陳滋月

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121002）

物理模型試驗(yàn)固化有坎斷面方案的水位流量關(guān)系分析

陳滋月

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121002）

斷面固化有利于斷面水位流量關(guān)系的穩(wěn)定，本文采用物理模型試驗(yàn)的方法分析斷面固化方案對(duì)斷面水位流量關(guān)系的影響。研究結(jié)果表明：在固化斷面前設(shè)置過(guò)渡坎斷，將減少固化斷面的泥沙淤積量，使得固化斷面處的水位流量關(guān)系趨于穩(wěn)定。研究成果對(duì)于汛期河流測(cè)流技術(shù)的改進(jìn)具有參考價(jià)值。

物理模型試驗(yàn)；測(cè)流斷面固化；過(guò)渡坎斷；水位流量關(guān)系影響分析

受斷面沖淤變化影響，測(cè)流斷面水位流量關(guān)系常常出現(xiàn)紊亂，而穩(wěn)定的水位流量關(guān)系對(duì)于測(cè)流技術(shù)效率的提高十分重要。運(yùn)用穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，即可通過(guò)水位來(lái)推求流量，而當(dāng)前大多數(shù)河流都可實(shí)現(xiàn)水位的自動(dòng)遙測(cè)，通過(guò)自動(dòng)遙測(cè)的水位再結(jié)合穩(wěn)定的水位流量關(guān)系即可以實(shí)現(xiàn)流域流量的自動(dòng)遙測(cè)，這一技術(shù)將提高汛期測(cè)流的效率并保障測(cè)流人員的安全。對(duì)于穩(wěn)定水位流量關(guān)系的推求國(guó)內(nèi)有學(xué)者展開過(guò)相關(guān)研究，取得一定的研究成果［1-6］，這些成果大都采用數(shù)學(xué)方法來(lái)擬合水位流量關(guān)系點(diǎn)，通過(guò)曲線擬合的方法來(lái)模擬穩(wěn)定的水位流量關(guān)系，但這些方法存在計(jì)算誤差，并且在每次使用前都需要再對(duì)擬合的水位流量關(guān)系曲線進(jìn)行重新率定和修正。斷面水位流量關(guān)系受斷面沖淤變化影響較大，理論上通過(guò)斷面固化，使得斷面呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)有助于斷面水位流量關(guān)系的穩(wěn)定性，為驗(yàn)證這一項(xiàng)理論技術(shù)，結(jié)合物理模型試驗(yàn)的方法，通過(guò)設(shè)置固化斷面，并設(shè)置不同等級(jí)的放水流量，通過(guò)固化斷面處實(shí)測(cè)的水位流量來(lái)分析固化斷面對(duì)水位流量關(guān)系的影響。研究成果對(duì)汛期洪水測(cè)流技術(shù)的改進(jìn)和效率提高具有一定的參考價(jià)值。

1模型試驗(yàn)河槽布置圖

本次物理模型試驗(yàn)采用的主河槽長(zhǎng)度為45m，由3部分組成，分別為水流穩(wěn)定段、河床試驗(yàn)段以及2個(gè)河段連接的過(guò)渡段，河段連接過(guò)渡段與河床試驗(yàn)段采用粗砂進(jìn)行連接，整個(gè)試驗(yàn)河槽的縱向比降為1/1000，模型試驗(yàn)河槽各連接段布置如圖1所示。

圖1模型整體布置平立面圖（　單位：mm）

本次物理模型試驗(yàn)水槽寬度為3.95m，水槽的深度為1.1m，整個(gè)河床采用粒徑為0.42mm的粗砂構(gòu)建而成。為了模擬天然河道的沖刷情況，整個(gè)主河槽采用的粗砂厚度為30cm，邊坡系數(shù)為1∶2，整個(gè)河槽底部的寬度為1.1m，主河槽的兩側(cè)有0.37m寬的灘地，試驗(yàn)河槽的剖面如圖2所示。

圖2模型剖面圖（　單位：mm）

2試驗(yàn)方案

本次物理模型試驗(yàn)水流采用高水位的水箱進(jìn)行供給，主要放水流量概化為10、50、100、85、60、45、30、15（單位為L(zhǎng)/s），河槽主試驗(yàn)段內(nèi)15m為本次物理模型試驗(yàn)的測(cè)流范圍，在河段試驗(yàn)范圍內(nèi)設(shè)置3個(gè)斷面進(jìn)行水位測(cè)量，每個(gè)斷面之間的距離為3m，在試驗(yàn)范圍區(qū)的尾段設(shè)置有水位計(jì)，主要用來(lái)觀測(cè)退水。試驗(yàn)河槽按照?qǐng)D1的方案進(jìn)行布置，布置后的效果如圖3所示，斷面構(gòu)建完成后，實(shí)現(xiàn)水流的倒灌，倒灌后再恢復(fù)地形，通過(guò)反復(fù)倒灌，運(yùn)用地形觀測(cè)儀器測(cè)量試驗(yàn)河段的初始地形。在模型試驗(yàn)中當(dāng)每一級(jí)放水流量穩(wěn)定后，觀測(cè)試驗(yàn)河段的地形以及斷面的水位和流速。固化斷面布置方案主要為將2號(hào)斷面（如圖4所示）設(shè)置為測(cè)流控制斷面，將該斷面進(jìn)行固化，固化的寬度為6cm，并在2號(hào)斷面前設(shè)置坎斷，該坎斷高出試驗(yàn)河段底部2cm，并在試驗(yàn)固化斷面的上游和下游各設(shè)置寬度為20cm的碎石岸邊護(hù)坡。波動(dòng)水躍，如圖5所示。在放水流量為50L/s時(shí)，控制斷面水面跌水現(xiàn)象有所減弱，跌水高差為0.3cm，坎下有較大波紋，如圖7所示。當(dāng)流量為100L/s時(shí)，水面較平穩(wěn)，無(wú)大波紋。控制斷面處的水位流量關(guān)系曲線如圖9所示。

圖3全動(dòng)床河槽初始斷面形態(tài)

圖510L/s沿程水面線

圖610L/s流量現(xiàn)場(chǎng)照片

圖750L/s沿程水面線

圖850L/s流量現(xiàn)場(chǎng)照片

圖4固化斷面布置方案

3試驗(yàn)觀測(cè)成果

3.1控制斷面的水位流量關(guān)系曲線

通過(guò)試驗(yàn)觀測(cè)放水流量為10L/s時(shí)，水面有明顯跌水現(xiàn)象，跌水高差為1.83cm，坎下1m范圍有

圖9試驗(yàn)固化斷面處水位流量關(guān)系曲線

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出控制斷面流量關(guān)系曲線呈反繩套，這是由于斷面淤積而致。固化斷面固定了斷面處的岸壁和河底，但上游河道為水流提供了大量的泥砂，當(dāng)流量逐漸減小后，水流挾砂能力降低，河底淤積，淤積厚度大于坎高。

3.2固化控制斷面的沖淤變化

模型放水前后縱斷圖如圖10所示，黑色實(shí)線為初始地形，黑色虛線為退水后地形。洪水過(guò)后河底淤積，坎上淤積厚度為0.7cm。

圖10試驗(yàn)固化斷面退水前后地形縱斷對(duì)比

圖11試驗(yàn)固化斷面退水后照片

3.3坎高對(duì)糙率的影響

河床糙率是影響河道水位的重要因素。當(dāng)放水流量不變時(shí)，糙率大，則流速小，水深大，因此糙率的大小直接影響流速的大小。對(duì)同一個(gè)河流，河床糙率可以認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，無(wú)坎固化是自然的銜接河道上下游，沒有改變河道斷面，而且固化段只占整個(gè)河長(zhǎng)的很小一部分，對(duì)河道糙率幾乎沒有影響。而有坎固化方案，坎高會(huì)引起局部的水位降落，對(duì)水面坡度和糙率是有影響的。從理論上就有坎方案對(duì)水力坡降的影響進(jìn)行分析。河道水深與坎高的比值是一個(gè)重要的指標(biāo)，根據(jù)過(guò)去水力計(jì)算經(jīng)驗(yàn)分析，如果淹沒水深較大，例如水深H是坎高的10倍時(shí)，在天然河道的水位落差只有3～5cm（小于等于5cm），而在水深H是坎高的5倍時(shí)，在天然河道的水位落差約為5～8cm（小于等于8cm）。由上述有坎水力坡度可知，有坎引起的水位落差越小，則在水力坡度中的比重就小。當(dāng)水深是坎高的5倍、水位落差為8cm時(shí)，假定天然河流水位坡降為1/1000，觀測(cè)長(zhǎng)度L=1000m時(shí)，如果將水位觀測(cè)長(zhǎng)度加長(zhǎng)為L(zhǎng)=2000m，則此時(shí)有坎引起的水位落差對(duì)比降的影響基本可以忽略，由此推出對(duì)糙率的影響也可以忽略不計(jì)。

4結(jié)論

本文通過(guò)物理模型試驗(yàn)的方法分析固化有坎試驗(yàn)方案對(duì)測(cè)流斷面的水位流量關(guān)系的影響，通過(guò)試驗(yàn)分析得到以下結(jié)論：

（1）坎高與水深的比值不能太大，即，只適合洪水期時(shí)大流量用。

（2）固化有坎處，水位落差控制在0.1m以下，否則計(jì)算誤差將很大。觀測(cè)固化上下游水位的距離應(yīng)在2000m以上（坎高越大，水位觀測(cè)的距離就越大）。

（3）在計(jì)算有坎河道的流量時(shí)，當(dāng)流量小時(shí)，坎高與水深的比值將較大，坎的影響也較大。這時(shí)坎高對(duì)糙率的影響不能忽略，采用曼寧公式計(jì)算出的流量將會(huì)偏大，應(yīng)乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)與坎高和水深的比值有關(guān)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)分析確定。對(duì)于洪水時(shí)期的大流量可以不考慮坎的影響，已知水位即可直接采用曼寧公式計(jì)算出流量。

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1008-1305（2016）03-0083-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.032

2016-04-01

陳滋月（1989年—），男，助理工程師。