李潤(rùn)祥，朱殿芳，范鐘軼，羅亞軍，劉 濤，張 婧，郭志學(xué)

(1.四川大學(xué)水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610065;2.成都市市政工程設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610023;3.西華大學(xué)，四川 成都 610039)

0 引 言

黑龍江干流江心洲形成主要有心灘淤積發(fā)展和邊灘切割2種主要方式，前者汊道平面形態(tài)對(duì)稱，分流角大致相同，多為順直分汊河型；后者新汊道的形成使得水流主流線改變，形成新的沖淤形勢(shì)，造成河道岸線的改變。對(duì)于黑龍江的河床沖刷和演變規(guī)律，不少學(xué)者從不同方面進(jìn)行了研究，冷莉等從河床穩(wěn)定等角度分析黑龍江干流上中游河段的穩(wěn)定性[1]；王軍[2]從河流泥沙動(dòng)力學(xué)理論出發(fā)，從沖刷坍岸、低灘切割、穩(wěn)定主流等幾個(gè)方面分析了黑龍江干流的河床演變規(guī)律。

對(duì)于復(fù)式分汊河道來說，河道具有分汊河道的平面形態(tài)，當(dāng)水流漫灘之后，過水?dāng)嗝娉尸F(xiàn)復(fù)式斷面形態(tài)，所以水流的運(yùn)動(dòng)特征同時(shí)與河道的分汊形態(tài)及復(fù)式過流斷面相關(guān)。

復(fù)式斷面是天然河流中常見的斷面形態(tài)，水流漫灘之后，由于邊界條件的改變，水流的水力特性隨之發(fā)生改變。最先研究復(fù)式河槽水流運(yùn)動(dòng)特性的是前蘇聯(lián)學(xué)者熱烈茲拿柯夫[3]，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)水流漫灘之后，在灘槽水流相互作用下，主槽過流能力降低。之后國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者通過水槽試驗(yàn)對(duì)復(fù)式河槽進(jìn)行了研究，并取得了不少成果。在清水定床復(fù)式河槽試驗(yàn)中，所取得的成果主要包括復(fù)式河槽漫灘水流的流速及分布特性[4-5]，復(fù)式河道的過流能力及灘槽阻力[6- 8]，灘槽水流結(jié)構(gòu)及紊動(dòng)強(qiáng)度[9-10]；復(fù)式河槽的渾水試驗(yàn)也取得不少成果，主要包括灘槽含沙量及其分布特性[11-12]，灘槽泥沙的淤積分布[13-14]等等。水流淹沒邊灘時(shí)，過水?dāng)嗝鏉裰馨l(fā)生突變，床面阻力增大，灘面流速減小，主槽流速與灘面流速之間存在流速差，這是剪切面和二次流產(chǎn)生的重要原因。通過水流的摻混交換，在灘面水流和主槽水流間進(jìn)行動(dòng)量傳遞，使斷面流速分布更加均勻[15]。考慮到流速分布的差異及邊界影響，吉祖穩(wěn)等[16]通過水槽試驗(yàn)，將復(fù)式斷面進(jìn)行分區(qū)，提出分區(qū)標(biāo)準(zhǔn)及各區(qū)流速特點(diǎn)及計(jì)算方法。主槽流速與灘面流速之間的流速差，產(chǎn)生了橫向上的動(dòng)量差，使得在研究復(fù)式斷面水流流速分布及運(yùn)動(dòng)特征時(shí)候，考慮灘槽動(dòng)量交換得到的結(jié)果更加準(zhǔn)確并符合實(shí)際[17]。

天然河道的河型通常分為順直型、彎曲型、分汊型、蜿蜒型，按不同平面形態(tài)，分汊型河道分為順直型分汊、微彎型分汊和鵝頭型分汊三種[18]。近年來分汊河道的研究主要集中在分汊河道的分流分沙[19-20]、分汊口及匯流口的水力特性[21-23]等。其中，對(duì)于分汊河道的水流特征研究，陳娟等[24]利用只考慮重力相似的概化模型探究了彎道分流時(shí)支汊河道水流特性，受主汊環(huán)流影響，支汊上游形成折沖水流，表層主流束窄作用明顯，支汊斷面橫向比降較大。分汊水流在分汊口處會(huì)出現(xiàn)河道明顯展寬，部分彎曲分汊河道曲率較大，導(dǎo)致在分汊口處會(huì)出現(xiàn)回流區(qū)[25]。華祖林等[26]采用Reynolds應(yīng)力三維湍流模型對(duì)分汊河道水流特性進(jìn)行模擬，結(jié)果顯示出分離區(qū)特征尺寸主要受上游來流流量和汊道寬度影響。

從以上研究現(xiàn)狀分析發(fā)現(xiàn)，復(fù)式河道及分汊河道的水流特征前人均開展了較多的研究，但他們偏向于單一河型的研究，針對(duì)兩種河型疊加的復(fù)式分汊河道的研究較少。復(fù)式河道中灘槽相互作用對(duì)水流的橫向、縱向流速分布都產(chǎn)生影響，分汊河道形態(tài)影響水流的平面二維流速分布，水流結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)三維復(fù)雜性。分汊河道疊加復(fù)式斷面形態(tài)后，在江心洲分流及側(cè)向擠壓作用與灘槽相互作用的綜合作用下，平面水流結(jié)構(gòu)可能表現(xiàn)出新的特點(diǎn)?；谇叭说难芯浚ㄟ^對(duì)黑龍江中游100多個(gè)分汊河道形態(tài)參數(shù)的歸納總結(jié)，概化形成復(fù)式分汊河道模型，探索水流在復(fù)式和分汊疊加作用下的運(yùn)動(dòng)特征，由此分析江心洲的發(fā)育及演變問題，為類似黑龍江水系寬邊灘復(fù)式分汊河道的河床演變分析提供一定的理論預(yù)測(cè)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)水槽模型設(shè)置在四川大學(xué)水力學(xué)及山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，試驗(yàn)水槽采用鋼化玻璃邊界，長(zhǎng)12 m，寬2 m，高0.5 m，比降0.1%。模型上游為單一復(fù)式河道，長(zhǎng)3 m，過水?dāng)嗝婵倢?.40 m，左右岸邊灘對(duì)稱；上游經(jīng)擴(kuò)散段進(jìn)入分汊河段，擴(kuò)散段主槽邊界由兩段半徑相同的弧線順滑連接。模型中段江心洲長(zhǎng)4 m，寬0.6 m，高0.2 m，江心洲兩側(cè)汊道均為復(fù)式形態(tài)，各支汊主槽對(duì)稱，兩側(cè)邊灘對(duì)稱，灘槽寬度比為3∶1，江心洲下游與上游呈對(duì)稱形態(tài)。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠矫娌贾萌鐖D1所示。

圖1 模型平面示意

試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)沿?cái)嗝娌贾茫舷掠螌?duì)稱斷面測(cè)點(diǎn)也對(duì)稱分布。流速測(cè)量采用ADV，其中，縱向流速u指向下游為正值，橫向流速v指向左岸為正值，垂向流速ω水流表層為正值。測(cè)量平面應(yīng)盡量靠近平灘平面，以保證試驗(yàn)成果可以反映出水槽在斷面形態(tài)變化處的流速特征?；诖丝紤]，選取平灘平面上方0.03 m平面流速、平灘平面下方0.01 m平面流速分別分析灘面及主槽水流的流動(dòng)特征。

由于試驗(yàn)水槽的平水池不夠大，不能使水流在進(jìn)槽之前盡可能與槽邊縱向平行，進(jìn)水口處存在一定的水流偏轉(zhuǎn)，盡管采取了修建花墻及平水管等措施，但是通過測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果分析，還是存在一定的向左岸偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，在后文數(shù)據(jù)分析中有所體現(xiàn)?？紤]測(cè)量?jī)x器需要一定的水深，且供水管道存在最大供水能力，選擇40、60 L/s為試驗(yàn)流量，主槽深度選擇0.08、0.10 m，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

2 結(jié)果分析

2.1 縱向流速u分析

不同流量、主槽深度下，雖然局部流速分布存在差異，但對(duì)應(yīng)流層(水深為h)的水流特性呈現(xiàn)一致?？v向流速等值云圖見圖2。

從圖2可以看出：

圖2 縱向流速u流速等值云圖

(1)A21工況下，h=0.05 m時(shí)，水流在臨近順直段處存在局部流速的高值區(qū)，且高值區(qū)分布呈現(xiàn)由彎曲段外側(cè)向內(nèi)側(cè)，范圍減小的特點(diǎn)，與彎曲河道的流速分布呈現(xiàn)一致性，所以可能存在“凸岸淤積、凹岸沖刷”現(xiàn)象。

(2)A21與A23工況下，h=0.11 m時(shí)，在CS7～CS9斷面之間，江心洲洲頭兩側(cè)存在明顯的高速區(qū)(u>35 cm/s)，這是由于水流受洲頭頂托影響，順江心洲洲頭向兩汊分流，江心洲兩側(cè)出現(xiàn)卡門渦旋，渦旋的存在使得水位起伏大，紊動(dòng)強(qiáng)烈，u在局部增加。高速區(qū)范圍由江心洲側(cè)以近似環(huán)狀向兩岸擴(kuò)散，受到上游河道展寬及下游折沖水流的影響，高速區(qū)流速隨著擴(kuò)散逐漸減小。江心洲洲尾匯流出現(xiàn)脫壁流，兩側(cè)水流交匯水流紊動(dòng)劇烈，有渦旋在此處產(chǎn)生，局部水流紊動(dòng)強(qiáng)烈，加上折沖水流的影響，使得流速較小。隨著流量的加大，呈現(xiàn)出高速區(qū)范圍加大，低速區(qū)范圍減小的特點(diǎn)，且折沖水流影響加大。

(3)A23、A33工況下，隨著灘槽高差的增加，相對(duì)水深減小，江心洲兩側(cè)的高速區(qū)及整體流速減小，水流分汊以后能較快恢復(fù)平順狀態(tài)。

CS6斷面與CS7斷面位于江心洲洲頭前后，兩斷面縱向流速分布如圖3所示。從圖3可以清晰看出，江心洲洲頭近似對(duì)稱的低流速區(qū)，CS6斷面江心洲洲頭處流速最小，此處水槽斷面中心壅水最為嚴(yán)重，由江心洲洲頭向兩側(cè)岸邊，縱向流速逐漸增大。主槽位置的流速表現(xiàn)為“外側(cè)大，內(nèi)側(cè)小”，這是斷面趨直產(chǎn)生的折沖水流、江心洲洲頭的頂托共同作用的結(jié)果。CS7斷面上表現(xiàn)出江心洲側(cè)的高速區(qū)由江心洲兩側(cè)向外逐漸減小，說明水流分流后趨直作用強(qiáng)于流線彎曲。在灘槽交界處，由于灘槽水流的相互影響，導(dǎo)致水流紊亂加強(qiáng)，灘槽交界處水流流速減小。

圖3 典型斷面縱向流速分布

2.2 橫向流速v分析

由進(jìn)口處水流偏轉(zhuǎn)帶來的影響在流速橫向流速v等值云圖中(見圖4)表現(xiàn)得更加明顯。

從圖4可以看出：

圖4 橫向流速等值云圖

(1)左岸的水流的橫向偏轉(zhuǎn)大于右岸。由于水流偏轉(zhuǎn)的影響，左汊分流比大于右汊，由此左汊的流速高值區(qū)及流速大小均略大右岸。

(2)在A21工況下不同水深處，橫向流速分布及大小存在差異，分流區(qū)橫向流速高速區(qū)分布在CS5～CS7斷面之間，對(duì)于橫向流速來說，h=0.05 m處明顯大于h=0.11 m處，由此說明復(fù)式斷面的存在，主槽的引流導(dǎo)向作用，加大了水流的橫向流速大小。

(3)A21和A23工況下，隨著流量增加，分流段橫向流速高值區(qū)范圍未發(fā)生明顯變化，依舊集中在CS5～CS7斷面之間，以江心洲洲頭兩側(cè)為最大值點(diǎn)，向兩岸斜向上游遞減。隨著流量的增大，分流段水流的橫向流速絕對(duì)值減小，水流逐漸趨向順直，江心洲洲頭處由于存在水流分流，分汊角較大，水流邊界曲率明顯，水流特征與彎曲河道水流特征相似，符合“小水作彎，大水趨直”的特點(diǎn)。與縱向流速u的高值區(qū)相比，v的高值區(qū)更靠前，因?yàn)榇烁咧祬^(qū)主要是由于江心洲的洲頭分流引起的。所以在江心洲的穩(wěn)定治理時(shí)候，要注意洲頭受橫向流速的剝離侵蝕影響。

(4)A23、A33工況下，在流量均為50 L/s的條件下，隨著主槽深度的加大，灘面水深減小，更多的水流在主槽中流動(dòng)，受到主槽的限制作用加大，分流段橫向流速分布的高值區(qū)范圍減??；匯流段的高值區(qū)范圍變化卻表現(xiàn)得與分流段的相反，呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢(shì)，匯流段橫向流速的產(chǎn)生，更多的是由于水槽斷面的束窄作用，邊壁的約束使得水流產(chǎn)生橫向偏轉(zhuǎn)，而結(jié)合A23、A33的縱向流速u等值云圖，A33工況的縱向流速大于A23，所以工況A33的匯流段的橫向流速也大于工況A23。

斷面流速橫向分布圖能更好的展現(xiàn)復(fù)式斷面和分汊斷面在水流結(jié)構(gòu)中的作用。CS6斷面橫向流速v斷面分布如圖5所示。從圖5可以看出，CS6斷面處于江心洲洲頭切線處，分流段v最大值、最小值落在CS6、CS7斷面之間，水流經(jīng)過江心洲分流，v以中軸處為中心向兩側(cè)急劇增加，但不同流量下，在斷面Y=0.66 m及Y=1.34 m處|v|值陡降，然后再向兩岸緩慢減小。

圖5 CS6斷面橫向流速v斷面分布

Y=0.66 m及Y=1.34 m處正是分流段兩側(cè)支汊主槽所處位置，|v|突然減小，說明復(fù)式河槽的形狀使水流在主槽和邊灘中存在著交換。CS6斷面u與v的橫向分布說明，灘槽相互作用會(huì)使分流水流流速橫向分布重新調(diào)整，分流作用被限制在主槽中間，主要影響江心洲邊灘和主槽水流流速分布，而兩岸邊灘流速分布受斷面展寬影響更大。

3 結(jié)論與展望

(1)水槽試驗(yàn)段縱向流速和橫向流速的平面分布主要受分汊形態(tài)影響。隨著流量的增大，灘面水深增加，灘面流速低值區(qū)范圍縮小，高值區(qū)范圍增大。順直分汊水槽中左右兩汊形狀對(duì)稱，隨著流量的增大，分流段水流的偏轉(zhuǎn)逐漸縮小，水流逐漸趨向順直，符合“小水作彎，大水趨直”的特點(diǎn)。

(2)順直寬邊灘對(duì)稱分汊水槽斷面流速橫向分布與水槽斷面形態(tài)和位置有關(guān)。上游段灘面水流符合復(fù)式水槽斷面流速橫向分布特征，橫向流速呈“主槽大，邊灘小，灘槽交界凹陷”分布。復(fù)式斷面灘槽交換對(duì)斷面流速分布產(chǎn)生擾動(dòng)，在江心洲洲頭斷面擾動(dòng)最為明顯，灘槽交換將分流作用限制在兩主槽中部，主槽位置流速局部突變。汊道段主槽窄小，主槽平衡區(qū)的消失，使斷面橫向流速的分布與上游段相反，縱向流速分布曲線在主槽處的變化更突出。

(3)根據(jù)試驗(yàn)所得水流特征，針對(duì)對(duì)類似黑龍江水系寬邊灘復(fù)式分汊河道的河床演變來說，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注江心洲洲頭兩側(cè)在橫向流速和漩渦作用下的沖刷，江心洲洲頭及洲尾存在低速區(qū)，一定的水沙條件會(huì)導(dǎo)致其發(fā)生淤積生長(zhǎng)。

(4)本文僅對(duì)分汊復(fù)式河道做了定床水流流速平面特性分析，今后將開展動(dòng)床試驗(yàn)研究，驗(yàn)證和探究在此水流結(jié)構(gòu)條件下，河床演變和江心洲穩(wěn)定發(fā)育的規(guī)律。