王銀濤 王開(kāi)拓 王生寬 李新?lián)Q

摘要：以湟水河與大通河交匯處為原型，以有機(jī)玻璃、角鐵等作為材料，通過(guò)比例縮放建立了干支流流量可調(diào)節(jié)的天然U型河道干支流交匯處水槽模型，進(jìn)行模擬試驗(yàn)研究交匯處的水面形態(tài)變化規(guī)律。試驗(yàn)表明，在干支流的交匯處會(huì)產(chǎn)生壅水現(xiàn)象，水面抬高，壅水位置往往出現(xiàn)在U彎頂部；隨著干支流匯流比的不斷減小，壅水位置會(huì)隨著匯流比的減小而逐漸向下游位置移動(dòng)，同時(shí)支流對(duì)干流的頂托作用降低，河道水面線逐漸趨于平穩(wěn)；水流經(jīng)過(guò)交匯區(qū)后，會(huì)對(duì)外彎側(cè)河岸形成掏刷，匯流比接近1時(shí)，掏刷作用最強(qiáng)，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱；匯流比對(duì)支流交匯區(qū)上游水面形態(tài)影響較小，水面形態(tài)較好。

關(guān)鍵詞：U型河道；交匯處；水槽試驗(yàn)；匯流比；水面形態(tài)

中圖分類(lèi)號(hào)：TV91文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

天然河道中存在著大量的河流交匯口。在大量的干支流匯合處，由于干、支流兩股水流相互頂托，匯流區(qū)水流的紊動(dòng)摻混作用強(qiáng)烈，能量損失較大，存在上游壅水、下游回流等水力學(xué)問(wèn)題。因此，天然河道交匯處的相關(guān)水力特性學(xué)術(shù)研究受到了各界的高度重視。

國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者對(duì)天然河道交匯處水沙運(yùn)動(dòng)特性的研究已取得許多成果。陸建宇等[1]對(duì)不同交匯角的河道型水庫(kù)交匯段進(jìn)行模型概化和數(shù)值模擬計(jì)算研究表明，不同交匯角條件下均存在紊動(dòng)能高值集中區(qū)域，且紊動(dòng)能與交匯角的大小存在正相關(guān)關(guān)系。劉曉東等[2]提出了深入研究支流入?yún)R彎曲干流型交匯河道水力特性的重要因素。劉斌[3]通過(guò)對(duì)Y型河道交匯區(qū)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究發(fā)現(xiàn)受Y型河道水流交匯的影響，水流在交匯處能量巨大，對(duì)下游河道中央沖刷影響較大。于建忠等[4]研究發(fā)現(xiàn)河道主流在交匯區(qū)支渠河堤的作用下整體右偏，偏轉(zhuǎn)程度隨匯流比降低而減弱，并在支流頂托下形成渦旋與分離區(qū)。張濤[5]通過(guò)室內(nèi)水槽試驗(yàn)研究了河道交匯處各種因素對(duì)水流結(jié)構(gòu)的影響程度。林青煒等[6]利用粒子圖像測(cè)速技術(shù)（PIV）精確測(cè)定了交匯區(qū)旋渦剪切層和分離區(qū)位置，發(fā)現(xiàn)剪切層和分離區(qū)近水面和近底面水深平面的渦旋密度大，水深中部的渦旋密度小。陳凱霖[7]通過(guò)明槽交匯區(qū)物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了交匯區(qū)頂托現(xiàn)象會(huì)影響干支流交匯區(qū)水位。

本論述通過(guò)對(duì)天然河道水槽模型水面形態(tài)的試驗(yàn)研究，并考慮了干支流匯流比對(duì)水面形態(tài)的影響，探究不同匯流比下干支流交匯區(qū)水面形態(tài)變化規(guī)律。

1模型建立

1.1原型介紹

本試驗(yàn)所采用的干支流交匯模型原型是青海省海東市民和縣境內(nèi)的湟水河與大通河交匯處。交匯處干流湟水河的河道為U型，且支流多年平均流量較干流更大，干流湟水河在交匯區(qū)下游的左岸位置現(xiàn)已產(chǎn)生較大的沖刷，此處的水面形態(tài)非常復(fù)雜，具有較大的研究意義。

1.2模型介紹

原型中支流大通河入?yún)R處河口坡降為4.56%，交匯處河道平均寬度為120 m，交匯處干流湟水河坡降為5.30%，交匯處河道平均寬度為100 m。本次試驗(yàn)所做水槽模型根據(jù)實(shí)際河道寬度進(jìn)行比例縮放后確定尺寸，大通河與湟水河的河流寬度之比為1.2∶1，本試驗(yàn)按照1∶400的比例確定大通河的水槽模型寬度為30 cm，湟水河水槽試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯挾葹?5 cm。水槽模型采用有機(jī)玻璃板制作，底座采用角鋼焊制，地腳安裝高度可通過(guò)安裝螺絲調(diào)節(jié)，可模擬不同的河道坡降，如圖1所示。

本試驗(yàn)的主要試驗(yàn)和測(cè)量裝置有循環(huán)供水箱、供水水泵、電磁流量計(jì)、穩(wěn)流裝置、流量調(diào)節(jié)閥門(mén)、水位測(cè)針等。其中大通河段模型總長(zhǎng)度為3 m，湟水河段模型總長(zhǎng)度為6 m，循環(huán)供水箱和水泵用來(lái)給系統(tǒng)供水，通過(guò)流量計(jì)和流量調(diào)節(jié)閥門(mén)控制兩段流量，穩(wěn)流裝置保證試驗(yàn)水流的穩(wěn)定性和均勻性。本試驗(yàn)的裝置示意圖如圖2所示。

2試驗(yàn)方案

2.1測(cè)點(diǎn)布置

本試驗(yàn)主要測(cè)量?jī)珊訁R流處的相關(guān)水位參數(shù)，故本試驗(yàn)的水位測(cè)點(diǎn)主要布置在匯流區(qū)域。布置A～H共8個(gè)測(cè)量斷面，每個(gè)斷面上布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)測(cè)量測(cè)點(diǎn)處的水位，得到該測(cè)點(diǎn)處對(duì)應(yīng)水深。水位測(cè)點(diǎn)布置如圖3所示。

3試驗(yàn)步驟與結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)步驟

按照設(shè)計(jì)工況1～3的順序進(jìn)行試驗(yàn)，具體試驗(yàn)步驟如下：

（1）通水。打開(kāi)主槽和支槽的水泵開(kāi)關(guān)，通過(guò)電磁流量計(jì)調(diào)節(jié)兩水槽的流量達(dá)到設(shè)計(jì)工況流量；

（2）等待水流穩(wěn)定。兩槽通水后等待約30 min，觀察到穩(wěn)流裝置處水位不再發(fā)生明顯變化，水槽中水流基本平穩(wěn)，認(rèn)為水流達(dá)到穩(wěn)定；

（3）測(cè)量。待水流穩(wěn)定后用水位測(cè)針?lè)謩e測(cè)量各測(cè)點(diǎn)槽底和水面高程，并記錄；

（4）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)水深。按照式（1）計(jì)算各測(cè)點(diǎn)水深；

3.2試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1交匯區(qū)最大與最小水深

在三種工況下，交匯區(qū)的最大水深均出現(xiàn)在F斷面，原因即F斷面為兩河的交匯區(qū)，在交匯區(qū)兩河的水流相互頂托，產(chǎn)生消能作用，流速降低，導(dǎo)致水位壅高，如圖4～6所示。隨著匯流比的減小，G、H斷面的水深逐漸與F斷面水深接近，原因?yàn)殡S著匯流比減小，干流的水流沖擊作用較支流變強(qiáng)，壅水位置逐漸向下游位置移動(dòng)，且因干流來(lái)水方向與支流來(lái)水方向夾角較大，大約140°，干流來(lái)水直接沖入支流內(nèi)導(dǎo)致支流河道內(nèi)壅水嚴(yán)重。

由圖中還可以看出，隨著匯流比減小，最小水深出現(xiàn)在D斷面，原因?yàn)榻?jīng)過(guò)交匯區(qū)后，水流重新進(jìn)入順直河道，流速增加，過(guò)流斷面減小，水位降低。匯流比較小時(shí)，E斷面的水深較D斷面大，原因?yàn)樵谠摂嗝嫣幇l(fā)生水流消能，流速降低，過(guò)流斷面增大，水深增加。

3.2.2交匯區(qū)水面形態(tài)

主槽水流在入彎前，水面形態(tài)呈現(xiàn)出從內(nèi)彎至外彎水深逐漸減??；經(jīng)過(guò)彎頂后，從內(nèi)彎至外彎水深逐漸增大，在出彎后的左側(cè)槽壁形成掏刷，該現(xiàn)象與兩河交匯處的掏刷位置相吻合。且在工況2時(shí)出現(xiàn)最大水深差，即掏刷現(xiàn)象最嚴(yán)重，而在匯流比偏離1時(shí)，掏刷現(xiàn)象有所緩解。支槽水面形態(tài)在靠近匯流區(qū)的位置較為復(fù)雜，且水深最大，隨著向上游段延伸，水深逐漸減小，匯流比的變化對(duì)支槽的水面形態(tài)影響不明顯。

4結(jié)論

（1）U型河道干支流在交匯處水流相互頂托，出現(xiàn)壅水區(qū)，水深增加；壅水區(qū)往往出現(xiàn)在U型河道彎頂位置；交匯流經(jīng)過(guò)彎頂區(qū)后流態(tài)逐漸恢復(fù)，流速增加，水深減小。隨著干支流匯流比的逐漸減小，壅水區(qū)位置逐漸向下游移動(dòng)。

（2）水流經(jīng)過(guò)交匯區(qū)后，會(huì)對(duì)外彎側(cè)河岸形成掏刷，匯流比接近1時(shí)，掏刷作用最強(qiáng)，隨著匯流比偏離1，掏刷作用逐漸減弱。

（3）交匯區(qū)處水面形態(tài)較為復(fù)雜，主河道在交匯區(qū)上游水面從內(nèi)彎至外彎水深逐漸減小，經(jīng)過(guò)彎頂后，從內(nèi)彎至外彎水深逐漸增大，支流處交匯區(qū)上游水面形態(tài)較好。

參考文獻(xiàn)：

[1]陸建宇，毛勁喬，龔軼青，等.河道型水庫(kù)干支流交匯段水力特性數(shù)值分析[J].排灌機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2019，37（9），776-781，828.

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