影響階梯-深潭結(jié)構(gòu)消能率的主要因素分析

胡駿峰，漆力健，黃華東，黃詩淵

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影響階梯-深潭結(jié)構(gòu)消能率的主要因素分析

胡駿峰1，漆力健2，黃華東3，黃詩淵1

（1.重慶交通大學(xué) 河海學(xué)院，重慶 400074；2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利與建筑工程系，四川 雅安 625014；3.重慶交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，重慶 400074）

階梯-深潭系統(tǒng)是山區(qū)河流廣泛分布的重要河床結(jié)構(gòu)，探究其形態(tài)和尺寸的規(guī)律對于認(rèn)識山區(qū)河流穩(wěn)定性及河床演變具有重要意義. 以探究影響階梯-深潭結(jié)構(gòu)消能率的因素為目的，通過選取野外發(fā)育良好的階梯-深潭典型跌落式和滑落式結(jié)構(gòu)，實測階梯高度、深潭容積等基本參數(shù)，計算消能率的大小，并通過數(shù)據(jù)分析影響消能率的主要因素. 結(jié)果表明：流量容積比、階梯-深潭高長比和出流方式對階梯-深潭的消能率有較大影響，隨著和的增加，消能率逐漸降低；當(dāng)大于0.084、大于1.100時，滑落式的消能效果普遍優(yōu)于跌落式. 該研究結(jié)果為工程中選擇適當(dāng)?shù)碾A梯-深潭結(jié)構(gòu)體型、尺寸提供了理論依據(jù).

山區(qū)河流；階梯-深潭結(jié)構(gòu)；消能率；出流方式；流量容積比

在山區(qū)河流中，階梯-深潭結(jié)構(gòu)是很常見的地貌形態(tài)結(jié)構(gòu)，研究人員通過研究深潭結(jié)構(gòu)發(fā)布了以下成果：Wang Zhao等[1]研究發(fā)現(xiàn)階梯-深潭不僅能消耗能量，控制河床侵蝕，還能提供生物棲息地；Church M等[2]用水槽實驗和野外觀測說明了階梯-深潭的破壞機理；Yu Guoan等[3]將人工階梯-深潭系統(tǒng)用于河流的生態(tài)修復(fù)；Anne Chin等[4]研究了階梯-深潭的構(gòu)成；Curran等[5]研究了山區(qū)河流中階梯-深潭的空間分布規(guī)律. 但以上成果并沒有對階梯-深潭的形態(tài)和尺寸進行相關(guān)研究，因此在修建人工階梯-深潭的過程中沒有可參考或遵循的策略，導(dǎo)致過去的大部分人工階梯-深潭系統(tǒng)并沒有成功，所以現(xiàn)在需要對階梯-深潭的形態(tài)和尺寸進行研究，以發(fā)現(xiàn)階梯-深潭形態(tài)和尺寸的規(guī)律. 由于近幾十年經(jīng)濟的快速發(fā)展，人類對大自然的無節(jié)制的開發(fā)和利用，導(dǎo)致河道下切侵蝕嚴(yán)重，造成了一系列嚴(yán)重的破壞，而階梯-深潭系統(tǒng)能減緩水流速度、消耗水流能量，還能控制河床侵蝕下切，是大坡度山區(qū)河流的健康穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形態(tài). 研究階梯-深潭結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸方面的規(guī)律能為山區(qū)河流治理提供相關(guān)依據(jù)，為改善生態(tài)環(huán)境、預(yù)防我國山區(qū)河流的自然災(zāi)害提供參考.

1 階梯-深潭結(jié)構(gòu)模型

1.1 階梯-深潭結(jié)構(gòu)的模型分類

在野外眾多類型的階梯-深潭結(jié)構(gòu)當(dāng)中，根據(jù)水流從階梯口流入深潭的不同方式，階梯-深潭結(jié)構(gòu)可分為滑落式和跌落式兩種. 圖1-a是一個典型的滑落式類型，它由緩坡連接階梯再連接深潭組成，水流緊貼階梯流入深潭. 緩坡與階梯連接處是一個轉(zhuǎn)彎口，且緩坡和階梯段河床質(zhì)以石塊為主，其粒徑在30～60mm之間；深潭中河床質(zhì)主要為細(xì)沙和礫石，在深潭的邊緣能觀察到浮游目稚蟲等大型底棲無脊椎動物；由于階梯-深潭的存在，系統(tǒng)中水流出現(xiàn)了強烈的滲氣，維持和改善了良好的水生環(huán)境. 跌落式是類似于小瀑布的類型，圖1-b為典型的跌落式階梯-深潭類型，整個結(jié)構(gòu)由巨石發(fā)育而成，粒徑大約為3～4m，跌水的形狀類似V字形，跌入深潭的角度在80°～90°，深潭滲氣強烈. 本研究在野外一共隨機取樣觀察12個樣本點，其中有6個為滑落式，6個為跌落式.

a.滑落式野外觀測實例 b.跌落式野外觀測實例

1.2 階梯-深潭結(jié)構(gòu)的消能率

在雅安地區(qū)眾多的山區(qū)河流中（如濆江、周公河、雅礱江等），隨機選取具有代表性的階梯-深潭結(jié)構(gòu)，取其中發(fā)育良好的一段，實測其幾何參數(shù)并計算其消能率，推測影響消能率的主要因素，階梯-深潭的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示. 用流速儀實測階梯口、深潭出口處的平均流速，用皮尺測量階梯口、深潭出口的幾何參數(shù)，計算流經(jīng)整個系統(tǒng)的水流流量；此外，用床面結(jié)構(gòu)形態(tài)測量排[6]測得深潭的深度、深潭口的出流深度以及階梯的高度、深潭的尺寸等. 對階梯-深潭上下游分別列能量守恒方程，以上下游的能量差比上游的總能量作為能量的消耗率可計算消能率，具體計算公式如下：

圖2 典型階梯-深潭結(jié)構(gòu)示意圖

2 消能率與流量和容積的關(guān)系

圖3 消能率與的關(guān)系擬合曲線

3 消能率與階梯-深潭結(jié)構(gòu)尺寸的關(guān)系

圖4 消能率與的關(guān)系擬合曲線

4 消能率與出流方式的關(guān)系

為探究出流方式對階梯-深潭結(jié)構(gòu)的影響，按照出流方式的不同，分別做出、與消能率關(guān)系的擬合曲線，具體如圖5、圖6所示.

圖5 出流方式和對消能率的關(guān)系擬合曲線

圖6 出流方式和對消能率的關(guān)系擬合曲線

野外觀察發(fā)現(xiàn)，不同的出流方式，其深潭出口段的水流順滑程度也不同，一般滑落式出流的水流表面破碎較小、水花較小、水流平順，且滑落式的階梯越平緩，出流的水流越平滑. 圖5表明：當(dāng)流量容積比大于0.084時，滑落式的消能率大于跌落式；當(dāng)小于0.084時二者沒有明顯差別. 由此可知，當(dāng)較大時，水流流入深潭的方式對消能率有明顯的影響. 水流沿著階梯流入深潭，階梯段的沿程阻力會消耗一部分的水流能量，使得水流平滑地進入深潭中，從而讓更多的水體參與紊動、旋滾，以提高水流的紊動耗散率. 而當(dāng)較小的時候，深潭段的整體消能率較高，滑落式中階梯阻力所消耗的能量相對較小，此時，滑落式與跌落式?jīng)]有明顯差別. 圖6表明：當(dāng)小于0.016時，滑落式與跌落式的消能率沒有明顯區(qū)別. 這同樣也是由于當(dāng)消能率較高時，階梯所消耗的能量相對較小，因而滑落式與跌落式的消能率無明顯差別；當(dāng)在0.016～1.100時，跌落式的消能率大于滑落式，這有可能是跌落水舌的形狀所導(dǎo)致的消能率的暫時的偏高；當(dāng)大于1.100時，滑落式的消能率高于跌落式. 所以，只有、較大時，出流方式對消能率才有較大的影響，而在、較小時，則不明顯.

5 結(jié)語

通過對野外階梯-深潭結(jié)構(gòu)的研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)階梯高度與深潭長度比和流量容積比增大時，階梯-深潭的消能率將逐漸減小. 其中出流方式對消能率的影響是：當(dāng)大于1.100，大于0.084時，滑落式的消能效果普遍優(yōu)于跌落式. 在修建人工階梯-深潭結(jié)構(gòu)防治泥石流災(zāi)害或者控制河床下切的工程中，可以選擇適當(dāng)范圍的流量容積比、階梯高度與深潭長度比和出流方式來設(shè)計人工階梯-深潭結(jié)構(gòu)的形態(tài)和尺寸，使其結(jié)構(gòu)發(fā)揮出消耗水流能量最大的效果.

文章中尚存在諸多不完善之處，如對于階梯-深潭類型的劃分應(yīng)更加精細(xì)；再如，研究未考慮水舌形狀以及入水的角度對消能率的影響.

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[責(zé)任編輯：熊玉濤]

An Analysis of the Major Influencing Factors in Energy Dissipation Rate of Step-pool Systems

HUJun-feng1, QILi-jian2, HUANGHua-dong3, HUANGShi-yuan1

(1. Hehai College, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China;2. Department of Water Resources and Architectural Engineering,Sichuan Agricultural University, Ya’an 625014, China; 3. College of Civil Engineering and Architecture, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China)

The step-pool system is one of the most important and widespread riverbed forms of mountain rivers. Exploring the shape and size of step-pool systems is of great significance to understanding the stability and fluvial process of mountain river beds. This paper purports to study the influencing factors in the energy dissipation rates of step-pool systems. It uses field experiments to measure the height of step, stream flow and volume to get the energy dissipation rate of a step-pool system. Research results show that stream flow volume ratio, the ratio of high and length for step-pool systems and the means of outflow have a significant effect on the energy dissipation. On one hand, with the increase ofand, energy dissipation decreases gradually. On the other hand, whenis larger than 1.100 andlarger than 0.084, the effect of the type of slide is often more significant than the type of falling. This research provides a theoretical foundation for selecting the proper size for step-pool systems in engineering.

mountain rivers; step-pool structures; energy dissipation; means of outflow; stream flow volume ratio

1006-7302（2015）02-0026-05

TV143

A

2014-12-30

四川省教育廳資助項目“階梯-深潭系統(tǒng)防治泥石流的研究”（12ZB306）.

胡駿峰（1991—），男，四川成都人，在讀碩士生，主要從事巖土工程以及工程水力學(xué)相關(guān)的研究.