田鵬偉，張思佳，王志國，3，楊會(huì)朋，陳力暉，李 燊

（1.河北工程大學(xué) 水利水電學(xué)院，河北 邯鄲 056038； 2.中國水利水電科學(xué)研究院北京中水科海利工程技術(shù)有限公司，北京 100038； 3.河北工程大學(xué) 河北省智慧水利重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038； 4.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局 河北分局邯鄲管理處，河北 邯鄲 056006）

干支流交匯區(qū)水沙運(yùn)動(dòng)過程主要受入?yún)R角、匯流比、水流自身物理特性等因素的影響［1-2］，當(dāng)挾帶大量泥沙的水流通過交匯區(qū)時(shí)流速變小、挾沙能力降低，使大量泥沙淤積，主河道水位抬高，增加了洪水漫堤的可能性，因此研究泥沙淤積規(guī)律對(duì)渠道過流能力及安全運(yùn)行具有重要意義［3］。 目前相關(guān)學(xué)者已對(duì)支流入?yún)R區(qū)域的泥沙淤積進(jìn)行了大量研究，如：彭萬兵等［4］通過運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與物理水槽模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)重慶市主城區(qū)嘉陵江入?yún)R長江河段的泥沙淤積進(jìn)行分析，得出停滯區(qū)與支流入?yún)R側(cè)的分離區(qū)是易產(chǎn)生泥沙淤積區(qū)域的結(jié)論；敖汝莊等［5］通過水槽試驗(yàn)研究泥石流入?yún)R主河時(shí)交匯區(qū)的泥沙淤積情況，發(fā)現(xiàn)入?yún)R角分別為30°、60°、90°時(shí)，交匯區(qū)的泥沙淤積率隨支流流量及匯流比的增大而增大；詹磊［6］在研究渠道泥沙淤積規(guī)律時(shí)得出干支流頂托作用增強(qiáng)時(shí)交匯口上游河道內(nèi)泥沙沿程落淤的結(jié)論。 雖然外洪入渠形式上屬于支流入?yún)R范疇，對(duì)其進(jìn)行研究時(shí)可以借鑒很多干支流交匯的研究成果，但外洪通過翻越渠頂與干渠交匯，與傳統(tǒng)干支流交匯在空間上有本質(zhì)的不同，且上述研究大多考慮支流流量對(duì)主流泥沙淤積的影響，未探究支流含沙量這一因子的影響，因此本文通過水槽模型試驗(yàn)分析外洪含沙量對(duì)干渠流速分布以及泥沙淤積形態(tài)的影響，進(jìn)一步總結(jié)外洪入渠的泥沙淤積規(guī)律。

1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾?/h2>

試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀筛汕屯夂閷?dǎo)水槽組成。 干渠長4.00 m，外洪導(dǎo)水槽（試驗(yàn)段）長2.00 m，干渠表面糙率為0.014，干渠橫斷面為梯形斷面，渠底寬0.35 m、渠頂寬0.75 m、渠深0.16 m，邊坡系數(shù)為1.25。 外洪導(dǎo)水槽由有機(jī)玻璃板制作而成，外洪導(dǎo)水槽與干渠入?yún)R角為60°。 在試驗(yàn)段布置11 個(gè)測(cè)量斷面（編號(hào)為cs7 ～cs17），各斷面間隔為20.00 cm，外洪入渠進(jìn)口段位于cs9—cs13 斷面之間，試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒贾靡妶D1。

每個(gè)斷面設(shè)置5 條測(cè)驗(yàn)垂線，從左岸到右岸依次為垂線1～垂線5，各垂線間隔為12.50 cm，干渠橫斷面垂線布置見圖2。

圖2 干渠橫斷面垂線布置

為排除干渠流量及水位等因素的干擾，試驗(yàn)中干渠流量控制為7 L／s，試驗(yàn)段入?yún)R口下游水深控制為9.33 cm，選取3種外洪流量，分別為1、2、3 L／s，每種外洪流量分別對(duì)應(yīng)3種含沙量30、40、50 kg／m3，共設(shè)置9種試驗(yàn)工況。 采用三維電磁流速儀測(cè)量流速，采用水準(zhǔn)儀和鋼尺測(cè)量泥沙淤積厚度，干渠兩側(cè)平行設(shè)置同高程木軌，水位測(cè)針固定于水平木板上，通過滑動(dòng)在木軌之上的水平木板進(jìn)行水位測(cè)量。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 外洪含沙量對(duì)洪口上游流速分布的影響

對(duì)洪口上游cs8 斷面的流速橫向分布進(jìn)行觀測(cè)，流速觀測(cè)點(diǎn)距水面5.00 cm，3種外洪流量下cs8 斷面的流速橫向分布相似，因此將外洪流量為1 L／s 時(shí)cs8斷面的流速橫向分布作為典型，見圖3。可以看出，垂線5 流速最小，原因是外洪匯入干渠導(dǎo)致干渠出現(xiàn)水流紊動(dòng)現(xiàn)象，垂線5 離洪口最近，受干擾最大；除垂線5 外，垂線1 流速也相對(duì)較小，原因是渠道邊壁的摩擦阻力較大；相較而言，垂線3 流速較大，原因是垂線3位于干渠中間區(qū)域，受渠道邊壁阻力及外洪的影響較小。

圖3 外洪流量為1 L／s 時(shí)cs8 斷面的流速橫向分布

對(duì)洪口上游cs8 斷面垂線3 進(jìn)行流速垂向分布觀測(cè)，同樣將外洪流量為1 L／s 時(shí)cs8 斷面垂線3 的流速垂向分布作為典型，見圖4。 分析可知，受渠道底部摩擦阻力的影響，渠底流速最小，在一定水深范圍內(nèi)流速隨水深減小而增大，而距離水面越近處水面越寬，導(dǎo)致靠近水面時(shí)流速減小。

圖4 外洪流量為1 L／s 時(shí)cs8 斷面垂線3 的流速垂向分布

渠道邊壁阻力作用導(dǎo)致干渠水流流速分布不均勻，近邊壁處水流的挾沙能力很弱，使得外洪挾帶的泥沙進(jìn)入干渠后先在干渠右邊壁淤積，再逐漸向左邊壁擴(kuò)散，淤積到一定厚度后造成干渠過流斷面面積減小，水流流速增大，推移質(zhì)輸沙率增大，泥沙淤積范圍逐漸向干渠下游擴(kuò)散。

2.2 干渠泥沙淤積形態(tài)分析

對(duì)9種工況下干渠泥沙淤積形態(tài)進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，可知不同外洪流量的干渠泥沙淤積情況與4種外洪含沙量之間存在一定規(guī)律性且規(guī)律性一致，因此將外洪流量為1 L／s 時(shí)干渠泥沙淤積形態(tài)作為典型，見圖5（其中cs7 斷面為起始斷面，x方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?，y方向?yàn)榍烙疫叡谥磷筮叡诜较颍?。可以看出，外洪含沙量?0 kg／m3時(shí)，在距起始斷面50 cm 處出現(xiàn)泥沙淤積，在距起始斷面90 cm 處泥沙淤積厚度最大為13.5 cm；外洪含沙量為40 kg／m3時(shí)，在距起始斷面48 cm 處出現(xiàn)泥沙淤積，在距起始斷面80 cm 處泥沙淤積厚度最大為14.7 cm；外洪含沙量為50 kg／m3時(shí)，在距起始斷面46 cm 處出現(xiàn)泥沙淤積，在距起始斷面70 cm 處泥沙 淤積厚度最大為15.3 cm。

圖5 外洪流量為1 L／s 時(shí)不同外洪含沙量的干渠泥沙淤積形態(tài)

進(jìn)一步分析外洪流量為1 L／s 時(shí)不同外洪含沙量的各斷面泥沙淤積厚度，見圖6，可知外洪含沙量越高，泥沙淤積厚度越大，泥沙淤積起始位置和最大泥沙淤積厚度出現(xiàn)位置越靠近干渠上游。

圖6 各斷面泥沙淤積厚度

當(dāng)外洪匯入干渠時(shí)不同流動(dòng)方向的水流相互摻混，會(huì)在交匯區(qū)產(chǎn)生水流頂托效應(yīng)，使洪口上游水位壅高形成壅水區(qū)。 試驗(yàn)結(jié)果表明，外洪含沙量越高，外洪對(duì)干渠水流的頂托作用越明顯，洪口上游水位壅高現(xiàn)象越顯著，使得泥沙淤積范圍更趨于向上游擴(kuò)散。 通過分析不同外洪含沙量對(duì)干渠泥沙淤積形態(tài)的影響，可以在洪水來臨前為避免泥沙過度淤積降低干渠輸水能力進(jìn)而引發(fā)渠水漫堤做好安全措施。

3 結(jié)論

通過分析外洪對(duì)干渠內(nèi)斷面的流速橫向分布和流速垂向分布，可得洪口附近和渠道邊壁處流速較??；在一定水深范圍內(nèi)流速隨水深減小而增大，靠近水面時(shí)流速減小。 不同外洪含沙量對(duì)應(yīng)的泥沙淤積過程具有一定的相似性，外洪入渠泥沙淤積從干渠右邊壁向左邊壁擴(kuò)散，達(dá)到一定淤積厚度后逐漸向干渠下游擴(kuò)散。外洪含沙量越高，泥沙淤積厚度越大，泥沙淤積起始位置和最大泥沙淤積厚度出現(xiàn)位置越靠近干渠上游。