复式分汊水槽水流特性试验研究

李润祥，朱殿芳，范钟轶，罗亚军，刘 涛，张 婧，郭志学

(1.四川大学水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065;2.成都市市政工程设计研究院，四川 成都 610023;3.西华大学，四川 成都 610039)

0 引 言

黑龙江干流江心洲形成主要有心滩淤积发展和边滩切割2种主要方式，前者汊道平面形态对称，分流角大致相同，多为顺直分汊河型；后者新汊道的形成使得水流主流线改变，形成新的冲淤形势，造成河道岸线的改变。对于黑龙江的河床冲刷和演变规律，不少学者从不同方面进行了研究，冷莉等从河床稳定等角度分析黑龙江干流上中游河段的稳定性[1]；王军[2]从河流泥沙动力学理论出发，从冲刷坍岸、低滩切割、稳定主流等几个方面分析了黑龙江干流的河床演变规律。

对于复式分汊河道来说，河道具有分汊河道的平面形态，当水流漫滩之后，过水断面呈现复式断面形态，所以水流的运动特征同时与河道的分汊形态及复式过流断面相关。

复式断面是天然河流中常见的断面形态，水流漫滩之后，由于边界条件的改变，水流的水力特性随之发生改变。最先研究复式河槽水流运动特性的是前苏联学者热烈兹拿柯夫[3]，通过试验发现水流漫滩之后，在滩槽水流相互作用下，主槽过流能力降低。之后国内外许多学者通过水槽试验对复式河槽进行了研究，并取得了不少成果。在清水定床复式河槽试验中，所取得的成果主要包括复式河槽漫滩水流的流速及分布特性[4-5]，复式河道的过流能力及滩槽阻力[6- 8]，滩槽水流结构及紊动强度[9-10]；复式河槽的浑水试验也取得不少成果，主要包括滩槽含沙量及其分布特性[11-12]，滩槽泥沙的淤积分布[13-14]等等。水流淹没边滩时，过水断面湿周发生突变，床面阻力增大，滩面流速减小，主槽流速与滩面流速之间存在流速差，这是剪切面和二次流产生的重要原因。通过水流的掺混交换，在滩面水流和主槽水流间进行动量传递，使断面流速分布更加均匀[15]。考虑到流速分布的差异及边界影响，吉祖稳等[16]通过水槽试验，将复式断面进行分区，提出分区标准及各区流速特点及计算方法。主槽流速与滩面流速之间的流速差，产生了横向上的动量差，使得在研究复式断面水流流速分布及运动特征时候，考虑滩槽动量交换得到的结果更加准确并符合实际[17]。

天然河道的河型通常分为顺直型、弯曲型、分汊型、蜿蜒型，按不同平面形态，分汊型河道分为顺直型分汊、微弯型分汊和鹅头型分汊三种[18]。近年来分汊河道的研究主要集中在分汊河道的分流分沙[19-20]、分汊口及汇流口的水力特性[21-23]等。其中，对于分汊河道的水流特征研究，陈娟等[24]利用只考虑重力相似的概化模型探究了弯道分流时支汊河道水流特性，受主汊环流影响，支汊上游形成折冲水流，表层主流束窄作用明显，支汊断面横向比降较大。分汊水流在分汊口处会出现河道明显展宽，部分弯曲分汊河道曲率较大，导致在分汊口处会出现回流区[25]。华祖林等[26]采用Reynolds应力三维湍流模型对分汊河道水流特性进行模拟，结果显示出分离区特征尺寸主要受上游来流流量和汊道宽度影响。

从以上研究现状分析发现，复式河道及分汊河道的水流特征前人均开展了较多的研究，但他们偏向于单一河型的研究，针对两种河型叠加的复式分汊河道的研究较少。复式河道中滩槽相互作用对水流的横向、纵向流速分布都产生影响，分汊河道形态影响水流的平面二维流速分布，水流结构呈现三维复杂性。分汊河道叠加复式断面形态后，在江心洲分流及侧向挤压作用与滩槽相互作用的综合作用下，平面水流结构可能表现出新的特点。基于前人的研究，通过对黑龙江中游100多个分汊河道形态参数的归纳总结，概化形成复式分汊河道模型，探索水流在复式和分汊叠加作用下的运动特征，由此分析江心洲的发育及演变问题，为类似黑龙江水系宽边滩复式分汊河道的河床演变分析提供一定的理论预测。

1 试验设计

试验水槽模型设置在四川大学水力学及山区河流开发保护国家重点试验室，试验水槽采用钢化玻璃边界，长12 m，宽2 m，高0.5 m，比降0.1%。模型上游为单一复式河道，长3 m，过水断面总宽1.40 m，左右岸边滩对称；上游经扩散段进入分汊河段，扩散段主槽边界由两段半径相同的弧线顺滑连接。模型中段江心洲长4 m，宽0.6 m，高0.2 m，江心洲两侧汊道均为复式形态，各支汊主槽对称，两侧边滩对称，滩槽宽度比为3∶1，江心洲下游与上游呈对称形态。

试验模型的平面布置如图1所示。

图1 模型平面示意

试验测点沿断面布置，上下游对称断面测点也对称分布。流速测量采用ADV，其中，纵向流速u指向下游为正值，横向流速v指向左岸为正值，垂向流速ω水流表层为正值。测量平面应尽量靠近平滩平面，以保证试验成果可以反映出水槽在断面形态变化处的流速特征。基于此考虑，选取平滩平面上方0.03 m平面流速、平滩平面下方0.01 m平面流速分别分析滩面及主槽水流的流动特征。

由于试验水槽的平水池不够大，不能使水流在进槽之前尽可能与槽边纵向平行，进水口处存在一定的水流偏转，尽管采取了修建花墙及平水管等措施，但是通过测量数据结果分析，还是存在一定的向左岸偏转的现象，在后文数据分析中有所体现。考虑测量仪器需要一定的水深，且供水管道存在最大供水能力，选择40、60 L/s为试验流量，主槽深度选择0.08、0.10 m，试验工况见表1。

表1 试验工况

2 结果分析

2.1 纵向流速u分析

不同流量、主槽深度下，虽然局部流速分布存在差异，但对应流层(水深为h)的水流特性呈现一致。纵向流速等值云图见图2。

从图2可以看出：

图2 纵向流速u流速等值云图

(1)A21工况下，h=0.05 m时，水流在临近顺直段处存在局部流速的高值区，且高值区分布呈现由弯曲段外侧向内侧，范围减小的特点，与弯曲河道的流速分布呈现一致性，所以可能存在“凸岸淤积、凹岸冲刷”现象。

(2)A21与A23工况下，h=0.11 m时，在CS7～CS9断面之间，江心洲洲头两侧存在明显的高速区(u>35 cm/s)，这是由于水流受洲头顶托影响，顺江心洲洲头向两汊分流，江心洲两侧出现卡门涡旋，涡旋的存在使得水位起伏大，紊动强烈，u在局部增加。高速区范围由江心洲侧以近似环状向两岸扩散，受到上游河道展宽及下游折冲水流的影响，高速区流速随着扩散逐渐减小。江心洲洲尾汇流出现脱壁流，两侧水流交汇水流紊动剧烈，有涡旋在此处产生，局部水流紊动强烈，加上折冲水流的影响，使得流速较小。随着流量的加大，呈现出高速区范围加大，低速区范围减小的特点，且折冲水流影响加大。

(3)A23、A33工况下，随着滩槽高差的增加，相对水深减小，江心洲两侧的高速区及整体流速减小，水流分汊以后能较快恢复平顺状态。

CS6断面与CS7断面位于江心洲洲头前后，两断面纵向流速分布如图3所示。从图3可以清晰看出，江心洲洲头近似对称的低流速区，CS6断面江心洲洲头处流速最小，此处水槽断面中心壅水最为严重，由江心洲洲头向两侧岸边，纵向流速逐渐增大。主槽位置的流速表现为“外侧大，内侧小”，这是断面趋直产生的折冲水流、江心洲洲头的顶托共同作用的结果。CS7断面上表现出江心洲侧的高速区由江心洲两侧向外逐渐减小，说明水流分流后趋直作用强于流线弯曲。在滩槽交界处，由于滩槽水流的相互影响，导致水流紊乱加强，滩槽交界处水流流速减小。

图3 典型断面纵向流速分布

2.2 横向流速v分析

由进口处水流偏转带来的影响在流速横向流速v等值云图中(见图4)表现得更加明显。

从图4可以看出：

图4 横向流速等值云图

(1)左岸的水流的横向偏转大于右岸。由于水流偏转的影响，左汊分流比大于右汊，由此左汊的流速高值区及流速大小均略大右岸。

(2)在A21工况下不同水深处，横向流速分布及大小存在差异，分流区横向流速高速区分布在CS5～CS7断面之间，对于横向流速来说，h=0.05 m处明显大于h=0.11 m处，由此说明复式断面的存在，主槽的引流导向作用，加大了水流的横向流速大小。

(3)A21和A23工况下，随着流量增加，分流段横向流速高值区范围未发生明显变化，依旧集中在CS5～CS7断面之间，以江心洲洲头两侧为最大值点，向两岸斜向上游递减。随着流量的增大，分流段水流的横向流速绝对值减小，水流逐渐趋向顺直，江心洲洲头处由于存在水流分流，分汊角较大，水流边界曲率明显，水流特征与弯曲河道水流特征相似，符合“小水作弯，大水趋直”的特点。与纵向流速u的高值区相比，v的高值区更靠前，因为此高值区主要是由于江心洲的洲头分流引起的。所以在江心洲的稳定治理时候，要注意洲头受横向流速的剥离侵蚀影响。

(4)A23、A33工况下，在流量均为50 L/s的条件下，随着主槽深度的加大，滩面水深减小，更多的水流在主槽中流动，受到主槽的限制作用加大，分流段横向流速分布的高值区范围减小；汇流段的高值区范围变化却表现得与分流段的相反，呈现扩大趋势，汇流段横向流速的产生，更多的是由于水槽断面的束窄作用，边壁的约束使得水流产生横向偏转，而结合A23、A33的纵向流速u等值云图，A33工况的纵向流速大于A23，所以工况A33的汇流段的横向流速也大于工况A23。

断面流速横向分布图能更好的展现复式断面和分汊断面在水流结构中的作用。CS6断面横向流速v断面分布如图5所示。从图5可以看出，CS6断面处于江心洲洲头切线处，分流段v最大值、最小值落在CS6、CS7断面之间，水流经过江心洲分流，v以中轴处为中心向两侧急剧增加，但不同流量下，在断面Y=0.66 m及Y=1.34 m处|v|值陡降，然后再向两岸缓慢减小。

图5 CS6断面横向流速v断面分布

Y=0.66 m及Y=1.34 m处正是分流段两侧支汊主槽所处位置，|v|突然减小，说明复式河槽的形状使水流在主槽和边滩中存在着交换。CS6断面u与v的横向分布说明，滩槽相互作用会使分流水流流速横向分布重新调整，分流作用被限制在主槽中间，主要影响江心洲边滩和主槽水流流速分布，而两岸边滩流速分布受断面展宽影响更大。

3 结论与展望

(1)水槽试验段纵向流速和横向流速的平面分布主要受分汊形态影响。随着流量的增大，滩面水深增加，滩面流速低值区范围缩小，高值区范围增大。顺直分汊水槽中左右两汊形状对称，随着流量的增大，分流段水流的偏转逐渐缩小，水流逐渐趋向顺直，符合“小水作弯，大水趋直”的特点。

(2)顺直宽边滩对称分汊水槽断面流速横向分布与水槽断面形态和位置有关。上游段滩面水流符合复式水槽断面流速横向分布特征，横向流速呈“主槽大，边滩小，滩槽交界凹陷”分布。复式断面滩槽交换对断面流速分布产生扰动，在江心洲洲头断面扰动最为明显，滩槽交换将分流作用限制在两主槽中部，主槽位置流速局部突变。汊道段主槽窄小，主槽平衡区的消失，使断面横向流速的分布与上游段相反，纵向流速分布曲线在主槽处的变化更突出。

(3)根据试验所得水流特征，针对对类似黑龙江水系宽边滩复式分汊河道的河床演变来说，应重点关注江心洲洲头两侧在横向流速和漩涡作用下的冲刷，江心洲洲头及洲尾存在低速区，一定的水沙条件会导致其发生淤积生长。

(4)本文仅对分汊复式河道做了定床水流流速平面特性分析，今后将开展动床试验研究，验证和探究在此水流结构条件下，河床演变和江心洲稳定发育的规律。