胡海松，羅居剛,2，邰洪生,2，王 兵,2，周建生,2，馬 馳

(1.安徽省建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230000；2.安徽省水利部淮河水利委員會(huì)水利科學(xué)研究院，安徽 蚌埠 233000)

河道的斷面形狀多種多樣，水工建筑物無法避免的要修建在各種斷面形狀的河道上，然而河道局部斷面的形狀不同會(huì)使整體河道的水力特性發(fā)生改變，這也增加了水工建筑物修建的難度。目前大多數(shù)學(xué)者都是針對具體工程河道的不同對修建水工建筑物的影響進(jìn)行研究，如呂宏興[1]通過實(shí)例研究了U形渠道斷面測流的方法，其準(zhǔn)確度較好，便于在工程中應(yīng)用；張文倬[2]提出利用水深比簡化計(jì)算渠道矩形斷面的水面線方法，以此來減少工程中計(jì)算工作量；曹政權(quán)等[3]通過對U形、梯形、矩形、半圓形、復(fù)合式暗渠斷面的河道進(jìn)行水力學(xué)對比試驗(yàn)研究，提出了干、支渠道應(yīng)選取寬淺梯形斷面，農(nóng)渠道應(yīng)選取U形斷面；王旭等[4]從水流梯度和紊動(dòng)能方面對復(fù)合式斷面河道水利特性防護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，提出應(yīng)根據(jù)具體河道斷面形狀采取河道防護(hù)措施；李晉琴[5]對U形渠道斷面流速分布規(guī)律及水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了渠道斷面流速分布和水流紊動(dòng)特性等規(guī)律。

1 問題引出及分析

河道斷面形狀分為矩形、U形、V形、梯形四種形式，對于不同斷面形式河道水力特性也會(huì)發(fā)生變化，目前水工建筑物的修建都是需要進(jìn)行地形、地質(zhì)的勘察和物理模型試驗(yàn)論證，河道斷面的形狀就是其中一個(gè)特別重要的參考依據(jù)。為此，本文主要在河道中建立四種不同的斷面形狀河段，對整體河道水力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期為實(shí)際工程提供參考依據(jù)。

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

本文在某工程實(shí)際地形上以水力學(xué)相似原理按1∶60建立模型，模型上游河道與下游河道長均為10 m，平均河寬0.5 m，平均河高0.4 m，在河道9～10 m河段處設(shè)置矩形、U形、V形、梯形四種斷面形狀。在河道9.5 m處河段布置一個(gè)水位觀測點(diǎn)，同時(shí)在河道縱斷面中間處沿水流方向布置9個(gè)流速測點(diǎn)，分別為上游4個(gè)、9.5 m處河段1個(gè)、下游4個(gè)。河道上游進(jìn)水口是一個(gè)大型水槽，水槽右側(cè)為一個(gè)水泵，試驗(yàn)通過水泵向水槽供水，水槽通過水閘控制滿足試驗(yàn)所需的水量，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)河道三維布置圖

2.2 試驗(yàn)工況

為研究不同斷面形狀的河段對整體河道水力特性的影響，在河道9～10 m處設(shè)置矩形、U形、V形、梯形四種斷面形狀的河段，四種斷面的河段面積相同，這四種河道斷面形狀為本試驗(yàn)的四種工況，如圖2所示。本文在統(tǒng)一流量下分別對四種工況進(jìn)行試驗(yàn)，主要研究河道內(nèi)水流流速、流態(tài)、水位的變化情況，為便于敘述稱四種不同斷面形狀河段(9～10 m)為“試驗(yàn)斷面”。

2.3 試驗(yàn)條件及測量

試驗(yàn)是在水槽補(bǔ)水充滿后進(jìn)行的，試驗(yàn)前河道為無水狀態(tài)，試驗(yàn)開始時(shí)開啟水槽閘門，將河道內(nèi)充滿水，當(dāng)河道內(nèi)水流穩(wěn)定時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)觀測,試驗(yàn)不停的供水流量Q=5 m3/s。

圖2 四種工況試驗(yàn)斷面布置圖(單位：m)

水位測量:在試驗(yàn)斷面處標(biāo)出刻度，試驗(yàn)全程用高清攝像機(jī)拍攝試驗(yàn)斷面水位隨時(shí)間變化過程，同時(shí)記錄整體河道水面的流場動(dòng)態(tài)。

流速測量:流速測量分為試驗(yàn)斷面流速和縱斷面流速，試驗(yàn)斷面流速根據(jù)水文學(xué)[6]三點(diǎn)法，用旋漿式流速儀分別測量水深的0.2、0.6、0.8倍處的流速?？v斷面流速則用三點(diǎn)法進(jìn)行測量，取其平均值。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 流速

3.1.1 橫斷面流速

為研究因河道局部斷面形狀不同對整體河道橫斷面流速影響，觀測了試驗(yàn)斷面處的0.2、0.6、0.8倍水深處的流速，如圖3所示。由試驗(yàn)可知：0.8倍水深處大于0.6倍水深處的流速，0.6倍水深處大于0.2倍水深處的流速，這符合水力學(xué)斷面流速分布規(guī)律情況；V形斷面流速最大，U形和梯形斷面流速其次，矩形斷面流速最小。

圖3 試驗(yàn)斷面測點(diǎn)流速

3.1.2 縱斷面流速

由于局部河段斷面形狀不同，對上、下游及試驗(yàn)斷面的流速都造成了一定的影響，為此，試驗(yàn)測量了河道縱斷面沿水流方向的流速，如圖4所示。由試驗(yàn)可知：河道縱斷面流速是先增加到一個(gè)峰值再緩慢的減少，總體上V形斷面影響河道流速最大，U形和梯形斷面影響河道流速其次，矩形斷面影響河道流速最小。不同工況下河道上游對應(yīng)測點(diǎn)流速之間相差較小，下游流速之間相差較大，這表明不同斷面形狀河段對整體河道流速影響存在差異，表現(xiàn)在影響下游流速比上游要大。

圖4 河道縱斷面流速

3.2 水面流態(tài)

根據(jù)水力學(xué)[7]明渠流速的變化可知：不同斷面形狀河段對整體河道的水流流態(tài)也有一定影響，為此本試驗(yàn)還觀測河道整體流態(tài)變化，如圖5所示。由試驗(yàn)可知：不同斷面形狀河段對整體河道水流流態(tài)影響不同，河道的上游流態(tài)基本一致，試驗(yàn)斷面和下游河道流態(tài)存在明顯差異。V形斷面河段對整體河道流態(tài)影響最大，在試驗(yàn)斷面處水流湍急，下游出現(xiàn)大量回流和繞動(dòng)區(qū)，紊動(dòng)能較大；U形和梯形斷面河段對整體河道影響其次，在試驗(yàn)斷面處水流波動(dòng)不大，下游產(chǎn)生局部漩渦流；矩形斷面河段對整體河道流態(tài)影響最小，試驗(yàn)斷面處水流比較平緩，下游出現(xiàn)少量軸向環(huán)流區(qū)。

圖5 河道水面流態(tài)

3.3 水位

為研究不同斷面形狀河段對整體河道水位的影響，本試驗(yàn)還觀測了布置點(diǎn)的水位50 s內(nèi)的變化過程，如圖6所示。由水位起漲情況可知：試驗(yàn)斷面水位都是先上升到一個(gè)峰值，然后水位就在一定范圍波動(dòng)，V形水位峰值最大，梯形和U形水位峰值其次，矩形水位峰值最小。

圖6 試驗(yàn)斷面測點(diǎn)水位變化過程圖

4 結(jié) 論

(1)由于河道中不同斷面形狀河段的影響，河道橫斷面流速、縱斷面流速、測點(diǎn)水位、水面流態(tài)都發(fā)生了不同規(guī)律的變化，但是總體上都符合水力學(xué)特征規(guī)律。

(2)V形河段對整體河道流速、水位、流態(tài)影響最大，U形和梯形河段影響其次，矩形河段影響最小。

(3)在水工建筑修建中，應(yīng)該避免在V形河段存在的河道中修建，但是針對不同的水工建筑物結(jié)構(gòu)和力學(xué)特征需具體分析最佳的適應(yīng)河道斷面形式。