水闸下游河床形态变化试验研究

邹广明

(开平市水政监察大队，广东 开平 529300)

1 概 述

河水冲刷现象经常发生在建筑物附近，且由于水流的横向收缩，通常会导致水工建筑物的坍塌。此外下游河床的形态受到冲刷的影响，会形成沙丘或沙洲，导致水流和泥沙输送发生严重变化。 因此研究水闸等水工建筑物的最大冲刷深度具有重要意义[1-3]。

闸门下游的冲刷是由紊流淹没的水平射流引起的，通常被认为是二维的。闸门开启尺寸、尾水深度、流速的共轭，会产生不同的射流，并伴随着水跃[4-5]。水流湍急，即使是相对较低的射流弗劳德数，冲刷空腔也会以不同的速率发展，这取决于沉积物大小及其不均匀性。除了预测最大冲刷深度来正确设计此结构外，下游沙丘演变还可以提供泥沙输移机制的见解[6]。贺丽丽等[7]为了分析不同流量和弯道角度对河道冲刷深度的影响,在室内进行了不同流量和弯道角度河道冲刷试验。 段淇元[8]通过某水库坝前冲刷漏斗物理模型试验研究了冲刷漏斗形态,分析了不同出库流量、排沙水位、排沙孔开启位置及进口高程下漏斗纵横向坡度变化的规律。彭慧荣[9]基于三维快速拉格朗日法的基本原理,以FLAC3D软件为基础,选取4.00 m、5.36 m和6.00 m三种冲刷深度,对由于基础埋设深度过浅,以致基层被水流掏空而引起的提防结构损害进行模拟。此外，还有部分学者对泥沙冲淤规律和演变特征进行了分析[10-11]。

本文为分析泄洪闸下游冲刷坑和沙丘中的护坦长度和尾水深度的影响，采用视频记录和图像处理技术研究了水闸下游的河床形态，探讨了沉积床随时间演化和泥沙运输量的变化规律，研究成果可为相关工程提供参考。

2 实验装置

本文的试验主要在闭路水槽中对水闸下游的冲刷进行研究。该水槽长615 mm，深150 mm，宽15 mm。流量由闸阀控制，并使用刻度为5 mL的烧杯和数字计时仪测定流速。闸门高度设定为b=6 mm(图1)。渠道中的水深(yt)由水槽下游末端的垂直堰(高度为p)控制。水槽底部由长度(L)在0～100 mm的护坦组成。挡板下游有一个沉淀物箱(62 mm深)，里面装满了直径2 mm的玻璃球，采用这种理想化的泥沙床，忽略了泥沙不均匀性的影响。由于水槽的横向尺寸较小，沉积物床的形态可以很容易地用摄像机进行可视化和监控。沉积物的大小可以在图像中很好地进行识别，从而在实验期间清晰地定义沉积物-水界面。图1为本文的试验设计尺寸。

图1 试验设计尺寸

表1为试验设计参数。闸门开度和射流平均速度(Uj)，射流弗劳德数Frb≈3.9。根据尾水深度(yt)和下游平均流速(U)，相应的流量弗劳德数Frp在0.18和0.33之间变化。基于玻璃球直径(D)和密度(s)的密度弗劳德数Frd在5.33和5.39之间变化。

表1 试验设计参数

3 测试程序

本小节描述了试验所采用的试验程序，以及沉积物层结构的分析。首先，将球形颗粒放置在通道内，球体的底座被调平。加水后，小心地用一根小杆将沉淀物床混合，以确保清除沉淀物床内的空气。调平玻璃球表面后，向水槽中注满水，直到达到规定的水位和流速。视频录制是通过索尼HDR-XR105E全高清1080摄像机完成的，是在水槽填充后开始的。试验的初始时刻(t=0 s)是闸门置于水槽内的时刻。实验持续时间在8～14 min之间，实验时间由沉积层变化这一事实决定。摄像机的焦距和光圈在所有条件下都是相同的，图像采集频率为24 fps。为了以物理单位转换像素，使用了放置在通道底部的标尺，以及水槽后窗口中的网格。为了确保水和沉积物之间的最佳对比度，对试验段采取了措施避免伪光反射，并添加了黑色背景。图2为t=5 s时通道初始和最终部分的图像。

图2 t=5 s时通道图像

图3 在t=5 s时在试验条件N1下图像

图4 t=5 s的试验条件N1下的沉积物-水界面识别

为了有效利用相机的分辨率，每个实验进行了两次。第一次拍摄水闸附近的区域，第二次在相同条件下重复实验，拍摄水槽后半部分对应的区域(图3)。这些区域重叠64 mm，因此之后可以缝合图像(图4)，从而增加整体视野。然后在预先设定的瞬间将视频转换为静止图像，并对图像进行处理，以获得水槽的完整图像。本文为了处理图像并提取定量信息，在Matlab中编写了一个代码。该代码有两个主要部分。第一个是缝合操作，如图3和图4所示，将连续图像缝合在一起。在该操作中，还应用了透镜畸变校正。代码的第二部分是过滤和边界提取。首先用高斯滤波器平滑图像的不规则性，然后用中值滤波器去除噪声。然后，通过设置一个方便的门槛使用Sobel边缘检测算法确定边界。

4 试验结果分析

4.1 沉积床的时间演化

图5给出了不同水流条件情况下的试验结果。由图可知，N1条件下，冲刷腔在水闸段(x=0)之后立即开始，深度和延伸度随时间增加。在其他试验条件下也观察到了相同的结果，但获得的最大冲刷深度、位置、最大沙丘高度和相应位置的值随试验参数而变化(表1)。在流量条件N1和N2的情况下，最大冲刷深度以更高的速率增加。当与流量条件N3和N4进行比较时，在条件N1和N2中，由于不存在护坦(L=0 cm)，泄水闸的射流立即接触沉积物床。在L=8 cm(条件N3和N4)的情况下，当射流流过挡板时，射流会减速，同时形成壁～到8倍。在L=8 cm的情况下，相应的护坦长度等于闸门开度的13.3倍。

图5 不同水流条件情况下的试验结果

图6给出了最大冲刷深度随时间和相应纵向位置的演变。由图可知，对于下游较浅的水流，最大冲刷深度更高。在N1和N3条件下，射流的淹没比非常小(0.02)，而在N2和N4条件下，其近似等于0.5。较高的淹没率对应于闸门下游发生的水跃中较高的能量消耗。在最大冲刷深度(图6(b))的纵向位置(x)，观察到相同的冲刷模式，挡板长度和尾水深度的影响并不明显。

图6 最大冲刷深度和相应纵向位置随时间的演变

图7 给出了最大沙丘高度和相应纵向位置随时间的演变。由图可知，受侵蚀的沉积物堆积在下游形成的沙丘或沙洲中。沙丘的最大高度随着时间的推移略有增加(图7(a))，并向下游移动(图7(b))。当t>20 s时，沙丘顶部变平，沙丘进一步向下游移动，而其最大延伸(大致相当于上游和下游斜坡之间的平顶延伸)增加。在流动条件N1和N2下，最大沙丘高度的增加速率高于条件N3和N4。对于固定的L值，尾水深度越高(N2和N4)，沙丘高度越高，因为在较浅的水流中，平均流速和弗劳德数值越高，有助于泥沙输送和沙丘顶部的平滑。

图7 最大沙丘高度和相应纵向位置随时间的演变

4.2 泥沙运输量分析

在目前的水流中，可以确定两种泥沙输移模式：悬移质和推移质，悬移质负责冲蚀腔外的泥沙输移，推移质负责沙丘顶部的泥沙输移及其在沙丘背风面上的沉积。随着冲刷过程的发展，悬移质减少，在冲刷腔的下游边坡中观察到推移质。图8给出了每单位宽度的冲刷体积(图8(a))和相应的每单位宽度固体输送率(图8(b))，这两个数据都是在不同时刻估算的。结果表明，对于流动条件N1和N2，固体传输速率在t=10 s时最大，而对于条件N3和N4，固体传输速率分别在t=30 s和25 s时最大。这些结果表明，在没有护坦的情况下，射出水闸的射流具有立即侵蚀冲刷腔的能量。在L=8 cm的情况下，射流的能量较小，侵蚀过程较慢。在这两种情况下，当冲刷腔达到其最大深度的38%左右时，固体传输速率最大。t=200 s后，冲刷体积几乎保持不变，固体输送速率可忽略不计。

图8 冲刷体积和固体输送率

5 结 论

本文为分析泄洪闸下游冲刷坑和沙丘中的护坦长度和尾水深度的关系，采用视频记录和图像处理技术研究了水闸下游的河床形态，并探讨了沉积床随时间演化和泥沙运输量的变化规律。结果表明，对于没有护坦的试验和较小的尾水深度，冲刷腔最大深度增加得更快。此外，对于没有护坦的实验和更高的尾水深度，沙丘呈现出更高的最大堆积高度。最后，体积越大的冲刷空洞对应着更高的固体传输速率，在实验开始大约200秒后，固体传输速率可以忽略不计。