在中国长江上游地区,受地势地貌,水沙条件等因素的影响,常常形成浅滩与深槽相间的宽窄航槽。由于宽窄航槽平面形态的特殊性,其水沙运动特性以及演变规律也与常见的弯曲河流和分叉河流有所不同[1],特别是断面形态突然展宽的航槽,例如,窄深航槽后侧连接宽浅复式航槽(简称展宽航槽)。对于展宽航槽,非汛期时,水流在主航槽中运动;当汛期来临时,流量增大导致水深增大,水流漫过两侧浅滩,在宽浅段形成复式航槽[2–3]。同时,窄深航槽段流速大,水流携带泥沙进入展宽航槽后输沙能力减小,引起泥沙淤积,降低主航槽有效运行水深,造成经济损失,例如,铜锣峡和锣锅滩余家湾,河道断面由狭窄突然展宽,水势放缓,致使推移质泥沙大量落淤。
许多学者对复式河槽水流特性及模拟计算方法开展了研究。Yang等[4]探讨了不同滩地植被(树木、灌木和野草)对复式河槽水流各项特性的影响。Shiono等[5]将Navier-Stocks方程沿水深积分,得到可以计算复式河槽水深平均流速横向分布的解析计算模型(简称SKM法)。Rameshwaran[6]和Liu[7]等通过改进SKM法,提出了能够预测滩地有非淹没或淹没植被的复式河槽水深平均流速及床面切应力解析计算方法。对于复杂的二维解析解形式,Liu等[8]采用复化梯形公式得出了复式河槽局部区域过流量近似解。这些研究对于理解复式河槽水流特性及其模拟计算有很大帮助。
对于断面形态有变化的复式河槽(例如展宽航槽),Rezaei等[9]从SKM法方程推导过程进行修正,提出了改正的SKM方法。高永胜等[10]开展宽窄相间河道水沙运动过程的数值模拟研究,发现不对称的河道展宽与缩窄将改变断面流速峰值的分布,并将其与河床冲淤变化建立联系。吉祖稳等[11]对宽窄复式河道的滩槽过流能力、断面平均流速、垂线流速及横向分布等水流运动特性进行了研究,并对比分析了顺直型与宽窄型复式河槽的水沙规律差异,得出了宽窄型复式河槽的滩槽动量交换较顺直型更为剧烈的结论[12]。Singha等[13]通过试验指出河道平面形态变化将会引起水流加速或减速运动,该变化会极大得影响推移质输移过程[14]。曹叔尤等[15]开展了上游泥沙补给变化下宽窄相间漫滩复式航槽河床调整与突变响应试验,提出了河床是否发生自我调整存在着一种临界水沙条件。Rezaei[16]、Chlebek[17]和王淑英[18]等在不同形态的复式河槽中开展了水流试验,发现滩地形状及河槽形态的改变将导致滩槽动量交换强度的变化。
以上这些研究针对滩地形态有变化的复式河槽开展了水沙运动试验和模拟研究,但并未针对滩地形态变化带来的水流特性、床面切应力及推移质淤积作详细研究。作者通过开展概化模型试验,研究展宽航槽形态变化引起的水流运动各项特性变化,从机理上解释展宽航槽发生推移质淤积的原因,并提出一种判别推移质在展宽航槽段是否发生淤积的方式。
1 试验概况试验在展宽航槽概化模型水槽中开展。该模型航槽由单一航槽(窄深段)与复式航槽(宽浅段)共同组成,其中:单一航槽段长12 m,宽1 m,深0.2 m;展宽航槽段主航槽长11 m,宽1 m,主航槽床面与滩地床面高差为4.5 cm,主航槽两侧对称布置了滩地,单边滩地宽度为2.1 m。单一航槽与展宽航槽主航槽直接相连,整个水槽底坡为0.003,床面铺设粒径1 cm的卵石颗粒并用水泥固化用以模拟山区砂卵石河床粗化层不发生破坏的情形。坐标原点设置在单一航槽与展宽航槽交界断面的主航槽中心处,
考虑了6种不同的上游来流量,具体参数如表1。每组工况开展了详细的水深测量、流速测量、床面切应力测量、示踪试验和推移质淤积试验,各项测量试验详情介绍如下。每组工况中的5种测量分开进行,避免相互干扰。
表1 各试验工况参数表 Tab. 1 Summary of parameters in six cases |
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图1 概化展宽航槽平面图 Fig. 1 Plan view of experimental flume with arrangements of measurement transections and coordinate system |
1.1 沿程水深测量设备及方法
水深测量采用武汉大学制造的LH-1全自动水位仪,数据采样频率为0.5 Hz,采样时间为25 min。在拟定的测量断面基础上,考虑到断面0#附近水深会有较大变化,此处加设测量断面。小流量下(工况1、工况2),水深调整范围较短,从断面–1#到1#之间每隔0.5 m加设一个测量断面;大流量下(工况3、工况4、工况5、工况6),水深调整范围较长,从断面–2#到2#之间每隔0.5 m加设一个测量断面,测点布置在单一航槽与展宽航槽主航槽中心处。另外,上游稳定水深为断面–3#和–3.5#处的水深平均值,下游稳定水深为水流稳定断面6#和7#处的水深平均值。
1.2 流速测量设备及过程在本文的6组试验工况中,展宽航槽的水深有限(4~12 cm)且声学多普勒流速仪器(ADV)有5 cm的盲区无法测量数据,因此,不能用ADV测量沿程各断面的流速垂向分布。所以这里选择南京水利科学研究院研发的LGY—Ⅲ型多功能智能流速仪测量各断面的流速垂向分布,流速仪同时配备8只直径15 mm的新型流速旋浆传感器,每次采样时间为10 s,流速仪自动连续测量3次,并逐次显示、计算和存储测量平均流速。测量断面为断面–3.5#到7#,每个断面横断面的流速测线布置如下:在主航槽中,以主航槽中心为基准左右对称布置3根测量垂线,测线间距为15 cm(合计布置7根测线),最靠近床面的测点距离床面1.5 cm,垂向测点间距为0.5 cm直至水面;滩地上,因为复式航槽左右滩地对称布置,这里仅考虑在右侧滩地进行测量工作,以滩槽交界面为起点,往外每隔30 cm布设一侧线,共布设7条测线,最靠近床面的测点距离床面1.5 cm,垂向测点间距为0.5 cm,直至水面,具体断面测点布置见图2。
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图2 断面测点图(以工况4为例) Fig. 2 Arrangement of measurement points at a cross section of the shallow-wide navigation channel(Taking Case 4 as an example) |
1.3 床面剪切应力测量设备及计算方法
床面剪切应力无法通过测量直接获得。ADV无法测量流速的垂线分布,但在水深大于5 cm的工况中,可以测量近底雷诺剪切应力,再通过计算获得床面剪切应力。ADV采样频率和时间分别为50 Hz和30 s。由于水流在下游断面5#、6#、7#,上游断面–2.5#、–3#、–3.5#较为稳定,故在这些测量断面开展测量。在每个测量断面上设计3个测量点,分别为主航槽中心点(
$\tau = {\tau _{\rm V}} + {\tau _{\rm R}}$ | (1) |
式中,第一项
$\tau \approx {\tau _{\rm R}}$ | (2) |
对于湍流区的切应力,它与床面切应力(即摩阻流速
${\tau _{\textit{z}}} = \left( {1 - \frac{{\textit{z}}}{H}} \right){\tau _{\rm b}} = \left( {1 - \frac{{\textit{z}}}{H}} \right)\rho {u_*}^2$ | (3) |
其中,
在航槽内开展荧光示踪剂试验以证明主航槽两侧滩地水流的对称性及水流扩散现象。试验前,取10 g荧光剂干粉溶于10 L水中搅拌均匀。随后,将荧光剂水溶液均匀加入上游航槽
推移质淤积试验考虑了长时段内上游有均匀泥沙补给的条件,加沙位置在单一航槽段入口处。本研究考虑了2种泥沙粒径(1~2 mm和3~4 mm),分别由天然级配沙筛分获得,完全晒干后各称取250 kg。推移质淤积试验考虑了2组工况:1)50.9 L/s流量下采用1~2 mm泥沙颗粒(工况 S1);2)75.4 L/s流量下采用3~4 mm的泥沙颗粒(工况 S2)。上游泥沙补给采用自主研发的自动加沙机可以实现在固定时间内均匀加入推移质泥沙,每组试验工况中,250 kg泥沙颗粒在10 h内均匀加入,由于加沙机体积有限,每次添加50 kg,加沙强度为50 kg/2 h,每组共计添加5次。这里充分考虑推移质运动的时间比尺问题,因此,10 h加沙结束之后,水槽继续运行至少14 h,合计运行至少24 h,确保推移质能够向下游充分运动。在推移质试验完成后,待水槽及淤积推移质泥沙颗粒完全晾干后用全站仪采集下游展宽航槽段推移质泥沙淤积形态。在展宽航槽中,我们使用全站仪在主航槽
采用推移质泥沙的临界起动条件作为判断推移质颗粒是否在展宽航槽中淤积。在计算沙粒临界条件时,采用Julien[21]的方法,引入临界希尔兹参数
${d_ * } = {d_{\rm s}}{\left[ {\frac{{\left( {{\rho _p} - \rho } \right)g}}{{\rho {\nu ^2}}}} \right]^{\frac{1}{3}}}$ | (4) |
式中:
${\tau _{\rm c}} = \rho u_{ * {\rm c}}^2 = {\tau _{ * {\rm c}}}\left( {{\rho _{\rm p}} - \rho } \right)g{d_{\rm s}}$ | (5) |
当推移质泥沙颗粒已知时,通过式(4)、(5)可计算出所选粒径泥沙颗粒的临界起动摩阻流速,通过比较床面摩阻流速与推移质临界起动摩阻流速来判别泥沙淤积情况。不同中值粒径的推移质临界起动摩阻流速和床面摩阻流速见表2。
表2 各工况下推移质临界起动摩阻流速和床面摩阻流速计算结果表 Tab. 2 Summary of critical initiation shear velocity and bed shear velocity |
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2 结果分析与讨论 2.1 水深沿程分布
在本文设计的试验水槽中,航槽过流断面突然展宽导致水深发生改变。水深变化主要发生在单一段和展宽段交界处(
王淑英等[18]在宽窄交替相间河道中发现,在河宽最窄处水深降至最低,而在河宽最宽处水深升至最大。其测量结果与本文结果有较大差异,主要由于她们的试验是在宽窄交替相见河道中开展的,河道变宽后的再次变窄会对水流的纵向发展产生影响。而本文的试验航槽展宽后在纵向上不再发生航槽形态变化,所以得到与前人研究不同的测量结果。
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图3 工况3和工况5下水深沿程分布 Fig. 3 Longitudinal evolution of flow depth in cases 3 and 5 |
2.2 流速分布 2.2.1 水深平均流速沿横向分布
类似的,单一和展宽航槽交界处横断面形态的改变引起了滩槽流速分布的变化,进而影响了航槽的过流能力及推移质输沙能力。
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图4 工况6下展宽复式航槽垂线平均流速沿横向分布 Fig. 4 Lateral distributions of depth-averaged velocity in the compound navigation channel in case 6 |
图4给出了工况6(
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图5 工况5(
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2.2.2 水深平均流速纵向分布
图6给出了6组工况下主航槽内平均流速的沿程分布,各断面流速均用
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图6 各试验工况下主航槽流速沿程分布 Fig. 6 Longitudinal distribution of mean velocity in the main navigation channel in six cases |
2.3 推移质淤积
图7给出了不同条件下(表2)的推移质泥沙在展宽主航槽中的淤积形态,主航槽的相对高程(即,测量高程减去滩地高程)用不同颜色表示。例如,深蓝色(–0.045 m)表示主航槽没有推移质淤积,而橙色(0 m)表示推移质淤积高程等于滩地高程。在工况 S1中,考虑了较小的推移质粒径(1~2 mm),不论是单一航槽段还是展宽航槽段,都满足
天然河道一般修建丁坝实现束水攻沙清淤。董年虎等[22]在试验中发现,在丁坝束窄作用下,越小的河道断面宽度形成越大的断面冲刷下切深度。这是因为较小的河道宽度形成较大的断面平均流速和较强的推移质输沙能力。这与本文研究的观测结果类似,上游单一航槽段宽度小于下游展宽航槽段,因此,上游航槽段流速大、输沙能力强。但是,本文采用固定河床开展试验,无法观测到河床冲刷深度的变化。然而,根据本文试验结果,在董年虎等[22]的丁坝束窄河道试验中,随着水流远离丁坝,断面宽度变大,主河道流速减小,水流挟沙能力下降,推移质可能会在主河道中淤积。
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图7 不同条件下主航槽推移质淤积形态 Fig. 7 Bedload deposition in the main navigation channel under different conditions |
3 讨 论
本文中考虑到的泥沙试验是在滩槽宽度比(
1)从单一航槽段开始,水深逐渐减小直至在展宽航槽段达到稳定,水深变幅最大的区域靠近单一和展宽航槽交界断面,单一航槽与展宽航槽的水深差随上游来流量的增大而增大。
2)主航槽断面平均流速自单一航槽段逐渐增大,在单一和展宽航槽交界断面附近达到最大(约等于1.5倍稳定段单一航槽断面平均流速),随后逐渐减小直至达到稳定。相反,展宽航槽段滩地流速沿水流方向逐渐增大,直至稳定。主槽和滩地水流的稳定区域基本一致,因为滩槽动量交换在该区域达到稳定。
3)在床面粗化层不破坏的前提下,通过比较床面摩阻流速(
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