物理模型試驗固化有坎斷面方案的水位流量關系分析

陳滋月

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121002）

物理模型試驗固化有坎斷面方案的水位流量關系分析

陳滋月

（遼寧省錦州水文局，遼寧錦州121002）

斷面固化有利于斷面水位流量關系的穩(wěn)定，本文采用物理模型試驗的方法分析斷面固化方案對斷面水位流量關系的影響。研究結果表明：在固化斷面前設置過渡坎斷，將減少固化斷面的泥沙淤積量，使得固化斷面處的水位流量關系趨于穩(wěn)定。研究成果對于汛期河流測流技術的改進具有參考價值。

物理模型試驗；測流斷面固化；過渡坎斷；水位流量關系影響分析

受斷面沖淤變化影響，測流斷面水位流量關系常常出現(xiàn)紊亂，而穩(wěn)定的水位流量關系對于測流技術效率的提高十分重要。運用穩(wěn)定的水位流量關系，即可通過水位來推求流量，而當前大多數(shù)河流都可實現(xiàn)水位的自動遙測，通過自動遙測的水位再結合穩(wěn)定的水位流量關系即可以實現(xiàn)流域流量的自動遙測，這一技術將提高汛期測流的效率并保障測流人員的安全。對于穩(wěn)定水位流量關系的推求國內(nèi)有學者展開過相關研究，取得一定的研究成果［1-6］，這些成果大都采用數(shù)學方法來擬合水位流量關系點，通過曲線擬合的方法來模擬穩(wěn)定的水位流量關系，但這些方法存在計算誤差，并且在每次使用前都需要再對擬合的水位流量關系曲線進行重新率定和修正。斷面水位流量關系受斷面沖淤變化影響較大，理論上通過斷面固化，使得斷面呈現(xiàn)穩(wěn)定狀態(tài)有助于斷面水位流量關系的穩(wěn)定性，為驗證這一項理論技術，結合物理模型試驗的方法，通過設置固化斷面，并設置不同等級的放水流量，通過固化斷面處實測的水位流量來分析固化斷面對水位流量關系的影響。研究成果對汛期洪水測流技術的改進和效率提高具有一定的參考價值。

1模型試驗河槽布置圖

本次物理模型試驗采用的主河槽長度為45m，由3部分組成，分別為水流穩(wěn)定段、河床試驗段以及2個河段連接的過渡段，河段連接過渡段與河床試驗段采用粗砂進行連接，整個試驗河槽的縱向比降為1/1000，模型試驗河槽各連接段布置如圖1所示。

圖1模型整體布置平立面圖（　單位：mm）

本次物理模型試驗水槽寬度為3.95m，水槽的深度為1.1m，整個河床采用粒徑為0.42mm的粗砂構建而成。為了模擬天然河道的沖刷情況，整個主河槽采用的粗砂厚度為30cm，邊坡系數(shù)為1∶2，整個河槽底部的寬度為1.1m，主河槽的兩側有0.37m寬的灘地，試驗河槽的剖面如圖2所示。

圖2模型剖面圖（　單位：mm）

2試驗方案

本次物理模型試驗水流采用高水位的水箱進行供給，主要放水流量概化為10、50、100、85、60、45、30、15（單位為L/s），河槽主試驗段內(nèi)15m為本次物理模型試驗的測流范圍，在河段試驗范圍內(nèi)設置3個斷面進行水位測量，每個斷面之間的距離為3m，在試驗范圍區(qū)的尾段設置有水位計，主要用來觀測退水。試驗河槽按照圖1的方案進行布置，布置后的效果如圖3所示，斷面構建完成后，實現(xiàn)水流的倒灌，倒灌后再恢復地形，通過反復倒灌，運用地形觀測儀器測量試驗河段的初始地形。在模型試驗中當每一級放水流量穩(wěn)定后，觀測試驗河段的地形以及斷面的水位和流速。固化斷面布置方案主要為將2號斷面（如圖4所示）設置為測流控制斷面，將該斷面進行固化，固化的寬度為6cm，并在2號斷面前設置坎斷，該坎斷高出試驗河段底部2cm，并在試驗固化斷面的上游和下游各設置寬度為20cm的碎石岸邊護坡。波動水躍，如圖5所示。在放水流量為50L/s時，控制斷面水面跌水現(xiàn)象有所減弱，跌水高差為0.3cm，坎下有較大波紋，如圖7所示。當流量為100L/s時，水面較平穩(wěn)，無大波紋。控制斷面處的水位流量關系曲線如圖9所示。

圖3全動床河槽初始斷面形態(tài)

圖510L/s沿程水面線

圖610L/s流量現(xiàn)場照片

圖750L/s沿程水面線

圖850L/s流量現(xiàn)場照片

圖4固化斷面布置方案

3試驗觀測成果

3.1控制斷面的水位流量關系曲線

通過試驗觀測放水流量為10L/s時，水面有明顯跌水現(xiàn)象，跌水高差為1.83cm，坎下1m范圍有

圖9試驗固化斷面處水位流量關系曲線

從試驗結果可以看出控制斷面流量關系曲線呈反繩套，這是由于斷面淤積而致。固化斷面固定了斷面處的岸壁和河底，但上游河道為水流提供了大量的泥砂，當流量逐漸減小后，水流挾砂能力降低，河底淤積，淤積厚度大于坎高。

3.2固化控制斷面的沖淤變化

模型放水前后縱斷圖如圖10所示，黑色實線為初始地形，黑色虛線為退水后地形。洪水過后河底淤積，坎上淤積厚度為0.7cm。

圖10試驗固化斷面退水前后地形縱斷對比

圖11試驗固化斷面退水后照片

3.3坎高對糙率的影響

河床糙率是影響河道水位的重要因素。當放水流量不變時，糙率大，則流速小，水深大，因此糙率的大小直接影響流速的大小。對同一個河流，河床糙率可以認為是一個常數(shù)，無坎固化是自然的銜接河道上下游，沒有改變河道斷面，而且固化段只占整個河長的很小一部分，對河道糙率幾乎沒有影響。而有坎固化方案，坎高會引起局部的水位降落，對水面坡度和糙率是有影響的。從理論上就有坎方案對水力坡降的影響進行分析。河道水深與坎高的比值是一個重要的指標，根據(jù)過去水力計算經(jīng)驗分析，如果淹沒水深較大，例如水深H是坎高的10倍時，在天然河道的水位落差只有3～5cm（小于等于5cm），而在水深H是坎高的5倍時，在天然河道的水位落差約為5～8cm（小于等于8cm）。由上述有坎水力坡度可知，有坎引起的水位落差越小，則在水力坡度中的比重就小。當水深是坎高的5倍、水位落差為8cm時，假定天然河流水位坡降為1/1000，觀測長度L=1000m時，如果將水位觀測長度加長為L=2000m，則此時有坎引起的水位落差對比降的影響基本可以忽略，由此推出對糙率的影響也可以忽略不計。

4結論

本文通過物理模型試驗的方法分析固化有坎試驗方案對測流斷面的水位流量關系的影響，通過試驗分析得到以下結論：

（1）坎高與水深的比值不能太大，即，只適合洪水期時大流量用。

（2）固化有坎處，水位落差控制在0.1m以下，否則計算誤差將很大。觀測固化上下游水位的距離應在2000m以上（坎高越大，水位觀測的距離就越大）。

（3）在計算有坎河道的流量時，當流量小時，坎高與水深的比值將較大，坎的影響也較大。這時坎高對糙率的影響不能忽略，采用曼寧公式計算出的流量將會偏大，應乘以修正系數(shù)，修正系數(shù)與坎高和水深的比值有關，應通過試驗分析確定。對于洪水時期的大流量可以不考慮坎的影響，已知水位即可直接采用曼寧公式計算出流量。

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1008-1305（2016）03-0083-03

10.3969/j.issn.1008-1305.2016.03.032

2016-04-01

陳滋月（1989年—），男，助理工程師。