不同流量条件下河道边滩最大冲淤特征研究

冯 军,刘 冲

(1.湖北省汉江河道管理局 杜家台分洪闸管理分局,湖北 仙桃 433000;2.湖北省汉江河道管理局 洪湖东荆河管理分局,湖北 洪湖 433200)

1 概 述

边滩是河段输沙能力相对减弱而产生的局部淤积体,边滩的形成导致河道淤积,对航道的安全造成较大的影响。针对如何消除或削弱形成浅滩的因素,许多学者进行了相关研究。王金水等[1]对小流域拦砂坝上下游冲淤特征调查进行了分析,结果表明,实体坝与透过性坝的组合模式对沟道回淤形态影响明显。彭秀竹等[2]对黄河下游透水丁坝瞬溃后的水力及冲淤特性进行了研究,结果表明,溃坝对主槽的输沙能力影响较弱,但对坝区泥沙的起动和沉降有显著影响。苏丽[3]对三峡变动回水区广阳坝河段河床演变及整治方案进行了研究,结果表明,采用科学的河道治理方案可提升航道尺度。艾海提江·吐鲁洪[4]对供水枢纽河道冲淤规律及成因进行了分析,结果表明,各枢纽河道段的河床冲淤变化形式呈先淤积后冲刷或持续冲刷趋势。马龙飞[5]对金沟河流域泥沙变化特征及河道冲淤进行了分析,结果表明,砂砾石地层分布区域是河道内泥沙推移质主要来源。周宇伟等[6]对引黄渠道水沙输移及冲淤规律进行了研究,结果表明,停水期泥沙淤积是造成渠道淤积的重要因素。

上述文献研究了上下游冲淤特征,分析了河道冲淤规律。本文参考以上研究结论,通过边滩冲刷模拟试验,对不同流量条件下,河道边滩最大冲淤特征进行研究,并对河道边滩的冲淤深度变化进行分析。

2 试验材料及方法

2.1 试验材料

本次边滩冲刷模拟试验采用矩型水槽,水槽长32m,宽3.2m,高1m。试验将水槽分为稳水区、试验区、尾水区,稳水区长18m,试验区长7.6m,尾水区长6.4m。模拟试验选取试验区顺直段3个断面进行研究,分别为A1、A2、A3断面。其中,A1断面为滩头与顺直段的边界;A2断面为滩体中心线位置;A3断面为顺直段与滩尾段的边界。水槽及试验断面位置见图1。

图1 水槽平面及测试断面位置(单位:mm)

为了模拟河道岸边的环境,将水槽底部和边壁采用混凝土抹面,保持底部和边壁粗糙。在水槽中,边滩中心线位置铺设厚250mm的沙床,作为河道沙滩;卵石推移质中,粒径1.2mm,容重2.73～2.82kN/m3,非均匀系数Cu=1.846。水槽上游设置进水口和拦污网,进水口设置矩形存水槽稳定水流,进水口附近的拦污网拦截水流中可见杂质;水槽内的水位高度可通过水槽出口的尾门调节,尾门后设置沉沙池,通过沉沙池可减少出口水流泥沙的淤积。

试验水槽中水流的流速采用高精度声学多普勒点式流速仪测量,该测量仪为非接触式测量系统,是由传感器探头发射超声波,遇到控制体后反射,并由接收探头接收反射的信号,其测量精度为±0.01cm/s。动水试验后的地形采用水工物理模型地形测量系统,该测量系统为非接触式测量,用于水槽退水完全干后的地形测量,可实时显示冲刷后地形断面的测量。

2.2 试验方法

本次试验为某段河道的河滩冲刷过程模拟,通过河道顺直边滩的特征参数,参考该河道的弯道凸岸边滩和过渡边滩的平面形态,并对边滩的面积和尺寸进行分析。根据分析数据,将河道边滩进行比例缩放,设置两种不同规格的边滩,分别为边滩1和边滩2。

边滩1的长7.6m,宽1.8m,高0.25m,平滩顺直段为1.1m,迎水面、背水面和临水面均为斜平面,滩头和滩尾为平稳过渡的弧形面。其中,迎水坡的坡度11°,迎水坡坡比1∶8.5;背水坡的坡度5°,背水坡的坡比1∶17.5。滩体中间的顺直段由平面滩体和斜面坡体组成,与河道实际滩体保持一致,顺直段临水坡坡比1∶5.6,边滩1的平面形态见图2。

图2 边滩1的平面形态

边滩2的长、宽、高形态参数与边滩1均相同,其迎水坡的坡度16°,迎水坡坡比为1∶8.5;背水坡的坡度为8°,背水坡的坡比为1∶17.5,顺直段临水坡坡比1∶4.8,边滩2的平面形态见图3。

图3 边滩2的平面形态

为了研究在相同水深条件下,不同流量对河道及河滩的冲刷特征,试验设计3种不同大小流量,分别为100、140、180L/s。试验前,保持水槽内水位均为12cm,以边滩1和边滩2为研究对象,分别在3种流量条件下对河道和河滩进行冲刷试验。为了防止开泵时由于水流的不稳定对河滩造成无效的冲刷,需先对水槽进行灌水,灌水持续1.8h,直至水槽内水位基本保持平稳后,再进行冲刷试验。待开泵后,水流流速稳定,再将尾门缓慢调节至设计水深。水槽两岸分布若干高清测量设备,对滩体的冲刷试验进行实时跟踪,冲刷试验持续6h后,待河道和河滩达到冲淤平衡后停止试验。试验结束后,等待水槽水流缓缓退去,保证试验冲刷地形的完整。

3 试验结果与分析

3.1 不同流量条件下边滩1冲淤深度变化

试验结束后,根据测量数据,在不同流量条件下,边滩1顺直段断面冲淤变化见图4。其中,正值表示冲刷;负值表示淤积。

图4 边滩1顺直段断面冲淤变化

由图4(a)可知,在流量为100L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度逐渐减小。在距水面距离30cm时,冲刷深度减小为0,然后在水流作用下,冲刷深度逐渐增大,在距水面距离40cm时,冲刷深度达到最大,最大值为0.1cm;在水流持续作用下,冲刷深度逐渐减小直至为0,然后泥沙开始淤积,当距水面130cm时,水流再次进入冲刷状态,冲刷深度为0.02cm。A2断面在A1断面水流携沙作用下,先处于淤积状态,然后随着水流的冲刷,冲刷深度快速增大,在距水面距离30cm时,冲刷深度达到最大,最大值0.24cm;达到最大值后,冲刷深度快速减小直至减小为0后,开始进入淤积状态;在距水面距离50cm时,淤积深度达到0.02cm;随着水流的持续作用,A2断面进入冲刷状态,且随着距水面距离的增大,冲刷深度先增大再减小。A3断面先处于淤积状态,然后在水流作用下,随着距水面距离的增大,冲刷深度先增大再减小至0,然后进入淤积状态。在距水面距离30cm时,淤积深度为0.02cm,然后在水流持续作用下,进行冲刷状态,且呈先增大再减小趋势。由此可知,在A2断面即滩体中心线位置,距水面距离30cm时,冲刷深度最大,而A1断面和A3断面处于淤积状态。

由图4(b)可知,在流量为140L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度在距水面距离0～10cm阶段快速减小,随后减小状态趋于稳定,直至冲刷深度减小至0,然后进入淤积状态,当距水面距离70cm时,淤积深度达到最大,最大值0.44cm。在水流持续作用下,处于淤积状态A1断面逐渐进行冲刷状态,在冲刷深度为0.07cm时,冲刷深度逐渐减小至0,然后再次进入淤积状态。在水流持续作用下,A2断面随着距水面距离的增大,其冲刷深度先减小再增大,然后基本处于平稳状态。当距水面距离10cm时,A2断面的冲刷深度最小,最小值0.01cm;当距水面距离30cm时,A2断面的冲刷深度最大,最大值为0.73cm。A2断面在水流携沙作用下,先处于淤积状态,随着距水面距离的增大,冲刷深度先增大再减小,在距水面距离大于80cm阶段,冲刷深度基本处于平稳状态。由此可知,在距水面距离30cm时,A2断面和A3断面冲刷深度最大;在距水面距离70cm时,A1断面处于淤积状态,且淤积深度最大。

由图4(c)可知,在流量为180L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面和A3断面的冲刷深度均呈先增大再减小趋势,而A2断面的冲刷深度呈先减小再增大,然后再减小趋势。当距水面距离30cm时,A1断面的冲刷深度最大,最大值1.85cm;当距水面距离70cm时,A1断面的冲刷深度最小,最小值0.76cm。当距水面距离40cm时,A2断面的冲刷深度最大,最大值为2.6cm;当距水面距离10cm时,A2断面冲刷深度最小,最小值为1.43cm。当距水面距离60cm时,A3断面的冲刷深度最大,最大值3.26cm;当距水面距离为0时,A3断面的冲刷深度最小,最小值为0.41cm。

综上可知,在距水面距离相同条件下,水流流量越大,冲刷深度越深。在流量为100L/s条件下,随着距水面距离的增大,各断面的冲刷深度和淤积深度处于上下波动趋势,变化较大;在流量为140L/s条件下,当距水面距离大于80cm时,各断面的冲刷深度趋于平稳;在流量为180L/s条件下,随着距水面距离的增大,各断面的冲刷深度均呈先增大再减小趋势。

3.2 不同流量条件下边滩2冲淤深度变化

试验结束后,根据测量数据,在不同流量条件下,边滩2顺直段断面冲淤变化见图5。其中,正值表示冲刷;负值表示淤积。

图5 边滩2顺直段断面冲淤变化

由图5(a)可知,在流量为100L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度先增大再减小,然后再增大再减小。在距水面距离50～70cm阶段,A1断面的冲刷深度最小,最小值1.73cm,然后随着水面距离的增大,A1断面的冲刷深度逐渐增大;当在距水面距离110cm时,冲刷深度最大,最大值2.43cm。随着距水面距离的增大,A2断面和A3断面的冲刷深度均呈上下波动趋势,且波动幅度较小。当在距水面距离110cm时,A2断面冲刷深度最大,最大值0.48cm;当在距水面距离130cm时,A3断面冲刷深度最大,最大值0.59cm。由此可知,在流量较小时,A1断面冲刷深度较明显;A2断面和A3断面冲刷深度上下波动较大,变化无规律。

由图5(b)可知,在流量为140L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度先增大再减小至0;在距水面距离40～90cm阶段,A1断面进入淤积状态,最大淤积深度0.21cm;在距水面距离90～120cm阶段,A1断面进入冲刷状态。随着距水面距离的增大,A2断面和A3断面的冲刷深度均先增大再减小。当距水面距离30cm时,A2断面的冲刷深度最大,最大值为1.44cm;当距水面距离40cm时,A3断面的冲刷深度最大,最大值2.52cm。由此可知,在相同流量条件下,A1断面处于冲刷和淤积之间上下波动状态;A2断面和A3断面冲刷深度均先增大再减小。

由图5(c)可知,在流量为180L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度先增大再减小,然后再增大。当距水面距离70cm时,A1断面的冲刷深度最小,最小值0.45cm;当距水面距离130cm时,A1断面的冲刷深度最大,最大值1.92cm。A2断面的冲刷深度先减小再增大,然后再减小再增大。当距水面距离10cm时,A2断面的冲刷深度最小,最小值1.3cm;当距水面距离40cm时,A2断面的冲刷深度最大,最大值3.33cm。A3断面的冲刷深度先减小再快速增大,然后再逐渐减小。当距水面距离10cm时,A3断面的冲刷深度最小,最小值0.41cm;当距水面距离60cm时,A3断面的冲刷深度最大,最大值4.14cm。由此可知,在相同大流量条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度变化范围处于0.4～2cm范围内,深度变化较小;A2断面和A3断面的冲刷深度变化明显。当距水面距离大于80cm时,A1断面和A2断面的冲刷深度逐渐增大;A3断面的冲刷深度逐渐减小。

综上可知,在距水面距离相同条件下,水流流量越大,冲刷深度越深。在流量为100L/s条件下,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度最大,A2断面和A3断面的冲刷深度处于上下波动趋势,变化无规律。在流量为140L/s条件下,A1断面处于冲刷和淤积之间上下波动状态,A2断面和A3断面冲刷深度均先增大再减小。在流量为180L/s条件下,当距水面距离大于40cm时,A1断面和A2断面冲刷深度均呈先减小再增大趋势,A3断面呈先增大再减小趋势。

4 结 论

本文通过边滩冲刷模拟试验,在不同流量条件下,对河道边滩最大冲淤特征进行了研究,并对两种边滩(边滩1、边滩2)的冲淤深度变化进行了分析。结论如下:

1)在边滩1条件下,当距水面距离相同时,水流流量越大,冲刷深度越深。当流量为100L/s时,随着距水面距离的增大,A1断面、A2断面和A3断面的冲刷深度和淤积深度均处于上下波动趋势,变化较大;当流量大于100L/s,距水面距离大于20cm时,A3断面的冲刷深度大于A1断面和A2断面。

2)在边滩2条件下,当距水面距离相同时,水流流量越大,冲刷深度越深。当流量为100L/s时,随着距水面距离的增大,A1断面的冲刷深度最大;当流量大于100L/s,距水面距离大于30cm时,A3断面的冲刷深度大于A1断面和A2断面。

3)在流量相同条件下,当距水面距离相同时,滩体临水面坡度越大,其水流结构越复杂,冲刷深度越大。