賀麗麗 郭向紅 趙俊剛 全炳欣 梁世春

（1.太原理工大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院 山西太原030024；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 山西太原030012）

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)公路建設(shè)規(guī)模越來越大。不少公路路段由于地形限制與河道并行，存在沿河公路路基侵占河道、壓縮河床過水?dāng)嗝?，致使河道中水位升高，流速增大，河道沖刷加劇等問題出現(xiàn)[1]。天然河道彎曲型居多，水流進(jìn)入彎道后，由于離心力的存在，水流改變?cè)衅椒€(wěn)的流態(tài)，凹凸兩岸出現(xiàn)水面橫向比降，并在順?biāo)鞣较虿粩喔淖?，出現(xiàn)三維螺旋流[2]。河流彎道獨(dú)特的水流特性也使得彎道中泥沙的運(yùn)輸也變得復(fù)雜，位于河流彎道的泥沙常常出現(xiàn)兩岸不同程度的沖刷或者凹岸沖刷凸岸泥沙淤積的現(xiàn)象[3]。位于河道凹岸的公路路基邊坡和坡腳很容易被水流沖刷致使河床的不斷下切，造成路基土體流失，以致變形垮塌[4-6]。所以，合理確定路基防護(hù)物基礎(chǔ)埋深的大小顯得十分重要。因此，本文運(yùn)用物理模型試驗(yàn)，研究河道流量和彎道角度對(duì)河流彎道沖刷深度的影響，為沿河公路路基沖刷計(jì)算提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在太原理工大學(xué)水流試驗(yàn)大廳進(jìn)行，試驗(yàn)系統(tǒng)布置如圖1 所示。試驗(yàn)系統(tǒng)由進(jìn)水箱、河道、退水箱、循環(huán)管道構(gòu)成，進(jìn)、退水箱及河道均由有機(jī)玻璃制成，進(jìn)水箱體積為1.5 m×1 m×1.2 m，河道由直段和三組彎段（15°、30°、45°）組成，河道斷面為矩形斷面，規(guī)格為0.3 m×0.3 m，二者依靠法蘭連接成完整的河道，退水箱體積為1.8 m×1 m×1.15 m，循環(huán)輸水管道則是由鋼管制成，連接進(jìn)退兩水箱，按照直徑不同分為D50 和D100 兩種方便輸送不同流量大小的水流。

圖1 試驗(yàn)系統(tǒng)布置圖

試驗(yàn)時(shí)將一定高度的泥沙平鋪在河道內(nèi)，水從輸水管輸入進(jìn)水箱，待進(jìn)水箱水位達(dá)到河道高度時(shí)，由閥門控制水流流入河道，對(duì)河道內(nèi)的泥沙進(jìn)行沖刷。進(jìn)水箱與河道連接處設(shè)有穩(wěn)流裝置，以達(dá)到水流流態(tài)平穩(wěn)，同時(shí)在河道入口處裝有三角堰用于擋沙。渠道末端和退水箱相連，由進(jìn)水箱內(nèi)的水?dāng)y帶河道中的泥沙一并進(jìn)入退水箱中，箱中設(shè)有泥沙過濾裝置，水流經(jīng)退水箱過濾后由循環(huán)輸水管道中的水泵抽出經(jīng)鋼管回流到進(jìn)水箱，形成一個(gè)封閉循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過濾后泥沙可再次使用。

1.2 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)研究的目的是分析不同流量和不同彎道角度下河道沖刷深度。因此，試驗(yàn)以流量和彎道角度為控制因素，設(shè)置幾個(gè)不同流量水平，即10、15、20、25、30、35、40、45、50 m3/h，三個(gè)彎道角度，即15°、30°、45°，共27 組試驗(yàn)。試驗(yàn)用沙為非均質(zhì)天然沙，圖2 為試驗(yàn)選用天然沙級(jí)配圖，其中d50=0.94 mm，γ=2 650 N/m3。

1.3 測(cè)點(diǎn)布置與測(cè)試項(xiàng)目

圖2 天然泥沙級(jí)配表

試驗(yàn)測(cè)量主要集中在河道直段及彎段中進(jìn)行，河道長(zhǎng)7.5 m，直段長(zhǎng)6 m，彎段長(zhǎng)1.5 m。如圖3 所示天然沙沖刷試驗(yàn)中沿程共設(shè)置了9 個(gè)斷面。直段部分設(shè)置4 個(gè)斷面，分別為斷面1（0 m）上游直段入口、斷面2（0+1.5 m）上游直段中部、斷面3（0+3.5 m）上游直段中部、斷面4（0+5.0 m）上游直段下部。彎段部分設(shè)置4 個(gè)斷面分別為斷面5（0+5.6 m）彎段入口處、斷面6（0+5.85 m)彎頂處、斷面7（0+6.1 m)彎道出口處及斷面8（0+6.5 m）彎段出口下游處。下游直段中部設(shè)置斷面9（0+7.1 m）。

圖3 天然沙河道測(cè)點(diǎn)布置圖

河道流量采用電磁流量計(jì)測(cè)量，通過閥門調(diào)節(jié)循環(huán)輸水管道中進(jìn)入進(jìn)水箱中的水流流量，繼而控制流入河道的水流流量。河道中泥沙沖刷深度的測(cè)量選用鋼針和鋼尺測(cè)量，其中鋼針測(cè)量精度較高（0.001 m），每次試驗(yàn)水流沖刷結(jié)束后，利用鋼針測(cè)量各個(gè)測(cè)點(diǎn)凹岸和凸岸河床的高度，與該測(cè)點(diǎn)沖刷前河道中鋪沙高度的差值計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)泥沙沖刷的深度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理采用excel，繪圖采用origin2019，公式擬合采用1stOpt1.5pro 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 河流流量對(duì)河流彎道沖刷深度影響分析

圖4 不同流量下河道沖刷深度二維分布圖

圖4 為彎道角度45°不同流量下河道沖刷深度二維分布圖。由圖可知，不同流量下河道沖刷深度分布規(guī)律相似，即，在順直河段，河道沖刷深度均勻，且較小；在彎道河段，河道凹側(cè)泥沙沖刷深度順?biāo)鞣较虺尸F(xiàn)先逐漸增大，出彎道后逐漸減小的現(xiàn)象，彎道凸側(cè)沖刷深度較小或出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象，河道凹側(cè)沖刷深度大于凸側(cè)沖刷深度，河道最大沖刷深度出現(xiàn)在河道凹側(cè)彎頂?shù)南掠?。這是由于在水流在彎道部分形成彎道環(huán)流，造成河道凹岸沖刷，凸岸淤積。進(jìn)一步分析可知，河流流量對(duì)河道各段沖刷深度有一定的影響。在順直河段，隨著流量的增大，沖刷深度也逐漸增大，例如：水流流量Q=10 m3/h 時(shí)，天然沙沖刷深度約為0.5 cm；流量Q=50 m3/h 時(shí)，天然沙沖刷深度約為4 cm。在彎道河段，沿程泥沙沖刷深度均隨流量的增大而增大。圖4 中，彎道角度為45°條件下，流量由10 m3/h 增至50 m3/h，彎道出口處凹側(cè)最大沖刷深度由4.72 cm逐漸增至18.48 cm，增幅近三倍。這是由于水流進(jìn)入彎道后受凹側(cè)路基阻擋，水流形態(tài)發(fā)生改變，在彎段凹側(cè)產(chǎn)生沿水流方向順時(shí)針螺旋流，具有較強(qiáng)的切應(yīng)力，大量床沙成為懸移質(zhì)被水流攜帶走，造成彎道凹側(cè)局部沖刷。隨著流量增大，水流流速也隨之增大，水流沖擊能力增強(qiáng)，凹側(cè)沖刷深度也隨之增大。

2.2 河流彎道角度對(duì)河流彎道沖刷深度影響分析

圖5 為不同彎道角度條件下河流沖刷深度情況。由圖分析可知，不同彎道角度下，彎道沖刷分布規(guī)律一致，均為凹岸沖刷，凸岸淤積，但彎道角度對(duì)沖刷深度有一定影響，隨彎道角度的增加，河流彎道凹側(cè)泥沙沖刷深度也增大。在圖5 中，流量為50 m3/h 時(shí)，彎道角度由15°增大至45°，彎道最大沖刷深度由5.83 cm升至18.43 cm，增幅高達(dá)216%。這是由于隨著彎道角度的增大，河流彎道環(huán)流發(fā)育越充分，水流沖擊能力增強(qiáng)，凹側(cè)沖刷深度也隨之增大。

2.3 流量和彎道角度對(duì)河流彎道沖刷最大深度影響分析

圖6 為河流彎道角度和流量交互作用對(duì)河道沖刷深度影響。由圖可知，在同一流量下，最大沖刷深度隨著彎道角度的增大而增大，在同一彎道角度下，最大沖刷深度對(duì)照流量的增大而增大，彎道角度和流量的交換作用，增大了河流彎道的沖刷深度。

圖5 不同彎道角度下河道沖刷深度二維分布圖

圖6 河流彎道角度和流量交互作用對(duì)河道沖刷深度影響

進(jìn)一步，采用式（1）形式的多元乘冪函數(shù)對(duì)彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度的關(guān)系進(jìn)行擬合，擬合結(jié)果為： 擬合參數(shù)a、b、c 分別為0.102 6、0.555、0.756 5，相關(guān)系數(shù)R 為0.981。這說明河流彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度的關(guān)系，可以采用式（1）的多元乘冪函數(shù)表示。

式中：hmax——河流彎道泥沙最大沖刷深度，cm；

Q——流量，m3/h

θ——彎道角度，°；

a、b、c——擬合參數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對(duì)不同流量和彎道角度對(duì)河道沖刷深度的影響分析，得出以下結(jié)論：1）順直河段河流沖刷深度較小且均勻，河流彎道凹岸沖刷深度較大，而凸岸沖刷深度較?。?）河流流量和彎道角度對(duì)河道沖刷深度有一定的影響，隨著流量和彎道角度的增大，順直河段和彎道河段的沖刷深度均增大；3）河流彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度呈多元乘冪關(guān)系。