河道近底流特性及对河床状态的影响研究

(辽宁省朝阳水文局，辽宁 朝阳 122000)

河道水流冲刷是河道安全治理的重要技术参考项，事关河道和堤防的安全存在与运行。由于河床底部水流要与沙石发生碰撞和摩擦，致使底流与上层流时常流速不同步，而形成紊流存在。河床近处的紊流反复激荡，加剧了河底泥沙运动，河床要经受严重的冲刷和侵蚀。本文借助大凌河近底瞬时流速谱实验数据，对河道近底流特性及对河床状态的影响开展针对性分析研究，以为河道治理工程提供研究和技术参考。

1 河道近底紊流的流速特性

因近底的切应力与流速梯度都超出限定标准，在泥沙运动的共同作用与影响下，近底周围产生旋涡也就在所难免。案例数据资料证实，在流量持续变化的情况下，不同深度的断面所形成的紊流强度不一样(见图1～图5)。

图1 基于46.2L/s条件的紊流强度流线

图2 基于90.6L/s条件的紊流强度流线

图3 基于158L/s的紊流强度流线

图4 基于343.3L/s的紊流强度流线

图5 基于527L/s的紊流强度流线

由图1～图5可以看到，峰值紊流强度均于河道近底部位形成，而在水面却降到了很低。在流速、流量都是很大的前提下，近底的紊流强度相比其他深度断面要最小，但在流量迅速升高的前提下，近底紊流的强度一般会伴随变大，而且要远远超过其他深度界面处的紊流强度。近底的紊流强度在流量足够大的前提下，都会达到峰值，此时的脉动现象也相对剧烈并极易形成涡流。

2 河道近底水流的脉动能量特点

众所周知，近底以紊流最为常见，由大量涡流构成，动能表现非常强烈，而水流能量对河床演变产生的影响是不可忽略的。因此，在此情况下，可利用近底流速样本函数求出不同流量下的脉动动能。通过时均法可以求解得到公式

式中v——流速；

v′——脉动流速。

基于此情况，可用下式来表达流速均方差

式中δvi——时频域内的均方差。

因此，其脉动动能为

由于近底水流具有的能量会对河床演变产生重大影响，造成河床底部变形，因此利用本函数，选出具有代表性的5个流量及4个断面进行深入研究与分析。不同流量所对应的脉动能曲线见图6。

由图6可以看到，在流量较低的情况下，当流量骤然升高时，水流能量也会随之增强，当流量达到一定值时，能量则会骤然增大，可见，当流量超过一定额度时，水流紊流强度会骤然变大。3号断面的脉动能曲线揭示，近底水流的流量突然发生变化，在343.4L/s处能量降到了最低，原因在于测质点前方的石块或泥沙在水流作用下位移发生了变化，造成流速突然生变，因此，即便流量在不断增加的情况下，3号断面的能量也不会随之增大。

3 河道近底流压力对河床构造的影响

如果在实验过程中，包括压力、流速等在内的多个紊流运动要素均随着时间在平均压强或平均流速区域上下波动，业界人士则将这种情况视为水流脉动，即

式中p——水流压力；

p′——水流脉动压力。

众所周知，在脉动压力的长期作用下，导致河床冲刷现象较为严重。理论上，紊流的脉动压力不仅能使河床载荷增大，同时也能使河底建筑物载荷增大。而近底水流是典型的紊流，当脉动流速与河床界面或泥沙、石块发生摩擦及碰撞时，水流状态就会发生变化，由动能转变为压能，也就是脉动压力。由于脉动压力会对河床底部的石块和泥沙产生强大推动力，致使河床位移发生变化，进而引发河床演变问题。

由脉动压力概率模型推导后发现，脉动压力与实际样本高度吻合，因此，在本课题研究中决定采用该模型进行计算与分析，将不同流量下的流速样本函数进行有效提取，然后拟合与分析脉动压力。根据获取到的拟合数据对不同流量下脉动压力的河床变形影响关系进行系统性研究。全面探究与分析脉动压力随流量变化的关系，并选取具有代表性的样本函数，即5组流量、4个断面，将计算出的随机系数套入概率模型，所得脉动压力变化曲线见图7。

图7 脉动压力变化曲线

图7曲线揭示，处于低流量状态时，近底脉动压力并未表现出显著变化，波动很小，也就不会对质点产生太大压力，而当流量足够大时，近底水流就会产生很多大小不一的涡流，脉动变化较为显著，致使脉动压力骤然升高，导致河床受到强烈冲刷。因此，就河床冲刷这一问题来看，并非流量大，河床泥沙或石块就会起动，而是要达到起动极限流速才能起动，在采取措施对河床进行防护时，无需将近底流速控制到最小，只要将其控制在合理范围内就可以。

4 河道近底流均流对河床的冲刷影响

因天然河床是基于多重因素影响下形成的，水流中含有大量泥沙，通过仪器获取到的监测数据与实际流速存在很大差异，针对这种情况，要采集断面平均流速与泥沙的起动流速数据，并对其进行比较与分析。不过，由于河床底部的石块和泥沙所承受的外在作用力与近底流速存在直接关联，因此，要将收集到的近底流速的样本函数与实测断面的平均流速进行系统性对比与分析。

通过采集的近底流速数据进一步了解到，不同流速所对应的水槽冲刷深度不一样(见表1～表4)。

表1 1号断面测试结果统计

表2 2号断面测试结果统计

表3 3号断面测试结果统计

表4 4号断面测试结果统计

不同流量和不同顶冲角与其相对应的近底流速变化关系见图8～图11。

图8 1号断面流速均速对比及冲刷断面深度

图9 2号断面流速均速对比及冲刷断面深度

图10 3号断面流速均速对比及冲刷断面深度

图11 4号断面流速均速对比及冲刷断面深度

表1～表4数据及图7～图11曲线揭示，在流量不断增大的情况下，无论是平均流速还是近底流流速均会随之增大，不过当流量足够大时，两者则会发生突变。随着平均流速攀升，冲刷深度会跟随发展。在近底水流流速突增的状态下，对河槽断面的冲刷，深度也随之增大。在流速增长到一定状态时，会随即引发冲刷最大深度突变，源于河床底部的沙石在冲刷力的巨大作用下会发生位移，冲刷量的积累，终将导致冲刷坑。又因测量点恰巧位于一个大石块近边，致使测量断面的最大冲刷深度会骤然发生变化。

表1～表4数据及图7～图11曲线揭示，不同流量下，近底流速的变化情况与断面冲刷深度的变化情况相吻合，由此可以看出，近底流速在河床演变方面发挥了不可忽略的重大作用，因此，在对如何有效防范河床冲刷这一课题进行研究时，要将其研究重点放在近底流速上，并据此采取有效防范措施。本结论不仅为河床演变研究提供了强大理论基础，也为有效防范河床变形指明了方向。

5 研究结论

本文借助大凌河近底瞬时流速谱实验数据，对河道近底流特性及对河床状态的影响开展针对性分析研究，主要结论如下：

a.在流量较小情况下，相比其他深度的紊流强度，近底紊流强度比较小，但伴随流速不断增大，近底紊流强度则骤然变大，且当流量达到一定程度时，近底紊流强度则会达到峰值，脉动现象表现较为剧烈的同时也容易形成涡体。不同流量下，近底流速的变化情况与断面冲刷深度的变化情况相吻合，由此可以看出，近底流速在河床演变方面发挥了不可忽略的重大作用。

b.在流量较小情况下，当近底紊流强度不断增大时，其脉动能量也会随之变大，且当紊流强度足够大时，脉动能量会骤然升高。采用当前最为流行的近底脉动压力模型，对近底脉动压力进行拟合，由拟合数据发现，当处于低流量状态时，近底脉动压力并未表现出显著变化，波动很小，在紊流强度足够大时，近底水流就会产生很多大小不一的涡流，脉动现象尤为显著，致使脉动压力骤然升高，从而导致河床冲刷非常严重。

c.因实验数据限制性，加上脉动压力信号的缺乏，无法将拟合的脉动压力与原始数据进行系统性对比，尽管将推导出的脉动流速与初始数据进行对比能达到精度要求，不过在以后的研究中，可将收集到的脉动压力信号与拟合的脉动压力谱进行对比与分析，以此来增强数据的信服力与可靠性。

d.因近底水流会使石块位置发生变化，无法获取到精准的近底流速，因此在拟合近底流速的过程中，也就难以避免误差，对于这种情况，须对固体颗粒承受的水流冲击力进行全面研究与分析，由此才能提高河床冲刷演变理论研究的精准性。

6 结 语

由于在河床泥沙起动方面，近底流速发挥了不可忽略的重大作用，因此对近底流速展开深入研究也就显得尤为重要。本研究不仅为河床演变研究提供了强大理论基础，也为有效防范河床变形指明了方向。