河流彎道角度和流量對河流彎道沖刷影響研究

賀麗麗 郭向紅 趙俊剛 全炳欣 梁世春

（1.太原理工大學水利科學與工程學院 山西太原030024；2.山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 山西太原030012）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，我國公路建設(shè)規(guī)模越來越大。不少公路路段由于地形限制與河道并行，存在沿河公路路基侵占河道、壓縮河床過水斷面，致使河道中水位升高，流速增大，河道沖刷加劇等問題出現(xiàn)[1]。天然河道彎曲型居多，水流進入彎道后，由于離心力的存在，水流改變原有平穩(wěn)的流態(tài)，凹凸兩岸出現(xiàn)水面橫向比降，并在順水流方向不斷改變，出現(xiàn)三維螺旋流[2]。河流彎道獨特的水流特性也使得彎道中泥沙的運輸也變得復雜，位于河流彎道的泥沙常常出現(xiàn)兩岸不同程度的沖刷或者凹岸沖刷凸岸泥沙淤積的現(xiàn)象[3]。位于河道凹岸的公路路基邊坡和坡腳很容易被水流沖刷致使河床的不斷下切，造成路基土體流失，以致變形垮塌[4-6]。所以，合理確定路基防護物基礎(chǔ)埋深的大小顯得十分重要。因此，本文運用物理模型試驗，研究河道流量和彎道角度對河流彎道沖刷深度的影響，為沿河公路路基沖刷計算提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗系統(tǒng)

試驗在太原理工大學水流試驗大廳進行，試驗系統(tǒng)布置如圖1 所示。試驗系統(tǒng)由進水箱、河道、退水箱、循環(huán)管道構(gòu)成，進、退水箱及河道均由有機玻璃制成，進水箱體積為1.5 m×1 m×1.2 m，河道由直段和三組彎段（15°、30°、45°）組成，河道斷面為矩形斷面，規(guī)格為0.3 m×0.3 m，二者依靠法蘭連接成完整的河道，退水箱體積為1.8 m×1 m×1.15 m，循環(huán)輸水管道則是由鋼管制成，連接進退兩水箱，按照直徑不同分為D50 和D100 兩種方便輸送不同流量大小的水流。

圖1 試驗系統(tǒng)布置圖

試驗時將一定高度的泥沙平鋪在河道內(nèi)，水從輸水管輸入進水箱，待進水箱水位達到河道高度時，由閥門控制水流流入河道，對河道內(nèi)的泥沙進行沖刷。進水箱與河道連接處設(shè)有穩(wěn)流裝置，以達到水流流態(tài)平穩(wěn)，同時在河道入口處裝有三角堰用于擋沙。渠道末端和退水箱相連，由進水箱內(nèi)的水攜帶河道中的泥沙一并進入退水箱中，箱中設(shè)有泥沙過濾裝置，水流經(jīng)退水箱過濾后由循環(huán)輸水管道中的水泵抽出經(jīng)鋼管回流到進水箱，形成一個封閉循環(huán)系統(tǒng)，經(jīng)過濾后泥沙可再次使用。

1.2 試驗方案

本試驗研究的目的是分析不同流量和不同彎道角度下河道沖刷深度。因此，試驗以流量和彎道角度為控制因素，設(shè)置幾個不同流量水平，即10、15、20、25、30、35、40、45、50 m3/h，三個彎道角度，即15°、30°、45°，共27 組試驗。試驗用沙為非均質(zhì)天然沙，圖2 為試驗選用天然沙級配圖，其中d50=0.94 mm，γ=2 650 N/m3。

1.3 測點布置與測試項目

圖2 天然泥沙級配表

試驗測量主要集中在河道直段及彎段中進行，河道長7.5 m，直段長6 m，彎段長1.5 m。如圖3 所示天然沙沖刷試驗中沿程共設(shè)置了9 個斷面。直段部分設(shè)置4 個斷面，分別為斷面1（0 m）上游直段入口、斷面2（0+1.5 m）上游直段中部、斷面3（0+3.5 m）上游直段中部、斷面4（0+5.0 m）上游直段下部。彎段部分設(shè)置4 個斷面分別為斷面5（0+5.6 m）彎段入口處、斷面6（0+5.85 m)彎頂處、斷面7（0+6.1 m)彎道出口處及斷面8（0+6.5 m）彎段出口下游處。下游直段中部設(shè)置斷面9（0+7.1 m）。

圖3 天然沙河道測點布置圖

河道流量采用電磁流量計測量，通過閥門調(diào)節(jié)循環(huán)輸水管道中進入進水箱中的水流流量，繼而控制流入河道的水流流量。河道中泥沙沖刷深度的測量選用鋼針和鋼尺測量，其中鋼針測量精度較高（0.001 m），每次試驗水流沖刷結(jié)束后，利用鋼針測量各個測點凹岸和凸岸河床的高度，與該測點沖刷前河道中鋪沙高度的差值計算出該測點泥沙沖刷的深度。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)處理采用excel，繪圖采用origin2019，公式擬合采用1stOpt1.5pro 軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 河流流量對河流彎道沖刷深度影響分析

圖4 不同流量下河道沖刷深度二維分布圖

圖4 為彎道角度45°不同流量下河道沖刷深度二維分布圖。由圖可知，不同流量下河道沖刷深度分布規(guī)律相似，即，在順直河段，河道沖刷深度均勻，且較??；在彎道河段，河道凹側(cè)泥沙沖刷深度順水流方向呈現(xiàn)先逐漸增大，出彎道后逐漸減小的現(xiàn)象，彎道凸側(cè)沖刷深度較小或出現(xiàn)了淤積現(xiàn)象，河道凹側(cè)沖刷深度大于凸側(cè)沖刷深度，河道最大沖刷深度出現(xiàn)在河道凹側(cè)彎頂?shù)南掠?。這是由于在水流在彎道部分形成彎道環(huán)流，造成河道凹岸沖刷，凸岸淤積。進一步分析可知，河流流量對河道各段沖刷深度有一定的影響。在順直河段，隨著流量的增大，沖刷深度也逐漸增大，例如：水流流量Q=10 m3/h 時，天然沙沖刷深度約為0.5 cm；流量Q=50 m3/h 時，天然沙沖刷深度約為4 cm。在彎道河段，沿程泥沙沖刷深度均隨流量的增大而增大。圖4 中，彎道角度為45°條件下，流量由10 m3/h 增至50 m3/h，彎道出口處凹側(cè)最大沖刷深度由4.72 cm逐漸增至18.48 cm，增幅近三倍。這是由于水流進入彎道后受凹側(cè)路基阻擋，水流形態(tài)發(fā)生改變，在彎段凹側(cè)產(chǎn)生沿水流方向順時針螺旋流，具有較強的切應力，大量床沙成為懸移質(zhì)被水流攜帶走，造成彎道凹側(cè)局部沖刷。隨著流量增大，水流流速也隨之增大，水流沖擊能力增強，凹側(cè)沖刷深度也隨之增大。

2.2 河流彎道角度對河流彎道沖刷深度影響分析

圖5 為不同彎道角度條件下河流沖刷深度情況。由圖分析可知，不同彎道角度下，彎道沖刷分布規(guī)律一致，均為凹岸沖刷，凸岸淤積，但彎道角度對沖刷深度有一定影響，隨彎道角度的增加，河流彎道凹側(cè)泥沙沖刷深度也增大。在圖5 中，流量為50 m3/h 時，彎道角度由15°增大至45°，彎道最大沖刷深度由5.83 cm升至18.43 cm，增幅高達216%。這是由于隨著彎道角度的增大，河流彎道環(huán)流發(fā)育越充分，水流沖擊能力增強，凹側(cè)沖刷深度也隨之增大。

2.3 流量和彎道角度對河流彎道沖刷最大深度影響分析

圖6 為河流彎道角度和流量交互作用對河道沖刷深度影響。由圖可知，在同一流量下，最大沖刷深度隨著彎道角度的增大而增大，在同一彎道角度下，最大沖刷深度對照流量的增大而增大，彎道角度和流量的交換作用，增大了河流彎道的沖刷深度。

圖5 不同彎道角度下河道沖刷深度二維分布圖

圖6 河流彎道角度和流量交互作用對河道沖刷深度影響

進一步，采用式（1）形式的多元乘冪函數(shù)對彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度的關(guān)系進行擬合，擬合結(jié)果為： 擬合參數(shù)a、b、c 分別為0.102 6、0.555、0.756 5，相關(guān)系數(shù)R 為0.981。這說明河流彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度的關(guān)系，可以采用式（1）的多元乘冪函數(shù)表示。

式中：hmax——河流彎道泥沙最大沖刷深度，cm；

Q——流量，m3/h

θ——彎道角度，°；

a、b、c——擬合參數(shù)。

3 結(jié)論

本文通過對不同流量和彎道角度對河道沖刷深度的影響分析，得出以下結(jié)論：1）順直河段河流沖刷深度較小且均勻，河流彎道凹岸沖刷深度較大，而凸岸沖刷深度較?。?）河流流量和彎道角度對河道沖刷深度有一定的影響，隨著流量和彎道角度的增大，順直河段和彎道河段的沖刷深度均增大；3）河流彎道最大沖刷深度與流量和彎道角度呈多元乘冪關(guān)系。