的水流的研究，多数是在均匀流的基础上进行分析。均匀流较为经典的垂向流速分布为对数型流速分布，实际明渠中沿垂线流速分布大部分与其基本符合，而横向流速分布应用较为广泛的为指数流速分布。实际上各个流态中对数流速公式的参数k，c的变化不大，横向流速分布参数变化也不明显，摩阻流速u*难以确定。通常均匀流摩阻流速的计算依据是阻力平衡，如刘春晶等[6]根据水槽试验得出不同宽深比情况下的摩阻流速计算方法；而非恒定流的摩阻流速难以确定，国内外研究较多，Tu(1991)[7]，Song等(1994)[8]，Westphal等(1996)[9]都认为非恒定流的计算方法不同于恒定流， 并提出可以用Saint-Venant方程计算，但是在参数的选择上差异颇大。对于宽窄相间河道的流速特性研究较少，本文在前人研究的基础上，以宽窄相间水流运动为研究对象，通过水槽试验，研究水流运动特性。相关成果可为宽窄相间河道工程治理提供理论参考。

2 试验布置

试验在高精度多功能边坡试验水槽内展开，水槽尺寸为28 m×0.56 m×0.7 m(长×宽×高)，水槽全长平面起伏误差<0.2 mm。

水槽采用超声水位计进行水深测量，共安装了8个探头，安装高度距离水面均≥0.05 m。流速测量采用重庆西南水运工程科学研究所自主研发的多孔螺旋桨流速仪。为保证进入试验段水流平稳达到均匀紊流的条件，进口段长度取8 m；出口段长度取为6 m，试验断面距进口12 m。

结合试验条件宽窄比，取3种典型的宽窄比2∶1，3∶2，4∶3，收缩角度取30°。本文试验均取水深10 cm，比降为0.1%，试验组数为3组。

对各个试验方案收缩段前2，0.5，0 m各测点分别距离左边边壁0.03，0.08，…，0.53 m处进行测量，试验布置如图1所示。

图1 宽窄相间河段水槽试验布置示意图Fig.1 Layout of wide and narrow alternated channels in flume experiment

3 试验结果分析

3.1 试验结果

收缩角度30°不变水深10 cm情况下，宽窄比为4∶3，3∶2,2∶1，沿程水深如表1所示。

表1 试验沿程水深Table 1 Water depths along the channel in the test

注：uij为第i条垂线第j个点的流速；vi为第i条垂线平均流速； h为测点水深；H为水深。以下同。图2 无量纲垂向流速分布对比Fig.2 Comparison of dimensionless vertical velocity distribution

宽窄比4∶3，3∶2,2∶1收缩段前2，0.5，0 m垂向流速无量纲分布计算公式为

(1)

其中：

u+=u/u*;y+=yu*/υ。式中：y为距离底部的距离；u*为摩阻流速；κ为卡门常数；υ为水流黏性系数；u为流速；c为横向流速分布参数。关于公式参数的确定，根据前人的研究成果，本文取κ=0.41，c=5.02。

无量纲垂向流速分布对比如图2所示，中垂线流速无量纲对比如图3所示。

图3 无量纲中垂线垂向流速分布对比Fig.3 Comparison of dimensionless mid-perpendicular velocity

横向流速分布遵循指数分布，计算公式为

(2)

式中：ui为过水断面上第i水平层上的测点流速；uz为过水断面上第i水平层中垂线处流速；Bi为过水断面上第i水平层宽度；x为过水断面上第i水平层上测点距离渠道左岸的距离，均匀流c=0.14。

无量纲横向流速分布对比见图4，c值统计如表2所示。同时对各个方案断面进行流速反算，其摩阻流速如表3所示(均匀流摩阻流速为0.027 m/s)。

图4 无量纲横向流速分布对比Fig.4 Comparison of dimensionless transverse velocity distribution表2 断面横向流速分布参数cTable 2 Values of transverse velocity distribution coefficient c

水深/cm宽窄比收缩段前各位置处的c值2m0.5m0m4∶30.140.140.21103∶20.140.140.282∶10.140.210.30

表3 摩阻流速Table 3 Values of frictional velocity

3.2 收缩段前2 m处流速特性分析

由图2至图4可看出，垂向流速计算值与实测值无量纲数值较为吻合，横向流速计算值与实测值无量纲数值较为吻合，从表2得到横向流速分布参数与均匀流相同。由表3可知，宽窄比4∶3时摩阻流速与均匀流摩阻流速相同，为0.027 m/s，宽窄比分别为3∶2和2∶1时摩阻流速分别为0.021 m/s和0.014 m/s，比计算值分别小0.007 m/s和0.013 m/s。

3.3 收缩段前0.5 m处流速特性分析

从图2、图3可看出，垂向流速计算值和实测无量纲数值较为吻合；图4、表2表明横向流速计算值与实测无量纲数值较为吻合，宽窄比为4∶3与3∶2时，横向流速分布参数与均匀流相同，当宽窄比变大到2∶1时，横向流速分布参数变大为0.21；表3显示，整体摩阻流速都有变小趋势，宽窄比为4∶3，3∶2和2∶1处摩阻流速分别为0.022，0.020，0.015 m/s，比计算值0.027 m/s分别小0.005,0.007和0.012 m/s。

3.4 收缩段前0 m处流速特性分析

从图2、图3可看出，垂向流速分布在同一个宽窄比的情况下，0.2H和0.4H实测流速值比理论计算值偏大，0.8H和0.95H实测流速值比理论计算值偏小，并且随着位置向收缩段的靠近，差值逐渐增大；在同一个位置的情况下，0.2H和0.4H实测流速值比理论计算值偏大，0.8H和0.95H实测流速值比理论计算值偏小，并且随着宽窄比的增大，差值逐渐增大；由图4、表2可知，横向流速分布基本遵循指数分布规律，横向流速分布参数随着宽窄比的增大有增大的趋势，宽窄比4∶3，3∶2，2∶1处横向流速分布参数分别为0.21，0.28，0.30，比均匀流横向流速分布参数值0.14分别大0.07, 0.14和0.16。表3显示，整体摩阻流速都有变小趋势，宽窄比4∶3，3∶2，2∶1处摩阻流速分别为0.024，0.023，0.016 m/s，比计算值0.027 m/s分别小0.003,0.004，0.011 m/s。

总体来说，流速分布的变化规律为：所有方案2 m处和0.5 m处垂向无量纲流速分布与理论计算差值在合理范围内，符合对数流速分布公式；横向流速分布遵循指数分布规律，横向流速分布参数除了宽窄比2∶1处跟均匀流不同外，其他全部相同；0 m处垂向流速值相对理论计算值发生变化，横向流速分布遵循指数分布规律，横向流速分布参数随着宽窄比的变大而增大。摩阻流速的变化规律为：在相同的位置摩阻流速随着宽窄比的增大而减小；同一个宽窄比例当宽窄比为4∶3和3∶2时，摩阻流速随着距离的靠近先减小后增大，而宽窄比为2∶1时随着距离的靠近逐渐增大。同时从中垂线流速分布对比图(图3)可以看出，各个断面位置的垂向流速分布遵循对数流速分布规律。同时结合0 m处的流速分布图形，可以得到随着宽窄比的扩大，此断面处遵循对数流速分布的区域越来越小。

4 结 论

(1) 宽窄相间河道收缩段上游的流速分布规律为：垂向流速基本遵循对数分布规律，横向流速分布遵循指数分布规律，横向流速分布参数与均匀流对比基本没有变化。摩阻流速变化规律为：在同一位置情况下，摩阻流速随着宽窄比的变大而减小；另外当宽窄比较小时，随着向收缩段的靠近，摩阻流速减小；而当宽窄比较大时，随着向收缩段的靠近，摩阻流速逐渐增大。

(2) 宽窄交界处的流速分布规律为：断面的垂向流速分布遵循对数流速分布规律的区域比较小，已经基本不符合此规律；横向流速分布遵循指数分布规律，横向流速分布参数随着宽窄比的变大而增大；摩阻流速随着宽窄比的增大而减小。

[1] LUCY C，QUINE T A，NICHOLAS A．An Experimental Investigation of Autogenic Behavior During Alluvial Fan Evolution[J]．Geomorphology，2010，115(3/4) : 278-285.

[2] SINGHA A，BALACHANDAR R．Structure of Wake of a Sharp-edged Bluff Body in a Shallow Channel Flow[J]．Journal of Fluids and Structures，2011，27(2):233-249.

[3] ARMELLINI A， CASARSA L， GIANNATTASIO P．Separated Flow Structures Around a Cylindrical Obstacle in a Narrow Channel[J]．Experimental Thermal and Fluid Science，2009，33(4) :604-619.

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[5] 闫旭锋，易子靖，刘同宦，等．渐变河道水流结构及局部水头损失特性分析[J]．长江科学院院报，2011，28(9): 1-5.

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[8]SONG T, LEMMIN U, GRAF W H. Uniform-Flow in Open Channels with Movable Gravel-Bed[J]. Journal of Hydraulic Research,1994, 32(6): 861-876.

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(编辑：刘运飞)

Characteristics of Flow Rate in the Upstream of Wideand Narrow Alternated Channels

XU Wei-zhen, DENG Yi-ping

(Department of Planning, Chongqing Design and Research Institute of Water and Power Architecture, Chongqing 401120,China)

Affected by geology and fluvial process, rivers in mountain area are featured with alternated wide and narrow channels. In this research, river model with wide and narrow alternated channels with varying width ratio was established through flume model test. The flow velocity in the upstream section was measured, and the rule of velocity variation was analyzed in comparison with uniform flow, hence obtaining the frictional velocity. Results reveal that velocity distribution in the upstream far from the wide and narrow alternated channel is in line with logarithmic distribution in general, but does not follow logarithmic distribution near the contraction segment; whereas in the wide and narrow alternated channel, the transverse flow velocity distribution conforms with exponential distribution. Moreover, the coefficient of transverse velocity distribution and the frictional velocity change regularly, and are related with the ratio of width and the distance from contraction segment.

wide and narrow alternated channels; ratio of width; flow characteristics; frictional velocity; logarithmic distribution; transverse velocity distribution

2016-02-26 ；

2016-03-22

徐威震(1987-)，男，河南安阳人，工程师，硕士，主要从事水文规划方面的研究，(电话)15215003132(电子信箱)290961938@qq.com。

10.11988/ckyyb.20160150

2017,34(5):40-43

TV131.3

A

1001-5485(2017)05-0040-04