横跨航槽水流结构变化规律试验研究

王垚，孙林云，诸裕良，刘建军

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

横跨航槽水流结构变化规律试验研究

王垚1，孙林云2*，诸裕良1，刘建军2

（1.河海大学港口海岸与近海工程学院，江苏南京210098；2.南京水利科学研究院，江苏南京210029）

为了研究横跨航槽水流结构的变化，分析流速垂向分布和沿程分布规律，进行了物理模型水槽试验，根据水槽试验结果对横跨航槽水流垂线平均流速的沿程折减变化做了定量的分析，并得出槽滩水深比和来水流速两个因素对跨越航槽水流结构变化的影响。试验结果表明，上边坡垂线平均流速相比于下边坡要稍小些；在边坡为1∶3，槽滩水深比为1.71～1.84，来水流速为0.034~0.202 m/s情况下，横跨航槽水流在上边坡中点附近到航槽内距上边坡坡脚一定距离这一区域，底部水流反向运动形成“回流”区域，来水流速越小，槽滩水深比越大，形成“回流”区域的范围就越大，流速发生的折减也就越大。

水槽试验；横跨航槽；流速垂向分布；垂线平均流速变化；流速折减；沿程变化

0 引言

近海开敞水域的开挖航槽后边界条件发生了改变，致使该工程区域的水流条件发生变化从而导致来沙条件也随之变化，影响到船舶的安全航行以及航槽的回淤，从而对港口的建设及其航道的维护造成一定的影响。航槽开挖后水流结构的改变是影响航道泥沙淤积问题和船舶安全航行问题的关键因素，为了有效地解决上述问题，因此需要特别对跨越航道水流结构变化规律进行认识和研究。本文通过研究分析在不同流速和槽滩水深比情况下横跨航槽水流的结构特征及其流速折减变化规律，不仅能有效地预测航道开挖后泥沙淤积问题，更为近海开敞水域航道中船舶的安全航行提供重要的指导。

1 国内外研究概况

Wallingford水利研究所[1]通过小角度的斜跨航槽的水槽试验，指出航槽内流速的折减会随着槽滩水深比的增大而趋于增大，并且下游滩地流速逐渐恢复到上游滩地流速相同。Van Rijn[2]通过水槽试验，得出当航槽水深相对于滩地水深较大时，水流跨越航槽时水流的三维特性很是明显，航槽上边坡处的水流将产生强烈的紊动现象。Boer[3]在水流斜跨航槽的试验中，发现水流进入航槽后，垂线平均流速迅速减小，行进至下坡脚后流速又迅速回升。

曹民雄[4]通过概化方法对崖门口航道进行了水槽试验，发现在交角一定时，滩地大水深或浅航槽下，槽内流速折减较少。李安中[5]在概化的连云港外海航槽模型试验中指出，航槽挖深和交角较大情况下，航槽内流速折减就愈明显，上边坡槽底附近会出现呈扩散状态的反向流速，挖深愈大，则出现的水流反向现象愈明显；刘光臣[6]通过斜跨航槽水流结构试验，得出在上边坡坡脚附近流速分布最不均匀，折减也最大，大约从航槽轴线附近至下边坡流速有一定的回升；李青云[7]通过斜跨航槽水流结构试验，指出航槽下边坡的流速较上边坡流速稍大，流速垂向分布也均匀得多。孙桂生[8]在斜跨航槽上边坡水流结构试验研究中，发现上边坡处流速在垂直水深方向及沿程均逐渐减小，坡脚处流速折减达到最大，且折减随槽滩水深比增大而增大。

上述前人所做的水槽试验均是在小尺度航槽下进行，本次模型试验采用的航槽尺度相对较大，边坡坡度相对较陡。本文着重分析了在不同的试验流量和槽滩水深比情况下水槽沿程的流速分布，以及对沿程水流折减情况进行了定量分析，探讨了试验流量和槽滩水深比的改变对航槽中水流折减变化的影响，为预测航道开挖后泥沙淤积问题和船舶安全航行提供重要参考。

2 试验条件和试验方法

本次试验沿水槽的中轴线上总共布置了18个测量点，航槽尺寸及测点位置见图1。

图1 航槽平面尺寸及其测量点布置（单位：m）Fig.1The plane size of the flume and the location of measuring points（m）

为了研究横跨航槽时水流的结构特征，试验在37 m×6 m水槽中进行，开挖航槽边坡为1∶3，航槽底宽为3.25 m，航槽挖深为0.14 m，开挖航槽与矩形水槽交角为90°。由于水槽沿程水深会发生改变，则对滩地、边坡和航槽处各测点的垂向流速分不同层数进行测量，分别为滩地7层、边坡8层、航槽10层。

试验过程中通过流量泵去控制边界流量，在恒定的流量下进行水槽试验，流速是利用旋桨式流速仪进行测量，其仪器的精度为1 cm/s，流向通过向航槽滴入高锰酸钾溶液进行观测。

本次模型试验采用滩地水深分别为0.165 m和0.195 cm两种试验水位，每种试验水位情况下选取四种不同试验流量进行模型试验，试验方案及组次安排见表1。

表1 试验流量及相应水位Table 1Theexperimentaldischarge and thecorresponding water level

3 垂向流速沿程变化规律

图2为试验水位0.165 m情况下对应的水流横跨航槽流速的沿程垂向分布图。由试验结果可知，其水流垂向分布的沿程变化规律如下：水流在滩地上行进时，其垂向分布较为均匀，流速沿水深变化较小；当水流进入航槽在边坡上行进时，由于过水断面产生变化，流速垂向分布也开始发生较大的变化，流速沿垂线明显减小且垂向分布很是不均匀，越往下靠近底部的流速折减越大，并且在上边坡中点附近处的底部开始出现了与主流方向相反的水流；水流从上边坡坡脚附近行进至航槽内距坡脚一定距离附近处，流速沿垂线变化仍然较大，垂向分布很不均匀，并且底部附近的水流也出现了类似的反向流动；随后在水流行进至下边坡坡脚，流速垂向分布逐渐变得均匀，流速沿垂线的折减程度越来越小，主要是由于在试验航槽的底宽较大情况下，进入航槽的水流行进到一定距离后得到充分的发展，流速垂向分布规律逐渐趋向于滩地上水流的垂向分布，因水深的增加引起的过水断面增大，导致这一部分水流的垂向流速相比于上游滩地和上边坡的流速较小；水流在航槽下边坡行进时，流速沿水深变化较小，下边坡流速垂向上折减程度较小，其分布相对于上边坡的流速分布也要均匀得多，又由于水流在下边坡行进时过水断面的逐渐减小，使得其垂向流速逐渐也有所增大；当水流流出航槽行进至下游边滩，流速垂向分布较为均匀，其垂向分布规律趋向于上游滩地流速垂向分布，由于跨越航槽会造成能量的损失，其垂向流速相比于上游滩地会有一定的减小，但其大小基本恢复到和上游滩地来流速度差不多。

试验观测表明，从上边坡中点附近到航槽内距上边坡坡脚一定距离附近处这一区域范围，底部水流将反向运动，形成“回流”区域，该区域水流流动缓慢，流态成紊动的扩散状态。

通过对本次物理模型水槽试验进行研究分析，其反向水流沿水深出现的位置随流速和槽滩水深比的变化而改变，通过试验结果可发现，在其它试验条件相同且边坡为1∶3，槽滩水深比为1.71～1.84，来水流速为0.034~0.202 m/s情况下，试验流速越小，反向水流沿水深出现的位置距离水面就越近，形成的“回流”区域范围就越大；并且槽滩水深比越大，反向水流沿水深出现的位置距离水面也就越近，形成的“回流”区域范围也就越大。

图2 试验水位0.165 m情况下垂向流速沿程分布Fig.2The vertical velocity distribution along the flume in the water level of 0.165 m

4 垂线平均流速沿程变化规律

4.1 垂线平均流速沿程分布

根据上述8组物理模型水槽试验，对试验数据进行整理，并通过六点法计算出沿程各个测点的垂线平均流速值，以试验水位0.165 m情况下水流横跨航槽垂线平均流速沿程变化图为例，详见图3。

图3 试验水位0.165 m情况下垂线平均流速沿程变化情况Fig.3The variation of the depth-averaged velocity along the flume in water level of 0.165 m

总体上来看，水流在跨越航槽过程中，上、下边坡处的垂线平均流速变化最为明显，上边坡垂线平均流速相比于下边坡要稍小些；航槽边坡上的垂线平均流速基本都大于航槽内的垂线平均流速，即航槽内流速折减达到最大，水流在航槽内行进到一定距离后水流得到充分的发展，受到紊动的影响逐渐减小，流速有一定程度的回升；而下游滩地上的垂线平均流速相比于上游滩地，由于水流横跨航槽受到水流紊动影响造成的能量损失，使得流速有些许减小，但其大小基本恢复到和上游滩地来流速度差不多。

4.2 垂线平均流速沿程折减变化

图4为试验水位0.165 m情况下水流横跨航槽时流速沿程折减变化，其中，Vi表示沿程测点位置所对应的垂线平均流速，V表示上游滩地测点位置所对应的垂线平均流速平均值。由流速沿程折减变化图可知，相比于航槽的其它位置，水流在上边坡处行进，流速折减程度较大，并且在上边坡坡脚处附近流速折减达到最大，而后会有一定程度的回升，下边坡流速折减相比于上边坡较小些。

图4 试验水位0.165 m情况下水流横跨航槽时流速沿程折减变化Fig.4The depth-averaged velocity discount variation across the trench in the water level of 0.165 m

在模型滩地水深为0.165 m情况下，4种试验流量下（0.04 m3/s、0.08 m3/s、0.14 m3/s和0.20 m3/s）流速在航槽上坡脚附近折减程度达到最大，其折减程度大约为0.28～0.48，即为滩地上流速的0.28～0.48，当在航槽内行进一定距离后，水流得到充分发展流速分布趋于均匀，其流速折减程度大约为0.47～0.58，而后水流跨越航槽行进到下游滩地上，由于沿程中紊流的影响造成的能量损失，使得下游滩地上的流速也发生折减，其折减程度大约为0.96～0.98。

在模型滩地水深为0.195 m情况下，4种试验流量下（0.04 m3/s、0.08 m3/s、0.14 m3/s和0.20 m3/s）流速在航槽上坡脚附近折减程度达到最大，其折减程度大约为0.18～0.52，当在航槽内行进一定距离后，水流得到充分发展流速分布趋于均匀，其流速折减程度大约为0.56～0.63，而下游滩地上的流速折减程度大约为0.96～0.99。

表2给出了本文水槽试验中各组的航槽轴线处流速折减的实际值与适用于本文水槽试验条件的黄志扬航槽中心处流速折减公式计算得到的值的比较，其实际值与公式计算值基本上相一致。由表2也可看出，在边坡为1∶3，来水流速为0.034~0.202 m/s情况下，航槽内流速的折减随着槽滩水深比增加而增大。

表2 流速折减的试验实际值与公式计算值比较Table 2The actual velocity discount compared with the calculated value according to the formula

图5和图6反映了两种试验水位在4种流量下横跨航槽时上边坡流速折减程度。由不同流量下折减程度曲线对比可知，在边坡为1∶3，来水流速为0.034~0.202 m/s槽滩水深比为1.71～1.84情况下，相同的试验条件下（试验水深、航槽尺寸），来水流速越小，横跨航槽上边坡过程中垂线平均流速折减程度就越大，且在上边坡坡脚处附近流速达到的最大折减也就越大。

图5 试验水位0.165 m情况下上边坡流速折减变化Fig.5The depth-averaged velocity discount variation on the slope in the water level of 0.165 m

5 上边坡流速折减情况随槽滩水深比变化规律

水流横跨航槽时，槽滩水深比的变化也会对流速折减产生一定的影响，表3反映了4种试验流量上边坡的坡顶、坡中和坡底处垂线平均流速折减值随槽滩水深比的变化情况。在相同的试验条件下（试验流量、航槽尺寸），槽滩水深比越大，意味着航槽相对挖深就越大，则水流横跨航槽在上边坡处发生的折减也就越大，并且从坡顶行进至坡脚，流速的折减也变得越来越大。

图6 试验水位0.195 m情况下上边坡流速折减变化Fig.6The depth-averaged velocity discount variation on the slope in the water level of 0.195 m

表3 两种槽滩水深比对应的上边坡垂线平均流速折减值Table 3Depth-averaged velocity discount in two kinds of trough-beach depth ratio in the upper slope

6 结语

1）横跨航槽水流在上、下边坡附近处的垂线平均流速变化最为明显，上边坡垂线平均流速相比于下边坡要稍小些。

2）在边坡为1∶3，槽滩水深比为1.71～1.84，来水流速为0.034~0.202 m/s情况下，横跨航槽水流在上边坡中点附近到航槽内距上边坡坡脚一定距离附近处这一区域，底部水流反向运动形成“回流”区域，即竖向环流，该区域水流流动缓慢，水流流态成紊动的扩散状态，并且形成“回流”区域的范围大小与流速和槽滩水深比有关，来水流速越小，槽滩水深比越大，形成“回流”区域的范围也就越大。

3）在边坡为1∶3，槽滩水深比为1.71～1.84情况下，相同的试验条件下（试验水深、航槽尺寸），来水流速越小，横跨航槽上边坡垂线平均流速折减程度就越大，且在上边坡坡脚处附近流速达到最大折减也就越大。

4）当水流横跨边坡为1∶3的航槽，槽滩水深比为1.71～1.84，试验流速为0.034~0.202 m/s范围变化时，流速在航槽内最大折减发生在上边坡坡脚附近，折减程度大约为0.18～0.52，当在航槽内行进一定距离后，水流得到充分发展流速垂向分布趋于均匀，此时槽内流速折减程度大约为0.47～0.63，下游滩地上的流速折减程度大约为0.96～0.99，其大小基本恢复到和上游滩地来流速度差不多。

5）在边坡为1∶3情况下，相同的试验条件下（试验流量、航槽尺寸），槽滩水深比越大，水流横跨航槽发生的折减也就越大。

[1]WALLINGFORD H R S.Laboratory studies of flow across dredged channels[R].Report Nex,1973.

[2]VAN RIJN L C.Storm surge barrier Oosterschelde-computation of siltation in dredged trenches:semi-empirical model for the flow in dredged trenches[R].Deltares(WL),1980.

[3]BOER S.The flow across trenches at oblique angle to the main flow direction[R]//Report S.Delft Hydraulics Lab,1985,490:39.

[4]曹民雄，应强，孔祥柏.河口地区航槽开挖后槽内流速变化[J].海洋通报,1997,16（6）:51-58. CAO Min-xiong,YIN Qiang,KONG Xiang-bai.Velocity variation in channeling at estuaries[J].Matine Science Bulletin,1997,16(6): 51-58.

[5]李安中,李国臣,刘光臣.近海开敞水域挖槽回淤试验研究[J].河海大学学报,1986,14（3）:119-131. LI An-zhong,LI Guo-chen,LIU Guang-chen.Model study of dredged channel siltation in offshore open water[J].Journal of Hohai University,1986,14(3):119-131.

[6]刘光臣.横跨挖槽水流结构试验研究[D].南京：河海大学，1990. LIU Guang-chen.Experimental study on the flow structure across the channel[D].Nanjing:Hohai University,1990.

[7]李青云.近海开敞水域挖槽中水流结构试验研究[D].南京：河海大学，1991. LI Qing-yun.Study on the flow construction in a dredged channel in offshore open water[D].NanJing:Hohai University,1991.

[8]孙桂生.开敞水域斜跨挖槽上边坡水流结构试验研究[D].南京：河海大学，1992. SUN Gui-sheng.Study on the flow construction on the front sideslope of trench at oblique angle in open water[D].Nanjing:Hohai University,1992.

[9]黄志扬，张玮，崔冬.开敞水域中斜跨航槽水流的流速计算[J].水运工程，2005（8）：1-4. HUANG Zhi-yang,ZHANG Wei,CUI Dong.Velocity computation in a navigation channel at an oblique angle to flow direction in open water[J].Port&Waterway Engineering,2005(8):1-4.

Experimental study of flow structure variation across dredged channel

WANG Yao1,SUN Lin-yun2*,ZHU Yu-liang1,LIU Jian-jun2
（1.College of Harbour,Coastal and Offshore Engineering,Hohai University,Nanjing,Jiangsu 210098,China; 2.Nanjing Hydraulic Research Institute,Nanjing,Jiangsu 210029,China）

In order to study the structural changes with the flow across the dredged channel and analyze the regularity of vertical distribution and longitudinal distribution,we performed the physical model test.Based on the results of the physical model test,we made the quantitative analysis of depth-averaged velocity discount variation across the trench,and obtained the effects of trough-beach depth ratio and the flow velocity on the flow structure.The results showed that,the depth-averaged velocity of the upper slope is slightly smaller than that of the lower slope.When the slope is 1:3,trough-beach depth ratio is 1.71 to 1.84,and the flow velocity is 0.034 m/s to 0.202 m/s,the reverse flow at the bottom formed the"reture"area in this area,where the midpoint of the upper slope to the dredged channel a certain distance from the slope toe.The smaller the flow velocity and the greater trough-beach depth ratio,the"reture"area is greater,and the depth-averaged velocity discount is greater as well.

flume experiment;across dredged channel;vertical velocity distribution;depth-averaged velocity variation; velocity discount;change along the flume

U617.6；TV131.61

A

2095-7874（2017）05-0058-05

10.7640/zggwjs201705013

2016-11-01

2017-01-23

王垚（1990—），男，天津市人，硕士研究生，主要从事港口航道工程水动力数值模拟研究

*通讯作者：孙林云，E-mail：linyunsun@sina.com